張金松　　 黃紅杉
深圳市自來水（集團）有限公司

　　臭氧在飲用水處理中的應用已經有一百多年的歷史。但是由于其技術復雜、成本昂貴，使應用受到限制。本世紀七十年代，由于水污染的加劇和公眾健康意識的提高，迫使人們在傳統水處理工藝的基礎上采用新的手段，保證供水水質符合更加安全的飲用水標準。經過近二十年的研究和實踐，以臭氧為主組成的復合應用技術，以其良好的處理效果成為給水深度凈化技術的首選。
　　目前，臭氧化技術應用以歐洲大陸最為普遍。法國和瑞士臭氧化工藝的應用有著悠久的歷史，臭氧化設備也居世界領先地位；德國全國85%的水廠采用了臭氧深度處理技術。在美國，進入八十年代以來，由于美國環保局提出了新的水質標準，對出廠水和管網水的消毒作了更加嚴格的規定，同時又對減少水中的消毒副產物作出進一步的限制，這雙重的壓力迫使國內的水廠不得不考慮采用臭氧化、強化混凝和生物過濾等技術來達到供水要求。因而臭氧化深度處理技術改造正在全國范圍內興起，據1990年統計，美國已有40余座水廠已經應用了臭氧化技術，還有許多類似的水廠則正在設計或建設之中。下面以洛杉磯水廠(The los Angeles Aqueduct Filtration Plant)為主，結合新澤西特拉華河區域水廠(The Delaware River Regional Water Treatment Plant)的工藝情況，介紹美國當今給水處理中臭氧化技術應用的特點。

一、工藝概況

　 洛杉磯水廠于1987年4月正式投產，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。原水來自內華達西拉山的東坡，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，水質較好。
1、工藝流程
　　洛杉磯水廠的主要工藝過程包括：
　　·預臭氧化
　　臭氧發生器設計采用5臺(4用1備)，臭氧發生量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，沖洗強度20 l/(s·m2)，水沖2 min，沖洗強度6.8 l/(s·m2)；然后單水高速反沖5 min，沖洗強度17 l/(s·m2)；最后低強度漂洗2 min，沖洗強度15 l/(s·m2)。沖洗效果良好，濾料表面不易結塊，濾層不形成泥球。
　　·消毒
　　由于預臭氧化的作用，最后消毒時，三鹵甲烷大大減少。4臺加氯機容量124kg／h，最大加氯量5.6mg/l。
2. 出水水質
　　洛杉磯水廠處理前后的水質指標見表1。由濁度、三鹵甲烷生成勢、總有機碳等項指標來衡量，該水廠的出水優良。

二、臭氧化技術特點與應用效果

1．臭氧采用純氧發生
　　洛杉磯水廠采用管式水冷臭氧發生器，使用9.5-10.5kV、600Hz高壓中頻交流電，以純氧為原料產生臭氧，臭氧濃度按重量計可達6％。氧氣由洛杉磯水廠的低溫氧氣發生廠供應，日產45,360kg，氧氣從空氣中制備，純度達95％。為了滿足生產過程中臭氧用量的不同需要，氧氣產量可在設計能力的100％到60％之間進行調節。每日還產生大約 l,820kg的液態氧，貯存在一個35,250l的液氧罐內。液態氧可在需氧高峰期間增加氧氣的供應，也是氧氣廠停機時的后備供氧源。
　　臭氧發生器原設計采用5臺，1993年又添置了1臺臭氧發生器，以增加臭氧的投加能力。1997年，其中的1臺臭氧發生器根據Ozonia的最新技術（Advanced Technologyâ）進行了改造，將原有的玻璃放電管改換為陶瓷放電管，將產量提高近1倍，并可節約能量。目前的總裝機能力為250 kg/h。運行時，臭氧的產量可通過增減臭氧發生器的工作臺數，在系統能力的25％到100％之間進行調節，氧氣的流量及發生器的功率均可自動控制。
2．臭氧以微孔擴散方式接觸反應
　　預臭氧化之前，水僅在入口處經過篩網過濾。臭氧注入接觸池，水深≤6.10m，水力停留時間≤5min。池內的導流墻可以使水的短流降至最小。在每一個接觸池內有兩排微孔陶瓷擴散器，從中注入臭氧。臭氧投加量通常為1.0到1.5mg/l，根據需要，可增加到2.0mg/l以上。根據10年來統計的結果，臭氧的平均投加量為1.3mg/l。1993年7月美國環保局地表水處理規定(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室剩余臭氧濃度值在0.3mg/l以上，以達到美國環保局規定殺滅0.5個數量級賈第蟲所需的CT值。
　　臭氧化水廠要定期測定臭氧的轉移效率，以便確定臭氧擴散器的工作狀況，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散器在最初的2年運行良好，但到了第3年，一些擴散棒的端帽發生開裂，需要進行焊接；一些耐腐塑料墊片出現破損，要用硅膠墊片進行更換，并用密封膠作了處理。從1991年開始，一種經過改進的微孔陶瓷擴散器投入使用，克服了原有擴散器的缺陷。1997年，另外3套擴散器也進行了更換。
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揮著至關重要的作用。
　　·微絮凝作用
　　與預加氯比較，臭氧有助于加快絮凝，絮凝時間從20min縮短到10min)，相應地絮凝池的數目減少了—半；臭氧能提高濾池過濾速度，過濾速率由22m/h增加到33m/h，相應所需過濾裝置的數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，減少所需反洗設備的規模；臭氧可降低凝聚劑的用量，所需的化學凝聚劑減少了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，臭氧首當其沖。根據美國環保局地表水處理規定進行測算，臭氧對賈第蟲的平均滅活率達0.8個數量級以上。臭氧與后加氯共同作用可以達到殺滅賈第蟲1個數量、殺滅病菌3個數量級。
　　同時，控制水中顆粒數量的試驗表明，如果將臭氧關閉，代之以預氯化，濾后水中的顆粒數量將增加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物。

三、 臭氧化技術的發展

1、臭氧化與生物過濾的結合使用
　　水中天然有機物對于供水水質有著重要影響，可同化有機碳(AOC)進入管網后可能會造成細菌的再度繁殖，使水中大腸菌的數量超過規定的標準。同時，供水能否符合關于消毒副產物的規定，原水中的天然有機物的種類和數量至關重要。非腐殖酸類天然有機物據認為是引起管網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物；臭氧化能夠通過將天然有機物的大分子，氧化為小分子，減少三鹵甲烷(THMs)和其它消毒副產物的前驅物；但這些小分子大多易于生物降解，會導致管網中細菌再度繁殖。因此，將臭氧化和生物過濾結合有利于發揮其各自的優勢。
　　洛杉磯水廠在現有工藝的基礎上，通過改變無煙煤濾池前的投氯量，進行了臭氧化—生物過濾的生產性對比試驗。結果表明，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菌的數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，也未發現糞便污染。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。
　　基于上述試驗結果，洛杉磯水廠擬將臭氧化—生物過濾工藝正式投入生產。
2、洛杉磯水廠臭氧化經驗的應用
　　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計之中。為了滿足即將頒布的美國環保局有關強化地表水處理規定(Enhanced Surface Water Treatment Rule)的要求，根據已有的經驗，與洛杉磯水廠原設計相比，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2.6mg/l）；
　　·設計采用新型的高濃度臭氧發生器（臭氧濃度按重量達10%以上），以便于運行管理、降低噪聲、減少占地。
3、新澤西特拉華河區域水廠的臭氧化工藝
　　1996年4月運行投產的特拉華河區域水廠，日處理能力11.5萬m3，處理工藝包括臭氧化、強化混凝和生物過濾（見圖2）。原水由特拉華河泵送至水廠內6萬m3的貯水池，進行貯存和調節，再用泵提升至臭氧接觸池，進行預臭氧化，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室分別設有66、22套微孔擴散器。水與臭氧接觸后，投加混凝劑氯化鐵和一種高分子助凝劑，進入靜態混合器。出水流經靜態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，便于在后續構筑物中形成懸浮污泥層，出水經配水井進入4座超脈沖懸浮污泥澄清池。澄清出水進入生物濾池，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，然后進入清水池進行消毒，再泵送至管網。

　　特拉華河區域水廠與洛杉磯水廠工藝上的主要差別在于：
　　·特拉華河區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，前者的工藝更加復雜；
　　·特拉華河區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物。
　　特拉華河區域水廠與洛杉磯水廠的原水在濁度和有機物含量上大體相當，但在工藝上出現明顯差別。這主要是由于近年來美國環保局和各州政府，對水的消毒和消毒副產物以及供水的濁度提出了越來越嚴格的限制，新建水廠通過強化混凝進一步降低濁度，以特拉華河區域水廠為例，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，進而確保管網供水<0.3NTU；同時，為了適應消毒和消毒副產物的要求，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去除率達到90%，THMs<8μg/l。

結語

　　與歐洲相比，美國的臭氧化技術起步較晚，但隨著有關供水水質的法令和規定日趨嚴格，以及各州對臭氧的使用由限制轉為更加寬容和開放，美國行業內人士預測，在下一世紀到來之際，臭氧化技術將逐步成為美國各地水廠處理流程中的標準配置，預臭氧化、臭氧化-生物活性炭工藝將會在全國范圍得到普及。
　　我國長期以來受經濟發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同，但隨著我國經濟的發展、人們水質意識的提高，筆者認為，城市供水深度凈化工藝將會提到日程上來。學習、借鑒國外已有的成功經驗，針對特定的原水水質，進行以預臭氧化、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用，將是我們走向二十一世紀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、水處理工藝技術等方面的研究工作。
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