环保水处理知识：臭氧的含义与作用

臭氧是氧气的同素异形体，在常温下，它是一种有特殊臭味的淡蓝色气体。英文臭氧（Ozone）一词源自希腊语ozon，意为“嗅”。

值得注意的是，该领域的技术和标准也在不断发展和完善。

根据清华大学编的《臭氧技术应用文集》一书，将有关臭氧应用浓度按安全浓度空气、应用浓度、水中应用浓度、环境浓度及感知浓度，分类摘录，以便在应用中查找。 安全浓度人们允许接触的臭氧浓度不大于0.2mg/m3。

另外，从产业发展角度看，市场需求也在推动技术进步。

◎作为空气除味与杀菌，要求臭氧浓度较低，如0.25ppm（0.5mg/m³），而物品表面消毒（杀灭微生物和去除化学污染）则要求提高几十倍的臭氧浓度。

◎温度低，湿度大则杀灭效果好，尤其是湿度，相对湿度小于45%，臭氧对空气中悬浮微生物几乎没有杀灭作用。在60%时才逐渐增强，在95%时达到最大值。

◎冷库消毒要求臭氧浓度6～10ppm，停机后封库24小时以上细菌杀灭率90%左右，霉菌杀灭率80%左右。

◎水应用中臭氧溶解度在0.1mg/L～10mg/L之间。低值作为水消毒净化要求的最低浓度，高值作为“臭氧水消毒剂” 可达到的浓度值。

此外，该技术在相关领域也有广泛的应用和实践。

◎臭氧水消毒灭菌是急速的，消毒作用在瞬间发生。清水中臭氧浓度一旦达到，在0.5～1分钟内就杀死细菌，在浓度达4mg/L，在1分钟内乙肝病毒灭活率为100%。

◎Herbold报道：20℃条件下，水中臭氧浓度达0.43mg/L时，可将大肠杆菌100%杀灭，10℃时仅需0.36mg/L即可全部杀灭。

此外，该技术在相关领域也有广泛的应用和实践。

◎瓶装水处理应达0.3～0.5mg/L的臭氧溶解度值，要求投加臭氧应满足 1m³水2g O₃的发生量。根据实践经验，臭氧发生浓度高于8mg/L时容易达到浓度。

当大气层中的氧气发生光化学作用时，便产生了臭氧，

除此之外，实际工程应用中还需要考虑多方面因素。

1. 臭氧很不稳定，在常温下慢慢分解 ，200℃时迅速分解 ，它比氧的氧化性更强，能将金属银氧化为过氧化银，将硫化铅氧化为硫酸铅，它还能氧化有机化合物，使许多有机色素脱色，如靛蓝。能侵蚀橡胶，很容易氧化有机不饱和化合物。臭氧、氯和过氧化氢的氧化势（还原电位）分别是2.07．1.36．1.28伏特，可见臭氧在处理水中是氧化力量最强的一种。臭氧的氧化作用导致不饱和的有机分子的破裂。使臭氧分子结合在有机分子的双键上，生成臭氧化物。臭氧化物的自发性分裂产生一个羧基化合物和带有酸性和碱性基的两性离子，后者是不稳定的，可分解成酸和醛。其反应式为：

此外，该技术在相关领域也有广泛的应用和实践。

臭氧属于有害气体，浓度为 6.25×10-6mol/L(0.3mg/L) 时，对眼、鼻、喉有刺激的感觉；浓度 (6.25-62.5)×10 -5 mol/L(3 ～ 30mg/L) 时，出现头疼及呼吸器官局部麻痹等症 ; 臭氧浓度为 3.125×10 -4 ～ 1.25×10 -3 mol/L(15 ～ 60mg/L)时 ， 则对人体有危害。其毒性还和接触时间有关，例如长期接触 1.748×10 -7 mol/L(4ppm) 以下的臭氧会引起永久性心脏障碍，但接触 20ppm 以下的臭氧不超过 2h ，对人体无永久性危害。因此，臭氧浓度的允许值定为 4.46×10 -9 mol/L(0.1ppm)8h. 由于臭氧的臭味很浓，浓度为 4.46×10 -9 mol/L(0.1ppm) 时，人们就感觉到，因此，世界上使用臭氧已有一百多年的历史，至今也没有发现一例因臭氧中毒而导致死亡的报道。

臭氧具有很强的氧化性，除了金和铂外，臭氧化空气几乎对所有的金属都有腐蚀作用。铝、锌、铅与臭氧接触会被强烈氧化，但含铬铁合金基本上不受臭氧腐蚀。基于这一点，生产上常使用含 25% Cr的铬铁合金（不锈钢）来制造臭氧发生设备和加注设备中与臭氧直接接触的部件。

近地面高浓度的臭氧会刺激和损害眼睛、呼吸系统等黏膜组织，对人体健康产生负面作用。专家表示，从长期观测来看，尽管臭氧超标集中在日照充足的4月至9月，但结合国外治理经验，随着全国对PM2.5治理力度加大，空气能见度提高，臭氧超标发生的概率会不断增加，而且臭氧污染治理会比PM2.5治理的难度更大。

臭氧（O3）是氧气(O2)的同素异形体，它是一种具有特殊气味的淡蓝色气体。分子结构呈三角形，键角为116°，其密度是氧气的1.5倍，在水中的溶解度是氧气的10倍。臭氧是一种强氧化剂，它在水中的氧化还原电位为2.07 eV，仅次于氟（2.5eV），其氧化能力高于氯（1.36eV）和二氧化氯（1.5eV），能破坏分解细菌的细胞壁，很快地扩散透进细胞内，氧化分解细菌内部氧化葡萄糖所必须的葡萄糖氧化酶等，也可以直接与细菌、病毒发生作用，破坏细胞、核糖核酸（RNA），分解脱氧核糖核酸（DNA）、RNA、蛋白质、脂质类和多糖等大分子聚合物，使细菌的代谢和繁殖过程遭到破坏。细菌被臭氧杀死是由细胞膜的断裂所致，这一过程被称为细胞消散，是由于细胞质在水中被粉碎引起的，在消散的条件下细胞不可能再生。应当指出，与次氯酸类消毒剂不同，臭氧的杀菌能力不受PH值变化和氨的影响，其杀菌能力比氯大600-3000倍，它的灭菌、消毒作用几乎是瞬时发生的，在水中臭氧浓度0.3 - 2 mg/L时，0.5 - 1min内就可以致死细菌。达到相同灭菌效果（如使大肠杆菌杀灭率达99%）所需臭氧水药剂量仅是氯的0.0048%。

除此之外，实际工程应用中还需要考虑多方面因素。

此外，臭氧还可以氧化、分解水中的污染物，在水处理中对除嗅味、脱色、杀菌、去除酚、氰、铁、锰和降低COD、BOD等都具有显著的效果。

值得注意的是，该领域的技术和标准也在不断发展和完善。

3. 用于水处理，则主要配置臭氧溶于水的投加装置，一般分为曝气式（直接曝气或氧化塔式）、文丘里射流器式、旋涡负吸式或HICHINE泵混合式样等几种，以上其溶于水效率可依次提高，HICHINE泵式效率可达95%以上。

另外，从产业发展角度看，市场需求也在推动技术进步。

制药行业的GMP验证空气消毒 [1]：洁净生产区的中央空调净化系统、臭氧灭菌柜、其他没有中央空调系统的生产用空间灭菌，我国相当一批制药企业就是使用臭氧作为主要的消毒和空气灭菌手段，如沈阳济世制药有限公司、大连珍奥药业有限公司、上海庆安药业有限公司、吉林敖东药业集团延吉股份有限公司、福建兴安药业有限公司等，臭氧作为空气消毒的主要手段为这些企业的GMP验证作出了重要的贡献。

与此同时，相关的配套工艺和设备也在持续优化升级。

臭氧的半衰期仅为30 - 60 min。由于它不稳定、易分解，无法作为一般的产品贮存，因此需在现场制造。用空气制成臭氧的浓度一般为10 - 20 mg/L，用氧气制成臭氧的浓度为20 - 40 mg/L。含有1% - 4%（质量比）臭氧的空气可用于水的消毒处理。

此外，该技术在相关领域也有广泛的应用和实践。

低压电解法产出臭氧的原理是采用低压直流导通固态膜电极的正负两极点解去离子水，水在特殊的阳极溶液界面上以质子交换的形式被分离为氢氧分子，氢从阴极溶液界面上直接被排放，氧分子在阳极界面上因高密度电流产生的电子激发而获得能量，并聚合成臭氧。电氧化法就是采样低压电解法。低压电解法臭氧发生器是以纯水为原料，是以固态的贵金属聚合物为电解质，结合阳离子交换模式，通过低压电解的方式获得臭氧，不需要任何辅助材料和添加剂，产出的臭氧浓度高达20%以上，产出的臭氧气体伴随物为氧，没有任何二次污染。

与此同时，相关的配套工艺和设备也在持续优化升级。

因此，国外制药业在制药用水系统中增加了总机碳（TOC）的监控项目。但糟糕的是，在受到严重有机物污染的进水中用臭氧处理后，大的有机物分子会破裂成微生物新陈代谢的营养源，因此，在没有维持管网臭氧浓度的情况下，反会使得粘泥增多，进而使水质恶化 [1]。

除此之外，实际工程应用中还需要考虑多方面因素。

(3) 高湿度下杀菌效果更好。紫外线照射杀菌在环境相对湿度达到60%以上时，消毒效果急剧下降，湿度达到80%以上时反可诱使细菌复活。臭氧则相反，湿度越高，杀菌效果越好。这是由于高湿度下细胞膜膨胀变薄，其组织容易被臭氧破坏，这一特性对于食品行业中普遍存在的高湿环境特别适合。 [1]

除此之外，实际工程应用中还需要考虑多方面因素。

子后，氧原子又与周围的氧分子结合而形成的，含有3个氧原子。大气中90%以上的臭氧存在于大气层的上部或平流层，离地面有10～50千米，这才是需要人类保护的大气臭氧层。还有少部分的臭氧分子徘徊在近地面，仍能对阻挡紫外线有一定作用。但是，一些专家发现地面附近大气中的臭氧浓度有快速增高的趋势，就令人感到不妙了。虽然臭氧在平流层起到了保护人类与环境的重要作用，但若其在对流层浓度增加，则会对人体健康产生有害影响。臭氧对眼睛和呼吸道有刺激作用，对肺功能也有影响，较高浓度的臭氧对植物也是有害的。

值得注意的是，该领域的技术和标准也在不断发展和完善。

法国研究人员认为，造成土壤中臭氧含量增高的主要原因是石油产品等矿物燃料在燃烧过程中产生氮氧化物，这些氮氧化物在空气中四处漂浮，其中的部分氧原子慢慢地与空气中的氧气结合，构成由3个氧原子组成的臭氧。他们强调说，太阳光照能够加速这种化学反应，因此在气候不同的地区，土壤中臭氧对植物生长的影响程度也不一样。 在水处理系统中，水箱、交换柱以及各种过滤器、膜和管道，均会不断的滋生和繁殖细菌。消毒杀菌的方法虽然都提供了除去细菌和微生物的能力，但这些方法中没有哪一种能够在多级水处理系统中除去全部细菌及水溶性的有机污染。至今在高纯水系统中能连续去除细菌和病毒的最好方法是用臭氧。

1905年起，臭氧就开始用于水处理。它较用氯处理水优越，能除去水中的卤化物。此方法在国内水系统中的应用仅处于起步阶段。在国外，这种消毒方式已非常普遍，这是由于臭氧不会产生有害的残留物。

在此基础上，行业专家们也进行了大量的研究和改进。

从1856年巴黎第一次应用臭氧进行医院房间消毒，到1902年Hurion在巴黎医学院通过了吸入臭氧治疗百日咳的论文答辩，成为第一个应用臭氧得到博士学位的人。1936年，法国医生P·Aubourg最早提倡直肠内臭氧吹入治疗慢性结肠炎。过去60年来，已经发展十多种臭氧在医疗保健的应用案例。而臭氧在中国的发展始于2000年，在这以后臭氧医学在中华大地生根、开花、结果，取得了令人瞩目的成就，这样的成就离不开倪家骧、何晓峰等著名专家的推动。臭氧可用于医疗保健领域的外科、内科等。

在此基础上，行业专家们也进行了大量的研究和改进。

二、使用方法　1、种子处理。将臭氧气体导入清水中并不断搅拌，10分钟后即制得臭氧溶液。将种子倒入其中浸泡15-20分钟，可杀灭种子表面的病毒、病菌及虫卵。 　2、温室大棚病虫防治 　①熏棚消毒。定植前10天可结合高温闷棚利用臭氧发生器将臭氧集中施放于棚内，施放时间以不少于2小时为宜。②防治苗床病虫。先将苗床封严，每10平方米每次施放1分钟，并密闭熏蒸10分钟，然后再通风30分钟。③设施蔬菜定植后的病虫防治。定植缓苗后，每亩棚室持续施放臭氧7-10分钟，再密闭熏蒸15-20分钟，然后通风30分钟。无病虫的棚室每5-7天施放1次，连续施用5次，每经2-3次施放时间再增加5分钟，直到每亩每次增至25分钟。熏蒸时间也同样每经2-3次增加5-10分钟。经试验证明，臭氧对番茄灰霉病、叶霉病、早疫病、晚疫病，黄瓜霜霉病、疫病等以及温室白粉虱、潜叶蝇、蚜虫等病虫防治效果较好。但对棚室土壤中的病虫，由于臭氧气体渗入土中的量太少，浓度也太低，故没有作用。

与此同时，相关的配套工艺和设备也在持续优化升级。

5（臭氧以其强氧化性、杀菌性、易分解性和无残留的特性，使它在去除农药残留、杀菌消毒、防腐保鲜等方面有广阔的应用前景。

另外，从产业发展角度看，市场需求也在推动技术进步。

根据非洲海岸地区的实验推测，在增强的紫外线B照射下，浮游生物的光合作用被削弱约5%。增强的紫外线B还可通过消灭水中微生物而导致淡水生态系统发生变化，并因而减弱了水体的自净化作用。增强的紫外线B还可杀死幼鱼、小虾和蟹。如果南极海洋中原有的浮游生物极度下降，则海洋生物从整体上会发生很大变化。但是，有的浮游生物对紫外线很敏感，有的则不敏感。紫外线对不同生物的DNA的破坏程度有100倍的差别。

除此之外，实际工程应用中还需要考虑多方面因素。

严重阻碍各种农作物和树木的正常生长 有些植物如花生和小麦，对紫外线B有较好的抵御能力，而另一些植物如莴苣、西红柿、大豆和棉花，则是很敏感的。美国马里兰大学农业生物技术中心的特伦莫拉用太阳灯对6个大豆品种进行了观察实验，结果显示其中3个大豆品种对紫外线辐射极为敏感。具体表现为，大豆叶片光合作用强度下降，造成减产，同时也使大豆种于蛋白质和油脂含量下降。大气臭氧层损失1%，大豆也将减产1%。

除此之外，实际工程应用中还需要考虑多方面因素。

在世界范围内，纯净水、天然水（泉水、矿泉水、地下水等经过过滤等工序制成），已普遍采用臭氧消毒。在自来水臭氧净化应用时，国际常规标准为0.4mg/L的容解度保持4分钟，即CT值为1.6。下表为参考值。 [5]

值得注意的是，该领域的技术和标准也在不断发展和完善。

9．HACCP中国——《HACCP实用指南》、《食品生产企业HACCP体系实施指南》、《食品生产企业HACCP体系咨询与审核》