关于给水深度处理工艺的探讨

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摘要：臭氧给水处理工艺是近年来发展起来的一种新型水处理技术, 随着臭氧设备技术的不断发展和对水质要求的提高，臭氧工艺在给水处理中有广阔的应用前景。

关键词：臭氧；给水处理；臭氧工艺系统组成

Abstract: Ozone water treatment technology is a new water treatment technology developed in recent years, with the continuous development of ozone equipment technology and the increasing demand on water quality, ozone technology has broad application prospects in water treatment.

Key words: water treatment; ozone; ozone technology system

中图分类号：K928.4 文献标识码：A 文章编码

1 臭氧的物理化学性质

臭氧（O3）是氧（O2）的同素异形体。在常温常压下，它是淡蓝色的具有强烈刺激性气体，液体呈深蓝色。臭氧的标准电极电位为2.07V，仅次于氟（F2）电位2.87V，居第二位，它的氧化能力高于氯（Cl2，电位1. 36V）和二氧化氯（ClO2，电位1.5V）。臭氧是一种活泼的不稳定的气体，在水中的溶解度为640ml/L（1atm，0℃）。

臭氧溶于水，会发生一系列复杂的化学变化。其反应速率和反应产物随水中化学成分的不同而变化。臭氧作为一种氧化剂，主要通过两种途径发生氧化作用：直接与溶于水的还原剂进行反应，它是有选择性的，且反应速度较慢；分解成二级氧化剂羟基（OH），再与还原剂进行反应，它是没有选择性的且反应速度很快。

臭氧对人体健康有影响，空气中臭氧浓度0.01ppm时即能嗅出，安全浓度为1ppm，空气中臭氧浓度达到1000mg/L时人即有生命危险。因此，水处理中散发出来的臭氧尾气必须处理。

2 给水处理中臭氧技术的作用

根据投加位置的不同，臭氧氧化的作用可以分为前（预）氧化和后（主）氧化。前（预）氧化一般设置在混凝沉淀（澄清）之前，主要作用有：去除嗅和味、色度、铁、锰等；使水中胶体微粒脱稳，改善絮凝效果，减少混凝剂的投加量；去除藻类和减少三氯甲烷等三致物质的前驱物（减少水中三致物质的含量）。

后（主）氧化一般设置在过滤之前或之后，主要作用有：氧化有机物，如杀虫剂、清洁剂、苯酚等；去除DOC（溶解有机物）、氨氮(NH3－ N

3 臭氧工艺系统的组成

给水处理中的臭氧工艺系统一般包括：气源制备、臭氧发生装置、臭氧气体输送管道、臭氧接触氧化系统以及臭氧尾气消除装置等。

3.1 气源制备

气源主要由以下三种形式可供选择：①干燥空气；② VPSA（真空变压吸附技术）现场制氧系统制成高纯度氧气；③液态氧经气化而成的高纯度氧气。

干燥空气制臭氧：设备投资高，臭氧浓度一般在3%～4%，耗电量为23～25（kW·h ）/k gO3。

气态氧制臭氧：设备投资比空气制臭氧低，但比液态氧制臭氧要高，臭氧发生浓度可达到18%甚至更高，耗电量为11～14（kW·h）/kgO3。气态氧一般是现场制取，氧气纯度为90%～93%，能耗为0.3～0.4（kW·h）/kgO2。

液态氧制臭氧：设备投资低，臭氧发生浓度可达18%甚至更高，耗电量为10～13（kW·h）/kgO3。因为液态氧一般需外购，故臭氧发生总成本随着液态氧价格的变化而变化。

对于不同的地区，究竟采用何种气源应根据当地的电价和氧气价格经成本分析后再确定。

3.2 臭氧发生装置

目前大规模的臭氧发生装置基本采用电晕放电法制造臭氧，电晕放电法就是一种干燥的含氧气体流过电晕放电区产生臭氧的方法。臭氧的产量和电压、频率、臭氧发生装置的设计以及气源的种类与质量有关。臭氧发生过程中消耗的能量仅有22%用于合成臭氧，其余均转化为热量而使气体温度升高，这将导致臭氧产量降低。因此，臭氧发生装置应配备完善的冷却系统，主要有直接冷却和间接冷却两种技术措施。

3.3 臭氧输送管道

臭氧具有强腐蚀性，因此对管道材质要求严格。干燥环境下，臭氧管道采用304或316L不锈钢管或同等级的其他产品，湿润环境下臭氧气体管道采用316L不锈钢管或同等级的其他产品，法兰片材质与连接管道相同，法兰垫片为聚四氟乙烯（PTFE）材料或同等级的其他产品。

3.4 臭氧接触系统

3.4.1 前（预）臭氧接触氧化系统

该阶段的臭氧投加量一般为0.5～1.5mg/L，反应时间为≥4min，水中的臭氧余值一般为零或很少。

每个前（预）臭氧接触池进口处设1个投加点，由于被处理水一般为原水，为防止臭氧扩散装置被杂质堵塞，可采用静态混合器或射流扩散器。静态混合器的水头损失较大，因此适用于原水水头有富余的场合；射流扩散器不消耗原水水头，但需增加部分动力设备来提升少量的原水（1.2～1.6m3/kgO3）与臭氧混合，以提高臭氧的转移效率。

3.4.2 后（主）臭氧接触氧化系统

由于该阶段被处理水较清洁，因此扩散装置一般均采用微孔布气帽（盘），臭氧转移效率高。后（主）臭氧接触氧化的反应时间≥10min，臭氧投量为1.5～2.5mg/L，水中臭氧余值一般为0.2～0.4mg/L。

后（主）臭氧接触氧化系统在每个接触池一般设2～3个投加点。当采用2点投加时，每个点的臭氧投加比例沿水流方向依次为总投加量的80%～50%、20%～50%，每个投加点的臭氧接触时间分别为总时间的50%。当采用3点投加时，各点的臭氧投加比例沿水流方向依次为总投加量的80%～40%、10%～30%、10%～30%，3个投加点的臭氧接触时间依次为总时间的30%、30%、40%。

3.4.3 臭氧接触池

为了防止臭氧接触池中少量未溶于水的臭氧逸出后进入环境空气而造成危害，臭氧接触池必须采取全封闭的构造。

随着臭氧加注量和处理水量的变化，注入接触池的气量及产生的尾气也将发生变化。当出现尾气消除装置的抽气量与实际产生的尾气量不一致时，将在接触池内形成一定的附加正压或负压，从而可能对结构产生危害和影响接触池的水力负荷，因此，必须在池顶设自动气压释放阀，用于在产生附加正压时自动排气和产生附加负压时自动进气。

接触池的有效水深一般为6.0m，超高≥0.75m。为使臭氧能最大限度地溶于水中，接触池水流一般采用竖向流形式。

3.5 臭氧尾气破坏系统

由于受水质与扩散装置的影响，进入接触池的臭氧很难100%地被吸收，因此必须对接触池排出的尾气进行处理，以保证臭氧浓度

常用的尾气处理方法有：高温加热法和催化剂法。

高温加热法：将臭氧加热到350℃后在1.5～2s内便可使其100%分解。该法安全可靠、维护简单，并可回收热能，但增加了设备投资和运行能耗。