清华大学：通过臭氧微气泡曝气实现卓越的水消毒：性能和机制

亮点

•臭氧微泡曝气在低臭氧总剂量（> 2.0 mg/L）下完全灭活细菌和病毒。

•臭氧微泡曝气在自来水，湖水和二次出水中提供了有效的灭活。

•微泡曝气促进了臭氧传质，诱导了•OH的生成。

•通过臭氧分子的直接氧化比通过•OH的间接氧化贡献更大。

•臭氧微泡曝气会破坏典型微生物的膜和DNA。

摘要

臭氧具有较高的氧化电位（2.07 V），在水消毒中得到了广泛应用。然而，缓慢的臭氧气液传质导致高臭氧要求和运行成本。微泡曝气可有效提高臭氧传质效率，同时降低臭氧剂量。在这里，我们使用陶瓷超滤膜进行臭氧微泡曝气。研究了臭氧微泡曝气对病原微生物的消毒性能及机理。微泡曝气可使大肠杆菌和MS2噬菌体失活6倍，总臭氧剂量降低> 60 %。对革兰氏阳性菌的消毒效率也提高了3倍。由于有效的气液传递，微泡曝气增强了臭氧和•OH氧化。与微泡曝气相比，平衡臭氧浓度提高了1.38倍，•OH产率提高了2.40倍。因此，臭氧微泡曝气对细菌细胞造成严重的膜损伤，使细菌DNA断裂，导致细菌代谢活性迅速下降（> 80 %）。本研究表明，臭氧微泡曝气可促进广谱消毒，有效降低臭氧剂量，有利于臭氧化的应用，降低成本，减少对环境的影响。

介绍

水媒病原体与传染病有关，对公众健康构成重大威胁。据估计，每年有100万人死于腹泻病，原因是饮用水不安全、环境卫生条件不足和手部卫生习惯不佳。消毒在控制水传播病原体，确保水安全[34]，[39]，[7]中起着至关重要的作用。常用的消毒剂有氯、二氧化氯和臭氧[32]、[58]。然而，化学消毒剂的过量使用导致有毒消毒副产物[30]、[6]的形成和微生物耐药性[33]、[51]的增长，给公众健康带来额外风险。因此，应尽量减少化学品的使用，以实现病原体的有效灭活，减少对环境的不良影响。

一个多世纪以来，臭氧一直被用作水处理的氧化剂。由于臭氧具有高氧化电位（2.07 V）和无毒产物（O2）[9]，美国环境保护署鼓励并推广臭氧作为替代消毒剂，以取代传统的氯消毒[9]。臭氧可有效杀灭微生物[17]，[35],[55]，[8]和20 ppm臭氧可在4 min内灭活空气中的烟曲霉[14]羟基自由基（•OH）是一种强氧化剂，可在臭氧化过程中产生，并有助于消毒然而，常规臭氧化在水中的传质速率有限（约0.04 min−1），这导致了较高的臭氧消耗和能源成本。因此，提高传质效率对臭氧消毒的广泛应用具有重要意义。

传统的臭氧曝气依赖于钛合金曝气器或撞击器，通常会产生微泡。然而，这些气泡上升速度高，气液接触面积有限，导致传质效率较差。微泡的氧传递效率仅为6-10 %，臭氧利用率较低。Fan等人，[15],[41]。因此，需要更高的臭氧剂量来达到预期的效果，增加了能源消耗并造成负面的环境影响。与常规曝气相比，微泡曝气可以提高臭氧的传输率。微气泡是指直径在1 ~ 100 μm[15]之间的气泡。这些气泡能有效地促进臭氧利用率达到65% % -79 %[36]。电解、超声波和加压溶解[29]、[4]、[56]等方法均可产生微气泡，但这些方法大多能耗较高[61]。陶瓷超滤膜曝气能耗低，设备简单[1]，是一种具有极好应用潜力的微泡曝气方法[44]。

研究了微泡曝气对污染物的降解作用[2]，[60]。然而，关于臭氧微泡曝气对水中病原菌灭活影响的研究还很有限。发现使用超声波发生器的微泡系统以大约5 mg O₃/L的速度实现了大肠菌群的3-log失活，与传统系统相比减少了约3 mg O₃/L。Sumikura等人，2010。在另一项研究中，利用微型搅拌机产生的臭氧超细气泡水实现口腔和上呼吸道[50]的> 99 %细菌灭活。迄今为止，使用陶瓷膜的微泡系统在水中的消毒性能尚未得到探索，臭氧微泡曝气在水中加强微生物消毒的机理尚未得到阐述。

研究了一种基于陶瓷膜的臭氧微泡曝气系统。研究了臭氧微泡曝气对水中典型革兰氏阴性菌、阳性菌和MS2噬菌体等病原微生物的消毒效果。从臭氧传质和•OH产率两方面分析了臭氧氧化和•OH氧化对微生物消毒的影响。通过研究细胞膜损伤和DNA破坏来确定其失活机制。本研究表明，与常规曝气相比，微泡曝气可用于水中微生物的高效消毒，且能耗低，环境影响小。

设备

臭氧曝气系统（a） 臭氧曝气系统的气路。1） 氧气瓶;2） 臭氧发生器;3） 流量计;4） 入口臭氧气体浓度检测仪;5） 质量流量计;6） 磁力混合器;7） 微气泡曝气塔;8） Milli-Bubble 曝气塔;9） 出口臭氧气体浓度检测仪。（b） 陶瓷膜曝气示意图。（c） 微气泡和细菌

使用臭氧设备：臭氧发生器：Apex H32，臭氧检测仪 3S-J5000

结论

总之，微气泡曝气对广泛的病原微生物表现出卓越的消毒性能，包括各种革兰氏阴性菌和革兰氏阳性菌以及病毒。此外，这种方法将不同微生物的能耗降低了 37.2% 以上。通过降低所需的氧化剂剂量，臭氧微气泡曝气有助于实现更可持续、更安全的水处理。

全文链接：https://doi.org/10.1016/j.jhazmat.2025.138174