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  • 臭氧在自来水厂中的应用原理
    时间:2023-08-04 09:15:59       来源:       

    一、应用背景及现状



     

          自20世纪90年代起,由于怀疑水中的某些有机物和天然物质与氯发生反应后形成的三卤甲烷具有致癌性,且用氯这种消毒方法对水酸碱度有一定的要求,越来越多的国家和地区对臭氧在水处理中的应用产生了兴趣,逐步在饮用水系统中采用了臭氧处理工艺。随着我国人们生活品质的提高,对饮用水水质提出了更高的要求,氯气逐渐被臭氧取代,成为自来水清毒处理的主流技术。目前,臭氧消毒技术已经广泛用于城市自来水、工农业与生活污水处理工艺中。特别是近些年来,水处理业引入了 O3/BAC的处理工艺后,以其突出的优点在我国经济发达的长江三角洲、珠江三角洲地区得到了迅速推广,与工艺相配套的臭氧设备也得到了应用。

    二、臭氧应用技术原理




     

           1.臭氧对无机物污染物的去除



     

           在采用臭氧预氧化进行给水处理时,可有效去除无机的铁、锰等金属离子。当二价铁和二价锰共同存在时,臭氧首先会被二价铁迅速消耗,所以对含铁和锰的地下水,臭氧投加量较低时,锰离子的氧化率一般较低(右图为合肥某自来水厂夏季针对锰突发性增长,采用臭氧预氧化除锰效果见图1)。地表水中的有机物会影响铁和锰的去除,在投加臭氧剂前应先去除。硫化物和氰化物通过与臭氧反应生成SO2、H2S04和N2、CO2、H2C03等物质从而得到去除。臭氧无法去除水中的氨氮,氨氨含量反而可能会随着臭氧投量的增加而升高。虽然臭氧可将氨氧化成硝酸盐,但在中性条件下反应很慢,臭氧预氧化还可将水中硫化氢氧化成硫酸根,将亚硝酸盐氧化成硝酸盐。

           2.臭氧对有机污染物的去除

           在进行水处理的时候,关于水的色度的去除,其中比较容易去除的是光吸收和散射引起的表色较易去除,溶挥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。臭氧通过与不饱和官能团反应、破坏碳碳双键而去除真色,同时臭氧可氧化铁、锰等无机呈色离子为难溶物。

           水的嗅味主要由腐殖质等有机物、藻类、放线菌、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、2,4,6-三氯回香臭等。臭氧通过与其它技术联用的手段,会增加其除嗅味的能力。Toshio等在原水土臭素、2-甲基异冰片浓度分别为0.8/L,1.0/L时,采用0.5mg/L,2.0mg/L预氧化对两种致臭物的去除率比采用2.0mg/L预氧化的值高40%。(采用臭氧氧化对色度去除效果图如上图所示)
     

           3.改善感官、除色除异味

     


           在进行水处理的时候,关于水的色度的去除,其中比较容易去除的是光吸收和散射引起的表色较易去除,溶挥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。臭氧通过与不饱和官能团反应、破坏碳碳双键而去除真色,同时臭氧可氧化铁、锰等无机呈色离子为难溶物。

           水的嗅味主要由腐殖质等有机物、藻类、放线菌、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、2,4,6-三氯回香臭等。臭氧通过与其它技术联用的手段,会增加其除嗅味的能力。Toshio等在原水土臭素、2-甲基异冰片浓度分别为0.8/L,1.0/L时,采用0.5mg/L,2.0mg/L预氧化对两种致臭物的去除率比采用2.0mg/L预氧化的值高40%。(采用臭氧氧化对色度去除效果图如上图所示)
     

           4.助凝

           在利用臭氧预氧化对水进行处理的时候,会使水产生絮凝。有关科研人员对此进行了相关研究,发现臭氧预氧化产生絮凝的可能机理是:增加水中含氧官能团有机物(如梭酸等),使其与金属盐水解产物、钙盐等形成聚合体,降低无机颗粒表面NOM的静电作用,引起溶解有机物的聚合作用,形成具有吸附架桥能力的聚合电解质,使高稳定性藻类脱稳、产生共沉淀等。影响预臭氧化助凝效果的主要因素是:原水TOC、硬度、预臭氧以及絮凝条件、藻类种类及数量、浊度等。不同原水的预臭氧化助凝效应差别较大,对低Toe含量(2mg/L)目硬度与Toe比值大于25mg/mgTOC的原水较易于发生微絮凝,对中高TOC含量的原水进行预臭氧化或者采用高臭氧量和pH,则可能产生过多高电荷、小分子有机物,不利于改善絮凝和过滤效果。
     

            5.臭氧对致病菌的灭活

           众所周知,臭氧是一种强效灭菌氧化剂,对细菌有很强的杀灭作用,灭菌过程属生物化学氧化反应。臭氧分降时释放的新生态氧具有极强的氧化能力,氧化分解细菌内部葡萄糖所必需的酶,使细菌死亡;新生态氧可渗入细胞膜组织,与外膜的脂蛋白和内膜的脂多糖作用,使细菌发生通透性畸变而死亡;新生态氧直接与细菌、病毒作用,破坏细胞器、DNA和RNA,使细菌的新陈代谢受到破坏而死亡。臭氧首先作用于病毒的衣体壳蛋白的四条多肽链,并使RNA受到损伤,特别是破坏形成病毒的蛋白质。噬菌体被臭氧氧化后,电镜观察其表皮破碎成众多碎片,并释放出许多核糖核酸,干扰其吸附到寄存体上。臭氧对病毒及原生动物都有很强的灭活作用。
     

           6.控制氯化物消毒副产物



     

          在进行水处理时,进行氯化消毒过程中会产生副产物三卤甲烷,富里酸和腐殖酸是主要的前质。有研究报道臭氧氧化通过将腐殖质分解为低分子量化合物,可以达到降低三卤甲烷生成势(THMFP)的作用。预臭氧化去除氯化消毒副产物(DBPs)前驱物质的效果取决于原水水质及预臭氧化条件,主要是TOC及Br含量、有机物性质。是氧投量及时间、水温、pH等。在常用的消毒方式中,氯消毒是产生氯化消毒副产物最多的消毒方式,其中消毒副产物会对人体产生伤害,如上表所示:
     

           7.氨氮副产物
     



           水体中氨氮超标,其一,如果长期饮用氨氮超标的水质,氨氮转化形成亚硝酸盐,水中的亚硝酸盐将和我们体内蛋白质相结合形成亚硝胺,这是一种强致癌物质对健康极为不利;其二,引发的游离氯,随着PH呈碱性增加不断增加,导致藻类大量繁殖,水体发黑发臭,氨氮含量高时导致鱼类死亡。

           其中苏州某自来水厂原水质氨氮(以N计),最高值0.22mg/L,最低值0.22mg/L,平均值0.14mg/L,经研究表明,采用臭氧预氧化技术对氨氮去除会有一定效果,投加预臭氧时常规工艺对氨氮去除较未投加时明显增加,氨氮去除率可由21%增至79%(如上表所示);

     

            8.控制藻类

           藻类问题一直是给水处理中普遍的一个问题。当水中的藻类合量过高时,会直接影响絮凝和沉淀,增加絮凝剂的用量;堵塞滤池,缩短滤池过滤周期;致臭并产生藻毒,和氯作用形成氯化消毒副产物,降低饮用水安全。研究表明预臭氧化可作为除藻的一种预处理方法,它和常规处理及其它技术配合使用是处理富营养化水原水藻类问题的有效途径之一。藻毒素是藻类污染的另一重要方面,在一定条件下臭氧可以有效去除藻毒主要取决于臭氧投加量和原水水质。在藻毒素含量均为20Lg/L,保证接触5 min后水中存在残余臭氧时,即可将LR和LA型藻毒素完全去除;而全部去除念珠藻毒素-a需保证0.06 mg/L的残余氧;奥氧对藻毒素综合去除率能达到96%。
     

    三、工艺流程选择




           水厂常采用O3+常规处理+O3-BAC工艺(供参考)。
     

    四、臭氧在自来水处理中应用的目的及优点



     

           1、应用预臭氧氧化的作用目的

           1.1 对铁、锰的氧化能力强。——初步氧化去除高浓度有机物(DOC)、铁、锰;
           1.2 改善絮凝和过氯效果,减少絮凝剂投加量和反冲洗滤池用水量;
           1.3 减少三致物质的母体,避免THM(三卤甲烷)的形成;
           1.4 控制藻类——臭氧可以消除一些藻类或限制其生长。臭氧还能够使某些浮游动物失活,例如移动生物,如白背飞虱;
           1.5 氧化无机物质如氰化物、碳化物、硝化物。
     

           2、应用主臭氧氧化的作用目的

           2.1 改善水质的口感、气味、色度。——对于去除薯蓣皂苷、二甲异茨醇(2-MIB)等的异臭味及源自腐殖质等的色度、或去除因氯而成异臭味的酚类均有效果。
           2.2 杀死细菌、去除病毒,例如贾第鞭毛虫和隐孢子虫等;
           2.3 氧化有机物,增强其有机物的生物降解性。——使高分子物质低分子化,硫水性物质成亲水化,以增加难降解有机物的生物降解性,从而提高后段颗粒活性炭(生物活性炭)的处理性能。例如:苯酚、洗洁精、杀虫剂和难降解的有机物。

     



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