美国臭氧化技术在给水处理中的应用

张金松　　 黄红杉
深圳市自来水（集团）有限公司

　　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。

三、 臭氧化技术的发展

1、臭氧化与生物过滤的结合使用
　　水中天然有机物对于供水水质有着重要影响，可同化有机碳(AOC)进入管网后可能会造成细菌的再度繁殖，使水中大肠菌的数量超过规定的标准。同时，供水能否符合关于消毒副产物的规定，原水中的天然有机物的种类和数量至关重要。非腐殖酸类天然有机物据认为是引起管网中微生物再度繁殖的碳源，生物过滤能够有效去除这类天然有机物；臭氧化能够通过将天然有机物的大分子，氧化为小分子，减少三卤甲烷(THMs)和其它消毒副产物的前驱物；但这些小分子大多易于生物降解，会导致管网中细菌再度繁殖。因此，将臭氧化和生物过滤结合有利于发挥其各自的优势。
　　洛杉矶水厂在现有工艺的基础上，通过改变无烟煤滤池前的投氯量，进行了臭氧化—生物过滤的生产性对比试验。结果表明，臭氧化—生物过滤能够去除29%的三卤甲烷和卤乙酸的前驱物，去除29%的TOC，并能控制臭氧化以后水中AOC的增加。这项研究还消除了关于生物过滤对滤池出水浊度、过滤周期，以及出水中大肠菌的疑虑。生物滤池出水中的大肠杆菌和其它异养菌的数量完全可以通过后加氯消毒与以杀灭，并且在所有的水样中，尽管一些大肠菌检验呈阳性，但埃希氏大肠菌均呈阴性，也未发现粪便污染。在1年的运行试验中，两种对比流程出水平均浊度均为0.07NTU，滤池的运行周期亦未见差别。
　　基于上述试验结果，洛杉矶水厂拟将臭氧化—生物过滤工艺正式投入生产。
2、洛杉矶水厂臭氧化经验的应用
　　在洛杉矶近郊的一座水库附近，一个新的直接过滤水厂正在设计之中。为了满足即将颁布的美国环保局有关强化地表水处理规定(Enhanced Surface Water Treatment Rule)的要求，根据已有的经验，与洛杉矶水厂原设计相比，该水厂在以下几个方面有所不同：
　　·臭氧接触池的水力停留时间由洛杉矶水厂的5min，增加为10min；
　　·臭氧投加点由2个增加到3个，以有利于控制溴酸盐的生成；
　　·臭氧设计投加量由1.5mg/l增加到2.5mg/l（目前洛杉矶水厂的实际投加能力已达2.6mg/l）；
　　·设计采用新型的高浓度臭氧发生器（臭氧浓度按重量达10%以上），以便于运行管理、降低噪声、减少占地。
3、新泽西特拉华河区域水厂的臭氧化工艺
　　1996年4月运行投产的特拉华河区域水厂，日处理能力11.5万m3，处理工艺包括臭氧化、强化混凝和生物过滤（见图2）。原水由特拉华河泵送至水厂内6万m3的贮水池，进行贮存和调节，再用泵提升至臭氧接触池，进行预臭氧化，臭氧投加量为2-4mg/l。臭氧接触池分为A、B、C共3个室，每个室接触时间4-5min，A室和B室分别设有66、22套微孔扩散器。水与臭氧接触后，投加混凝剂氯化铁和一种高分子助凝剂，进入静态混合器。出水流经静态混合器和快速混合池形成矾花。在快速混合池的末端完成絮凝后投加高分子聚合物，便于在后续构筑物中形成悬浮污泥层，出水经配水井进入4座超脉冲悬浮污泥澄清池。澄清出水进入生物滤池，每个生物滤池装有1.5m厚单层活性炭滤料。滤后水流入后处理池后加药，然后进入清水池进行消毒，再泵送至管网。

　　特拉华河区域水厂与洛杉矶水厂工艺上的主要差别在于：
　　·特拉华河区域水厂的臭氧投加量为2-4mg/l，而洛杉矶水厂为1-2 mg/l，前者高出后者1倍；
　　·特拉华河区域水厂采用了澄清-过滤工艺，而洛杉矶水厂则采用的是直接过滤工艺，前者的工艺更加复杂；
　　·特拉华河区域水厂滤池采用粒状活性炭滤料，而洛杉矶水厂则采用的是无烟煤滤料，前者更加注重通过吸附和生物降解去除有机物。
　　特拉华河区域水厂与洛杉矶水厂的原水在浊度和有机物含量上大体相当，但在工艺上出现明显差别。这主要是由于近年来美国环保局和各州政府，对水的消毒和消毒副产物以及供水的浊度提出了越来越严格的限制，新建水厂通过强化混凝进一步降低浊度，以特拉华河区域水厂为例，原水浊度2NTU，澄清出水0.55NTU，滤后水0.04NTU，始终保持出厂水<0.1NTU，进而确保管网供水<0.3NTU；同时，为了适应消毒和消毒副产物的要求，新建水厂通过加大臭氧的投加量，改用活性炭过滤，使流程更加接近臭氧化—生物活性炭的工艺特点，从而使出厂水的TOC去除率达到90%，THMs<8μg/l。

结语

　　与欧洲相比，美国的臭氧化技术起步较晚，但随着有关供水水质的法令和规定日趋严格，以及各州对臭氧的使用由限制转为更加宽容和开放，美国行业内人士预测，在下一世纪到来之际，臭氧化技术将逐步成为美国各地水厂处理流程中的标准配置，预臭氧化、臭氧化-生物活性炭工艺将会在全国范围得到普及。
　　我国长期以来受经济发展水平和饮水观念的局限，饮用水深度净化尚未得到普遍认同，但随着我国经济的发展、人们水质意识的提高，笔者认为，城市供水深度净化工艺将会提到日程上来。学习、借鉴国外已有的成功经验，针对特定的原水水质，进行以预臭氧化、臭氧化-生物活性炭为代表的饮用水深度净化工艺探索和应用，将是我们走向二十一世纪净水工艺的重要课题。

作者简介：张金松 博士，副研究员，主要从事饮用水深度净化、水处理工艺技术等方面的研究工作。
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