清華大學(xué)：通過臭氧微氣泡曝氣實現(xiàn)卓越的水消毒：性能和機制

亮點

?臭氧微泡曝氣在低臭氧總劑量（> 2.0?mg/L）下完全滅活細菌和病毒。

?臭氧微泡曝氣在自來水，湖水和二次出水中提供了有效的滅活。

?微泡曝氣促進了臭氧傳質(zhì)，誘導(dǎo)了?OH的生成。

?通過臭氧分子的直接氧化比通過?OH的間接氧化貢獻更大。

?臭氧微泡曝氣會破壞典型微生物的膜和DNA。

摘要

臭氧具有較高的氧化電位（2.07?V），在水消毒中得到了廣泛應(yīng)用。然而，緩慢的臭氧氣液傳質(zhì)導(dǎo)致高臭氧要求和運行成本。微泡曝氣可有效提高臭氧傳質(zhì)效率，同時降低臭氧劑量。在這里，我們使用陶瓷超濾膜進行臭氧微泡曝氣。研究了臭氧微泡曝氣對病原微生物的消毒性能及機理。微泡曝氣可使大腸桿菌和MS2噬菌體失活6倍，總臭氧劑量降低>?60?%。對革蘭氏陽性菌的消毒效率也提高了3倍。由于有效的氣液傳遞，微泡曝氣增強了臭氧和?OH氧化。與微泡曝氣相比，平衡臭氧濃度提高了1.38倍，?OH產(chǎn)率提高了2.40倍。因此，臭氧微泡曝氣對細菌細胞造成嚴重的膜損傷，使細菌DNA斷裂，導(dǎo)致細菌代謝活性迅速下降（> 80?%）。本研究表明，臭氧微泡曝氣可促進廣譜消毒，有效降低臭氧劑量，有利于臭氧化的應(yīng)用，降低成本，減少對環(huán)境的影響。

介紹

水媒病原體與傳染病有關(guān)，對公眾健康構(gòu)成重大威脅。據(jù)估計，每年有100萬人死于腹瀉病，原因是飲用水不安全、環(huán)境衛(wèi)生條件不足和手部衛(wèi)生習(xí)慣不佳。消毒在控制水傳播病原體，確保水安全[34]，[39]，[7]中起著至關(guān)重要的作用。常用的消毒劑有氯、二氧化氯和臭氧[32]、[58]。然而，化學(xué)消毒劑的過量使用導(dǎo)致有毒消毒副產(chǎn)物[30]、[6]的形成和微生物耐藥性[33]、[51]的增長，給公眾健康帶來額外風(fēng)險。因此，應(yīng)盡量減少化學(xué)品的使用，以實現(xiàn)病原體的有效滅活，減少對環(huán)境的不良影響。

一個多世紀以來，臭氧一直被用作水處理的氧化劑。由于臭氧具有高氧化電位（2.07?V）和無毒產(chǎn)物（O2）[9]，美國環(huán)境保護署鼓勵并推廣臭氧作為替代消毒劑，以取代傳統(tǒng)的氯消毒[9]。臭氧可有效殺滅微生物[17]，[35],[55]，[8]和20?ppm臭氧可在4?min內(nèi)滅活空氣中的煙曲霉[14]羥基自由基（?OH）是一種強氧化劑，可在臭氧化過程中產(chǎn)生，并有助于消毒然而，常規(guī)臭氧化在水中的傳質(zhì)速率有限（約0.04?min?1），這導(dǎo)致了較高的臭氧消耗和能源成本。因此，提高傳質(zhì)效率對臭氧消毒的廣泛應(yīng)用具有重要意義。

傳統(tǒng)的臭氧曝氣依賴于鈦合金曝氣器或撞擊器，通常會產(chǎn)生微泡。然而，這些氣泡上升速度高，氣液接觸面積有限，導(dǎo)致傳質(zhì)效率較差。微泡的氧傳遞效率僅為6-10?%，臭氧利用率較低。Fan等人，[15],[41]。因此，需要更高的臭氧劑量來達到預(yù)期的效果，增加了能源消耗并造成負面的環(huán)境影響。與常規(guī)曝氣相比，微泡曝氣可以提高臭氧的傳輸率。微氣泡是指直徑在1 ~ 100 μm[15]之間的氣泡。這些氣泡能有效地促進臭氧利用率達到65%?% -79?%[36]。電解、超聲波和加壓溶解[29]、[4]、[56]等方法均可產(chǎn)生微氣泡，但這些方法大多能耗較高[61]。陶瓷超濾膜曝氣能耗低，設(shè)備簡單[1]，是一種具有極好應(yīng)用潛力的微泡曝氣方法[44]。

研究了微泡曝氣對污染物的降解作用[2]，[60]。然而，關(guān)于臭氧微泡曝氣對水中病原菌滅活影響的研究還很有限。發(fā)現(xiàn)使用超聲波發(fā)生器的微泡系統(tǒng)以大約5?mg?O?/L的速度實現(xiàn)了大腸菌群的3-log失活，與傳統(tǒng)系統(tǒng)相比減少了約3?mg?O?/L。Sumikura等人，2010。在另一項研究中，利用微型攪拌機產(chǎn)生的臭氧超細氣泡水實現(xiàn)口腔和上呼吸道[50]的>?99?%細菌滅活。迄今為止，使用陶瓷膜的微泡系統(tǒng)在水中的消毒性能尚未得到探索，臭氧微泡曝氣在水中加強微生物消毒的機理尚未得到闡述。

研究了一種基于陶瓷膜的臭氧微泡曝氣系統(tǒng)。研究了臭氧微泡曝氣對水中典型革蘭氏陰性菌、陽性菌和MS2噬菌體等病原微生物的消毒效果。從臭氧傳質(zhì)和?OH產(chǎn)率兩方面分析了臭氧氧化和?OH氧化對微生物消毒的影響。通過研究細胞膜損傷和DNA破壞來確定其失活機制。本研究表明，與常規(guī)曝氣相比，微泡曝氣可用于水中微生物的高效消毒，且能耗低，環(huán)境影響小。

設(shè)備

臭氧曝氣系統(tǒng)（a） 臭氧曝氣系統(tǒng)的氣路。1） 氧氣瓶;2） 臭氧發(fā)生器;3） 流量計;4） 入口臭氧氣體濃度檢測儀;5） 質(zhì)量流量計;6） 磁力混合器;7） 微氣泡曝氣塔;8） Milli-Bubble 曝氣塔;9） 出口臭氧氣體濃度檢測儀。（b） 陶瓷膜曝氣示意圖。（c） 微氣泡和細菌

使用臭氧設(shè)備：臭氧發(fā)生器：Apex H32，臭氧檢測儀 3S-J5000

結(jié)論

總之，微氣泡曝氣對廣泛的病原微生物表現(xiàn)出卓越的消毒性能，包括各種革蘭氏陰性菌和革蘭氏陽性菌以及病毒。此外，這種方法將不同微生物的能耗降低了 37.2% 以上。通過降低所需的氧化劑劑量，臭氧微氣泡曝氣有助于實現(xiàn)更可持續(xù)、更安全的水處理。

全文鏈接：https://doi.org/10.1016/j.jhazmat.2025.138174