臭氧在水处理中应用综述

亓宝艳　闫庆松

　　　　摘　要　介绍了臭氧产生的原理、产生装置、主要控制参数、接触反应设备及特点,并通过实例分析了臭氧在水处理中的应用。

　　关键词　臭氧　原理装置水处理

0　概述

臭氧(O

3

)是强氧化剂、杀菌消毒剂、催化剂、脱色剂和除臭剂。臭氧技术是治理环境和水质污染的关键技术,是二十一世纪环境科学四大关键技术之一,普遍应用于空气、水、物体表面的消毒以及油烟净化等方面。该技术的核心环节是通过特定的电场实现无声放电而产生大量的臭氧气体,在此过程中,高能电子与气体分子碰撞时发生一系列基无物化反应并将气体激活,产生多种活性自由基,从而对多种有害物质、细菌病毒等发生催化、氧化和分解,而转为无毒的副产物,达到真正消毒、洁净的目的。

在水处理方面主要应用于水厂、水塔、水箱、蓄水池、游泳池及污水处理。臭氧应用特点:氧化能力强,反应速度快;对细菌,病毒、芽胞、软体微生物等有极强的杀灭作用;氧化农药毒素,降低水中BOD、COD;臭氧的原料取自空气中的氧,完成工作后又还原成氧,增加水中溶解氧,没有二次污染;可改善水的理化性质,有良好的脱色、除臭、除异味作用;用臭氧消毒杀菌不会产生有毒的三氯甲烷及致癌有机卤化物副产品,不存在任何对人畜有害的残留物。

1　臭氧产生的原理

臭氧是通过特定的电场实现无声放电而产生的,臭氧在放电间隙中的形成是一个复杂的过程,包括在电场作用下的放电电离过程和发生在放电间隙中的一系列化学过程:(1)电场使气体电离,放电产生一定能量的电子。(2)氧分子被高能量电子激发后发生解离,产生氧原子:O

2

+高能量电子→2O+低能量电子。(3)氧原子和氧分子结合产生臭氧:O+ O2+M→O3+M面,M是气体中任何其他气体分子。

(4)臭氧分子和其他粒子(如氧原子、电子)发生碰

撞,发生分解反应:O+O

3

→2O

2

,O3→O2+O,生成臭

氧总的反应为:3O

2

(g)→2O

3

(g),△

r

Hθm=144.8kJ/ moL。该反应为吸热反应,理论上消耗1k W.h电能可生成1220g臭氧,而目前采用空气气源的典型臭氧发生器仅可达50-60g/k W.h,臭氧的产量及臭氧浓度均很低。

臭氧发生装置的主要控制参数。臭氧浓度、产生效率是表征臭氧产生方法及装置的2个重要参数。加速电子与氧原子碰撞的激励过程时间极短,

几乎是垂直激励过程。从O

2

(X3∑g-)基态激励到O2(A3∑u-)、O2(C3△u-)、O2(C1∑u-)状态。它的垂直激励能量为6.1e V,是禁阻跃迁。当激励能

量达到8.4e V以上时,跃迁到O

2

(B3∑u-)状态。只有电子从放电电场取得能量大于8.4e V时,才有可能使氧分子分解、分解电离、分解附着成O(3P)、O (1D)、O-(2P0)、O+(4S0)、O+(1S0)等。电子从外加电场取得能量大小将决定氧分子的分解、分解电离、分解附着的强度,也决定了臭氧产生浓度的大小。臭氧分子的分解、电离能为2e V,所以具有2e V-8. 4e V之间能量的电子对产生臭氧没有一点用途,这

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△作者通讯处:300072　天津大学化工学院652信箱部分能量好象只是为了专门用来分解臭氧,应尽量减少具有这部分能量的电子占有数,以便得到高浓度臭氧。

臭氧产生装置的接地极、放电极的外表面采用等离子体喷涂A l

2

O3成电介质薄层,放电间隙控制在0.1mm-0.5mm范围,可在放电间隙里实现强电离放电,实现强电离放电产生高浓度臭氧,臭氧浓度可达到200g/m3,臭氧产生效率达到100g/(k W・h)。

电介质采用α型A l

2

O3电介质强度大、不易损坏,实现无维护。两极可采用水或风冷却。

2　常用臭氧接触反应装置及特点

常用的臭氧接触反应装置有4种类型。

(1)鼓泡扩散设备:　鼓泡扩散设备应用最广,在美国40座饮用水臭氧处理厂中,有34座采用了鼓泡扩散接触池。在欧洲的应用同样居于主导地位,这种设备运行无须外加能源,主要优点是:无传动部位,维护简单;传质效率高,达到96%-99%;技术成熟,易于设计和运行大型设备;水头损失小。缺点是:为达到高效传质,接触池的有效池深较大;扩散器微孔容易堵塞,特别是在间歇运行和水中存在铁、锰时更为突出;气泡上升时容易产生沟流,对气液接触造成不利影响。由于鼓泡扩散设备具有传质效率高、维护简单、水头损失少等特点,在现有的臭氧接触反应装置中得到广泛应用,其设备本身的缺陷和装置运行中的问题,可借助化学反应工程学的基础理论进行分析和研究。

(2)涡轮混合器:　比较常见,涡轮在吸入臭氧的同时,还将臭氧与水在接触池内混合。这种系统需要输入能量以驱动涡轮,驱动涡轮所消耗的动力费用大约是鼓泡扩散设备的10倍。涡轮造成的水流紊动和速度梯度使气泡直径减少,增强了臭氧的气相和液相之间的传质;涡轮混合器可以达到较高的传质效率而无须加大接触池的深度;在同一池内,使用涡轮可以达到接触和混合的双重目的;使用涡轮混合器可以避免扩散设备的堵塞;在同一臭氧进气浓度和气水比下,设备经放大后可以达到同样的传质效果。

(3)水射器和静态混合器:　采用水射器投加臭氧时需要水、气高速流经其中的喷嘴,以产生真空抽吸作用,在水射器之后设静态混合器,但由于混合时间较短,还需要加设反应池以保证足够的接触时间。射流和静态混合结构简单,易于维护,混合和传质效果较好;根据所需的停留时间,反应池可采用较小的深度和容积。其缺点是:水头损失大、高能耗可能会抵消其低投资的优点;对于水量变化的适应性较差,需设置备用系统。

(4)填料塔:　填料塔的应用没有上述三种类型普遍。一种是投加在填料塔之前,将其作为反应器;另一种是将臭氧直接投加在填料塔内,使其兼有接触混合器和反应器的作用。主要特点是:填料塔内流态接近推流;塔内无转动部件,维护简单;填料塔对进气压力要求不高。填料塔在应用中的主要问题是:填料减少了塔的有效容积,容易堵塞而增加水头损失。

3　臭氧在水处理中的主要作用

3.1　脱色。水的色度主要由溶解性有机物、悬浮胶体、铁锰和颗粒物引起,其中光吸收和散射引起的表色较易去除,溶解性有机物引起的真色较难去除。致色有机物的特征结构是带双键和芳香环,代表物是腐殖酸和富里酸。大量研究和应用实践证实:预臭氧化可明显对原水脱色除臭,改善水的感官指标。臭氧通过与不饱和官能团反应、破坏碳碳双键而去除真色,去除程度取决于臭氧投加量和接触条件;同时臭氧可氧化无机呈色的铁、锰等离子为难溶物;臭氧的微絮凝效应还有助于有机胶体和颗粒物的混凝,并通过颗粒过滤去除致色物。

3.2　除臭。水的臭味主要由腐殖质等有机物、藻类、放线菌和真菌以及过量投氯引起,现已查明主要致臭物有土臭素、2-甲基异冰片、2,4,6-三氯回香醚等。虽然水中异臭物质的阈值仅为0.005～0. 01μg/L;但臭氧去除嗅味的效率非常高,一般1～3 mg/L的投加量即可达到规定阈值。美国洛杉矶水厂10年的运行经验证实了预臭氧化控制饮用水异臭的有效性。臭氧化主要靠羟基自由基去除异臭物质,催化产生更多的自由基将加强臭氧的除臭功能,目前主要有提高水的pH值和采用高级氧化技术等方法。

3.3　改善水的可生化性。大量研究表明,臭氧化会改善水的可生化性,增加水中有机营养基质的含量,具体表现为水的生物可同化有机碳(AOC)和可生物降解的溶解性有机碳(BDOC)浓度升高,影响程度也与原水水质、臭氧化条件有关。虽然残余消毒剂可在一定程度上管网中的细菌生长,但在有机营养基质浓度较高时,细菌仍会再度繁殖,并附着生长在管壁上形成生物膜,增加水中细菌总数,况且有些细菌危害性更大,从一定程度上影响自来水的微生物安全性。

3.4　控制藻类。藻类含量高时会影响混凝和沉淀,增加混凝剂量;堵塞滤池,缩短滤池过滤周期;藻类也可致臭并产生藻毒素;和氯作用形成氯化消毒副产物,降低饮用水安全性。预臭氧化作用之一是溶裂藻细胞;二是杀藻,使死亡的藻类易于被后续工艺去除。臭氧、过氧化氢联用可使浊度和藻类的去除效果同步提高。预臭氧化可作为除藻的一种预处理方法,和常规及其它处理技术配合使用是处理富营养化水源水藻类问题的有效途径之一。在一定条件下臭氧化可有效去除某些藻毒素,去除率主要取决于臭氧投加量,其次取决于原水水质(藻毒素类型、有机物性质及浓度、碱度等)。目前,去除藻毒素的机理、臭氧投加量的系统研究较为缺乏。

3.5　助凝。预臭氧化具有微絮凝效应,即预臭氧化可降低达到相同滤后水浊度下的最佳混凝剂量,或提高一定混凝剂下的浊度去除率,延长滤池过滤周期。影响预臭氧化助凝效果的主要因素有:原水T OC、硬度、预臭氧化及混凝条件、藻类种属及数量、浊度。

4　臭氧在水处理中的应用

4.1　在饮用水深度处理中的应用

臭氧活性炭和膜法水处理工艺是目前去除水中有机物的两种典型饮用水深度净化工艺。其中臭氧活性炭工艺采用砂滤、臭氧粒状活性吸附、木鱼石矿化过滤工艺。适量臭氧的加入使有机物可吸附性增强,因此臭氧之后活性炭的运行效果一直比较稳定可靠。臭氧活性炭工艺是费用较低、操作简单、处理效果稳定可靠的饮用水深度净化工艺。

目前世界上已有1000多座水厂应用臭氧技术进行处理。研究表明臭氧不仅具有很强的消毒杀菌作用,还可以氧化去除水中的微污染物质,这些微污染物质往往难以生物降解,如腐殖酸、农药、氯代有机物等。而且臭氧氧化较为彻底,较少产生副产物。

水厂臭氧作为最终消毒剂工艺流程为:原水

混凝沉淀过滤臭氧消毒清水池。

4.2　在游泳池水处理中的应用

《游泳池给水排水设计规范》(CECS14:)中提到游泳池水可采用臭氧消毒方法,欧洲国家和加拿大颁布的游泳池标准中CT值为1.6。游泳池水封闭循环,每天循环次数最少4次,随着游泳人数的增加,游泳池所需氧化剂量也要增加,游泳池循环水经过滤后加臭氧消毒。通常用装在旁流管上的射流器把氧导入水中,由于旁流水流回主管后至少被稀释4倍,系统中剩余臭氧浓度任何时候都不会超过0.1mg/L,仅有极少量臭氧流到游泳池中或放出剩余臭氧,符合OSHA规定室内游泳池水面上剩余臭氧浓度为0.1mg/L的要求。在游泳池水温度范围内,池水中溶解的饱和浓度遵循亨利定律,臭氧发生器产气中臭氧浓度越高,水中饱和浓度也越高,溶解臭氧的传质平衡浓度也越高,消毒性能越好。

游泳池循环水处理工艺流程:

4.3　在工业循环冷却水处理中的应用

臭氧具有杀菌、缓蚀和阻垢的功效,可代替传统的化学药剂处理循环冷却水,而且处理费用低于化学药剂处理方法,处理后无二次污染问题。美国至今已成功用于130多座冷却塔,最大的循环水量达10000m3/h,运行情况良好。循环冷却水的杀菌灭藻一般多采用间歇式投加,并直接投加到贮水池中,在循环过程中与水混合,并保持一定浓度的剩余量。4.4　在工业废水处理中的应用

在工业废水处理方面,臭氧可用来去除C OD、BOD,并破坏有毒的化合物,目前已经用于炼油废水中酚类化合物的降解,含氰废水和印染废水的处理等。

氰化物经臭氧氧化后生成的氰酸盐其毒性仅为氰化物的1/100,甚至可进一步氧化成无害化物质。用臭氧处理铁氰络合盐则比较困难,但对其它氰络合盐。一般能使其中的氰快速分解,且加入微量的铜离子能促进臭氧对氰的分解。含氰废水处理流程为:

　　臭氧还可用于处理含金属离子废水,将存在于废水中的金属离子氧化为不溶于水的化合物。例如处理含二价铁的废水,臭氧可将Fe2+氧化成Fe3+后水解成Fe(OH)

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沉淀下来。此外臭氧还可以去除水中的氨、硫化氢和亚盐等无机物。

臭氧能有效氧化生物难降解的有机物。臭氧与有机物的反应有两种途径:一是臭氧以分子形式与水体的有机物进行直接反应;二是碱性条件下臭氧在水

沉砂池类型及其应用

邹启贤　张金松　曲志军

　　　　摘　要　介绍了沉砂池的作用、类型及其在深水集团下属污水处理厂中的应用状况。　　关键词　沉砂池　应用　深圳0　概述

城市污水中含有一些密度较大的无机颗粒———砂,如果不设置沉砂池加以去除,大量砂粒将进入后续处理单元,给污水处理厂的生产运行带来许多隐患。

(1)对设置初沉池的处理工艺,砂粒进入初沉池,会造成一系列不良影响:加速刮泥机刮板的磨损;造成排泥管道的堵塞,增加重力排泥的难度;这些砂随初沉池的排泥进入污泥脱水系统,对带式脱水机会加剧其滤布的磨损,缩短更换周期,对离心脱水机会大大加剧其转筒、螺旋等的磨损。

(2)对不设置初沉池的工艺,如AB 工艺、S BR 工艺等,砂粒在生物反应池内沉积,减少反应池的有效容积,同时还会对曝气器产生不利影响。

对于一座运行良好的沉砂池,应该具备以下两方面的功能:

(1)除砂功能。进水中砂粒粒径差别很大,沉砂池对不同粒径范围的砂粒去除率是不同的,粒径大的砂粒,去除率高。一般以对粒径大于0.2毫米的砂粒的去除效率来衡量沉砂池的除砂效率。

(2)洗砂功能。砂粒表面附有有机物,如果不对其进行分离,这些有机物易腐化并发出恶臭,影响周围的环境,因此沉砂池在去除砂的同时,还对附着上面的有机物进行有效分离。

沉砂池是采用物理原理实现上述两个功能的,按照沉砂池所采用的物理原理和结构形式的差别,沉砂池可分为平流式沉砂池、曝气沉砂池和旋流沉砂池等型式,下面分别加以介绍。1　沉砂池类型1.1　平流式沉砂池

平流式沉砂池是根据颗粒自由沉淀(离散沉淀)理论进行设计的:污水经整流后进入池子,沿水平方向流至末端后经堰板流出,沉降时间小于污水在池内停留时间的那部分砂粒沉淀至池底,实现与污水的分离。影响平流沉砂池除砂效果的工艺参数主要是污水的停留时间和水平流速,这两个参数随进水流量的变化而变化,因此当进水波动较大时,平流式沉砂池的除砂效果不稳定。

多尔沉砂池是平流沉砂池的一种特殊型式,在池子结构上,上面平面采用方形,底部圆形,内设回转式刮砂机;在工艺参数控制上,主要以水力表面负荷为主;在流态上,污水经过整流器均匀进入沉砂池,沿水平方向流出,沉砂在刮砂机作用下进入集砂坑后由排砂机排出。

平流式沉砂池基本不具备分离砂粒上有机物的体中分解后产生氧化性很强的羟基自由基等中间产物,发生间接氧化反应。臭氧能与许多有机物或官能团发生反应,如C =C 、C ≡C 、芳香化合物、杂环化合物、N =N 、N ≡N 、-OH 、-SH 、-NH 2、-CHO 等。臭氧化产物主要是一元醛、二元醛、醛酸、一元羧酸、二元羧酸类等有机小分子。目前美国、日本及俄罗

斯等国家已在某些废水处理中采用了臭氧化工艺。4.5　在城市污水处理中的应用

在城市污水处理主要是处理后的中水经臭氧消毒后作为城市景观、冲厕等方面用水。烟台某住宅小区,采用生化处理,用臭氧消毒后出水可以作为景观用水和居民冲厕用水。工艺流程为

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△作者通讯处:265600　蓬莱市环境保护局