王如華
上海市政工程設計研究院

　　提要：本文以飲用水水源受污染后各種相應的凈水工藝不斷出現為背景，敘述并介紹了其中的臭氧技術的應用特點及其在上海周家渡水廠試驗基地工程中的應用情況，并對就用的成果進行了展望。
　　關鍵詞：水源泉污染 臭氧 有機物 色度 嗅、味 鐵、錳

　　一、應用的背景

　　人類的社會活動及生存離不開水。人們的生活飲用水及生產用水主要來自于地表水和地下水，其中地表水分布廣且利用較方便，而地下水則存量有限。隨著人類社會的不斷發展和進步，各種工業生產及人們生活中產生的大量未經處理的廢水及污水不斷被排入水體，已使得地表水的不斷污染成為一種普通的現象。此外，人類活動中對地下水的大量開采，也使得水源較好但存量有限的地下水迅速減少，并千萬了嚴重的地面下沉現象，對城市各類建筑及公共設施帶來了威脅和破壞。我國雖然是水資源較豐富的國家，但由于人口眾多，人均的水資源泉含量卻很低，約為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過量開采的現象在我國也同樣存在，并且狀況較為嚴重。這些現象的出現正對人類的活動及社會進步構成了嚴重威脅。
　　為了消除水源普通受到污染對人類活動的威脅，世界各地的各個國家尤其是發達國家正在積極采取措施，其中包括了加強生活飲用水的處理許多國家的水處理部門以及相關的科研機構或大學院校正在不斷研究和探索新的凈水工藝，以消除水中的污染物質對人類造成的危害。隨著這些研究和探索的持續進行，各種成果已不斷出現并日趨成熟。目前較具有代表性的主要有各種預處理工藝和深度處理工藝的逐漸被應用并取得成功。此外新興的膜處理工藝在生活飲用處理水中的應用也正在探索和研究中。
　　我國對微污染水源飲用水處理的研究和探索始于二十世紀八十年代，與發達國家比起步較晚。但經過二十年的大量工作，已在許多新工藝的機理和基礎研究方面取得了不少成果。其中較有影響的主要有生物預處理工藝、投加臭氧或高錳酸鉀等強氧化劑的化學預處理工藝，以及投加粉末活性炭的物理化學預處理工藝等。而深度處理則有顆粒活性炭吸附以及臭氧氧化結合顆粒活性炭吸附的生物活性炭等工藝。這些工藝在全國許多地方的試驗研究中通過應用被證明對微污染水源的處理具有較好的效果。但限于經濟條件，大部分研究僅處于小試驗階段，很少有進行生產試驗和直接應用于生產。
　　上海是我國最大的工業城市，是全國的經濟中心之一。上海城市供水的規模及服務人口為全國之最，而上海城市供水的主要水源黃浦江污染相當嚴重。為了保證供水水質，上海的供水部門不得不在二十世紀八、九十年代花巨資開劈長江第二水源泉和實施黃浦江上游引水工程。由于長江位于遠離市區的北面，只能為上海北部地區的水廠供水，且長江源水受長江入海口海水倒灌的影響非常嚴重，水源地避咸設施的投資昂貴。而大部分位于市區中部及南部地區的水廠仍只能依賴黃浦江水源，雖然實施了上游引水工程，水質有所改善，但由于黃浦江水量有限，其總體水質狀況仍出現下降趨勢。為了尋找和探索對付黃浦江水質惡化的對策，上海自來水公司先后進行過臭氧預處理、生物接觸氧化塔處理以及活性炭吸附處理等工藝的小型試驗，并取得了良好成果。隨著上海經濟的不斷發展，人民生活水平的提高以及上海將成為國際金融中心之一的目標確定，提高供水水質已成為一項刻不容緩的任務。為此，上海市自來水公司于一九九八年提出了實施“上海市自來水深度處理工藝研究與應用”科研項目的建議，同年經上海市簡直委批準立項實施。該項目由上海市自來水公司牽頭，組織了公司科研所、上海市政工程設計研究院以及同濟大學等單位開展工作。該項目的開題報告中明確了項目性質為生產研究與應用，并以上海周家渡水廠為試驗基地進行科研依托工程的建設，以期通過科研所取得的成果直接應用于生產。此外，開題報告還明確了將在該試驗研究中進行多種新工藝的研究，其中臭氧的應用是主要的研究內容之一。

　　二、臭氧及其在水處理應用中的主要特點

　　1、臭氧的主要特性
　　臭氧是一種高活性氣體，通過對氧氣的放電而形成，其分子式是O3，是氧的同素異形體。在常溫常壓下，臭氧是淡藍色的具有刺激性氣味的氣體。
　　臭氧具有很高的氧化電位（2.076伏)，比氯（1.36伏）高出50%以上，因此它具有比氯更強的氧化能力。臭氧是由氧按以下熱化學方程形成：

　　3O₃→2Q₂-69千卡

　　由此反應式可見臭氧的形成是吸熱過程。因此，臭氧分子極不穩定，可自行分解，伴隨著分解過程會放出能量。所以臭氧比氧具有更高的活性和氧化能力。
　　臭氧氣體穿過氣水間界面向水中傳遞是一個動態平衡過程，臭氧氣體向水中的傳遞能力主要與氣液兩相中的傳遞系數、氣水接觸面積以及氣液間的濃度差有關。
　　臭氧在水中的溶解度大于氧，溫度、氣壓、氣體中的純臭氧濃度以及水中污染物質的性質和含量是影響臭氧在水中溶解度的主要因素。
　　溶于水中的臭氧極不穩定，很容易分解。溫度及水中的PH值是影響臭氧分解的主要因素。
　　自然界中的臭氧是由大氣中的氧氣受雷擊后產生，而人類生產過程中所需的臭氧則是通過臭氧發生設備，利用環境空氣中的氧以及商品氧和空氣分離設備制取的氧來制造。
　　2、臭氧凈化水的作用機理
　　臭氧一經溶解在水中，會出現下列兩種反應：一種是直接氧化，它是較緩慢的且有明顯選擇性的反應；另一種則是在水中羥基、過氧化氫、有機物、腐植質和高濃度的氫氧根誘發下自街上分解成羥基自由基，間接地氧化有機物、微生物和氨等。后一種反應相當快，且沒有選擇性，另外還能將重碳酸根和碳酸根氧化成重碳酸和碳酸。這兩種反應中后一種反應更強烈，氧化能力更強。這兩種反應過程可簡單表示為下圖：

　　由上述反應機理可知，臭氧在任何PH條件均能氧化水中多種有機物和無機物，如造成水中色、嗅和味的腐植質、酚、氨氮、鐵、錳以及硫等還原物質。此外，由于具有很高的氧化電位和容易通過微生物細胞膜擴散，并能氧化微生物細胞的有機物或破壞有機體鏈狀結構而導致細胞死亡，臭氧能夠殺藻，對一些頑強的微生物如病毒、芽孢等有強大的殺傷力。
　　3、臭氧在不處理中的應用特點
　　臭氧用于凈水工藝已有悠久歷史，幾乎與最常用的氯同時開始被采用。但迄今為止，由于臭氧設備的復雜和投資大，且耗電量較高，臭氧用于凈水只在少數國家較普遍，特別在法國、德國、瑞士等歐洲國家應用較多。由于懷疑水中的有機物和天然物質與氯發生反應形成的三氯甲烷具有致癌性，自二十世紀九十年代起，美國、英國和日本等國家也逐步在飲用水處理中采用了臭氧處理工藝，以取代氯的作用。
　　目前，許多發達國家以及我國少數地方將臭氧用于飲用水處理，主要采用如下的幾種的反應技術：
　　a、臭氧預處理
　　即在常規凈水工藝前增設臭氧工藝。這種方法用以取代以往預氯化的工藝后，不僅能起到與預氯化相當的效果，而且可避免預氯化后產生大量三氯甲烷之類的致癌物質生成。同時還可以起到預氯化無法達到的作用，如臭氧可氧化許多小分子機構以及分解大分子有機物成為小分子有機物，從而使得水中因腐植質引起的色、嗅和味經過臭氧氧化能被有效去除。此外，臭氧對處于還原狀態的錳和硫的去除能力也是氯所不能企及的。
　　但是，臭氧對氨的去除效果不如氯，為了去除氨氮，需要大劑量投加和較長的反應時間。
　　b、臭氧與顆粒活性炭過濾相結合的臭氧生物活性炭處理
　　這種工藝通常設在常規凈水工藝后，作為對水的深度處理，以去除常規工藝無法去除的各種有機物及由此引起的色、嗅和味等。這一工藝中臭氧的作用有兩個方面。其一是直接將部分能被其氧化成無害物質的污染物去除。其二是將大分子有機物分解成可為生物降解的小分子有機物，同時利用臭氧分解后產生的氧使水中的溶解氧充足，從而為后續活性炭處理中的生物降解提供必要的條件。通常經過臭氧生物活性炭處理后的水，其中形成三氯甲烷的前驅物質已大為降低，因此，這些水再經最終的氯消毒后較少生成三氯甲烷等物質。
　　c、臭氧消毒
　　由于臭氧具有比氯更高的氧化能力，因此用臭氧代替氯來對水進行消毒，其消毒效果更佳，且劑量小、作用快，并不會產生三氯甲烷等有害物質，同時也可大為改觀水的口感和觀感。對一些頑強的病毒，臭氧的滅活作用遠高于氯。但是，由于水中臭氧分解速度快，經臭氧消毒的水中剩余消毒劑維持的時間很短。所以，為了使水中一定量的剩余消毒劑水平能維持較長時間，通常經臭氧消毒后的水需投加少量的氯。
　　無論是臭氧在凈水工藝用于何種用途和場合，臭氯凈水系統的基本組成通常應包括氣源設備、臭氧發生、臭氯接觸以及尾氣處置四個部分。
　　氣源準備是臭氧發生的前置系統，包括空氣供應和純氧供應。通常空氣供應適用于臭氧產量較小的場合，而純氧則用于較大規模臭氧應用。臭氧發生則是由臭氧發生器來完成，目前使用最廣的是管式發生器。臭氧接觸是指通過一定的方式使臭氧氣體擴散到液體中并使之與液體中并使之液體全面接觸和完成預期反應的過程，這一過程是通過臭氧接觸器來完成，不同的工藝目標和相應的反應決定了接觸器的形式和接觸時間，接觸器的形式主要包括微氣泡擴散接觸、渦輪擴散接觸、水射器擴散接觸以及接觸填料擴散接觸等形式。尾氣處置主要是指通過人為破壞的方法將接觸器內排出的剩余臭氧氣體分解成對環境無害的氧氣，目前使用較普通的方法為加熱分解法。

　　三、臭氧在周家渡水廠試驗基地工程中應用情況介紹

　　1、總體試驗工藝流程的確定及其工藝作用的考慮
　　為了達到本科研項目的總體目標，科研小組首先分析了黃浦江原水存在的主要問題，并確定了預期要求達到的水質目標。通過對原水質的分析認為，原水中主要的問題是存在一定的有機污染、色度較高以及鐵錳含量較高。具體表現為高錳酸鹽指數平均在5mg/1以上，最高可達9mg/1；氨氮平均在1mg/1以上，最高可達3mg/1；色度平均約為17度，最高為20度；錳平均為0.22mg/1，最高為0.5mg/1。針對水源中存在的這些主要問題，科研小組經過共同討論研究，制定了出水的水質目標，對其中一些關鍵項目提出了最低目標和最高目標。其中高錳酸鹽指數最低目標為5mg/1，最高目標為2mg/1；氨氮的目標為0.5mg/1。為此，通過大量的調查研究和討論分析，提出了實施如下兩個試驗工藝流程來探索完成上述目標的最佳工藝途徑：

　　

　　上述流程一中，其工藝作用主要考慮是利用陶粒生物濾池去除氨氮，兼能去除部分有機物、色度、鐵和錳，并為后續常規處理去除濁度、色度、鐵和錳創造有利條件；利用后臭氧接觸池和生物活性炭濾池進一步去除前置工藝中無法有效去除的有機物、色度以及嗅味等。而流程二中，其工藝作用主要考慮是利用跌水曝氣池或預臭氧接觸池為后續常規處理去除色度、鐵、錳和氨氮創造有利條件以及利用預臭接觸池直接去除部分有機物和色度，并為后續工藝去除濁度創造有利條件；后臭氧接觸池和生物活性炭濾池作用與流程一大致相同。
　　考慮到周家渡水廠原有常規凈水設施的能力以及水廠高程及場地條件，每條試驗流程的規模確定為500000m3/d。
　　2、臭氧工藝形式的確定
　　臭氧對國內外已有的臭氧工藝狀況的了解以及對臭氧設備、臭氧本身及其在凈水工藝應用中的各方面特點的分析，對兩個流程中的后臭氧接觸采用了微氣泡擴散接觸池，每座池內臭分三點投加，總接角時間為10分分鐘，接觸水深為5.5米。對流程二中的預臭氧接觸池，考慮到原水較易使微氣泡擴散器堵塞，采用了水射器擴散接觸形式。接觸時間為10分鐘接觸水深5.5米。投加點考慮到預臭氧的作用較為單一，僅設一處。
　　限于場地條件，兩個流程中的預臭氧和臭氧和后臭氧接觸池與跌水曝氣池設計成一個整體，具體布置詳見下圖。

　　3、臭氧設備的選擇
　　對臭氧設備生產能力的選擇，考慮到本項目為科研項目，試驗研究過程中將可能進行各種投量的對比試驗，故預臭氧的投加率設備配置按5mg/1考慮，后臭氧則按3mg/1考慮。總的臭氧設備能力按2.5kg/hr考慮。
　　臭氧發生器則選擇了法國歐宗尼亞公司的新技術設備，單位發生電耗為10～14Kwh/kgO3，產氣中臭氧濃度為6～10%。
　　氣源準備系統考慮到本科研成果主要是用于上海自來水系統，其臭氧應用規模較大，故采了租用商業純氧的方式解決，在廠區內安排一露天場地設備法國液化空氣上海公司的一個5立方米液氧儲罐，經與儲罐配套的蒸發器將液氧蒸發成氣態氧后供給臭氧發生器。
　　尾氣處置則選擇電加熱分解裝置，設在接觸池頂部，與接觸池頂的尾氣排放管相連。

　　四、成果展望

　　經過科研開題、開題審批及立項、科研方案的確定、依托工程的可行性研究、初步設計以及施工圖設計等一系列工作，目前該項目已完成了近一半的工作，有關依托工程的施工正在加緊實施預計到2000年底可完成工程建設及試驗準備工作。2001年初即可開始試驗研究。對于臭氧在本試驗工藝中的應用程度、范圍以及具體的工藝形成和有關設計參數、運行指標的確定還有待于今后的試驗和分析的結果來得出。但筆者認為，對臭氧在本項目中應用的必要性是毋庸置疑的，相信該技術的應用一定能取得積極有益的成果。