一、应用的背景

　　人类的社会活动及生存离不开水。人们的生活饮用水及生产用水主要来自于地表水和地下水，其中地表水分布广且利用较方便，而地下水则存量有限。随着人类社会的不断发展和进步，各种工业生产及人们生活中产生的大量未经处理的废水及污水不断被排入水体，已使得地表水的不断污染成为一种普通的现象。此外，人类活动中对地下水的大量开采，也使得水源较好但存量有限的地下水迅速减少，并千万了严重的地面下沉现象，对城市各类建筑及公共设施带来了威胁和破坏。我国虽然是水资源较丰富的国家，但由于人口众多，人均的水资源泉含量却很低，约为世界人均占有量的四分之一。而上述地表水普通受污染和地下水过量开采的现象在我国也同样存在，并且状况较为严重。这些现象的出现正对人类的活动及社会进步构成了严重威胁。
　　为了消除水源普通受到污染对人类活动的威胁，世界各地的各个国家尤其是发达国家正在积极采取措施，其中包括了加强生活饮用水的处理许多国家的水处理部门以及相关的科研机构或大学院校正在不断研究和探索新的净水工艺，以消除水中的污染物质对人类造成的危害。随着这些研究和探索的持续进行，各种成果已不断出现并日趋成熟。目前较具有代表性的主要有各种预处理工艺和深度处理工艺的逐渐被应用并取得成功。此外新兴的膜处理工艺在生活饮用处理水中的应用也正在探索和研究中。
　　我国对微污染水源饮用水处理的研究和探索始于二十世纪八十年代，与发达国家比起步较晚。但经过二十年的大量工作，已在许多新工艺的机理和基础研究方面取得了不少成果。其中较有影响的主要有生物预处理工艺、投加臭氧或高锰酸钾等强氧化剂的化学预处理工艺，以及投加粉末活性炭的物理化学预处理工艺等。而深度处理则有颗粒活性炭吸附以及臭氧氧化结合颗粒活性炭吸附的生物活性炭等工艺。这些工艺在全国许多地方的试验研究中通过应用被证明对微污染水源的处理具有较好的效果。但限于经济条件，大部分研究仅处于小试验阶段，很少有进行生产试验和直接应用于生产。
　　上海是我国最大的工业城市，是全国的经济中心之一。上海城市供水的规模及服务人口为全国之最，而上海城市供水的主要水源黄浦江污染相当严重。为了保证供水水质，上海的供水部门不得不在二十世纪八、九十年代花巨资开劈长江第二水源泉和实施黄浦江上游引水工程。由于长江位于远离市区的北面，只能为上海北部地区的水厂供水，且长江源水受长江入海口海水倒灌的影响非常严重，水源地避咸设施的投资昂贵。而大部分位于市区中部及南部地区的水厂仍只能依赖黄浦江水源，虽然实施了上游引水工程，水质有所改善，但由于黄浦江水量有限，其总体水质状况仍出现下降趋势。为了寻找和探索对付黄浦江水质恶化的对策，上海自来水公司先后进行过臭氧预处理、生物接触氧化塔处理以及活性炭吸附处理等工艺的小型试验，并取得了良好成果。随着上海经济的不断发展，人民生活水平的提高以及上海将成为国际金融中心之一的目标确定，提高供水水质已成为一项刻不容缓的任务。为此，上海市自来水公司于一九九八年提出了实施“上海市自来水深度处理工艺研究与应用”科研项目的建议，同年经上海市简直委批准立项实施。该项目由上海市自来水公司牵头，组织了公司科研所、上海市政工程设计研究院以及同济大学等单位开展工作。该项目的开题报告中明确了项目性质为生产研究与应用，并以上海周家渡水厂为试验基地进行科研依托工程的建设，以期通过科研所取得的成果直接应用于生产。此外，开题报告还明确了将在该试验研究中进行多种新工艺的研究，其中臭氧的应用是主要的研究内容之一。

　　二、臭氧及其在水处理应用中的主要特点

　　1、臭氧的主要特性
　　臭氧是一种高活性气体，通过对氧气的放电而形成，其分子式是O3，是氧的同素异形体。在常温常压下，臭氧是淡蓝色的具有刺激性气味的气体。
　　臭氧具有很高的氧化电位（2.076伏)，比氯（1.36伏）高出50%以上，因此它具有比氯更强的氧化能力。臭氧是由氧按以下热化学方程形成：

　　3O₃→2Q₂-69千卡

　　由此反应式可见臭氧的形成是吸热过程。因此，臭氧分子极不稳定，可自行分解，伴随着分解过程会放出能量。所以臭氧比氧具有更高的活性和氧化能力。
　　臭氧气体穿过气水间界面向水中传递是一个动态平衡过程，臭氧气体向水中的传递能力主要与气液两相中的传递系数、气水接触面积以及气液间的浓度差有关。
　　臭氧在水中的溶解度大于氧，温度、气压、气体中的纯臭氧浓度以及水中污染物质的性质和含量是影响臭氧在水中溶解度的主要因素。
　　溶于水中的臭氧极不稳定，很容易分解。温度及水中的PH值是影响臭氧分解的主要因素。
　　自然界中的臭氧是由大气中的氧气受雷击后产生，而人类生产过程中所需的臭氧则是通过臭氧发生设备，利用环境空气中的氧以及商品氧和空气分离设备制取的氧来制造。
　　2、臭氧净化水的作用机理
　　臭氧一经溶解在水中，会出现下列两种反应：一种是直接氧化，它是较缓慢的且有明显选择性的反应；另一种则是在水中羟基、过氧化氢、有机物、腐植质和高浓度的氢氧根诱发下自街上分解成羟基自由基，间接地氧化有机物、微生物和氨等。后一种反应相当快，且没有选择性，另外还能将重碳酸根和碳酸根氧化成重碳酸和碳酸。这两种反应中后一种反应更强烈，氧化能力更强。这两种反应过程可简单表示为下图：

　　由上述反应机理可知，臭氧在任何PH条件均能氧化水中多种有机物和无机物，如造成水中色、嗅和味的腐植质、酚、氨氮、铁、锰以及硫等还原物质。此外，由于具有很高的氧化电位和容易通过微生物细胞膜扩散，并能氧化微生物细胞的有机物或破坏有机体链状

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