王如華
上海市政工程設(shè)計(jì)研究院

　　提要：本文以飲用水水源受污染后各種相應(yīng)的凈水工藝不斷出現(xiàn)為背景，敘述并介紹了其中的臭氧技術(shù)的應(yīng)用特點(diǎn)及其在上海周家渡水廠試驗(yàn)基地工程中的應(yīng)用情況，并對就用的成果進(jìn)行了展望。
　　關(guān)鍵詞：水源泉污染 臭氧 有機(jī)物 色度 嗅、味 鐵、錳

　　一、應(yīng)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(chǎn)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(fā)展和進(jìn)步，各種工業(yè)生產(chǎn)及人們生活中產(chǎn)生的大量未經(jīng)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(xiàn)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(yán)重的地面下沉現(xiàn)象，對城市各類建筑及公共設(shè)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(xiàn)象在我國也同樣存在，并且狀況較為嚴(yán)重。這些現(xiàn)象的出現(xiàn)正對人類的活動及社會進(jìn)步構(gòu)成了嚴(yán)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(gè)國家尤其是發(fā)達(dá)國家正在積極采取措施，其中包括了加強(qiáng)生活飲用水的處理許多國家的水處理部門以及相關(guān)的科研機(jī)構(gòu)或大學(xué)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(zhì)對人類造成的危害。隨著這些研究和探索的持續(xù)進(jìn)行，各種成果已不斷出現(xiàn)并日趨成熟。目前較具有代表性的主要有各種預(yù)處理工藝和深度處理工藝的逐漸被應(yīng)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(yīng)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(jì)八十年代，與發(fā)達(dá)國家比起步較晚。但經(jīng)過二十年的大量工作，已在許多新工藝的機(jī)理和基礎(chǔ)研究方面取得了不少成果。其中較有影響的主要有生物預(yù)處理工藝、投加臭氧或高錳酸鉀等強(qiáng)氧化劑的化學(xué)預(yù)處理工藝，以及投加粉末活性炭的物理化學(xué)預(yù)處理工藝等。而深度處理則有顆?；钚蕴课揭约俺粞跹趸Y(jié)合顆?；钚蕴课降纳锘钚蕴康裙に?。這些工藝在全國許多地方的試驗(yàn)研究中通過應(yīng)用被證明對微污染水源的處理具有較好的效果。但限于經(jīng)濟(jì)條件，大部分研究僅處于小試驗(yàn)階段，很少有進(jìn)行生產(chǎn)試驗(yàn)和直接應(yīng)用于生產(chǎn)。
　　上海是我國最大的工業(yè)城市，是全國的經(jīng)濟(jì)中心之一。上海城市供水的規(guī)模及服務(wù)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(dāng)嚴(yán)重。為了保證供水水質(zhì)，上海的供水部門不得不在二十世紀(jì)八、九十年代花巨資開劈長江第二水源泉和實(shí)施黃浦江上游引水工程。由于長江位于遠(yuǎn)離市區(qū)的北面，只能為上海北部地區(qū)的水廠供水，且長江源水受長江入?？诤Ｋ构嗟挠绊懛浅?yán)重，水源地避咸設(shè)施的投資昂貴。而大部分位于市區(qū)中部及南部地區(qū)的水廠仍只能依賴黃浦江水源，雖然實(shí)施了上游引水工程，水質(zhì)有所改善，但由于黃浦江水量有限，其總體水質(zhì)狀況仍出現(xiàn)下降趨勢。為了尋找和探索對付黃浦江水質(zhì)惡化的對策，上海自來水公司先后進(jìn)行過臭氧預(yù)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(yàn)，并取得了良好成果。隨著上海經(jīng)濟(jì)的不斷發(fā)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(biāo)確定，提高供水水質(zhì)已成為一項(xiàng)刻不容緩的任務(wù)。為此，上海市自來水公司于一九九八年提出了實(shí)施“上海市自來水深度處理工藝研究與應(yīng)用”科研項(xiàng)目的建議，同年經(jīng)上海市簡直委批準(zhǔn)立項(xiàng)實(shí)施。該項(xiàng)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(shè)計(jì)研究院以及同濟(jì)大學(xué)等單位開展工作。該項(xiàng)目的開題報(bào)告中明確了項(xiàng)目性質(zhì)為生產(chǎn)研究與應(yīng)用，并以上海周家渡水廠為試驗(yàn)基地進(jìn)行科研依托工程的建設(shè)，以期通過科研所取得的成果直接應(yīng)用于生產(chǎn)。此外，開題報(bào)告還明確了將在該試驗(yàn)研究中進(jìn)行多種新工藝的研究，其中臭氧的應(yīng)用是主要的研究內(nèi)容之一。

　　二、臭氧及其在水處理應(yīng)用中的主要特點(diǎn)

　　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(lán)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(qiáng)的氧化能力。臭氧是由氧按以下熱化學(xué)方程形成：

　　3O₃→2Q₂-69千卡

　　由此反應(yīng)式可見臭氧的形成是吸熱過程。因此，臭氧分子極不穩(wěn)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(gè)動態(tài)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(shù)、氣水接觸面積以及氣液間的濃度差有關(guān)。
　　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(zhì)的性質(zhì)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(wěn)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(chǎn)生，而人類生產(chǎn)過程中所需的臭氧則是通過臭氧發(fā)生設(shè)備，利用環(huán)境空氣中的氧以及商品氧和空氣分離設(shè)備制取的氧來制造。
　　2、臭氧凈化水的作用機(jī)理
　　臭氧一經(jīng)溶解在水中，會出現(xiàn)下列兩種反應(yīng)：一種是直接氧化，它是較緩慢的且有明顯選擇性的反應(yīng)；另一種則是在水中羥基、過氧化氫、有機(jī)物、腐植質(zhì)和高濃度的氫氧根誘發(fā)下自街上分解成羥基自由基，間接地氧化有機(jī)物、微生物和氨等。后一種反應(yīng)相當(dāng)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(yīng)中后一種反應(yīng)更強(qiáng)烈，氧化能力更強(qiáng)。這兩種反應(yīng)過程可簡單表示為下圖：

　　由上述反應(yīng)機(jī)理可知，臭氧在任何PH條件均能氧化水中多種有機(jī)物和無機(jī)物，如造成水中色、嗅和味的腐植質(zhì)、酚、氨氮、鐵、錳以及硫等還原物質(zhì)。此外，由于具有很高的氧化電位和容易通過微生物細(xì)胞膜擴(kuò)散，并能氧化微生物細(xì)胞的有機(jī)物或破壞有機(jī)體鏈狀結(jié)構(gòu)而導(dǎo)致細(xì)胞死亡，臭氧能夠殺藻，對一些頑強(qiáng)的微生物如病毒、芽孢等有強(qiáng)大的殺傷力。
　　3、臭氧在不處理中的應(yīng)用特點(diǎn)
　　臭氧用于凈水工藝已有悠久歷史，幾乎與最常用的氯同時(shí)開始被采用。但迄今為止，由于臭氧設(shè)備的復(fù)雜和投資大，且耗電量較高，臭氧用于凈水只在少數(shù)國家較普遍，特別在法國、德國、瑞士等歐洲國家應(yīng)用較多。由于懷疑水中的有機(jī)物和天然物質(zhì)與氯發(fā)生反應(yīng)形成的三氯甲烷具有致癌性，自二十世紀(jì)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(fā)達(dá)國家以及我國少數(shù)地方將臭氧用于飲用水處理，主要采用如下的幾種的反應(yīng)技術(shù)：
　　a、臭氧預(yù)處理
　　即在常規(guī)凈水工藝前增設(shè)臭氧工藝。這種方法用以取代以往預(yù)氯化的工藝后，不僅能起到與預(yù)氯化相當(dāng)?shù)男Ч?，而且可避免預(yù)氯化后產(chǎn)生大量三氯甲烷之類的致癌物質(zhì)生成。同時(shí)還可以起到預(yù)氯化無法達(dá)到的作用，如臭氧可氧化許多小分子機(jī)構(gòu)以及分解大分子有機(jī)物成為小分子有機(jī)物，從而使得水中因腐植質(zhì)引起的色、嗅和味經(jīng)過臭氧氧化能被有效去除。此外，臭氧對處于還原狀態(tài)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(yīng)時(shí)間。
　　b、臭氧與顆?；钚蕴窟^濾相結(jié)合的臭氧生物活性炭處理
　　這種工藝通常設(shè)在常規(guī)凈水工藝后，作為對水的深度處理，以去除常規(guī)工藝無法去除的各種有機(jī)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(gè)方面。其一是直接將部分能被其氧化成無害物質(zhì)的污染物去除。其二是將大分子有機(jī)物分解成可為生物降解的小分子有機(jī)物，同時(shí)利用臭氧分解后產(chǎn)生的氧使水中的溶解氧充足，從而為后續(xù)活性炭處理中的生物降解提供必要的條件。通常經(jīng)過臭氧生物活性炭處理后的水，其中形成三氯甲烷的前驅(qū)物質(zhì)已大為降低，因此，這些水再經(jīng)最終的氯消毒后較少生成三氯甲烷等物質(zhì)。
　　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(jìn)行消毒，其消毒效果更佳，且劑量小、作用快，并不會產(chǎn)生三氯甲烷等有害物質(zhì)，同時(shí)也可大為改觀水的口感和觀感。對一些頑強(qiáng)的病毒，臭氧的滅活作用遠(yuǎn)高于氯。但是，由于水中臭氧分解速度快，經(jīng)臭氧消毒的水中剩余消毒劑維持的時(shí)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(shí)間，通常經(jīng)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(tǒng)的基本組成通常應(yīng)包括氣源設(shè)備、臭氧發(fā)生、臭氯接觸以及尾氣處置四個(gè)部分。
　　氣源準(zhǔn)備是臭氧發(fā)生的前置系統(tǒng)，包括空氣供應(yīng)和純氧供應(yīng)。通?？諝夤?yīng)適用于臭氧產(chǎn)量較小的場合，而純氧則用于較大規(guī)模臭氧應(yīng)用。臭氧發(fā)生則是由臭氧發(fā)生器來完成，目前使用最廣的是管式發(fā)生器。臭氧接觸是指通過一定的方式使臭氧氣體擴(kuò)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(yù)期反應(yīng)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(biāo)和相應(yīng)的反應(yīng)決定了接觸器的形式和接觸時(shí)間，接觸器的形式主要包括微氣泡擴(kuò)散接觸、渦輪擴(kuò)散接觸、水射器擴(kuò)散接觸以及接觸填料擴(kuò)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(nèi)排出的剩余臭氧氣體分解成對環(huán)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(yàn)基地工程中應(yīng)用情況介紹

　　1、總體試驗(yàn)工藝流程的確定及其工藝作用的考慮
　　為了達(dá)到本科研項(xiàng)目的總體目標(biāo)，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(yù)期要求達(dá)到的水質(zhì)目標(biāo)。通過對原水質(zhì)的分析認(rèn)為，原水中主要的問題是存在一定的有機(jī)污染、色度較高以及鐵錳含量較高。具體表現(xiàn)為高錳酸鹽指數(shù)平均在5mg/1以上，最高可達(dá)9mg/1；氨氮平均在1mg/1以上，最高可達(dá)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(jīng)過共同討論研究，制定了出水的水質(zhì)目標(biāo)，對其中一些關(guān)鍵項(xiàng)目提出了最低目標(biāo)和最高目標(biāo)。其中高錳酸鹽指數(shù)最低目標(biāo)為5mg/1，最高目標(biāo)為2mg/1；氨氮的目標(biāo)為0.5mg/1。為此，通過大量的調(diào)查研究和討論分析，提出了實(shí)施如下兩個(gè)試驗(yàn)工藝流程來探索完成上述目標(biāo)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(jī)物、色度、鐵和錳，并為后續(xù)常規(guī)處理去除濁度、色度、鐵和錳創(chuàng)造有利條件；利用后臭氧接觸池和生物活性炭濾池進(jìn)一步去除前置工藝中無法有效去除的有機(jī)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(yù)臭氧接觸池為后續(xù)常規(guī)處理去除色度、鐵、錳和氨氮?jiǎng)?chuàng)造有利條件以及利用預(yù)臭接觸池直接去除部分有機(jī)物和色度，并為后續(xù)工藝去除濁度創(chuàng)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(guī)凈水設(shè)施的能力以及水廠高程及場地條件，每條試驗(yàn)流程的規(guī)模確定為500000m3/d。
　　2、臭氧工藝形式的確定
　　臭氧對國內(nèi)外已有的臭氧工藝狀況的了解以及對臭氧設(shè)備、臭氧本身及其在凈水工藝應(yīng)用中的各方面特點(diǎn)的分析，對兩個(gè)流程中的后臭氧接觸采用了微氣泡擴(kuò)散接觸池，每座池內(nèi)臭分三點(diǎn)投加，總接角時(shí)間為10分分鐘，接觸水深為5.5米。對流程二中的預(yù)臭氧接觸池，考慮到原水較易使微氣泡擴(kuò)散器堵塞，采用了水射器擴(kuò)散接觸形式。接觸時(shí)間為10分鐘接觸水深5.5米。投加點(diǎn)考慮到預(yù)臭氧的作用較為單一，僅設(shè)一處。
　　限于場地條件，兩個(gè)流程中的預(yù)臭氧和臭氧和后臭氧接觸池與跌水曝氣池設(shè)計(jì)成一個(gè)整體，具體布置詳見下圖。

　　3、臭氧設(shè)備的選擇
　　對臭氧設(shè)備生產(chǎn)能力的選擇，考慮到本項(xiàng)目為科研項(xiàng)目，試驗(yàn)研究過程中將可能進(jìn)行各種投量的對比試驗(yàn)，故預(yù)臭氧的投加率設(shè)備配置按5mg/1考慮，后臭氧則按3mg/1考慮?？偟某粞踉O(shè)備能力按2.5kg/hr考慮。
　　臭氧發(fā)生器則選擇了法國歐宗尼亞公司的新技術(shù)設(shè)備，單位發(fā)生電耗為10～14Kwh/kgO3，產(chǎn)氣中臭氧濃度為6～10%。
　　氣源準(zhǔn)備系統(tǒng)考慮到本科研成果主要是用于上海自來水系統(tǒng)，其臭氧應(yīng)用規(guī)模較大，故采了租用商業(yè)純氧的方式解決，在廠區(qū)內(nèi)安排一露天場地設(shè)備法國液化空氣上海公司的一個(gè)5立方米液氧儲罐，經(jīng)與儲罐配套的蒸發(fā)器將液氧蒸發(fā)成氣態(tài)氧后供給臭氧發(fā)生器。
　　尾氣處置則選擇電加熱分解裝置，設(shè)在接觸池頂部，與接觸池頂?shù)奈矚馀欧殴芟噙B。

　　四、成果展望

　　經(jīng)過科研開題、開題審批及立項(xiàng)、科研方案的確定、依托工程的可行性研究、初步設(shè)計(jì)以及施工圖設(shè)計(jì)等一系列工作，目前該項(xiàng)目已完成了近一半的工作，有關(guān)依托工程的施工正在加緊實(shí)施預(yù)計(jì)到2000年底可完成工程建設(shè)及試驗(yàn)準(zhǔn)備工作。2001年初即可開始試驗(yàn)研究。對于臭氧在本試驗(yàn)工藝中的應(yīng)用程度、范圍以及具體的工藝形成和有關(guān)設(shè)計(jì)參數(shù)、運(yùn)行指標(biāo)的確定還有待于今后的試驗(yàn)和分析的結(jié)果來得出。但筆者認(rèn)為，對臭氧在本項(xiàng)目中應(yīng)用的必要性是毋庸置疑的，相信該技術(shù)的應(yīng)用一定能取得積極有益的成果。