臭氧在饮用水处理中的应用
臭氧（O3）以其强大的消毒和氧化能力而闻名，是现代饮用水处理中的基石。它的多功能性使其可以在不同阶段部署，例如预氧化、中间氧化或最终消毒。最佳应用通常是在预氧化阶段使用臭氧，位于砂滤池或颗粒活性炭（GAC）过滤器等介质过滤器之前。这种策略性布置使后续过滤能够有效去除残留的有机物，这对于整体处理效率和最终消毒质量至关重要。
这种组合方法带来了显著的优势：
- 去除有机和无机物
- 降解微污染物，包括农药
- 增强絮凝、混凝和沉淀过程
- 提高消毒效果并减少消毒副产物（DBPs）
- 消除不良气味和味道
去除有机和无机物
所有天然水源都含有天然有机物（NOM），通常以溶解性有机碳（DOC）来衡量。其浓度范围可从0.2到超过10毫克/升（mg/L，或百万分之一，ppm）。NOM会直接导致气味和味道问题，并间接引发有机消毒副产物（DBPs）的形成以及配水系统中细菌的再生长。有效去除NOM是生产安全饮用水的高度优先事项。
虽然臭氧与其他氧化剂一样，很少能实现NOM的完全矿化，但它能部分氧化有机物，使其更易于生物降解。这个过程会增加可生物降解的DOC（BDOC）浓度。因此，当臭氧用作预氧化剂时，它能显著提高下游过滤器去除NOM的效率。研究表明，将臭氧与生物过滤器结合使用，可将DOC降低40-60%。当臭氧与混凝剂配合使用时，这种去除效果会进一步增强，因为臭氧本身能强化混凝过程。混凝-臭氧-生物过滤的联合处理工艺已显示出高达64%的DOC去除率，而单独使用生物过滤仅为13%。为达到最佳的有机物去除效果，建议采用O3/DOC比值为1毫克/毫克（mg/mg）的臭氧投加量。
大多数无机物可以被臭氧快速消除。在臭氧化之后，生物过滤对于无机化合物也至关重要，因为氧化过程通常会形成不溶性化合物，这些化合物必须在后续的净化步骤中通过物理方式去除。
微污染物去除：农药
微污染物，如农药，存在于地表水中，并且越来越多地出现在地下水中。像欧盟这样的地区，饮用水标准非常严格，规定每种单一农药化合物的最大含量为0.1微克/升（µg/L，或十亿分之一，ppb）。
臭氧已被证明能有效氧化多种农药。实施多重屏障，例如储存、臭氧化和颗粒活性炭（GAC）过滤，为抵御农药提供了强有力的防线。在一个有记录的案例中，这种多重屏障方法使23种测试农药中的50%实现了超过80%的降解。对于高抗性农药，通常建议采用更高的臭氧投加量或应用高级氧化工艺（AOPs），即将臭氧与过氧化氢结合使用。
下表说明了某些农药在不同条件下的降解效率：
| 农药 | pH 7.2；5 °C (41 °F)；O | pH 7.2；20 °C (68 °F)；O | pH 8.3；20 °C (68 °F)；O |
|---|---|---|---|
| 二嗪磷 | 86% | 92% | 92% |
| 乐果 | 97% | 97% | 97% |
| 甲基对硫磷 | 85% | 91% | 91% |
| 敌草隆 | 91% | 95% | 98% |
| 利谷隆 | 67% | 81% | 89% |
| 苯噻草酮 | 78% | 90% | 94% |
| 溴谷隆 | 83% | 91% | 94% |
| 2甲4氯 | 83% | 87% | 90% |
| 2甲4氯丙酸 | 91% | 93% | 93% |
| 绿麦隆；异丙隆；甲氧隆；乙烯菌核利 | >99% | >99% | >99% |
消毒与消毒副产物（DBP）削减
消毒副产物（DBP）主要是在消毒剂与有机物反应时形成的。例如，氯与有机物反应会生成三卤甲烷（THMs）等含氯消毒副产物。臭氧也能与有机物反应，形成醛类和酮类等消毒副产物。然而，这些由臭氧生成的有机消毒副产物通常在生物滤池中很容易被降解（去除率90-100%），并且当臭氧用作预氧化剂时，通常不会对饮用水标准构成超标风险。
在传统消毒系统（例如使用氯的系统）中，降低消毒副产物生成势（DBPFP）至关重要。采用臭氧预氧化，随后进行过滤，可以有效去除大部分天然有机物（NOM），从而在使用氯作为最终消毒剂时，将消毒副产物生成势降低70-80%。这种削减适用于三卤甲烷（THMs）、卤乙酸（HAAs）和水合氯醛。
臭氧是一种比氯、氯胺甚至二氧化氯更强的消毒剂。对于经过预处理且天然有机物浓度较低的水，0.4 mg/L（ppm）的臭氧剂量作用4分钟通常就足够了。与氯产品不同，臭氧可以有效灭活抗性微生物。然而，臭氧在水中分解迅速，其存续时间通常不足一小时。这使得它不太适合在配水系统中维持消毒剂余量。因此，氯或二氧化氯常被用于最终的残余消毒。对于生物过滤前的初级消毒，臭氧非常有效，可以实现更彻底的病原体灭活，并可能降低总体消毒剂浓度。
气味与味道去除
饮用水中不受欢迎的气味和味道可能来源于多种途径：原水中天然存在的化合物、水处理过程的副产物、植物物质的分解或水生生物的代谢活动。铁、铜和锌等无机化合物也可能导致味道问题，化学氧化过程（如氯化）同样可能产生令人不快的口感和气味。
许多致味致臭化合物难以处理，需要采用强化工艺才能去除。有效的策略通常涉及多种技术的组合，包括氧化、曝气、颗粒活性炭（GAC）过滤或砂滤。
臭氧可以氧化20-90%的致味致臭化合物，具体取决于其类型。它对不饱和化合物特别有效。与农药降解类似，在高级氧化工艺（AOP）中将臭氧与过氧化氢结合使用，通常能获得更优的效果。土臭素（Geosmin）和2-甲基异莰醇（MIB）是藻类产生的常见且难以去除的致臭化合物，其嗅阈值很低，臭氧可以有效去除它们。
通常，控制味道和气味最有效的方法是预氧化与后续过滤相结合。例如，臭氧化结合砂滤和颗粒活性炭过滤已证明可实现高达82%的臭味去除率。
AquaChain 工程提示
在设计水处理厂的臭氧系统时，务必使用实际水源进行中试测试。水体基质的变异性（pH值、碱度、天然有机物特性）会显著影响臭氧需求量及消毒副产物的形成途径。中试数据可确保优化的臭氧投加量、接触时间以及与下游工艺的整合，从而避免投加不足（处理效果不佳）或投加过量（运行成本增加及潜在的消毒副产物问题）。
常见问题解答
问：为什么臭氧通常用作预氧化剂，而不是最终消毒剂？ 答：臭氧是一种强效的初级消毒剂，但在水中的残余存续时间非常短（不足一小时）。这使得它不适合在配水系统中维持消毒效果，而配水系统通常需要稳定的余量（如氯）来防止病原体再生长。
问：臭氧如何帮助减少消毒副产物（DBP）的形成？ 答：通过在上游氧化天然有机物（NOM），臭氧减少了那些本会与最终消毒剂（如氯）反应生成三卤甲烷（THMs）和卤乙酸（HAAs）等消毒副产物的前体化合物。
问：臭氧能去除所有类型的微污染物，如药物和农药吗？ 答：臭氧在降解许多微污染物方面非常有效，但其效率取决于具体化合物。对于高度抗性的微污染物，通常采用高级氧化工艺（AOPs），即将臭氧与其他氧化剂（如过氧化氢或紫外线）结合使用，以实现更强的去除效果。