污水處理中臭氧的應用

石油開采過程中，在鉆井、壓裂、原油脫水等過程中產生數量可觀的廢水，這種廢水通 常含有有機物，水色黑黃色，且帶有氣味，有毒性。這種水如果直接排放，將造成嚴重的污 染。因此，選擇合適的工藝處理無機鹽和有機物，以及脫除污水的顏色，使得污水變清，達 到相關標準要求，就是一個值得研究和實驗的課題。

1、臭氧理化特性、用途及優缺點

1.1 臭氧的物理特性

臭氧（英文名稱：ozone），在常溫、常壓下為無色、有魚腥味的氣體，分子量 47.9982，臭氧在水中溶解性是氧氣的 10 倍以上。一般情況下，1×10-6的臭氧在水中為 1mg/L，長期呼吸＞0.1×10^-6的臭氧對人體有害。

1.2 臭氧的化學結構及制取

臭氧（O3）是氧的同素異形體，分子形狀為 V 形，是唯一具有分子不對稱的、反磁性、 極性單質分子。臭氧可以用化學法、電離法、紫外法制取。

1.3 臭氧氧化性

臭氧是一種強氧化劑，具有強氧化性。由下表可知，它在水中的氧化還原電位僅次于氟， 氟在水中會發生化學反應生成 HF 酸，無法存在。因此，臭氧是常用氧化劑里在水中氧化性 最強的單質氧化劑，氧化物質后，臭氧變成氧氣，逸散到大氣中，不產生污染，是一種綠色 環保的氧化劑。

臭氧與其他物質氧化還原電位對比表

1.4 臭氧化學反應

1）臭氧與無機物反應

除鉑、金、銥、氟以外，臭氧幾乎可與元素周期表中的所有元素反應。臭氧可以將過渡 金屬元素氧化到較高或最高氧化態，形成更難溶的氧化物，人們常利用此性質把污水中 Fe²⁺、 Mn²⁺及 Pb、Ag、Cd、Hg、Ni 等重金屬離子除去。

2）臭氧與有機物反應

①與氰化物反應：2CN-+3O₃+H₂O=2CO₂+N₂+ 2OH^-+2O₂；生成二氧化碳、氮氣和氧氣，使得氰化物（如：聚丙烯氰胺）毒害性減弱或消失。

②與烯烴化合物反應：R₁C=CR₂+O₃→HOO–（R₁C）–G + R₂C =O；G 可以是 OH、OCH₃、OCCH₃ 等。烯烴雙鍵斷裂，分解成醛和酸。

③與芳香族化合物反應：與二甲苯反應生成 CO2和 H2O；與苯酚、苯、萘、蒽反應，生成丁醛、草酸等有機酸。

④與氨基酸、DNA、RNA 反應：如與氨基酸反應生成氨基醇，破壞 DNA、RNA 分子鏈。

⑤與有機胺的反應：與羥基胺生成硝基化合物，與氨基醇生成氨基醛和有機酸。

1.5 臭氧的氧化性用途及優缺點

臭氧可用于滅菌、污水處理、漂白、水脫色、除異味、疾病治療。臭氧在水處理方面是 氧化力最強的一種。它可以滅菌，破壞水中腐殖質，降低 TOC 或毒性的增加，改變水質。

臭氧優點和缺點如下：

1）優點：臭氧的殺菌能力不受 pH 值變化和氨的影響；它的滅菌、消毒作用幾乎是瞬時 發生的（在水中臭氧濃度 0.3～2mg/L 時，0.5～1min 內就可以致死細菌），并且用量小，如 使大腸桿菌殺滅率達 99%，所需臭氧水藥劑量僅是氯的 0.0048%；由于臭氧的氧化力極強， 不但可以殺菌，且還可以與有機物反應除去水中的色味等有機物；從凈化水和空氣的角度來 看，由于其分解快而沒有殘留物質存在是臭氧的一大優點。

2）缺點：性能不穩，只能隨用隨生產，不適于儲存和輸送；有一定毒性危害性；對金 屬和橡膠有腐蝕性（應存放于耐腐蝕橡膠或不銹鋼容器中）。

2、油田污水的處理

2.1 油田污水的來源及處理難點

油田污水有三個來源：第一個來源是鉆井液及其返排液，第二個來源是油井壓裂返排液， 第三個來源是原油處理過程中脫出的污水。為了使污水處理后能符合回注的相關標準，需要有針對性地選擇藥劑和配方。

油田污水處理的難點在于它是以上三種來源的混合體，既具有膠體的穩定性，又含有難 溶的碳酸鹽和硫酸鹽，鈣、鉀、鈉、氯等離子，不排除有重金屬離子，另外，還含有原油、 有機氰、不飽和有機氮等復雜成分，使得污水帶顏色和毒性，同時，污水中還會含有細菌。

2.2 污水處理化學藥劑的選擇及作用

1）選擇臭氧，處理污水中的不飽和有機胺、不飽和雙鍵碳氫化合物、有機氰等物質， 消除污水毒性、去除污水顏色；（例如：可降低聚丙烯化合物和羧甲基纖維素及硫醇的危害）。

2）選擇生石灰的飽和水溶液，及調節水的 pH 值到 8～12，又可以使碳酸鹽和硫酸鹽產 生沉淀；同時，使得臭氧加快析出和分解。

3）選擇以破膠劑、絮凝劑為基礎的復配其它藥劑組成的脫穩劑，破壞污水的膠體穩定性，使得污水中的化合物結成絮體，在水中析出。

4）根據污水的電性，選擇相應的離子型聚丙烯酰胺水溶液，利用其高分子長鏈交聯絮 體，高分子長鏈的包裹效應，增大水中成絮體的顆粒體積，增加其穩定成團性，以便于工藝 設備的處理。

2.3 與污水化學反應及產物

臭氧在催化劑作用下與污水反應產生無機物主要為：碳酸鈣、硫酸鈣、碳酸鎂等；

A₂++CO₃ ^2-=ACO₃；A₂++SO₄ ^2-=ASO₄；（A 可以是 Ca、Mg 及其他可沉淀金屬離子）；與有機物反應產 生為醛、有機酸、硝基化合物，并有部分轉化為 CO2、H2O 和氮氣與氧氣。

3、深圳科力邇CDOF技術介紹

CDOF- Cyclonic Dissolved Ozone Flotation unit,是深圳科力邇公司的專利技術，集成了臭氧多重催化氧化技術、水力空化技術和旋流氣浮技術，為國內獨創的具有國際領先水平的高效氧化和氣浮一體化裝置，能夠高效、快速去除污水中石油類、懸浮物、膠體、COD、細菌等多種污染物。該裝置由制氧系統、臭氧發生系統、臭氧高效投加系統、多重催化反應系統和旋流溶氣氣浮系統組成。