臭氧工藝在給水處理中的應用

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性質、臭氧工藝在給水處理中的作用、系統組成及臭氧工藝存在的問題。隨著臭氧設備技術的不斷發展和對水質要求的提高，臭氧工藝在給水處理中有廣闊的應用前景。

臭氧；給水處理；臭氧工藝系統組成

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

1 臭氧的物理化學性質

臭氧（O3）是氧（O2）的同素異形體。在常溫常壓下，它是淡藍色的具有強烈刺激性氣體，液體呈深藍色。臭氧的標準電極電位為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定的氣體，在水中的溶解度為640ml/L（1atm，0℃）。

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

臭氧對人體健康有影響，空氣中臭氧濃度0.01ppm時即能嗅出，安全濃度為1ppm，空氣中臭氧濃度達到1000mg/L時人即有生命危險。因此，水處理中散發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

根據投加位置的不同，臭氧氧化的作用可以分為前（預）氧化和后（主）氧化。

前（預）氧化一般設置在混凝沉淀（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，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的前驅物（減少水中三致物質的含量）。

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

3 臭氧工藝系統的組成

給水處理中的臭氧工藝系統一般包括：氣源制備、臭氧發生裝置、臭氧氣體輸送管道、臭氧接觸氧化系統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）現場制氧系統制成高純度氧氣；③液態氧經氣化而成的高純度氧氣。

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

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

液態氧制臭氧：設備投資低，臭氧發生濃度可達18%甚至更高，耗電量為10～13（kW· h）/kgO3。因為液態氧一般需外購，故臭氧發生總成本隨著液態氧價格的變化而變化。

對于不同的地區，究竟采用何種氣源應根據當地的電價和氧氣價格經成本分析后再確定。

3.2 臭氧發生裝置

目前大規模的臭氧發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產生臭氧的方法。臭氧的產量和電壓、頻率、臭氧發生裝置的設計以及氣源的種類與質量有關。

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

3.3 臭氧輸送管道

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

3.4 臭氧接觸系統

3.4.1 前（預）臭氧接觸氧化系統

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

每個前（預）臭氧接觸池進口處設1個投加點，由于被處理水一般為原水，為防止臭氧擴散裝置被雜質堵塞，可采用靜態混合器或射流擴散器。靜態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；射流擴散器不消耗原水水頭，但需增加部分動力設備來提升少量的原水（1.2～1.6m3/kgO3）與臭氧混合，以提高臭氧的轉移效率。

3.4.2 后（主）臭氧接觸氧化系統

由于該階段被處理水較清潔，因此擴散裝置一般均采用微孔布氣帽（盤），臭氧轉移效率高。后（主）臭氧接觸氧化的反應時間≥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）臭氧接觸氧化系統在每個接觸池一般設2～3個投加點。當采用2點投加時，每個點的臭氧投加比例沿水流方向依次為總投加量的80%～50%、20%～50%，每個投加點的臭氧接觸時間分別為總時間的50%。當采用3點投加時，各點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個投加點的臭氧接觸時間依次為總時間的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入環境空氣而造成危害，臭氧接觸池必須采取全封閉的構造。

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生的尾氣也將發生變化。當出現尾氣消除裝置的抽氣量與實際產生的尾氣量不一致時，將在接觸池內形成一定的附加正壓或負壓，從而可能對結構產生危害和影響接觸池的水力負荷，因此，必須在池頂設自動氣壓釋放閥，用于在產生附加正壓時自動排氣和產生附加負壓時自動進氣。

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

由于受水質與擴散裝置的影響，進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內便可使其100%分解。該法安全可靠、維護簡單，并可回收熱能，但增加了設備投資和運行能耗。

催化劑法：利用催化劑對臭氧尾氣進行分解破壞。目前，使用的催化劑是以MnO2為基質的填料。該法的設備投資和運行能耗均比高溫加熱法低，但處理效果受水質、環境質量、尾氣的含水率、催化劑的使用年限等因素影響，安全及穩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，應使臭氧尾氣破壞系統的設備備用率≥30%。

3.6 投加控制系統

臭氧系統的控制就是使臭氧的需求量等于臭氧的供給量。

前（預）臭氧投加控制：設定臭氧投加率，根據水量采用PLC自動控制臭氧發生器的產量。

后（主）臭氧投加控制：設定臭氧投加率，根據水量與水中臭氧余值采用PLC自動控制臭氧發生器的產量。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行修正。

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

4 臭氧工藝存在的問題

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

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

5 臭氧工藝的前景

臭氧技術的發展已有一百多年的歷史，由于臭氧生產設備較復雜，投資較大，電耗也較高，一定程度上制約著臭氧工藝的發展。隨著臭氧發生設備在技術上的不斷改進，現在設備投資及生產臭氧的電耗均有所降低，加之人們對飲用水水質要求提高，臭氧工藝在我國給水處理中的應用將逐漸增多起來。

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