污水处理中臭氧的应用

石油开采过程中，在钻井、压裂、原油脱水等过程中产生数量可观的废水，这种废水通 常含有有机物，水色黑黄色，且带有气味，有毒性。这种水如果直接排放，将造成严重的污 染。因此，选择合适的工艺处理无机盐和有机物，以及脱除污水的颜色，使得污水变清，达到相关标准要求，是一个值得研究和实验的课题。

1、臭氧理化特性、用途及优缺点

1.1 臭氧的物理特性

臭氧（英文名称：ozone），在常温、常压下为无色、有鱼腥味的气体，分子量 47.9982，臭氧在水中溶解性是氧气的 10 倍以上。一般情况下，1×10-6的臭氧在水中为 1mg/L，长期呼吸＞0.1×10^-6的臭氧对人体有害。

1.2 臭氧的化学结构及制取

臭氧（O3）是氧的同素异形体，分子形状为 V 形，是唯一具有分子不对称的、反磁性、 极性单质分子。臭氧可以用化学法、电离法、紫外法制取。

1.3 臭氧氧化性

臭氧是一种强氧化剂，具有强氧化性。由下表可知，它在水中的氧化还原电位仅次于氟， 氟在水中会发生化学反应生成 HF 酸，无法存在。因此，臭氧是常用氧化剂里在水中氧化性 最强的单质氧化剂，氧化物质后，臭氧变成氧气，逸散到大气中，不产生污染，是一种绿色 环保的氧化剂。 

臭氧与其他物质氧化还原电位对比表

1.4 臭氧化学反应

1）臭氧与无机物反应

除铂、金、铱、氟以外，臭氧几乎可与元素周期表中的所有元素反应。臭氧可以将过渡 金属元素氧化到较高或最高氧化态，形成更难溶的氧化物，人们常利用此性质把污水中 Fe²⁺、 Mn²⁺及 Pb、Ag、Cd、Hg、Ni 等重金属离子除去。

2）臭氧与有机物反应

①与氰化物反应：2CN-+3O₃+H₂O=2CO₂+N₂+ 2OH^-+2O₂；生成二氧化碳、氮气和氧气，使得氰化物（如：聚丙烯氰胺）毒害性减弱或消失。

②与烯烃化合物反应：R₁C=CR₂+O₃→HOO–（R₁C）–G + R₂C =O；G 可以是 OH、OCH₃、OCCH₃ 等。烯烃双键断裂，分解成醛和酸。

③与芳香族化合物反应：与二甲苯反应生成 CO2和 H2O；与苯酚、苯、萘、蒽反应，生成丁醛、草酸等有机酸。

④与氨基酸、DNA、RNA 反应：如与氨基酸反应生成氨基醇，破坏 DNA、RNA 分子链。

⑤与有机胺的反应：与羟基胺生成硝基化合物，与氨基醇生成氨基醛和有机酸。

1.5 臭氧的氧化性用途及优缺点

臭氧可用于灭菌、污水处理、漂白、水脱色、除异味、疾病治疗。臭氧在水处理方面是 氧化力最强的一种。它可以灭菌，破坏水中腐殖质，降低 TOC 或毒性的增加，改变水质。 

臭氧优点和缺点如下：

1）优点：臭氧的杀菌能力不受 pH 值变化和氨的影响；它的灭菌、消毒作用几乎是瞬时 发生的（在水中臭氧浓度 0.3～2mg/L 时，0.5～1min 内就可以致死细菌），并且用量小，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%；由于臭氧的氧化力极强， 不但可以杀菌，且还可以与有机物反应除去水中的色味等有机物；从净化水和空气的角度来 看，由于其分解快而没有残留物质存在是臭氧的一大优点。

2）缺点：性能不稳，只能随用随生产，不适于储存和输送；有一定毒性危害性；对金 属和橡胶有腐蚀性（应存放于耐腐蚀橡胶或不锈钢容器中）。

2、油田污水的处理

2.1 油田污水的来源及处理难点

油田污水有三个来源：第一个来源是钻井液及其返排液，第二个来源是油井压裂返排液， 第三个来源是原油处理过程中脱出的污水。为了使污水处理后能符合回注的相关标准，需要有针对性地选择药剂和配方。

油田污水处理的难点在于它是以上三种来源的混合体，既具有胶体的稳定性，又含有难 溶的碳酸盐和硫酸盐，钙、钾、钠、氯等离子，不排除有重金属离子，另外，还含有原油、 有机氰、不饱和有机氮等复杂成分，使得污水带颜色和毒性，同时，污水中还会含有细菌。

2.2 污水处理化学药剂的选择及作用

1）选择臭氧，处理污水中的不饱和有机胺、不饱和双键碳氢化合物、有机氰等物质， 消除污水毒性、去除污水颜色；（例如：可降低聚丙烯化合物和羧甲基纤维素及硫醇的危害）。

2）选择生石灰的饱和水溶液，及调节水的 pH 值到 8～12，又可以使碳酸盐和硫酸盐产 生沉淀；同时，使得臭氧加快析出和分解。

3）选择以破胶剂、絮凝剂为基础的复配其它药剂组成的脱稳剂，破坏污水的胶体稳定性，使得污水中的化合物结成絮体，在水中析出。

4）根据污水的电性，选择相应的离子型聚丙烯酰胺水溶液，利用其高分子长链交联絮 体，高分子长链的包裹效应，增大水中成絮体的颗粒体积，增加其稳定成团性，以便于工艺 设备的处理。

2.3 与污水化学反应及产物

臭氧在催化剂作用下与污水反应产生无机物主要为：碳酸钙、硫酸钙、碳酸镁等；

A₂++CO₃ ^2-=ACO₃；A₂++SO₄ ^2-=ASO₄；（A 可以是 Ca、Mg 及其他可沉淀金属离子）；与有机物反应产 生为醛、有机酸、硝基化合物，并有部分转化为 CO2、H2O 和氮气与氧气。

3、深圳科力迩CDOF技术介绍

CDOF- Cyclonic Dissolved Ozone Flotation unit,是深圳科力迩公司的专利技术，集成了臭氧多重催化氧化技术、水力空化技术和旋流气浮技术，为国内独创的具有国际领先水平的高效氧化和气浮一体化装置，能够高效、快速去除污水中石油类、悬浮物、胶体、COD、细菌等多种污染物。该装置由制氧系统、臭氧发生系统、臭氧高效投加系统、多重催化反应系统和旋流溶气气浮系统组成。