美国臭氧化技术在给水处理中的应用

摘要：臭氧在饮用水处理中的应用已经有一百多年的历史。但是由于其技术复杂、成本昂贵，使应用受到限制。本世纪七十年代，由于水污染的加剧和公众健康意识的提高，迫使人们在传统水处理工艺的基础上采用新的手段，保证供水水质符合更加安全的饮用水标准。经过近二十年的研究和实践，以臭氧为主组成的复合应用技术，以其良好的处理效果成为给水深度净化技术的首选。

关键词：臭氧 发展

　　臭氧在饮用水处理中的应用已经有一百多年的历史。但是由于其技术复杂、成本昂贵，使应用受到限制。本世纪七十年代，由于水污染的加剧和公众健康意识的提高，迫使人们在传统水处理工艺的基础上采用新的手段，保证供水水质符合更加安全的饮用水标准。经过近二十年的研究和实践，以臭氧为主组成的复合应用技术，以其良好的处理效果成为给水深度净化技术的首选。
　　目前，臭氧化技术应用以欧洲大陆最为普遍。法国和瑞士臭氧化工艺的应用有着悠久的历史，臭氧化设备也居世界领先地位；德国全国85%的水厂采用了臭氧深度处理技术。在美国，进入八十年代以来，由于美国环保局提出了新的水质标准，对出厂水和管网水的消毒作了更加严格的规定，同时又对减少水中的消毒副产物作出进一步的限制，这双重的压力迫使国内的水厂不得不考虑采用臭氧化、强化混凝和生物过滤等技术来达到供水要求。因而臭氧化深度处理技术改造正在全国范围内兴起，据1990年统计，美国已有40余座水厂已经应用了臭氧化技术，还有许多类似的水厂则正在设计或建设之中。下面以洛杉矶水厂(The los Angeles Aqueduct Filtration Plant)为主，结合新泽西特拉华河区域水厂(The Delaware River Regional Water Treatment Plant)的工艺情况，介绍美国当今给水处理中臭氧化技术应用的特点。

一、工艺概况

　  洛杉矶水厂于1987年4月正式投产，是全美最大的臭氧化水厂，最高日处理量230万 m3，平均日处理量160万m3。原水来自内华达西拉山的东坡，积雪融化的水，采用渠道和水管两种输水方式，经540 km距离，重力输送至水厂。原水浊度2NTU左右，pH8-8.5，TOC平均1.5mg/l，水质较好。
1、工艺流程
　　洛杉矶水厂的主要工艺过程包括：
　　·预臭氧化
　　臭氧发生器设计采用5台(4用1备)，臭氧发生量149kg／h。臭氧接触室共4座，单池尺寸为30×9×6m，臭氧投加量1.0-2.0mg／l，停留时间5min，尾气由接触室顶部集中抽送到臭氧尾气破坏装置中，将尾气中臭氧降至0.1 mg／l以下，排入大气。
　　·混凝
　　快速混合池共8个，单池尺寸为3×3×4.3m，各安装快速搅拌器，把混凝剂快速均匀地扩散至水中。混凝剂投量为：阳离子聚合物1.3 mg／l，三氯化铁1.1 mg／l。混合时间0．86s。絮凝池36个，单池尺寸 7.6×7，6×6.1 m，停留时间10 min。
　　·过滤
　　滤池24只，单池面积130m2，无烟煤滤料，厚度1.83 m，有效粒径1.5mm，均匀系数1.5。采用3段式气水混合反冲洗：首先气水同时冲洗，通气时间1min，冲洗强度20 l/(s·m2)，水冲2 min，冲洗强度6.8 l/(s·m2)；然后单水高速反冲5 min，冲洗强度17 l/(s·m2)；最后低强度漂洗2 min，冲洗强度15 l/(s·m2)。冲洗效果良好，滤料表面不易结块，滤层不形成泥球。
　　·消毒
　　由于预臭氧化的作用，最后消毒时，三卤甲烷大大减少。4台加氯机容量124kg／h，最大加氯量5.6mg/l。
2. 出水水质
　　洛杉矶水厂处理前后的水质指标见表1。由浊度、三卤甲烷生成势、总有机碳等项指标来衡量，该水厂的出水优良。

二、臭氧化技术特点与应用效果

1．臭氧采用纯氧发生
　　洛杉矶水厂采用管式水冷臭氧发生器，使用9.5-10.5kV、600Hz高压中频交流电，以纯氧为原料产生臭氧，臭氧浓度按重量计可达6％。氧气由洛杉矶水厂的低温氧气发生厂供应，日产45,360kg，氧气从空气中制备，纯度达95％。为了满足生产过程中臭氧用量的不同需要，氧气产量可在设计能力的100％到60％之间进行调节。每日还产生大约 l,820kg的液态氧，贮存在一个35,250l的液氧罐内。液态氧可在需氧高峰期间增加氧气的供应，也是氧气厂停机时的后备供氧源。
　　臭氧发生器原设计采用5台，1993年又添置了1台臭氧发生器，以增加臭氧的投加能力。1997年，其中的1台臭氧发生器根据Ozonia的最新技术（Advanced Technologyâ）进行了改造，将原有的玻璃放电管改换为陶瓷放电管，将产量提高近1倍，并可节约能量。目前的总装机能力为250 kg/h。运行时，臭氧的产量可通过增减臭氧发生器的工作台数，在系统能力的25％到100％之间进行调节，氧气的流量及发生器的功率均可自动控制。
2．臭氧以微孔扩散方式接触反应
　　预臭氧化之前，水仅在入口处经过筛网过滤。臭氧注入接触池，水深≤6.10m，水力停留时间≤5min。池内的导流墙可以使水的短流降至最小。在每一个接触池内有两排微孔陶瓷扩散器，从中注入臭氧。臭氧投加量通常为1.0到1.5mg/l，根据需要，可增加到2.0mg/l以上。根据10年来统计的结果，臭氧的平均投加量为1.3mg/l。1993年7月美国环保局地表水处理规定(Surface Water Treatment Rule)实施以来，水中剩余臭氧较以往有所增加，目前通常保持臭氧接触池的第一反应室剩余臭氧浓度值在0.3mg/l以上，以达到美国环保局规定杀灭0.5个数量级贾第虫所需的CT值。
　　臭氧化水厂要定期测定臭氧的转移效率，以便确定臭氧扩散器的工作状况，检查不同组的臭氧接触池的臭氧投加是否均衡。原来的棒状微孔陶瓷扩散器在最初的2年运行良好，但到了第3年，一些扩散棒的端帽发生开裂，需要进行焊接；一些耐腐塑料垫片出现破损，要用硅胶垫片进行更换，并用密封胶作了处理。从1991年开始，一种经过改进的微孔陶瓷扩散器投入使用，克服了原有扩散器的缺陷。1997年，另外3套扩散器也进行了更换。
3.臭氧在水处理过程中的作用
　　洛杉矶水厂十年的运行经验充分证实，臭氧除了可有效地控制嗅、味与色度和控制消毒副产物以外，臭氧化通过微絮凝和消毒灭菌，在水厂处理工艺中发挥着至关重要的作用。
　　·微絮凝作用
　　与预加氯比较，臭氧有助于加快絮凝，絮凝时间从20min缩短到10min)，相应地絮凝池的数目减少了—半；臭氧能提高滤池过滤速度，过滤速率由22m/h增加到33m/h，相应所需过滤装置的数目则降低了三分之一；延长了反洗周期之间的过滤装置运行时间，降低了反洗所需的用水量，减少所需反洗设备的规模；臭氧可降低凝聚剂的用量，所需的化学凝聚剂减少了33％，并且减少了过滤装置反洗污泥。
　　·消毒灭菌
　　在水厂控制贾第虫和病毒的多道屏障中，臭氧首当其冲。根据美国环保局地表水处理规定进行测算，臭氧对贾第虫的平均灭活率达0.8个数量级以上。臭氧与后加氯共同作用可以达到杀灭贾第虫1个数量、杀灭病菌3个数量级。
　　同时，控制水中颗粒数量的试验表明，如果将臭氧关闭，代之以预氯化，滤后水中的颗粒数量将增加5倍。
　　此外，臭氧化使后消毒的氯需求减少了50％，改善了供水的口感，降低了水中的消毒副产物。