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紫外与臭氧(UV∕O3)组合工艺在给水处理中的应用

文档作者：范太兴1李德生2洪飞字3 文档来源： 1兰州交通大学环境与市政工程学院甘肃兰州730070 2北京交通大学土木建筑工程学院北京100044 3郑州市市政工程勘测设计研究院		点击数：	更新时间： 2025年04月26日
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范太兴1李德生2洪飞字3
(1兰州交通大学环境与市政工程学院甘肃兰州730070
2北京交通大学土木建筑工程学院北京100044
3郑州市市政工程勘测设计研究院河南郑州450046)
摘要介绍紫外线消毒的现状、特点以及紫外，臭氧组合工艺的组合机理，指出污染物特性、碱度、臭氧浓度和水流速度是
影响UV／03组合工艺处理效果的4个主要因素；分析UV／03组合工艺对细菌、有机物、有机优先污染物的去除效果；指出UVI
03组合工艺存在的主要问题和可能的改进方向。
关键词紫外线臭氧组合工艺消毒给水
中圈分类号：TU991．2 文献标识码：A 文章编号：1672—9064(2010)03-0068—03
近年来。由于饮用水水源污染程度的加剧和公众健康意
识的提高．人们被迫在传统给水消毒处理T艺的基础上寻找
效率更高效果更好的方法．以保证符合更高安全标准的供水
水质。紫外线与臭氧组成的复合应用技术(UV／O，)，以其良好
的处理效果和出水水质成为新型给水净化技术的首选。
l 紫外消毒(Ultraviolet Disinfection)
1．1紫外消毒的现状
紫外线最早应用于供水工艺是在荷兰的鹿特丹水厂．目
前在两欧和北美等发达国家已被广泛应用。紫外线消毒技术
具有广谱杀菌能力。作用快、效果好；经过多年的不断改进。
已经发展为成熟高效的消毒技术。随着三卤甲烷(THMs)等
“三致”消毒副产物的出现以及人们对饮用水水质要求的提
高．以紫外线为主的新型处理技术得到了广泛推广。根据其
自身的消毒特点．预计会成为取代传统化学消毒方法的主流
技术。
1．2紫外线的消毒原理
紫外线杀菌消毒的原理⋯是利用适当波长的紫外线．破
坏微生物细胞中DNA和RNA的分子结构．导致核酸键和链
的断裂、股间交联形成光化产物，阻断其复制过程，进而造成
生长性细胞死亡或再生性死亡，以达到杀菌消毒的效果。
另一种机理是水及其中的溶解氧在紫外线的照射下．产
生超氧负离子(02_)、激发基态氧分子(0a、过氧化氢(H20：)，
羟基自由基(．OH)等氧化性极强的激发态物质。这些物质对
水中微生物病原体有毁灭性的破坏作用．通过改变微生物体
内DNA活性．破坏复制过程，造成细胞代谢发生紊乱从而导
致死亡．达到消毒目的。
I．3紫外线消毒的特点
1．3．1紫外线消毒的优点
跟其他化学消毒方法相比，紫外消毒具有使用安全、作
用广泛、消毒性能稳定等优点。由于不向水中增加任何物质。
因此无需化学药品，没有其他副作用．也不会产生THMs类
消毒副产物。同时消毒效果不受水温、酸碱度等环境因素影
响。紫外消毒工艺主要靠紫外光的照射。一般采用成套装置，
不产生臭味，无噪声，不影响出水水质。而且自动化程度高。操
作容易，管理简单。因此具有杀菌效率高，作用快等特点(2J。
1．3．2紫外线消毒的缺点
(1)受浊度影响较大。原水浊度较高时，灯管容易结垢，
影响紫外光的透出和杀菌效果．因此需要对套管进行定期清
洗或采取表面降温措施来防止管垢的形成。
(2)jlq能提供剩余消毒能力。当被处理水离开反应器之
后。如果遇到新的污染物或污染源。会被二次污染，因此不具
备剩余消毒能力。目前改进的方法是配合其他消毒方法(如
C12、C102、03、H202等)共同使用。
(3)存在光复活现象[3．41。一些被紫外线杀伤的微生物在
离开紫外光的照射下会修复损伤的DNA分子．使细菌再生。
因此．要进一步研究光复活的原理和条件，确定避免光复活
发生的最小紫外线照射强度、时间或剂量。
综合以上处理特点．加上紫外光对水中COD去除的效
果差．后续管网中容易受到污染等因素。人们开始根据紫外
消毒的自身特点．将其与其他消毒工艺组合使用，以获得更
好的处理效果。紫外，臭氧(UV／03)工艺以其自身的组合方式
和消毒特点开始被广泛研究。
2紫外／臭氧组合工艺(UV／O，)
紫外／臭氧组合工艺(UVIO，)是将臭氧(03)和紫外(Uv)
相结合的一种高级氧化技术。该组合工艺具有强氧化性．不
需要加入任何催化剂．已经被证明可以用于水中有机污染物
的去除．微生物的灭活等。目前已经在水处理行业被广泛研
究，并有可能实现广泛应用。
2．1 臭氧的应用
臭氧是饮用水处理中应用最为广泛的强氧化剂之一：其
作者简介：范太兴(1986．)，硕士研究生，市政工程专业，研究方向为饮用水消毒技术。
万方数据 2010．No．3． o
优点在于处理分解后的最终产物为氧气．不向水中增添新的
元素。在普通的市政给水处理中．如果单纯使用臭氧氧化，
COD去除率一般只能达到10％左右．难以达到较高的去除
效果。如何在紫外线的照射下进一步强化臭氧的氧化性能，
提高臭氧的利用率．也是今后给水深度处理技术的主要研究
内容．
2．2组合工艺的去除机理
关于臭氧和紫外的协同作用机理目前主要有2种观点。
一种是臭氧先在紫外作用下分解成氧原子．氧原子再与水反
应生成羟基自由基：外一种是臭氧在紫外照射下先与水反应
生成双氧水，双氧水进一步分解生成羟基自由基(·OH)。
(1)臭氧的分解。臭氧在水中与有机物的作用一般分为
直接反应和间接反应2种历程：臭氧分解产生羟基自由基的
反应会由于水体中存在碱度而受到抑制．使得氧化反应以直
接反应为主。然而在紫外线的照射下，使得臭氧的分解历程
可以表示为：
03+致D』■吼D2+D2
H，o，j·OH
201+见0，—二+2·0日+30，
由于臭氧迅速分解产生羟基自由基．使得水中以臭氧与
有机物直接反应为主的氧化反应转变为以自由基和有机物
直接反应为主的氧化反应。从而可以增加臭氧的利用率，提
高反应效率。
(2)羟基自由基氧化反应。常温常压下，臭氧的标准电位
为2．07V．而羟基自由基的标准电位为2．80 V．氧化性方面后
者要大于前者．因此羟基自由基能够与水中绝大多数有机物
发生氧化反应。羟基自由基与水中有机物的氧化反应大体上
可以分为2类：
A．除氢反应
·OH+RH—，R·+(oHl一
B．加成反应
： 0+．o一一映．一睇：一(：
有机物中的芳香烃和含有不饱和键的共轭体系在紫外
光区都有强烈的吸收．故羟基自由基更易于与芳香族化合物
及不饱和化合物发生加成反应。臭氧在水中与有机物发生的
直接氧化反应的选择性较强，且速度不如羟基自由基快。因
此羟基自由基在有机物氧化方面比臭氧效果要好。
2．3组合工艺的影响因素
(1)污染物本身特性的影响。由于羟基自由基更易于与
水中的芳香族化合物或含有双键或羰基的共扼体发生化学
反应．所以当水中存在着较多的不饱和化合物共扼体系时，
该系统可以取得较好的处理效果．丽当水中存在的物质为饱
和的有机污染物时．用该系统处理速度较慢．去除效果则会
不太明显。
(2)碱度的影响。当pH值过高时，如果水中只有臭氧存
2010．No．3．
在．碱度会与羟基自由基结合，对臭氧的催化反应造成抑制。
使臭氧在水溶液中以直接反应为主。当紫外线和臭氧同时存
在时．可产生大量的羟基自由基。但过高的pH值同样对反
应不利．它会大量消耗水中的羟基自由基，使其浓度下降。处
理效率也会随之下降。当水中存在过多的碳酸根或重碳酸根
离子时．容易水解产生OH一，同时碳酸根或重碳酸根离子自
身也会与羟基自由基结合。降低处理效率，结合反应式为：
(OH)·+HC03--*(OH)一+ⅣCD3·
(3)臭氧浓度的影响。在相同紫外线照射剂量和臭氧投
量的情况下．进气臭氧浓度越高．则处理效果越明显。这是因
为当水中臭氧浓度较高时．可以产生较高浓度的羟基自由
基。对有机物的氧化更为彻底，所以处理效果也较好。这表
明．处理效果不仅与紫外线的照射剂量有关。而且与进气中
的臭氧浓度有关。
(4)水流流速的影响。流速的不同也会对处理效果造成
影响。当流速较高时。紫外光对总细菌和大肠杆菌均有良好
的去除效率．这一点似乎有悖常理。Iranpour Retal㈨等通过进
一步研究发现．当水流过紫外灯管与反应器之间时．会形成
一个边界层．如果这个边界层较厚．则会阻碍水对紫外光的
吸收。水流速度较慢时，出现的边界层较厚，反之则较薄，故
流速快时．杀菌效果较好。
2．4组合工艺的处理效果
目前国外许多水厂已经开始将紫外及其组合工艺应用
到给水处理系统中，其中以欧洲和北美居多。由于自然环境
及原水水质的差异．国内这方面的研究基本处于实验室水
平．部分地区已有条件进行中试和小范围的应用。但目前国
内尚无大规模的工程实例。
(1)杀菌效果。对于原水的杀菌效果，马晓敏㈣等通过研
究发现．UV／O，联合方法对细菌的去除率明显高于单独采用
UV、O，时的效果。这是因为由于反应存在时间的顺序问题，
细菌会首先在紫外光的照射下被去除．不能被紫外光去除的
细菌则会在臭氧的作用下被进一步去除。单独使用紫外的效
果较差．是因为如果水中细菌数量较多，且NTU较大时，颗
粒物会对细菌进行UV的遮蔽．从而降低UV的灭菌作用效
果。在紫外光和臭氧的双重作用下．可以实现很好的细菌去
除效率。但随着时间的不断推移．UV／O，的去除效果会渐渐
下降．主要是因为水中存在的颗粒物容易对紫外线进行吸
收。对反应的顺利进行产生影响。使杀菌效果降低，而0，的
存在可以避免这一问题的出现。
(2)有机物的去除效果。对于UV254的去除效果，王欣泽
[7】等分别在有紫外光辐照和无紫外光辐照2种情况下通入
臭氧考查水中UV斟的去除情况；结果显示，臭氧与紫外线联
合作用时水中的Uv烈去除效果较好，并且紫外光的照射可
以使去除率有明显的升高：而对于COD．去除效果却各不相
同．单独臭氧或单独紫外作用时．水中的COD值基本没有变
化：即使在臭氧紫外线联用时．最初COD的变化也不明显；
随着反应的进行，尤其是一段时间以后．则出现明显的下降
趋势。这些现象再次可以证明紫外和臭氧有协同作用效果。
万方数据 o
一般说来．臭氧在紫外线的照射下．其对COD去除率可以提一种十分重要的工艺选择。但现有的UV／03工艺因成本等问
高5％．10％左右。题无法进行广泛应用。如何延长紫外设备的使用寿命，降低
(3)有机优先物的去除效果。UV／O，工艺对于自来水中臭氧的制造成本，将是今后研究的一个重要方向。
常见的i氯甲烷、四氯化碳、邻一二氯苯、对一二氯苯、1,2,4-三
氯苯以及极难氧化的六氯苯等有机优先污染物均有令人满参考文献
意的去除效果IS]。关于三氯甲烷的氧化去除机理比较复杂； I周伟良．紫外线在饮用水生产中的应用．净水技术．2002，21(1)
目前还主要靠0，等强氧化剂的氧化作用，但紫外光的照射2刘文君．给水处理消毒技术发展展望．给水排水，2004，30(1)
可以提高处理效果。尽管三氯甲烷不是紫外强吸收物质，但3矫彩山，孙晓宇，邓国政·紫外线消毒中的光复活作用·环境科学与
如果没有紫外光的照射，也不能生成氯化物；如果单独使用
管理，2006,31(”
．．．
紫外线，只有少量的氯赢子转化成氯化物。妄有在紫外和臭4宋钦华，?庆祥·DNA光复活作用机理的研究进展·化学进展·
氧的双重作用下，才有明显的效果；反应机理如下：
5 Im二u，≤二．Hydmulic E舵cts。n ultmviolet Disi。fecIi0。：Modifi．
■化馆甩cation Reactor Design．Water Environment Research．1999。71(1)
HCC每———◆H02CCb———◆％CHOCh碣锄6马晓敏．宋强．等．紫外一臭氧符合时饮用水的杀茵除微污染实验．
I蛾环境科学，2002·23(5)
．． COCl≯H++Cr 7王欣泽．王宝贞．王琳．臭氧一紫外线深度氧化去除水中有机污染
C曼c．8篓：嚣嚣箸麓裂搿的有机优先污枞中0+Cl 吕锡武，孔青春．紫，卜一微臭氧处理饮用水中的万机优先珂黎物．甲
2．5 组合工艺存在的主要问题固环境科学，199r7，17(4)
UV／03臭氧T艺的在水处理方面的效果显著．但现有的
9郑燕秋，朱晓辉等·饮用水紫外线消毒一实施安全消毒的重要技术
uV，03下艺复杂，初期投资及后续运行费用很高。特别是对1。1巍翟警篇：茅线给水预处理技术的试验研究．㈣}
于小型净水装置，除光辐射源外，还需配备臭氧发生器，设备水。2004，30(9)
复杂，造价偏高，因而应用上受到一定程度限制。另外，国产11 Yung-Shuen shen,Young Ku．Treatmenl of ga8一phm，。latile。卿．
紫外线灯强度小、寿命短，缺乏自动清洗装置；微生物方面缺ic coml30unds bv the UV／03 proce％．Chem—sphe陀，1999，38(8)
乏单类菌种的灭活经验，光复活研究条件不够，都是需要进12张永吉，刘文君．紫外线消毒对光复活时大肠杆菌活性的影响．中
一步改进的地方。国给水排水。2006，22(17)
3 结论13孙剑锋，王智化，等．臭氧，紫外联合降解甲醛的实验研究．环境工
UV／O，组合工艺通过2种方法的相互补充．以其显著的程学报，2009t3(3)
处理效果和良好的出水水质．逐渐成为未来给水深度处理中
14刘文君·紫外线消毒原理、设计和应用．水工业市场，2009(4)
(上接第67页)
(4)由于臭氧的强氧化性、强腐蚀性及有毒性，所以处理2005，23(I)
丁艺元件的材料必须用高耐腐蚀抗氧化材料．使得臭氧处理7危想平。肖鹏．活性炭一臭氧处理印染废水试验·印染，2004(20)
成本增高．不利于臭氧技术的广泛推广．因此如何降低臭氧8 Patricia C·C·Fada·J∞e J．M·or‰tet al·M1舱mli咖i∞of ool伽矧
处理技术的成本成为目前臭氧技术研究的主要工作之一。
8q”删8”lutio“8 bY o”n毗10“1“m8 p”朗”m拟“ed o咖“
(5)目前臭氧发生器的发展趋势是体积越来越小，能耗
9赵Wa朝te成r R，e张se荽墨：：声，臭氧氧化处理含酚废水实验研究．油
越来越低，电能转化率和产率越来越高，其控制的自动化程气田环爱保≥。200l，ll(3)
度也越来越高，臭氧应用越来越广，加快了产业的发展。10苏金钰。田学迭．活性炭负栽TiO：催化臭氧化去除水中酚的研究．
湖南环境生物职业技术学院学报．2004。10(4)
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学，1992，12(1)treatmen of w幽tewater containing biorefractory com 2 pound．Water
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江大学自然科学学报．2003，20(1) 15冯旭东．高玉兰，刘芳．等．生物一臭氧氧化技术处理垃圾渗滤液．
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