張金松　　 黃紅杉
深圳市自來水（集團(tuán)）有限公司

　　臭氧在飲用水處理中的應(yīng)用已經(jīng)有一百多年的歷史。但是由于其技術(shù)復(fù)雜、成本昂貴，使應(yīng)用受到限制。本世紀(jì)七十年代，由于水污染的加劇和公眾健康意識的提高，迫使人們在傳統(tǒng)水處理工藝的基礎(chǔ)上采用新的手段，保證供水水質(zhì)符合更加安全的飲用水標(biāo)準(zhǔn)。經(jīng)過近二十年的研究和實踐，以臭氧為主組成的復(fù)合應(yīng)用技術(shù)，以其良好的處理效果成為給水深度凈化技術(shù)的首選。
　　目前，臭氧化技術(shù)應(yīng)用以歐洲大陸最為普遍。法國和瑞士臭氧化工藝的應(yīng)用有著悠久的歷史，臭氧化設(shè)備也居世界領(lǐng)先地位；德國全國85%的水廠采用了臭氧深度處理技術(shù)。在美國，進(jìn)入八十年代以來，由于美國環(huán)保局提出了新的水質(zhì)標(biāo)準(zhǔn)，對出廠水和管網(wǎng)水的消毒作了更加嚴(yán)格的規(guī)定，同時又對減少水中的消毒副產(chǎn)物作出進(jìn)一步的限制，這雙重的壓力迫使國內(nèi)的水廠不得不考慮采用臭氧化、強(qiáng)化混凝和生物過濾等技術(shù)來達(dá)到供水要求。因而臭氧化深度處理技術(shù)改造正在全國范圍內(nèi)興起，據(jù)1990年統(tǒng)計，美國已有40余座水廠已經(jīng)應(yīng)用了臭氧化技術(shù)，還有許多類似的水廠則正在設(shè)計或建設(shè)之中。下面以洛杉磯水廠(The los Angeles Aqueduct Filtration Plant)為主，結(jié)合新澤西特拉華河區(qū)域水廠(The Delaware River Regional Water Treatment Plant)的工藝情況，介紹美國當(dāng)今給水處理中臭氧化技術(shù)應(yīng)用的特點。

一、工藝概況

　 洛杉磯水廠于1987年4月正式投產(chǎn)，是全美最大的臭氧化水廠，最高日處理量230萬 m3，平均日處理量160萬m3。原水來自內(nèi)華達(dá)西拉山的東坡，積雪融化的水，采用渠道和水管兩種輸水方式，經(jīng)540 km距離，重力輸送至水廠。原水濁度2NTU左右，pH8-8.5，TOC平均1.5mg/l，水質(zhì)較好。
1、工藝流程
　　洛杉磯水廠的主要工藝過程包括：
　　·預(yù)臭氧化
　　臭氧發(fā)生器設(shè)計采用5臺(4用1備)，臭氧發(fā)生量149kg／h。臭氧接觸室共4座，單池尺寸為30×9×6m，臭氧投加量1.0-2.0mg／l，停留時間5min，尾氣由接觸室頂部集中抽送到臭氧尾氣破壞裝置中，將尾氣中臭氧降至0.1 mg／l以下，排入大氣。
　　·混凝
　　快速混合池共8個，單池尺寸為3×3×4.3m，各安裝快速攪拌器，把混凝劑快速均勻地擴(kuò)散至水中。混凝劑投量為：陽離子聚合物1.3 mg／l，三氯化鐵1.1 mg／l。混合時間0．86s。絮凝池36個，單池尺寸 7.6×7，6×6.1 m，停留時間10 min。
　　·過濾
　　濾池24只，單池面積130m2，無煙煤濾料，厚度1.83 m，有效粒徑1.5mm，均勻系數(shù)1.5。采用3段式氣水混合反沖洗：首先氣水同時沖洗，通氣時間1min，沖洗強(qiáng)度20 l/(s·m2)，水沖2 min，沖洗強(qiáng)度6.8 l/(s·m2)；然后單水高速反沖5 min，沖洗強(qiáng)度17 l/(s·m2)；最后低強(qiáng)度漂洗2 min，沖洗強(qiáng)度15 l/(s·m2)。沖洗效果良好，濾料表面不易結(jié)塊，濾層不形成泥球。
　　·消毒
　　由于預(yù)臭氧化的作用，最后消毒時，三鹵甲烷大大減少。4臺加氯機(jī)容量124kg／h，最大加氯量5.6mg/l。
2. 出水水質(zhì)
　　洛杉磯水廠處理前后的水質(zhì)指標(biāo)見表1。由濁度、三鹵甲烷生成勢、總有機(jī)碳等項指標(biāo)來衡量，該水廠的出水優(yōu)良。

二、臭氧化技術(shù)特點與應(yīng)用效果

1．臭氧采用純氧發(fā)生
　　洛杉磯水廠采用管式水冷臭氧發(fā)生器，使用9.5-10.5kV、600Hz高壓中頻交流電，以純氧為原料產(chǎn)生臭氧，臭氧濃度按重量計可達(dá)6％。氧氣由洛杉磯水廠的低溫氧氣發(fā)生廠供應(yīng)，日產(chǎn)45,360kg，氧氣從空氣中制備，純度達(dá)95％。為了滿足生產(chǎn)過程中臭氧用量的不同需要，氧氣產(chǎn)量可在設(shè)計能力的100％到60％之間進(jìn)行調(diào)節(jié)。每日還產(chǎn)生大約 l,820kg的液態(tài)氧，貯存在一個35,250l的液氧罐內(nèi)。液態(tài)氧可在需氧高峰期間增加氧氣的供應(yīng)，也是氧氣廠停機(jī)時的后備供氧源。
　　臭氧發(fā)生器原設(shè)計采用5臺，1993年又添置了1臺臭氧發(fā)生器，以增加臭氧的投加能力。1997年，其中的1臺臭氧發(fā)生器根據(jù)Ozonia的最新技術(shù)（Advanced Technologyâ）進(jìn)行了改造，將原有的玻璃放電管改換為陶瓷放電管，將產(chǎn)量提高近1倍，并可節(jié)約能量。目前的總裝機(jī)能力為250 kg/h。運行時，臭氧的產(chǎn)量可通過增減臭氧發(fā)生器的工作臺數(shù)，在系統(tǒng)能力的25％到100％之間進(jìn)行調(diào)節(jié)，氧氣的流量及發(fā)生器的功率均可自動控制。
2．臭氧以微孔擴(kuò)散方式接觸反應(yīng)
　　預(yù)臭氧化之前，水僅在入口處經(jīng)過篩網(wǎng)過濾。臭氧注入接觸池，水深≤6.10m，水力停留時間≤5min。池內(nèi)的導(dǎo)流墻可以使水的短流降至最小。在每一個接觸池內(nèi)有兩排微孔陶瓷擴(kuò)散器，從中注入臭氧。臭氧投加量通常為1.0到1.5mg/l，根據(jù)需要，可增加到2.0mg/l以上。根據(jù)10年來統(tǒng)計的結(jié)果，臭氧的平均投加量為1.3mg/l。1993年7月美國環(huán)保局地表水處理規(guī)定(Surface Water Treatment Rule)實施以來，水中剩余臭氧較以往有所增加，目前通常保持臭氧接觸池的第一反應(yīng)室剩余臭氧濃度值在0.3mg/l以上，以達(dá)到美國環(huán)保局規(guī)定殺滅0.5個數(shù)量級賈第蟲所需的CT值。
　　臭氧化水廠要定期測定臭氧的轉(zhuǎn)移效率，以便確定臭氧擴(kuò)散器的工作狀況，檢查不同組的臭氧接觸池的臭氧投加是否均衡。原來的棒狀微孔陶瓷擴(kuò)散器在最初的2年運行良好，但到了第3年，一些擴(kuò)散棒的端帽發(fā)生開裂，需要進(jìn)行焊接；一些耐腐塑料墊片出現(xiàn)破損，要用硅膠墊片進(jìn)行更換，并用密封膠作了處理。從1991年開始，一種經(jīng)過改進(jìn)的微孔陶瓷擴(kuò)散器投入使用，克服了原有擴(kuò)散器的缺陷。1997年，另外3套擴(kuò)散器也進(jìn)行了更換。
3.臭氧在水處理過程中的作用
　　洛杉磯水廠十年的運行經(jīng)驗充分證實，臭氧除了可有效地控制嗅、味與色度和控制消毒副產(chǎn)物以外，臭氧化通過微絮凝和消毒滅菌，在水廠處理工藝中發(fā)揮著至關(guān)重要的作用。
　　·微絮凝作用
　　與預(yù)加氯比較，臭氧有助于加快絮凝，絮凝時間從20min縮短到10min)，相應(yīng)地絮凝池的數(shù)目減少了—半；臭氧能提高濾池過濾速度，過濾速率由22m/h增加到33m/h，相應(yīng)所需過濾裝置的數(shù)目則降低了三分之一；延長了反洗周期之間的過濾裝置運行時間，降低了反洗所需的用水量，減少所需反洗設(shè)備的規(guī)模；臭氧可降低凝聚劑的用量，所需的化學(xué)凝聚劑減少了33％，并且減少了過濾裝置反洗污泥。
　　·消毒滅菌
　　在水廠控制賈第蟲和病毒的多道屏障中，臭氧首當(dāng)其沖。根據(jù)美國環(huán)保局地表水處理規(guī)定進(jìn)行測算，臭氧對賈第蟲的平均滅活率達(dá)0.8個數(shù)量級以上。臭氧與后加氯共同作用可以達(dá)到殺滅賈第蟲1個數(shù)量、殺滅病菌3個數(shù)量級。
　　同時，控制水中顆粒數(shù)量的試驗表明，如果將臭氧關(guān)閉，代之以預(yù)氯化，濾后水中的顆粒數(shù)量將增加5倍。
　　此外，臭氧化使后消毒的氯需求減少了50％，改善了供水的口感，降低了水中的消毒副產(chǎn)物。

三、 臭氧化技術(shù)的發(fā)展

1、臭氧化與生物過濾的結(jié)合使用
　　水中天然有機(jī)物對于供水水質(zhì)有著重要影響，可同化有機(jī)碳(AOC)進(jìn)入管網(wǎng)后可能會造成細(xì)菌的再度繁殖，使水中大腸菌的數(shù)量超過規(guī)定的標(biāo)準(zhǔn)。同時，供水能否符合關(guān)于消毒副產(chǎn)物的規(guī)定，原水中的天然有機(jī)物的種類和數(shù)量至關(guān)重要。非腐殖酸類天然有機(jī)物據(jù)認(rèn)為是引起管網(wǎng)中微生物再度繁殖的碳源，生物過濾能夠有效去除這類天然有機(jī)物；臭氧化能夠通過將天然有機(jī)物的大分子，氧化為小分子，減少三鹵甲烷(THMs)和其它消毒副產(chǎn)物的前驅(qū)物；但這些小分子大多易于生物降解，會導(dǎo)致管網(wǎng)中細(xì)菌再度繁殖。因此，將臭氧化和生物過濾結(jié)合有利于發(fā)揮其各自的優(yōu)勢。
　　洛杉磯水廠在現(xiàn)有工藝的基礎(chǔ)上，通過改變無煙煤濾池前的投氯量，進(jìn)行了臭氧化—生物過濾的生產(chǎn)性對比試驗。結(jié)果表明，臭氧化—生物過濾能夠去除29%的三鹵甲烷和鹵乙酸的前驅(qū)物，去除29%的TOC，并能控制臭氧化以后水中AOC的增加。這項研究還消除了關(guān)于生物過濾對濾池出水濁度、過濾周期，以及出水中大腸菌的疑慮。生物濾池出水中的大腸桿菌和其它異養(yǎng)菌的數(shù)量完全可以通過后加氯消毒與以殺滅，并且在所有的水樣中，盡管一些大腸菌檢驗呈陽性，但埃希氏大腸菌均呈陰性，也未發(fā)現(xiàn)糞便污染。在1年的運行試驗中，兩種對比流程出水平均濁度均為0.07NTU，濾池的運行周期亦未見差別。
　　基于上述試驗結(jié)果，洛杉磯水廠擬將臭氧化—生物過濾工藝正式投入生產(chǎn)。
2、洛杉磯水廠臭氧化經(jīng)驗的應(yīng)用
　　在洛杉磯近郊的一座水庫附近，一個新的直接過濾水廠正在設(shè)計之中。為了滿足即將頒布的美國環(huán)保局有關(guān)強(qiáng)化地表水處理規(guī)定(Enhanced Surface Water Treatment Rule)的要求，根據(jù)已有的經(jīng)驗，與洛杉磯水廠原設(shè)計相比，該水廠在以下幾個方面有所不同：
　　·臭氧接觸池的水力停留時間由洛杉磯水廠的5min，增加為10min；
　　·臭氧投加點由2個增加到3個，以有利于控制溴酸鹽的生成；
　　·臭氧設(shè)計投加量由1.5mg/l增加到2.5mg/l（目前洛杉磯水廠的實際投加能力已達(dá)2.6mg/l）；
　　·設(shè)計采用新型的高濃度臭氧發(fā)生器（臭氧濃度按重量達(dá)10%以上），以便于運行管理、降低噪聲、減少占地。
3、新澤西特拉華河區(qū)域水廠的臭氧化工藝
　　1996年4月運行投產(chǎn)的特拉華河區(qū)域水廠，日處理能力11.5萬m3，處理工藝包括臭氧化、強(qiáng)化混凝和生物過濾（見圖2）。原水由特拉華河泵送至水廠內(nèi)6萬m3的貯水池，進(jìn)行貯存和調(diào)節(jié)，再用泵提升至臭氧接觸池，進(jìn)行預(yù)臭氧化，臭氧投加量為2-4mg/l。臭氧接觸池分為A、B、C共3個室，每個室接觸時間4-5min，A室和B室分別設(shè)有66、22套微孔擴(kuò)散器。水與臭氧接觸后，投加混凝劑氯化鐵和一種高分子助凝劑，進(jìn)入靜態(tài)混合器。出水流經(jīng)靜態(tài)混合器和快速混合池形成礬花。在快速混合池的末端完成絮凝后投加高分子聚合物，便于在后續(xù)構(gòu)筑物中形成懸浮污泥層，出水經(jīng)配水井進(jìn)入4座超脈沖懸浮污泥澄清池。澄清出水進(jìn)入生物濾池，每個生物濾池裝有1.5m厚單層活性炭濾料。濾后水流入后處理池后加藥，然后進(jìn)入清水池進(jìn)行消毒，再泵送至管網(wǎng)。

　　特拉華河區(qū)域水廠與洛杉磯水廠工藝上的主要差別在于：
　　·特拉華河區(qū)域水廠的臭氧投加量為2-4mg/l，而洛杉磯水廠為1-2 mg/l，前者高出后者1倍；
　　·特拉華河區(qū)域水廠采用了澄清-過濾工藝，而洛杉磯水廠則采用的是直接過濾工藝，前者的工藝更加復(fù)雜；
　　·特拉華河區(qū)域水廠濾池采用粒狀活性炭濾料，而洛杉磯水廠則采用的是無煙煤濾料，前者更加注重通過吸附和生物降解去除有機(jī)物。
　　特拉華河區(qū)域水廠與洛杉磯水廠的原水在濁度和有機(jī)物含量上大體相當(dāng)，但在工藝上出現(xiàn)明顯差別。這主要是由于近年來美國環(huán)保局和各州政府，對水的消毒和消毒副產(chǎn)物以及供水的濁度提出了越來越嚴(yán)格的限制，新建水廠通過強(qiáng)化混凝進(jìn)一步降低濁度，以特拉華河區(qū)域水廠為例，原水濁度2NTU，澄清出水0.55NTU，濾后水0.04NTU，始終保持出廠水<0.1NTU，進(jìn)而確保管網(wǎng)供水<0.3NTU；同時，為了適應(yīng)消毒和消毒副產(chǎn)物的要求，新建水廠通過加大臭氧的投加量，改用活性炭過濾，使流程更加接近臭氧化—生物活性炭的工藝特點，從而使出廠水的TOC去除率達(dá)到90%，THMs<8μg/l。

結(jié)語

　　與歐洲相比，美國的臭氧化技術(shù)起步較晚，但隨著有關(guān)供水水質(zhì)的法令和規(guī)定日趨嚴(yán)格，以及各州對臭氧的使用由限制轉(zhuǎn)為更加寬容和開放，美國行業(yè)內(nèi)人士預(yù)測，在下一世紀(jì)到來之際，臭氧化技術(shù)將逐步成為美國各地水廠處理流程中的標(biāo)準(zhǔn)配置，預(yù)臭氧化、臭氧化-生物活性炭工藝將會在全國范圍得到普及。
　　我國長期以來受經(jīng)濟(jì)發(fā)展水平和飲水觀念的局限，飲用水深度凈化尚未得到普遍認(rèn)同，但隨著我國經(jīng)濟(jì)的發(fā)展、人們水質(zhì)意識的提高，筆者認(rèn)為，城市供水深度凈化工藝將會提到日程上來。學(xué)習(xí)、借鑒國外已有的成功經(jīng)驗，針對特定的原水水質(zhì)，進(jìn)行以預(yù)臭氧化、臭氧化-生物活性炭為代表的飲用水深度凈化工藝探索和應(yīng)用，將是我們走向二十一世紀(jì)凈水工藝的重要課題。

作者簡介：張金松 博士，副研究員，主要從事飲用水深度凈化、水處理工藝技術(shù)等方面的研究工作。
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