臭氧在上海周家渡水厂试验基地工程中的应用

王如华
上海市政工程设计研究院

　　提要：本文以饮用水水源受污染后各种相应的净水工艺不断出现为背景，叙述并介绍了其中的臭氧技术的应用特点及其在上海周家渡水厂试验基地工程中的应用情况，并对就用的成果进行了展望。
　　关键词：水源泉污染 臭氧 有机物 色度 嗅、味 铁、锰

　　一、应用的背景

　　人类的社会活动及生存离不开水。人们的生活饮用水及生产用水主要来自于地表水和地下水，其中地表水分布广且利用较方便，而地下水则存量有限。随着人类社会的不断发展和进步，各种工业生产及人们生活中产生的大量未经处理的废水及污水不断被排入水体，已使得地表水的不断污染成为一种普通的现象。此外，人类活动中对地下水的大量开采，也使得水源较好但存量有限的地下水迅速减少，并千万了严重的地面下沉现象，对城市各类建筑及公共设施带来了威胁和破坏。我国虽然是水资源较丰富的国家，但由于人口众多，人均的水资源泉含量却很低，约为世界人均占有量的四分之一。而上述地表水普通受污染和地下水过量开采的现象在我国也同样存在，并且状况较为严重。这些现象的出现正对人类的活动及社会进步构成了严重威胁。
　　为了消除水源普通受到污染对人类活动的威胁，世界各地的各个国家尤其是发达国家正在积极采取措施，其中包括了加强生活饮用水的处理许多国家的水处理部门以及相关的科研机构或大学院校正在不断研究和探索新的净水工艺，以消除水中的污染物质对人类造成的危害。随着这些研究和探索的持续进行，各种成果已不断出现并日趋成熟。目前较具有代表性的主要有各种预处理工艺和深度处理工艺的逐渐被应用并取得成功。此外新兴的膜处理工艺在生活饮用处理水中的应用也正在探索和研究中。
　　我国对微污染水源饮用水处理的研究和探索始于二十世纪八十年代，与发达国家比起步较晚。但经过二十年的大量工作，已在许多新工艺的机理和基础研究方面取得了不少成果。其中较有影响的主要有生物预处理工艺、投加臭氧或高锰酸钾等强氧化剂的化学预处理工艺，以及投加粉末活性炭的物理化学预处理工艺等。而深度处理则有颗粒活性炭吸附以及臭氧氧化结合颗粒活性炭吸附的生物活性炭等工艺。这些工艺在全国许多地方的试验研究中通过应用被证明对微污染水源的处理具有较好的效果。但限于经济条件，大部分研究仅处于小试验阶段，很少有进行生产试验和直接应用于生产。
　　上海是我国最大的工业城市，是全国的经济中心之一。上海城市供水的规模及服务人口为全国之最，而上海城市供水的主要水源黄浦江污染相当严重。为了保证供水水质，上海的供水部门不得不在二十世纪八、九十年代花巨资开劈长江第二水源泉和实施黄浦江上游引水工程。由于长江位于远离市区的北面，只能为上海北部地区的水厂供水，且长江源水受长江入海口海水倒灌的影响非常严重，水源地避咸设施的投资昂贵。而大部分位于市区中部及南部地区的水厂仍只能依赖黄浦江水源，虽然实施了上游引水工程，水质有所改善，但由于黄浦江水量有限，其总体水质状况仍出现下降趋势。为了寻找和探索对付黄浦江水质恶化的对策，上海自来水公司先后进行过臭氧预处理、生物接触氧化塔处理以及活性炭吸附处理等工艺的小型试验，并取得了良好成果。随着上海经济的不断发展，人民生活水平的提高以及上海将成为国际金融中心之一的目标确定，提高供水水质已成为一项刻不容缓的任务。为此，上海市自来水公司于一九九八年提出了实施“上海市自来水深度处理工艺研究与应用”科研项目的建议，同年经上海市简直委批准立项实施。该项目由上海市自来水公司牵头，组织了公司科研所、上海市政工程设计研究院以及同济大学等单位开展工作。该项目的开题报告中明确了项目性质为生产研究与应用，并以上海周家渡水厂为试验基地进行科研依托工程的建设，以期通过科研所取得的成果直接应用于生产。此外，开题报告还明确了将在该试验研究中进行多种新工艺的研究，其中臭氧的应用是主要的研究内容之一。

　　二、臭氧及其在水处理应用中的主要特点

　　1、臭氧的主要特性
　　臭氧是一种高活性气体，通过对氧气的放电而形成，其分子式是O3，是氧的同素异形体。在常温常压下，臭氧是淡蓝色的具有刺激性气味的气体。
　　臭氧具有很高的氧化电位（2.076伏)，比氯（1.36伏）高出50%以上，因此它具有比氯更强的氧化能力。臭氧是由氧按以下热化学方程形成：

　　3O₃→2Q₂-69千卡

　　由此反应式可见臭氧的形成是吸热过程。因此，臭氧分子极不稳定，可自行分解，伴随着分解过程会放出能量。所以臭氧比氧具有更高的活性和氧化能力。
　　臭氧气体穿过气水间界面向水中传递是一个动态平衡过程，臭氧气体向水中的传递能力主要与气液两相中的传递系数、气水接触面积以及气液间的浓度差有关。
　　臭氧在水中的溶解度大于氧，温度、气压、气体中的纯臭氧浓度以及水中污染物质的性质和含量是影响臭氧在水中溶解度的主要因素。
　　溶于水中的臭氧极不稳定，很容易分解。温度及水中的PH值是影响臭氧分解的主要因素。
　　自然界中的臭氧是由大气中的氧气受雷击后产生，而人类生产过程中所需的臭氧则是通过臭氧发生设备，利用环境空气中的氧以及商品氧和空气分离设备制取的氧来制造。
　　2、臭氧净化水的作用机理
　　臭氧一经溶解在水中，会出现下列两种反应：一种是直接氧化，它是较缓慢的且有明显选择性的反应；另一种则是在水中羟基、过氧化氢、有机物、腐植质和高浓度的氢氧根诱发下自街上分解成羟基自由基，间接地氧化有机物、微生物和氨等。后一种反应相当快，且没有选择性，另外还能将重碳酸根和碳酸根氧化成重碳酸和碳酸。这两种反应中后一种反应更强烈，氧化能力更强。这两种反应过程可简单表示为下图：

　　由上述反应机理可知，臭氧在任何PH条件均能氧化水中多种有机物和无机物，如造成水中色、嗅和味的腐植质、酚、氨氮、铁、锰以及硫等还原物质。此外，由于具有很高的氧化电位和容易通过微生物细胞膜扩散，并能氧化微生物细胞的有机物或破坏有机体链状结构而导致细胞死亡，臭氧能够杀藻，对一些顽强的微生物如病毒、芽孢等有强大的杀伤力。
　　3、臭氧在不处理中的应用特点
　　臭氧用于净水工艺已有悠久历史，几乎与最常用的氯同时开始被采用。但迄今为止，由于臭氧设备的复杂和投资大，且耗电量较高，臭氧用于净水只在少数国家较普遍，特别在法国、德国、瑞士等欧洲国家应用较多。由于怀疑水中的有机物和天然物质与氯发生反应形成的三氯甲烷具有致癌性，自二十世纪九十年代起，美国、英国和日本等国家也逐步在饮用水处理中采用了臭氧处理工艺，以取代氯的作用。
　　目前，许多发达国家以及我国少数地方将臭氧用于饮用水处理，主要采用如下的几种的反应技术：
　　a、臭氧预处理
　　即在常规净水工艺前增设臭氧工艺。这种方法用以取代以往预氯化的工艺后，不仅能起到与预氯化相当的效果，而且可避免预氯化后产生大量三氯甲烷之类的致癌物质生成。同时还可以起到预氯化无法达到的作用，如臭氧可氧化许多小分子机构以及分解大分子有机物成为小分子有机物，从而使得水中因腐植质引起的色、嗅和味经过臭氧氧化能被有效去除。此外，臭氧对处于还原状态的锰和硫的去除能力也是氯所不能企及的。
　　但是，臭氧对氨的去除效果不如氯，为了去除氨氮，需要大剂量投加和较长的反应时间。
　　b、臭氧与颗粒活性炭过滤相结合的臭氧生物活性炭处理
　　这种工艺通常设在常规净水工艺后，作为对水的深度处理，以去除常规工艺无法去除的各种有机物及由此引起的色、嗅和味等。这一工艺中臭氧的作用有两个方面。其一是直接将部分能被其氧化成无害物质的污染物去除。其二是将大分子有机物分解成可为生物降解的小分子有机物，同时利用臭氧分解后产生的氧使水中的溶解氧充足，从而为后续活性炭处理中的生物降解提供必要的条件。通常经过臭氧生物活性炭处理后的水，其中形成三氯甲烷的前驱物质已大为降低，因此，这些水再经最终的氯消毒后较少生成三氯甲烷等物质。
　　c、臭氧消毒
　　由于臭氧具有比氯更高的氧化能力，因此用臭氧代替氯来对水进行消毒，其消毒效果更佳，且剂量小、作用快，并不会产生三氯甲烷等有害物质，同时也可大为改观水的口感和观感。对一些顽强的病毒，臭氧的灭活作用远高于氯。但是，由于水中臭氧分解速度快，经臭氧消毒的水中剩余消毒剂维持的时间很短。所以，为了使水中一定量的剩余消毒剂水平能维持较长时间，通常经臭氧消毒后的水需投加少量的氯。
　　无论是臭氧在净水工艺用于何种用途和场合，臭氯净水系统的基本组成通常应包括气源设备、臭氧发生、臭氯接触以及尾气处置四个部分。
　　气源准备是臭氧发生的前置系统，包括空气供应和纯氧供应。通常空气供应适用于臭氧产量较小的场合，而纯氧则用于较大规模臭氧应用。臭氧发生则是由臭氧发生器来完成，目前使用最广的是管式发生器。臭氧接触是指通过一定的方式使臭氧气体扩散到液体中并使之与液体中并使之液体全面接触和完成预期反应的过程，这一过程是通过臭氧接触器来完成，不同的工艺目标和相应的反应决定了接触器的形式和接触时间，接触器的形式主要包括微气泡扩散接触、涡轮扩散接触、水射器扩散接触以及接触填料扩散接触等形式。尾气处置主要是指通过人为破坏的方法将接触器内排出的剩余臭氧气体分解成对环境无害的氧气，目前使用较普通的方法为加热分解法。

　　三、臭氧在周家渡水厂试验基地工程中应用情况介绍

　　1、总体试验工艺流程的确定及其工艺作用的考虑
　　为了达到本科研项目的总体目标，科研小组首先分析了黄浦江原水存在的主要问题，并确定了预期要求达到的水质目标。通过对原水质的分析认为，原水中主要的问题是存在一定的有机污染、色度较高以及铁锰含量较高。具体表现为高锰酸盐指数平均在5mg/1以上，最高可达9mg/1；氨氮平均在1mg/1以上，最高可达3mg/1；色度平均约为17度，最高为20度；锰平均为0.22mg/1，最高为0.5mg/1。针对水源中存在的这些主要问题，科研小组经过共同讨论研究，制定了出水的水质目标，对其中一些关键项目提出了最低目标和最高目标。其中高锰酸盐指数最低目标为5mg/1，最高目标为2mg/1；氨氮的目标为0.5mg/1。为此，通过大量的调查研究和讨论分析，提出了实施如下两个试验工艺流程来探索完成上述目标的最佳工艺途径：

　　

　　上述流程一中，其工艺作用主要考虑是利用陶粒生物滤池去除氨氮，兼能去除部分有机物、色度、铁和锰，并为后续常规处理去除浊度、色度、铁和锰创造有利条件；利用后臭氧接触池和生物活性炭滤池进一步去除前置工艺中无法有效去除的有机物、色度以及嗅味等。而流程二中，其工艺作用主要考虑是利用跌水曝气池或预臭氧接触池为后续常规处理去除色度、铁、锰和氨氮创造有利条件以及利用预臭接触池直接去除部分有机物和色度，并为后续工艺去除浊度创造有利条件；后臭氧接触池和生物活性炭滤池作用与流程一大致相同。
　　考虑到周家渡水厂原有常规净水设施的能力以及水厂高程及场地条件，每条试验流程的规模确定为500000m3/d。
　　2、臭氧工艺形式的确定
　　臭氧对国内外已有的臭氧工艺状况的了解以及对臭氧设备、臭氧本身及其在净水工艺应用中的各方面特点的分析，对两个流程中的后臭氧接触采用了微气泡扩散接触池，每座池内臭分三点投加，总接角时间为10分分钟，接触水深为5.5米。对流程二中的预臭氧接触池，考虑到原水较易使微气泡扩散器堵塞，采用了水射器扩散接触形式。接触时间为10分钟接触水深5.5米。投加点考虑到预臭氧的作用较为单一，仅设一处。
　　限于场地条件，两个流程中的预臭氧和臭氧和后臭氧接触池与跌水曝气池设计成一个整体，具体布置详见下图。

　　3、臭氧设备的选择
　　对臭氧设备生产能力的选择，考虑到本项目为科研项目，试验研究过程中将可能进行各种投量的对比试验，故预臭氧的投加率设备配置按5mg/1考虑，后臭氧则按3mg/1考虑。总的臭氧设备能力按2.5kg/hr考虑。
　　臭氧发生器则选择了法国欧宗尼亚公司的新技术设备，单位发生电耗为10～14Kwh/kgO3，产气中臭氧浓度为6～10%。
　　气源准备系统考虑到本科研成果主要是用于上海自来水系统，其臭氧应用规模较大，故采了租用商业纯氧的方式解决，在厂区内安排一露天场地设备法国液化空气上海公司的一个5立方米液氧储罐，经与储罐配套的蒸发器将液氧蒸发成气态氧后供给臭氧发生器。
　　尾气处置则选择电加热分解装置，设在接触池顶部，与接触池顶的尾气排放管相连。

　　四、成果展望

　　经过科研开题、开题审批及立项、科研方案的确定、依托工程的可行性研究、初步设计以及施工图设计等一系列工作，目前该项目已完成了近一半的工作，有关依托工程的施工正在加紧实施预计到2000年底可完成工程建设及试验准备工作。2001年初即可开始试验研究。对于臭氧在本试验工艺中的应用程度、范围以及具体的工艺形成和有关设计参数、运行指标的确定还有待于今后的试验和分析的结果来得出。但笔者认为，对臭氧在本项目中应用的必要性是毋庸置疑的，相信该技术的应用一定能取得积极有益的成果。