如何確定水處理所需的臭氧投加量

 

臭氧（O3）為水處理提供多種益處，包括去除有機(jī)化合物、某些無(wú)機(jī)化合物（Fe，Mn，H2S）、顏色、氣味和味道。它還可作為微絮凝劑，有助于去除懸浮固體。此外，它是一種極好的消毒劑，能夠殺死各種微生物。因此，它正在被越來(lái)越多地考慮用于各種水處理應(yīng)用。

 

設(shè)計(jì)臭氧水處理系統(tǒng)的一個(gè)關(guān)鍵問(wèn)題是實(shí)現(xiàn)處理目標(biāo)需要多少臭氧。去除有機(jī)/無(wú)機(jī)化合物和消毒是臭氧處理的兩種 很常見(jiàn)的應(yīng)用，因此這些將成為本文的重點(diǎn)。

 

在使用臭氧從水中去除污染物時(shí)，重要的是要了解臭氧通過(guò)化學(xué)氧化過(guò)程起作用。化學(xué)物質(zhì)在失去電子時(shí)會(huì)被氧化。這些反應(yīng)可以在存在和不存在氧的情況下發(fā)生，但在現(xiàn)在的情況下，我們指的是涉及臭氧形式的氧的反應(yīng)。

 

水中可氧化物質(zhì)的量稱為臭氧需求量。

 

無(wú)機(jī)化合物 

 

很簡(jiǎn)單的反應(yīng)是臭氧與無(wú)機(jī)化合物如Fe，Mn和H2S發(fā)生反應(yīng)。在Fe和Mn的情況下，金屬被氧化成不溶性化合物，形成沉淀物。因?yàn)樵谒幚碇校ミ@些化合物是非常重要的，F(xiàn)e和Mn會(huì)使水變色并沉積在管道系統(tǒng)和浸沒(méi)在水中的材料上。因此加入臭氧使金屬不溶，然后將它們作為固體從水中濾出。所需臭氧量為0.44毫克臭氧/毫克鐵和0.88毫克臭氧/毫克錳。

 

硫化氫（H2S）在水中產(chǎn)生令人不快的氣味（腐爛的雞蛋）。在飲用水應(yīng)用中，經(jīng)常除去H2S以使水更加可口。去除H2S所需的理論臭氧量為3 毫克臭氧/ 毫克 H2S，但實(shí)際上使用過(guò)量的臭氧（4 毫克臭氧/ 毫克 H2S）。H2S被氧化成硫酸鹽，一種可溶性鹽。

 

有機(jī)化合物

 

預(yù)測(cè)從水中去除有機(jī)物質(zhì)所需的臭氧量更加困難。首先，一些有機(jī)化合物不與臭氧反應(yīng)，即使它是強(qiáng)氧化劑。這些化合物通常是羧酸、酮和醛。即使使用與臭氧發(fā)生反應(yīng)的化合物，其中一些化合物也會(huì)氧化成不起反應(yīng)的較小化合物。因此，如果沒(méi)有詳細(xì)了解所涉及的化學(xué)品或進(jìn)行實(shí)驗(yàn)室或試點(diǎn)研究，很難預(yù)測(cè)所需的臭氧量。

 

測(cè)量水中有機(jī)物含量的一種方法是測(cè)量化學(xué)需氧量（COD）。該測(cè)試基本上確定了將樣品中的所有有機(jī)碳轉(zhuǎn)化為CO2的氧氣量。該測(cè)試在高溫下使用強(qiáng)氧化劑來(lái)氧化有機(jī)化合物。測(cè)量所用氧化劑量的顏色變化表示COD的量。

 

COD的變化通常用作水處理的目標(biāo)。在實(shí)驗(yàn)室測(cè)試中，注意到COD的初始量并且將臭氧施加到污染的溶液上。在施加的臭氧和COD水平之間產(chǎn)生相關(guān)性。這是確定所需臭氧量的 很直接方法。對(duì)于可用臭氧處理的有機(jī)化合物，可以采用經(jīng)驗(yàn)法則對(duì)臭氧需求進(jìn)行初步估算。它說(shuō)你需要2.5毫克臭氧/毫克COD，其中COD由可被臭氧氧化的有機(jī)化合物組成。

 

另一種測(cè)量水中有機(jī)物濃度的方法是總有機(jī)碳（TOC）。該測(cè)試通過(guò)首先從水中去除無(wú)機(jī)碳（IC）（例如碳酸鹽）來(lái)測(cè)量水中的總碳（TC）。通過(guò)測(cè)量TC并減去IC剩余量是TOC。雖然臭氧可以氧化有機(jī)化合物，包括一些氧化有機(jī)化合物，但許多化合物會(huì)以氧化態(tài)保留在水中，因此TOC的變化可能不會(huì)很大。通常，為了去除TOC，需要使用可能涉及使用臭氧作為組分的高級(jí)氧化方法。

 

消毒 

 

為了滅活微生物，必須將它們暴露于臭氧一段時(shí)間。對(duì)此的測(cè)量被稱為Ct，其是臭氧的平均濃度乘以平均暴露時(shí)間。如果繪制臭氧濃度與時(shí)間的關(guān)系，則曲線下面積為Ct。不同的生物在給定溫度下需要不同的Ct用于滅活。已經(jīng)開(kāi)發(fā)了多種生物的Ct值。

 

為了在水中建立臭氧濃度，必須首先滿足溶液中對(duì)臭氧的需求。這意味著必須首先除去可被臭氧氧化的有機(jī)和無(wú)機(jī)化合物，然后才能建立濃度以建立Ct值。 

 

對(duì)于消毒，所需的臭氧量等于：

 

來(lái)自可氧化物質(zhì)的臭氧需求（mg/l）+（Ct÷接觸時(shí)間）

 

臭氧分解

 

水溶液中的臭氧具有自分解反應(yīng)。在純水中臭氧，沒(méi)有任何可氧化物質(zhì)，會(huì)分解回氧氣。分解反應(yīng)是溫度的函數(shù)。在pH 7時(shí)，值為：
 

 

因此，除了可氧化的無(wú)機(jī)或有機(jī)化合物對(duì)臭氧的需求外，還必須考慮到自分解。在開(kāi)發(fā)Ct值時(shí)，將測(cè)量作為接觸時(shí)間的函數(shù)的臭氧濃度的變化以確定C對(duì)t曲線，從而可以定義曲線下面積。

 

臭氧轉(zhuǎn)移效率

 

為了在含水系統(tǒng)中充當(dāng)氧化劑，臭氧必須從氣體轉(zhuǎn)移到液相，在那里它作為溶解物質(zhì)在溶液中起作用。在溶液中終止的氣相中產(chǎn)生的臭氧的百分比（施加的臭氧劑量）（轉(zhuǎn)移的臭氧劑量）被稱為臭氧轉(zhuǎn)移效率。

 

轉(zhuǎn)移效率主要受以下因素影響： 

 

氣體體積與液體體積的比率（G/L比率），較低的比率提高了效率

氣泡尺寸，較小的氣泡可提高效率

臭氧對(duì)水的需求，更高的需求提高了效率

臭氧濃度越高，濃度越高，效率越高

壓力，壓力越高效率越高

滯留時(shí)間，滯留時(shí)間越長(zhǎng)，效率越高

溫度，溫度越低，效率越高

 

 

所需的臭氧

 

產(chǎn)生臭氧發(fā)生器通常以每天克/小時(shí)（g/h）來(lái)評(píng)定。所需的臭氧產(chǎn)生率有時(shí)被稱為應(yīng)用臭氧劑量（AOD）。我們還需要知道流量，因?yàn)榇蠖鄶?shù)臭氧需求要求以克或毫克每升計(jì)算。因此，需要在一段時(shí)間內(nèi)處理的水量。

 

在有機(jī)/無(wú)機(jī)去除的情況下

 

AOD（g/h）=（臭氧需求量（g/l）÷臭氧轉(zhuǎn)移效率（％））X流量（l/h）

 

在消毒的情況下

 

AOD（g/h）=（臭氧需求+（Ct÷接觸時(shí)間）（g/l））X流速（升/小時(shí)）÷臭氧轉(zhuǎn)移效率（％）

 

準(zhǔn)確了解所需臭氧量的方法臭氧轉(zhuǎn)移設(shè)備的類似于全面使用的臭氧轉(zhuǎn)移設(shè)備進(jìn)行試驗(yàn)。盡管如此，本文中討論的方法以及所提到的經(jīng)驗(yàn)法則可用于生成粗略估計(jì)，以查看臭氧是否可能成為水處理應(yīng)用中進(jìn)一步考慮的候選者。