臭氧—氣浮分離技術(shù)在水處理與再生回用中的應(yīng)用

陳思穎

(西南大學(xué)資源環(huán)境學(xué)院,重慶 400716)

臭氧—氣浮分離技術(shù)在水處理與再生回用中的應(yīng)用

陳思穎

(西南大學(xué)資源環(huán)境學(xué)院,重慶 400716)

臭氧作為一種強氧化劑,有明顯的殺菌消毒作用和較強的助凝作用,而浮選法有較強固液分離能力。臭氧-氣浮工藝是化學(xué)、物化處理技術(shù)的高度集成,通過臭氧氧化與氣浮過程的有機結(jié)合,采用臭氧化空氣為氣源,去除懸浮顆粒物同時又分解大量有機物。本文綜述了臭氧、氣浮技術(shù)的應(yīng)用以及臭氧-氣浮技術(shù)的研究進展,并說明了目前該技術(shù)在污水處理和城市污水再生回用中應(yīng)用,最后展望了該技術(shù)未來的發(fā)展趨勢。

臭氧 氣浮 污水處理 再生利用 工程應(yīng)用

Ozone is a strong oxidant, has a significant role in sterilization and coagulation effect, flotation process has a strong ability of solid-liquid separation. Ozone-flotation process is a highly integrated chemical, physic-chemical treatment technology, through a combination of ozone oxidation and air flotation process. Air during ozonolysis is for the air supply, removing suspended particles and decomposing a large number of organic matter .This paper reviews the applications of ozone, air flotation technology as well as the development of ozone-flotation technology, and explanation of the technology currently applied in sewage treatment and municipal wastewater reclamation and reuse, finally looking to the future development trend of the technology.

Ozone Flotation Wastewater treatment Water reclamation Engineering application

1 引言

隨著人類社會的快速發(fā)展，城市化與工業(yè)化水平日益提高，水資源短缺已成為亟待解決的問題。在我國，人均占有水資源量約為世界人均水資源量的1/4，按UNDDSMS分類，其排位在世界100-117位之間，為水資源脆弱的國家之一[4]。

同時，隨著經(jīng)濟建設(shè)的快速發(fā)展和城市人口的增加，城市用水需求必然會增長，對水資源的威脅也目趨加劇。為了緩解水資源匱乏現(xiàn)狀，將污水作為一種可再生利用的資源成為當(dāng)今解決水危機的重要途徑。常規(guī)的污水回用處理工藝多為混凝沉淀過濾工藝，但是由于沒有強氧化劑的存在，無法去除污水中殘留的難生物降解有機物[2]，并且常規(guī)工藝對色度的去除局限在對表觀色度的作用，無法去除溶解性的真實色度，對臭味的去除也很有限[1]。

臭氧-氣浮工藝將臭氧氧化技術(shù)與氣浮分離技術(shù)相結(jié)合，在一個操作單元內(nèi)實現(xiàn)了破乳或絮凝、固液分離、除色、嗅、昧、消毒等多個過程[1]。而且其中臭氧能夠促進氣浮工藝的處理效果。同時本工藝又有明顯的殺菌消毒能力，用臭氧作為消毒劑，在有明顯效果的同時，不會產(chǎn)生對人體有害的副產(chǎn)物。另外，水力停留時間低也是本工藝的優(yōu)勢之一。

2 臭氧氧化在水處理中的應(yīng)用

臭氧(O3)是氧的同素異構(gòu)體，強氧化劑、殺菌消毒劑、催化劑、脫色劑和除臭劑。臭氧在水中的溶解度比氧約大10倍，氧化電位為2.07V，氧化能力僅次于氟。臭氧能與水中各種形態(tài)存在的污染物質(zhì)起反應(yīng)，將復(fù)雜的有機物轉(zhuǎn)化成為簡單有機物，使污染物的極性、生物降解性和毒性等發(fā)生改變。

臭氧與有機物的反應(yīng)有兩種途徑：一是臭氧通過親核或親電作用直接參與反應(yīng)[9]；二是堿性條件下臭氧在水體中分解后產(chǎn)生氧化性很強的羥基自由基等中間產(chǎn)物，發(fā)生間接氧化反應(yīng)，用于高級氧化技術(shù)。臭氧能與許多有機物或官能團發(fā)生反應(yīng)，如C=C、芳香化合物、雜環(huán)化合物、N=N、C=N、C-Si、-OH、-SH、-NH：、-CHO等[2]。而反應(yīng)后多余的O3可自行分解為O2，操作方便。因此，臭氧技術(shù)成為了治理環(huán)境和水質(zhì)污染的關(guān)鍵技術(shù)，在凈化污水的化學(xué)氧化工藝中，地位穩(wěn)步上升，在水處理中有著廣闊的應(yīng)用前景[5]。

臭氧氧化技術(shù)具有反應(yīng)速度快、脫色效果好、可以處理水溶性高分子等難生物降解物質(zhì)、以及可殺菌除臭等特點，普遍應(yīng)用于空氣、飲用水、泳池水、工業(yè)用水和污水的消毒；水回用和地下水回灌[7]；循環(huán)冷卻水處理；物體表面的消毒以及油煙凈化等方面[5]。

臭氧氧化工藝往往是作為一個操作單元接在常規(guī)的水處理流程之后，其目的就是對水進行深度處理。從本世紀(jì)70年代中期開始，我國也開始了利用臭氧氧化工藝處理受污染的飲用水、城市污水以及工業(yè)廢水等方面的試驗研究工作。該技術(shù)的核心環(huán)節(jié)是通過特定的電場實現(xiàn)無聲放電而產(chǎn)生大量的臭氧氣體，在此過程中，高能電子與氣體分子碰撞時發(fā)生一系列反應(yīng)并將氣體激活，產(chǎn)生多種活性自由基，從而對有害物質(zhì)發(fā)生催化、氧化和分解，而轉(zhuǎn)為無毒的副產(chǎn)物，達到真正消毒、潔凈的目的[5]。生活污水經(jīng)二級處理后，多為粒徑小、密度低的雜質(zhì)，增加了用沉淀工藝處理的難度。用臭氧氧化法代替化學(xué)藥劑法處理循環(huán)冷卻水，不會帶來對人體有害的病原體，也不會降低設(shè)備的使用壽命，運行費用也大大降低。無論在酸性還是堿性條件下，臭氧都有很強的殺菌消毒作用，臭氧在水中被還原的產(chǎn)物是氧氣，不會帶來很多副產(chǎn)物，不會帶來二次污染。盧寧川等采用臭氧氧化的方法，對某廠苯酐車間的增塑劑廢水的氧化降解過程進行了探討。結(jié)果表明，在一定條件下，臭氧對增塑劑廢水中COD的去除率高達41.5%。但在當(dāng)前，由于制備臭氧的電能消耗較大，臭氧的投加與接觸系統(tǒng)效率低，使其在廢水處理中的應(yīng)用受到限制[8]。

在臭氧-氣浮工藝中，臭氧的氧化是非常重要的環(huán)節(jié)。生物處理以后，原水中還存在大量的難生物降解的有機物，用常規(guī)的工藝很難對其進行處理，而臭氧的強氧化性可使有機物的結(jié)構(gòu)發(fā)生顯著變化，因此，由于采用臭氧化空氣作為氣浮工藝的氣源，具有了在脫色、除臭和有機物去除方面的優(yōu)勢。同時，很多研究者發(fā)現(xiàn)臭氧能夠改變水中懸浮顆粒物的性質(zhì)，從而改變絮凝操作單元的去除效果，這樣臭氧又對混凝氣浮工藝有了一定的促進作用[3]。

3 氣浮分離工藝在水處理中的應(yīng)用

氣浮法是一種高效、快速的固-液和液-液分離方法。是向廢水中通入空氣，并以微小氣泡形式從水中析出成為載體，使廢水中的乳化油、微小懸浮顆粒等污染物質(zhì)粘附在氣泡上，隨氣泡一起上浮到水面，形成泡沫一氣、水、顆粒三相混合體，通過收集泡沫或浮渣達到分離、凈化的目的。要實現(xiàn)氣浮分離必須具備兩個條件：一是必須向水中提供足夠數(shù)量的微氣泡；二是必須使要分離的物質(zhì)呈懸浮狀態(tài)或具有疏水性質(zhì)，有利于與氣泡結(jié)合并上浮。

我國不少水源富營養(yǎng)化比較嚴(yán)重，而且有繼續(xù)惡化的趨勢，隨著城市的土地資源越來越緊張，溶氣氣浮工藝在我國有很好的應(yīng)用前景。目前，氣浮分離工藝在水處理方面得到了廣泛的應(yīng)用。在給水方面，氣浮法適用于處理腐殖質(zhì)含量較高或天然色度較高、富營養(yǎng)化、濁度較低甚至是低溫低濁原水。在廢水處理領(lǐng)域，氣浮法的應(yīng)用則更廣。由于在處理輕質(zhì)污染物上存在很大優(yōu)勢，氣浮法被廣泛的應(yīng)用于煉油廠含油廢水的處理。另外，氣浮法也用于處理電鍍廢水、含重金屬離子廢水、洗毛廢水處理、城市生活污水以及富營養(yǎng)化前驅(qū)物。在生活污水的二級處理和深度處理方面，氣浮工藝也同樣得到應(yīng)用。

與沉淀法比較，氣浮法具有如下特點：氣浮法占地較小，節(jié)省基建投資；氣浮池具有預(yù)曝氣作用，出水和浮渣都含有一定量的氧，有利于后續(xù)生化處理或再利用，泥渣不易腐化；對那些很難用沉淀法去除的低溫低濁含藻水，用氣浮法處理的時間短、效率高，甚至還可去除原水中的浮游生物，并且出水水質(zhì)好；浮渣含水率比沉淀污泥含水率低，比沉淀池污泥體積少2-10倍，有利于污泥的后續(xù)處理，而且表面刮渣也比池底排泥方便。但是氣浮法電耗較大，處理每噸廢水比沉淀法多耗電約0.02-0.04kw/h。

氣浮在“老三套”方法中起著承上啟下的重要作用。目前國內(nèi)外氣浮按照氣泡產(chǎn)生的方法，可分為加壓溶氣氣浮(DAF)、葉輪氣浮(IAF)、曝氣氣浮、引風(fēng)空氣氣浮、電解氣浮等。但是由于這些氣浮都是采用空氣，所以效果在一定范圍內(nèi)可以達到極限，不能解決事故狀態(tài)下及高濃度廢水的生化進水要求。利用臭氧替代空氣與氣浮結(jié)合，從而提高了氣浮的去除率，滿足生化進水要求，從而保證了污水處理回用[9]。

4 臭氧—氣浮工藝在水處理中的應(yīng)用

4.1 概述

臭氧一氣浮工藝是將臭氧氧化技術(shù)與氣浮分離技術(shù)相結(jié)合的一種新型深度處理工藝。由于采用臭氧化空氣為氣源，對有機物的去除較為徹底，有明顯的殺菌消毒作用，同時臭氧又有較強的助凝作用，能夠促進氣浮工藝的處理效果；氣浮工藝則在具有去除懸浮顆粒物能力的同時又比混凝沉淀工藝減少了水力停留時間，而溶氣泵良好的混合效果又為充分發(fā)揮臭氧的氧化作用創(chuàng)造條件[3]。

目前水處理中所用到的氣浮方法絕大多數(shù)是采用空氣作為氣源，本工藝將臭氧氧化與高效氣浮有機結(jié)合起來，每個環(huán)節(jié)所發(fā)揮的作用都有其側(cè)重面。在發(fā)揮各自作用的同時，雙方又有重要的聯(lián)系。

4.2 工藝流程

臭氧—氣浮工藝是一種將臭氧氧化與高效氣浮有機結(jié)合起來的集成式水處理方法。該工藝是以臭氧代替空氣作為溶氣氣源，利用溶氣泵吸入臭氧，在分離器內(nèi)部釋放產(chǎn)生均勻臭氧微氣泡，同時實現(xiàn)臭氧氣泡與污染物的接觸粘附和對污染物的氧化過程，最終完成氣浮分離。整個接觸混合與氣浮分離過程在密閉裝置中進行，裝置頂部設(shè)置排渣口，通過自動控制系統(tǒng)定時進行排渣操作，利用水位的定時升降實現(xiàn)全自動密閉排渣[10]。

4.3 技術(shù)優(yōu)點

實際情況中，在經(jīng)過生物處理以后，原水中還存在大量的難生物降解的有機物，用常規(guī)的工藝很難對其進行處理，而臭氧的強氧化性可使有機物的結(jié)構(gòu)發(fā)生顯著變化[1]。臭氧能夠改變水中懸浮物的性質(zhì)，將懸浮物顆粒粒徑變大，使處于溶解狀態(tài)的有機物變成可絮凝的膠體顆粒等方面。臭氧與水的混合效果又對工藝的處理效果有非常重要的影響，溶氣泵良好的混合效果能夠使臭氧與水充分、均勻的混合，有利于臭氧各種作用的發(fā)揮。在臭氧 -氣浮工藝中，使用臭氧化空氣或臭氧化氧氣代替空氣在特殊構(gòu)造的氣浮池中進行氣浮處理，臭氧的氧化是非常重要的環(huán)節(jié)，其優(yōu)點在于把臭氧氧化的化學(xué)現(xiàn)象和氣浮凈水技術(shù)的物理現(xiàn)象有機地結(jié)合在一起，充分發(fā)揮臭氧的強氧化劑和有力的消毒劑作用。

因此與過濾、膜分離、紫外線消毒等工藝相比，臭氧-氣浮法適用范圍更廣，處理效率更高，處理對象更多樣。96%以上的臭氧利用率，節(jié)省了用于消毒的臭氧設(shè)備費用。去除有機物、磷化物，殺死病原菌，脫色等處理效果佳。特別適用于處理含有難分解物質(zhì)的廢水。

4.4 影響因素

混凝條件、氣浮條件以及臭氧的投量對工藝的處理效果均有非常重要的影響：混凝條件是否合適，決定了能否產(chǎn)生足夠的絮體與污染物以及微氣泡進行粘附，而回流水量、溶氣壓力等氣浮條件則決定了微氣泡的產(chǎn)生[3]。氣浮所需的空氣量和浮渣的去除也對氣浮過程有較大的影響，氣浮所需的空氣量隨選擇的溶氣壓力或回流比而變化。因此不同尺寸的釋放器要求不同的流量與壓力的組合，從而提供同量的空氣。不同的水質(zhì)經(jīng)過氣浮處理后形成的浮渣具有不同的特性，對于某一特定水質(zhì)，為了使浮渣去除對出水的影響到最小化，對浮渣的去除方式、刮渣方向、去除頻率、刮渣速度和氣浮池水位必須進行優(yōu)化。

5 臭氧—氣浮工藝在城市污水再生回用中的應(yīng)用

城市污水的再生利用主要包括利用和再生兩環(huán)節(jié)，污水利用的條件是擬進行回用的水必須滿足一定用途的水質(zhì)要求。因此，回用處理的環(huán)節(jié)是必不可少的。在這一戰(zhàn)略的實施過程中，具有節(jié)水和治污雙重功能的問題將得到廣泛的關(guān)注。但由于我國污水再生產(chǎn)業(yè)還處于起步階段，國家建設(shè)資金極端缺乏、價格體系不健全，嚴(yán)重影響了城市污水再生利用產(chǎn)業(yè)化進程。因此，研究污水再生利用的機制是加快城市污水再生利用產(chǎn)業(yè)化進程的重要問題。

目前常規(guī)污水回用工藝中存在許多問題。常規(guī)的污水回用處理工藝多為混凝沉淀過濾工藝，對污水中存在的呈膠體或懸浮態(tài)的污染物有明顯的效果，出水濁度較低。但是由于沒有強氧化劑的存在，無法去除污水中殘留的難生物降解有機物。一般的混凝沉淀過濾工藝缺乏對二級處理后水中殘留的難生物降解有機物的去除效果，其出水會帶有輕微的刺激性氣味。因此，常規(guī)工藝對色度和臭味的去除很有限。并且生活污水經(jīng)二級處理后，多為粒徑小、密度低的雜質(zhì)，增加了用沉淀工藝對其進行處理的難度。

常規(guī)工藝不僅在處理效果上非常有限，而且在工藝上也存在弊端，需要新型工藝在以上兩個方面有較大的改善。與常規(guī)回用水工藝相比較，臭氧—氣浮工藝在工藝特征方面，臭氧—氣浮工藝對進水水質(zhì)沖擊負荷具有很好的緩沖能力，尤其在濁度、色度、細菌、大腸桿菌等方面具有極強的耐沖擊負荷能力。研究結(jié)果表明，二級出水水質(zhì)經(jīng)臭氧—氣浮工藝深度處理后，出水中的濁度、色度、COD等指標(biāo)均能達到國家城市雜用水水質(zhì)標(biāo)準(zhǔn)(GB/T18920-2002)，同時對二級出水中的UV254、細菌和大腸桿菌也有很好的去除效果。因此，臭氧—氣浮工藝在城市污水再生回用中的應(yīng)用使得處理效果和工藝特性上都能夠滿足需要。

6 臭氧—氣浮工藝的發(fā)展前景與展望

通過長期的實驗，可知臭氧一氣浮工藝非常適合對污水廠二級出水進行深度處理，它解決了常規(guī)回用水工藝對色度等感觀性指標(biāo)不易去除以及滅菌有害副產(chǎn)物多的難題，并且對難生物降解有機物有較高的去除率。此外，本工藝還適用于造紙廢水一級處理、印染廢水等有機污染處理，可以說具有廣闊的污水處理前景[3]。

從操作方面來看，本工藝又優(yōu)于冗長的混凝沉淀過濾工藝，而另一方面又克服了傳統(tǒng)氣浮工藝的各種弊端，操作簡單，自動化程度高[3]，近年來，隨著水泵生產(chǎn)技術(shù)的發(fā)展，國外出現(xiàn)了以溶氣泵代替空壓機、溶氣罐的氣浮裝置，使系統(tǒng)得到簡化，大大提高了設(shè)備運行的可靠性[1]。另外，處理過程中所產(chǎn)生的浮渣含水率遠遠低于沉淀工藝產(chǎn)生的污泥，大大降低對其處理的難度，而且還可以回收有用物質(zhì)，這進一步提高了臭氧一氣浮工藝的實用價值[3]。因此，臭氧—氣浮工藝在城市污水處理廠二級出水深度處理中，更能解決常規(guī)水處理工藝的感官性指標(biāo)不易去除及氯消毒有害消毒副產(chǎn)物等難題，并提高難降解有機物的有效去除率[1]。

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