2.4 臭氧消毒实验
2.4.1 实验目的
（1）了解臭氧消毒的基本原理。
（2）了解臭氧消毒工艺流程，掌握臭氧消毒的实验方法。
（3）掌握臭氧气体浓度测试方法。
2.4.2 实验原理
臭氧在常温、常态、常压下，较低浓度的臭氧是无色气体，当浓度达到15%时，呈现出淡蓝色。臭氧密度是2.14g/L（0℃，一个标准大气压），约为氧气的1.5倍，沸点是-111℃，熔点是-192℃。臭氧可溶于水，在常温、常态、常压下臭氧在水中的溶解度比氧高约13倍，比空气高25倍。
臭氧具有刺激性腥臭味，浓度高时与氯气气味相像，它主要是刺激和损害深部呼吸道，并可损害中枢神经系统，对眼睛有轻度的刺激作用，吸入过量对人体健康有一定危害。当大气中臭氧浓度为0.1mg/m3时，可引起鼻和喉头黏膜的刺激；臭氧浓度在0.1～0.2mg/m3时，可引起哮喘发作，导致上呼吸道疾病恶化，同时刺激眼睛，使视觉敏感度和视力降低。臭氧浓度在2mg/m3以上时，可引起头痛、胸痛和思维能力下降，严重时可导致肺气肿和肺水肿。
1840年，德国科学家Christian Friedrich Schonbein发现了臭氧，1856 年被用于水处理消毒行业。
臭氧是一种强氧化剂，可用作消毒剂，其消毒过程属生物化学氧化反应。通常认为臭氧消毒有3种形式：①臭氧能氧化分解细菌内部葡萄糖所需的酶，使细菌灭活死亡。②直接与细菌、病毒作用，破坏它们的细胞器和DNA、RNA，使细菌的新陈代谢受到破坏，导致细菌死亡。③透过细胞膜组织，侵入细胞内，作用于外膜的脂蛋白和内部的脂多糖，使细菌发生通透性畸变而溶解死亡。
臭氧杀菌彻底，杀菌广谱，可杀灭细菌繁殖体和芽孢、病毒、真菌等，在饮用水处理中被越来越多地应用。由于臭氧在水中不稳定，易消失，因此在臭氧消毒后仍需投加少量氯、二氧化氯或氯胺已维持水中剩余消毒剂。臭氧很少作为唯一消毒剂。臭氧消毒的主要优点是不会产生三卤甲烷等副产物，杀菌消毒能力比氯强，但臭氧在氧化含有溴离子的原水时会产生溴酸根，国际癌症研究机构定为2B级的潜在致癌物，2004年世界卫生组织在《饮用水水质准则》中，将水中溴酸盐的限值定为0.01mg/L。我国现行的《生活饮用水卫生标准》亦规定溴酸盐限值为0.01mg/L。
臭氧用于饮用水消毒的缺点是臭氧生产设备较复杂、电耗高和成本高。
2.4.3 设备、仪器与用具
臭氧消毒实验所用到的设备、仪器与用具如下。
（1）实验装置，如图2-3所示。
（2）500mL气体吸收瓶。
（3）50mL量筒。
（4）浓度20%的碘化钾溶液。
（5）6N硫酸溶液。
（6）0.1N硫代硫酸钠标准溶液。
（7）浓度1%的淀粉溶液。
图2-3 臭氧消毒装置流程图
1—臭氧发生器；2—臭氧进气阀及流量计；3—测进气臭氧浓度阀门及流量计；4—测尾气臭氧浓度阀门及流量计；5—反应柱；6—出水控制阀；7—消毒水箱；8—进水阀及转子流量计；9—水泵；10—原水箱
（8）臭氧浓度测定仪。
（9）臭氧发生器。
2.4.4 操作步骤和方法
臭氧消毒实验的操作步骤和方法如下。
（1）将滤池来水（或自配水样）装入原水箱10中。
（2）启动水泵9，开阀门8，调节转子流量计8，以一定流量将原水注入反应柱中至预定高度（此时出水控制阀6为关闭状态）。
（3）与此同时，打开臭氧发生器1，调节臭氧进气阀2，以一定流量，使臭氧由反应柱底部经微孔曝气头进入塔内，与水充分接触（气泡越细越好）。
（4）调节出水控制阀6，将消毒后的水放入消毒水箱7中，保持反应柱5内进出水量平衡。
（5）改变3次系统的进水量和臭氧投加量，记录各个流量计的读数。
（6）每次读流量值的同时测进气臭氧及尾气臭氧浓度。
1）用量筒将碘化钾溶液（浓度20%）20mL加入气体吸收瓶中。
2）然后往气体吸收瓶中加250mL蒸馏水，摇匀。
3）打开进气3或尾气4阀门，往瓶内通入臭氧化空气2L，并加入5mL的6N硫酸溶液摇匀后静止5min。
4）用0.1N硫代硫酸钠溶液滴定。待溶液呈淡黄色时，滴入浓度为1%的淀粉溶液数滴，溶液呈蓝褐色。
5）继续用0.1N硫代硫酸钠溶液滴定至无色，记录其用量。
（7）取进水及出水水样测细菌总数。
以上各项读数及测得数值均记入表2-10。
表2-10 臭氧消毒实验记录表
2.4.5 实验结果整理
臭氧消毒实验的实验结果整理步骤如下。
（1）按式（2-3）计算标准状态下的进气流量：
式中 QN——标准状态下的进气流量，L/h；
Qm——压力状态下的进气流量，L/h，（进气流量即流量计所示流量，L/h）；
Pm——压力表读数，MPa。
（2）按式（2-4）计算臭氧投量：
臭氧投量或者臭氧发生器的产量以G表示：
式中 C——臭氧浓度，mg/L。
（3）臭氧利用系数也称吸收率，其值以进气浓度C1与尾气浓度C2间的关系表示：
臭氧利用系数（吸收率）=
，求臭氧利用系数及细菌去除率。
（4）计算臭氧浓度C（mg/L）：
式中 N2——硫代硫酸钠溶液的摩尔浓度；
V2——硫代硫酸钠溶液的滴定用量（体积），mL；
V1——臭氧取样体积，2L。
（5）作臭氧消耗量与细菌总数去除率曲线。
2.4.6 思考题
（1）臭氧消毒和氯消毒、紫外线消毒有何不同?
（2）如何去除臭氧消毒后的副产物?