探秘臭氧深度氧化技术：工作机制与实际运用

臭氧的起源

臭氧，化学式O₃，是一种由三个氧原子构成的三原子氧分子，常被称为“活性氧”。其名称源于自身独特的类似鱼腥草的气味。在常温状态下，臭氧能够自行转化为氧气。其密度高于氧气，在水中溶解度较低，且化学性质较为不稳定。臭氧由氧分子结合一个额外氧原子形成，属于一种亚稳态结构。在使用过程中，未被用于氧化的剩余氧原子会重新结合为稳定氧气，因此不会残留有害物质。臭氧主要由氮氧化物（NOx）与挥发性有机物（VOCs）经由复杂的光化学反应生成。

臭氧分子结构

臭氧的氧化机理

臭氧之所以具备卓越的氧化能力，源于其分子内单个氧原子表现出强烈的电子亲和特性。当臭氧在水中分解时，会产生氧化能力极强的羟基自由基，能够高效降解废水里的有机污染物，并最终转化为氧气，不遗留二次污染。

当前研究普遍认为，臭氧与有机物之间主要通过两种路径进行反应：

（1）臭氧以分子形态直接与水体中的有机物作用。该过程具有较高选择性，尤其倾向攻击含双键结构的物质，更容易与芳香族化合物及不饱和烃类发生反应。

（2） 在碱性环境中，臭氧在水中分解，生成包括羟基自由基在内的多种高活性中间产物，这些中间体进一步参与有机物的氧化降解。

臭氧在污水处理中的作用

臭氧（O₃）作为一种高效氧化剂、灭菌剂、漂白剂与异味清除剂，其技术被视作当前环境污染与水处理领域的核心手段，并跻身本世纪环境科技四大关键技术之列。它广泛应用于空气与水体中有机物降解、微生物灭活以及气味控制等多个方面。臭氧能有效分解多数显色物质，其卓越的氧化与杀菌能力，使其成为自然界氧化能力最强的物质之一，在水体中的氧化还原电位仅次于氟元素。

臭氧氧化净化技术的基本原理

该技术的关键在于利用特定电场实现无声放电，从而大量制备臭氧。这一过程中，高能电子与气体分子碰撞引发一系列基础物理化学反应，激活气体分子并生成多种高反应活性自由基，进而催化、氧化并分解各类污染物与微生物，最终转化为无害产物，实现空气与水体的深度净化。

在废水治理领域，臭氧氧化技术主要用于各类污水处理流程中对细菌、异味的清除，以及可溶性有机物等多种污染物的高效去除。

科力迩臭氧高级氧化工业装置及污水处理效果

臭氧氧化技术的特性

• 氧化能力强，反应速度快；

• 对细菌，病毒、芽胞、软体微生物等有极强的杀灭作用；

• 氧化溶解性有机物，降低水中BOD、COD；臭氧的原料取自空气中的氧，完成工作后又还原成氧，增加水中溶解氧，没有二次污染；

• 可改善水的理化性质，有良好的脱色、除臭、除异味作用；

• 用臭氧消毒杀菌不会产生有毒的三氯甲烷及致癌有机卤化物副产品，不存在任何对人畜有害的残留物。

臭氧氧化技术面临的挑战

尽管臭氧因其较高的氧化还原电位（2.07 V，仅次于氟），在饮用水杀菌、除臭、脱色等方面应用广泛，但在单独用于废水治理时仍存在一些技术瓶颈：

• 臭氧与有机物的反应选择性较强，在低剂量和短时间内，臭氧不可能完全矿化污染物，且分解生成的中间产物会阻止臭氧的进一步氧化。

• 臭氧的发生成本高，利用率偏低，导致处理费用高。因此对提高臭氧的利用率和氧化能力这方面的研究，是目前国内外的热点。

臭氧氧化技术在污水处理行业的发展现状

近年来，国内外学者在臭氧高级氧化法（AOTs/AOPs）的应用研究中取得显著进展。该技术通过将臭氧氧化与其他多种水处理工艺结合，形成氧化能力更强、选择性更低的羟基自由基（氧化还原电位高达2.80 V）。

与传统处理方法相比，臭氧高级氧化法具有以下优势：

• 对于生物难降解物质处理效果好

• 降解速度快

• 占地面积小

• 自动化程度高

• 无二次污染、浮渣

• 污泥产生量较少等优点

• 已广泛应用于在食品、制药、石油石化、印染、钢铁、供水等行业。

技术发展历程

• 1896年Meritens最早将臭氧用作杀菌剂应用于饮用水处理。

• 1906年在尼斯建立并投入运行的Bon Voyage水厂,被看作“饮水臭氧化的诞生地”。

• 到20世纪70年代后期,臭氧仍主要用于消毒,主要是在法国和其他使用。

• 近年来臭氧氧化技术的应用十分广泛,它在杀菌、消毒、脱色、除臭、氧化难降解有机物与改善絮凝效果方面有明显的优势。臭氧对脱除染料废水、印染废水和造纸废水色度的良好效果,近年来得到了实际应用。

• 臭氧能将发色基团大分子降解成小分子最后有效去除。造纸废水最大的特点是BOD、COD、高色度及臭味,其中含高浓度的氯代酚、氯代丙酮、三氯甲烷等。Part等应用臭氧对牛皮纸厂漂白废水进行脱色,将浓度为32.4 mg/L的臭氧通入连续运行的柱反应器,停留时间3 min,废水色度被完全去除。

国内应用案例

• 王煜等学者采用高频陶瓷沿面放电臭氧技术处理印染废水，在接触时间10小时、pH 7–8条件下，COD去除率达到86.6%，脱色率达98.4%。研究还指出，在脱色应用中控制pH≤7，有助于减缓臭氧分解并提高羟基自由基产率，从而提升臭氧利用效率。

• 金腊华的实验研究表明，臭氧可用于改善汽车制造厂综合废水的可生化性。在特定工艺条件下，经过2小时臭氧氧化，COD去除率可达60%。

• 近年来，臭氧也逐步用于城市生活污水的深度处理。通常投加量为10–20 mg/L，接触5–20分钟，可实现COD降低40%、BOD降低70%、SS降低60%、氨氮降低20%、致癌物减少80%以及色度去除90%。

• 日本研发的微细臭氧气泡处理装置已成功投入应用。该装置产生的气泡直径仅10–100微米，极大增加了气液接触面积，使臭氧溶解度提升5倍，利用率显著提高，同时强化了混合效果。因其高效与经济性，该技术已推广至食品、畜产及水产品加工厂的废水处理。

随着臭氧技术的持续进步，其研究与应用已在全球范围内形成独立产业，未来发展前景广阔。

臭氧氧化技术最新突破

科力迩科技在成功研发旋流溶气气浮（CDFU）技术基础上，创新性地引入臭氧高级氧化工艺，形成臭氧高级氧化与旋流溶气气浮高效集成技术——CDOF。该装置融合了超声波催化臭氧氧化、化学絮凝、水力空化、旋流分离与溶气气浮等多种技术，显著提高了臭氧利用效率并加速了氧化反应进程。

臭氧氧化工业装置

CDOF技术能够快速、经济且高效地降低水中各类污染物（包括难降解有机物、溶解油及色度）。通过臭氧氧化与絮凝协同作用，该技术不仅使旋流溶气气浮能够有效去除胶体与溶解态有机物（传统气浮难以实现），还大幅提升了分离效能，实现对多种复杂废水的高效综合治理。

臭氧应用污水处理效果

CDOF技术作为由国内科研团队独立研发的专利成果，已达到全球行业领先标准。目前已获十余项国内外专利授权，其中包括一项国际专利与三项国内发明专利。