臭氧工藝在給水處理中的應(yīng)用

李亞峰 李奇君

中國核電工程有限公司河北分公司，河北 石家莊 050019

臭氧工藝在給水處理中的應(yīng)用

李亞峰 李奇君

中國核電工程有限公司河北分公司，河北 石家莊 050019

本文簡要介紹臭氧的物理化學(xué)性質(zhì)、臭氧工藝在給水處理中的作用、系統(tǒng)組成及臭氧工藝存在的問題。隨著臭氧設(shè)備技術(shù)的不斷發(fā)展和對水質(zhì)要求的提高，臭氧工藝在給水處理中有廣闊的應(yīng)用前景。

臭氧；給水處理；臭氧工藝系統(tǒng)組成

隨著工業(yè)和城市的迅速發(fā)展，給水水源正受到日趨嚴(yán)重的污染，包括農(nóng)藥、殺蟲劑、除草劑、各種添加劑、內(nèi)分泌干擾素等，而以混凝、沉淀、過濾、消毒為代表的常規(guī)給水處理工藝難以有效去除這些有機(jī)物質(zhì)，因此有必要采取一些深度處理工藝來滿足飲用水水質(zhì)的要求。其中臭氧工藝在給水深度處理中得到了廣泛的應(yīng)用。

1 臭氧的物理化學(xué)性質(zhì)

臭氧（O3）是氧（O2）的同素異形體。在常溫常壓下，它是淡藍(lán)色的具有強(qiáng)烈刺激性氣體，液體呈深藍(lán)色。臭氧的標(biāo)準(zhǔn)電極電位為2.07V，僅次于氟（F2）電位2.87V，居第二位，它的氧化能力高于氯（Cl2，電位1.36V）和二氧化氯（ClO2，電位1.5V）。臭氧是一種活潑的不穩(wěn)定的氣體，在水中的溶解度為640ml/L（1atm，0℃）。

臭氧溶于水，會發(fā)生一系列復(fù)雜的化學(xué)變化。其反應(yīng)速率和反應(yīng)產(chǎn)物隨水中化學(xué)成分的不同而變化。臭氧作為一種氧化劑，主要通過兩種途徑發(fā)生氧化作用：直接與溶于水的還原劑進(jìn)行反應(yīng)，它是有選擇性的，且反應(yīng)速度較慢；分解成二級氧化劑羥基（OH），再與還原劑進(jìn)行反應(yīng)，它是沒有選擇性的且反應(yīng)速度很快。

臭氧對人體健康有影響，空氣中臭氧濃度0.01ppm時(shí)即能嗅出，安全濃度為1ppm，空氣中臭氧濃度達(dá)到1000mg/L時(shí)人即有生命危險(xiǎn)。因此，水處理中散發(fā)出來的臭氧尾氣必須處理。

2 臭氧工藝在給水處理中的作用

根據(jù)投加位置的不同，臭氧氧化的作用可以分為前（預(yù)）氧化和后（主）氧化。

前（預(yù)）氧化一般設(shè)置在混凝沉淀（澄清）之前，主要作用有：去除嗅和味、色度、重金屬(鐵、錳等)；使水中膠體微粒脫穩(wěn)，改善絮凝效果，減少混凝劑的投加量；去除藻類和減少三氯甲烷等三致物質(zhì)的前驅(qū)物（減少水中三致物質(zhì)的含量）。

后（主）氧化一般設(shè)置在過濾之前或之后，主要作用有：氧化有機(jī)物，如殺蟲劑、清潔劑、苯酚等；去除DOC（溶解有機(jī)物）、氨氮(NH3－N＜2 mg/L)；氧化分解螯合物；提高有機(jī)物可生化性并增加水中的溶解氧，利于后續(xù)生物藥用炭單元的生物降解作用；殺死細(xì)菌和病毒，減少Cl2等消毒劑的投加量。

3 臭氧工藝系統(tǒng)的組成

給水處理中的臭氧工藝系統(tǒng)一般包括：氣源制備、臭氧發(fā)生裝置、臭氧氣體輸送管道、臭氧接觸氧化系統(tǒng)以及臭氧尾氣消除裝置等。

3.1 氣源制備

氣源主要由以下三種形式可供選擇：①干燥空氣；②VPSA（真空變壓吸附技術(shù)）現(xiàn)場制氧系統(tǒng)制成高純度氧氣；③液態(tài)氧經(jīng)氣化而成的高純度氧氣。

干燥空氣制臭氧：設(shè)備投資高，臭氧濃度一般在3%～4%，耗電量為23～25（kW· h）/kgO3。

氣態(tài)氧制臭氧：設(shè)備投資比空氣制臭氧低，但比液態(tài)氧制臭氧要高，臭氧發(fā)生濃度可達(dá)到18%甚至更高，耗電量為11～14（kW· h）/kgO3。氣態(tài)氧一般是現(xiàn)場制取，氧氣純度為90%～93%，能耗為0.3～0.4（kW·h）/ kgO2。

液態(tài)氧制臭氧：設(shè)備投資低，臭氧發(fā)生濃度可達(dá)18%甚至更高，耗電量為10～13（kW· h）/kgO3。因?yàn)橐簯B(tài)氧一般需外購，故臭氧發(fā)生總成本隨著液態(tài)氧價(jià)格的變化而變化。

對于不同的地區(qū)，究竟采用何種氣源應(yīng)根據(jù)當(dāng)?shù)氐碾妰r(jià)和氧氣價(jià)格經(jīng)成本分析后再確定。

3.2 臭氧發(fā)生裝置

目前大規(guī)模的臭氧發(fā)生裝置基本采用電暈放電法制造臭氧，電暈放電法就是一種干燥的含氧氣體流過電暈放電區(qū)產(chǎn)生臭氧的方法。臭氧的產(chǎn)量和電壓、頻率、臭氧發(fā)生裝置的設(shè)計(jì)以及氣源的種類與質(zhì)量有關(guān)。

臭氧發(fā)生過程中消耗的能量僅有22%用于合成臭氧，其余均轉(zhuǎn)化為熱量而使氣體溫度升高，這將導(dǎo)致臭氧產(chǎn)量降低。因此，臭氧發(fā)生裝置應(yīng)配備完善的冷卻系統(tǒng)，主要有直接冷卻和間接冷卻兩種技術(shù)措施。

3.3 臭氧輸送管道

臭氧具有強(qiáng)腐蝕性，因此對管道材質(zhì)要求嚴(yán)格。干燥環(huán)境下，臭氧管道采用304或316L不銹鋼管或同等級的其他產(chǎn)品，濕潤環(huán)境下臭氧氣體管道采用316L不銹鋼管或同等級的其他產(chǎn)品，法蘭片材質(zhì)與連接管道相同，法蘭墊片為聚四氟乙烯（PTFE）材料或同等級的其他產(chǎn)品。

3.4 臭氧接觸系統(tǒng)

3.4.1 前（預(yù)）臭氧接觸氧化系統(tǒng)

該階段的臭氧投加量一般為0.5～1.5mg/ L，反應(yīng)時(shí)間為≥4min，水中的臭氧余值一般為零或很少。

每個(gè)前（預(yù)）臭氧接觸池進(jìn)口處設(shè)1個(gè)投加點(diǎn)，由于被處理水一般為原水，為防止臭氧擴(kuò)散裝置被雜質(zhì)堵塞，可采用靜態(tài)混合器或射流擴(kuò)散器。靜態(tài)混合器的水頭損失較大，因此適用于原水水頭有富余的場合；射流擴(kuò)散器不消耗原水水頭，但需增加部分動力設(shè)備來提升少量的原水（1.2～1.6m3/kgO3）與臭氧混合，以提高臭氧的轉(zhuǎn)移效率。

3.4.2 后（主）臭氧接觸氧化系統(tǒng)

由于該階段被處理水較清潔，因此擴(kuò)散裝置一般均采用微孔布?xì)饷保ūP），臭氧轉(zhuǎn)移效率高。后（主）臭氧接觸氧化的反應(yīng)時(shí)間≥10min，臭氧投量為1.5～2.5mg/L，水中臭氧余值一般為0.2～0.4mg/L。

后（主）臭氧接觸氧化系統(tǒng)在每個(gè)接觸池一般設(shè)2～3個(gè)投加點(diǎn)。當(dāng)采用2點(diǎn)投加時(shí)，每個(gè)點(diǎn)的臭氧投加比例沿水流方向依次為總投加量的80%～50%、20%～50%，每個(gè)投加點(diǎn)的臭氧接觸時(shí)間分別為總時(shí)間的50%。當(dāng)采用3點(diǎn)投加時(shí)，各點(diǎn)的臭氧投加比例沿水流方向依次為總投加量的80%～40%、10%～30%、10%～30%，3個(gè)投加點(diǎn)的臭氧接觸時(shí)間依次為總時(shí)間的3 0%、30%、40%。

3.4.3 臭氧接觸池

為了防止臭氧接觸池中少量未溶于水的臭氧逸出后進(jìn)入環(huán)境空氣而造成危害，臭氧接觸池必須采取全封閉的構(gòu)造。

隨著臭氧加注量和處理水量的變化，注入接觸池的氣量及產(chǎn)生的尾氣也將發(fā)生變化。當(dāng)出現(xiàn)尾氣消除裝置的抽氣量與實(shí)際產(chǎn)生的尾氣量不一致時(shí)，將在接觸池內(nèi)形成一定的附加正壓或負(fù)壓，從而可能對結(jié)構(gòu)產(chǎn)生危害和影響接觸池的水力負(fù)荷，因此，必須在池頂設(shè)自動氣壓釋放閥，用于在產(chǎn)生附加正壓時(shí)自動排氣和產(chǎn)生附加負(fù)壓時(shí)自動進(jìn)氣。

接觸池的有效水深一般為6.0m，超高≥0.75m。為使臭氧能最大限度地溶于水中，接觸池水流一般采用豎向流形式。

3.5 臭氧尾氣破壞系統(tǒng)

由于受水質(zhì)與擴(kuò)散裝置的影響，進(jìn)入接觸池的臭氧很難100%地被吸收，因此必須對接觸池排出的尾氣進(jìn)行處理，以保證臭氧濃度＜（0.05～0.1）mg/L。

常用的尾氣處理方法有：高溫加熱法和催化劑法。

高溫加熱法：將臭氧加熱到350℃后在1.5～2s內(nèi)便可使其100%分解。該法安全可靠、維護(hù)簡單，并可回收熱能，但增加了設(shè)備投資和運(yùn)行能耗。

催化劑法：利用催化劑對臭氧尾氣進(jìn)行分解破壞。目前，使用的催化劑是以MnO2為基質(zhì)的填料。該法的設(shè)備投資和運(yùn)行能耗均比高溫加熱法低，但處理效果受水質(zhì)、環(huán)境質(zhì)量、尾氣的含水率、催化劑的使用年限等因素影響，安全及穩(wěn)定性比高溫加熱法差，且催化劑需要定期更換。

為保證安全生產(chǎn)，應(yīng)使臭氧尾氣破壞系統(tǒng)的設(shè)備備用率≥30%。

3.6 投加控制系統(tǒng)

臭氧系統(tǒng)的控制就是使臭氧的需求量等于臭氧的供給量。

前（預(yù)）臭氧投加控制：設(shè)定臭氧投加率，根據(jù)水量采用PLC自動控制臭氧發(fā)生器的產(chǎn)量。

后（主）臭氧投加控制：設(shè)定臭氧投加率，根據(jù)水量與水中臭氧余值采用PLC自動控制臭氧發(fā)生器的產(chǎn)量。處理水量是前饋條件，臭氧余值是后饋條件，用于對臭氧投加率進(jìn)行修正。

臭氧發(fā)生量的控制一般有三種方式：恒臭氧濃度、變臭氧氣體流量，一般用于以液態(tài)氧為氣源的系統(tǒng)；恒臭氧氣體流量、變臭氧濃度，一般用于小規(guī)模的以氣態(tài)氧（自購現(xiàn)場制氧設(shè)備）作為氣源的系統(tǒng)；變臭氧氣體流量、變臭氧濃度，一般用于大規(guī)模的處理系統(tǒng)。

4 臭氧工藝存在的問題

由于臭氧在水中很不穩(wěn)定，易分解，故經(jīng)臭氧消毒后，不能保證管網(wǎng)中始終存在臭氧量。為了維持管網(wǎng)中消毒劑余量，通常在臭氧消毒后的水中再投加少量氯或氯胺。

臭氧消毒雖然不產(chǎn)生THM（三鹵甲烷）等有害物質(zhì)，但在某些特定的條件下可能產(chǎn)生有毒有害副產(chǎn)物，例如，當(dāng)水中含有溴化物時(shí)，經(jīng)臭氧化后，將會產(chǎn)生有潛在致癌作用的溴酸鹽；臭氧可能與腐殖質(zhì)等天然有機(jī)物反應(yīng)，生成具有“三致”作用的物質(zhì)，如甲醛等。另外，臭氧氧化會造成水中AOC（可生化有機(jī)碳）濃度的升高，引起配水管網(wǎng)中結(jié)污垢。因此，通常把臭氧與粒狀藥用炭（GAC）濾池聯(lián)用，一方面可避免上述副產(chǎn)物產(chǎn)生，同時(shí)也改善了活性炭吸附條件。

5 臭氧工藝的前景

臭氧技術(shù)的發(fā)展已有一百多年的歷史，由于臭氧生產(chǎn)設(shè)備較復(fù)雜，投資較大，電耗也較高，一定程度上制約著臭氧工藝的發(fā)展。隨著臭氧發(fā)生設(shè)備在技術(shù)上的不斷改進(jìn)，現(xiàn)在設(shè)備投資及生產(chǎn)臭氧的電耗均有所降低，加之人們對飲用水水質(zhì)要求提高，臭氧工藝在我國給水處理中的應(yīng)用將逐漸增多起來。

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10.3969/j.issn.1001-8972.2011.12.012