論臭氧在二級(jí)污水及淤泥處理中的應(yīng)用
來(lái)源：谷騰水網(wǎng) 閱讀：4067 更新時(shí)間：2008-03-17 15:131. 概述
在污水凈化設(shè)備中，使用臭氧可以達(dá)到優(yōu)化工藝流程，提高經(jīng)濟(jì)效益的作用。
凈化后的污水經(jīng)過(guò)消毒，毒性下降，而內(nèi)分泌物質(zhì)等微污染物則會(huì)轉(zhuǎn)化成分解物，其前提是使用適量的臭氧。
活性污泥變得穩(wěn)定，且污泥體積指數(shù)變小，這樣活性污泥就能更好地沉積下來(lái)。
在活化過(guò)程中，過(guò)剩的污泥量會(huì)逐漸減少。
污水凈化時(shí)所產(chǎn)生的污泥開(kāi)始產(chǎn)生沼氣，大多數(shù)污泥轉(zhuǎn)化成了生物能源，而需要凈化處理的污泥量則會(huì)減少。
淤泥逐漸減少，排水更加容易，而且只需進(jìn)行適當(dāng)調(diào)節(jié)即可。
2. 引言
在符合技術(shù)性和經(jīng)濟(jì)性的實(shí)用氧化劑中，臭氧的氧化能力是最強(qiáng)的。
如今它的應(yīng)用非常廣泛：
可用于飲用水的消毒殺菌、有機(jī)材料的氧化、膠質(zhì)物的去穩(wěn)定作用以及離子態(tài)鐵和錳的沉淀等等。
也可以用于二級(jí)家庭和工業(yè)污水的消毒、將化學(xué)需氧量（CSB，英語(yǔ)中為COD）轉(zhuǎn)化為生物需氧量（BSB，英語(yǔ)中為BOD），降低毒性，消除化學(xué)需氧量與微污染物，如內(nèi)分泌物質(zhì)以及對(duì)水生群落有毒害作用的物質(zhì)等等。
可用于工業(yè)加工，例如木質(zhì)纖維素與高嶺土的曝曬漂白，也可用于特殊的有機(jī)合成。
新的應(yīng)用包括：
抵御空氣污染
處理污水凈化后所產(chǎn)生的淤泥
食品與農(nóng)產(chǎn)品的保鮮
3. 臭氧
臭氧的物理-化學(xué)性質(zhì)
臭氧分子是由三個(gè)氧原子構(gòu)成的，即O3。
其物理特性為：
分子量： 40 克/摩爾
形成熵： 2’975 J/g (25°C)
活化能： 2’221 J/g (25°C)
→這就意味著，臭氧是十分穩(wěn)定的：
在20 °C的空氣中，其半衰期為： 35天
在20 °C的飲用水中，其半衰期為： 20分鐘
→要想實(shí)現(xiàn)有效的消毒，必須滿(mǎn)足下列條件。
紫外線吸收： 3’150 l/Mole/cm 每258毫微米
在氣相條件下對(duì)臭氧進(jìn)行測(cè)量。
潔凈水中的亨利常數(shù)： 106 Pa/Mole/l (20°C)
臭氧的溶解度是氧氣的11倍
擴(kuò)散常數(shù)： 1.75x10-9 m2/s (每20 °C)
大約與氧氣和二氧化碳相同
標(biāo)準(zhǔn)氧化還原電位： 2.08 V (pH = 1)
其他氧化劑： O2 1.23 V, Cl2 1.36 V, ClO2 1.49 V
氣味界限
立刻在空氣可以嗅到的濃度： 40 μg/m3
最大容許量： 200 μg/m3
觀察發(fā)現(xiàn)的最小致毒量： 240 μg/m3
→可以看到，早在臭氧達(dá)到危險(xiǎn)劑量之前，人們就可以發(fā)現(xiàn)它了。
臭氧的生成
臭氧是通過(guò)一臺(tái)電氣設(shè)備，即臭氧生成器，在含有氧氣的氣體中產(chǎn)生的，該氣體必須是清潔（碳?xì)浠衔锏暮啃∮?0 ppmV甲烷當(dāng)量）和干燥的（最大露點(diǎn)-65 °C）。
如今，從經(jīng)濟(jì)性方面考慮，人們已經(jīng)很少使用干燥空氣。
以氧氣作為載運(yùn)氣體生成的臭氧具有下列特性：
O3濃度 CO3 = 8.0 – 14.0wt %
對(duì)電能的需求
CO3 = 12.0wt % ： 36’000 J/g (10.0 kWh/kg)
臭氧的生成是一個(gè)平衡過(guò)程，它受到系統(tǒng)溫度的制約，因此必須能夠有效地進(jìn)行水冷卻。
質(zhì)量： 飲用水
變化： 無(wú)
溫度：o 參考： 20 °C 范圍： 4 ～ 30 °C 需求： ~ 1.50 m3/kgO3 溫度升高值： 5.0 °C
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圖1 氧氣生成器與儀器的使用 容量： 3 x 10 kgO3/h, 12 %O3, 氧氣 |
臭氧發(fā)生器
以氧氣作為載運(yùn)氣體的臭氧儀包含下列部件：
氧氣供應(yīng)，小型設(shè)備，低于30-40 kgO3/h：
? 液態(tài)氧氣“LOX”儲(chǔ)于罐中，并帶有汽化器
大型設(shè)備：
? 在類(lèi)型為PSA、VPSA或VSA的裝置的輔助下，原地生成
帶有供電裝置的單個(gè)或多個(gè)臭氧生成器
發(fā)生器的典型臭氧產(chǎn)量： 0.10 – 100 kO3/h
在待處理的水或污水中用于臭氧的擴(kuò)散與反應(yīng)的系統(tǒng)，位于氣密性良好的混凝土槽或不銹鋼容器中。
或者是一個(gè)用于清除廢氣中殘存臭氧的系統(tǒng)
或者是應(yīng)用在活性污泥凈化設(shè)備中的氧氣回收系統(tǒng)
一個(gè)冷水裝置，帶有熱交換器與循環(huán)泵，已處理的污水位于熱交換器的初級(jí)循環(huán)
必要的儀器，氣動(dòng)閥
一臺(tái)系統(tǒng)控制設(shè)備
所需配電裝置
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圖2 2臺(tái)二級(jí)工業(yè)污水凈化臭氧反應(yīng)器 從化學(xué)需氧量轉(zhuǎn)化為生物需氧量 容量： 75 kgO3/h, 12 %O3, 液態(tài)氧, 1’000 m3/h |
臭氧消耗
基礎(chǔ)：
液態(tài)氧“LOX”原地供應(yīng)，儲(chǔ)藏罐與汽化器租賃使用
臭氧濃度： 12wt%
冷卻液溫度： 20 °C
年息： 10 %
維護(hù)費(fèi)，備件： 3.00%/年（基礎(chǔ)投資）
電能： 0.15 Fr/kWh
在擴(kuò)散與反應(yīng)槽內(nèi)的停留時(shí)間： 20分鐘
支出（不包含擴(kuò)散與反應(yīng)槽，但包含擴(kuò)散裝置）：
年息，與設(shè)備大小有關(guān)，0.60 每 1.00 SFR/kgO3
電能：
臭氧的生成（10 kWh/kgO3）： 1.50 Sfr/kgO3
系統(tǒng)剩余（3.0 kWh/kgO3）： 0.45 Sfr/kgO3
氧氣“LOX”： 0.20 - 0.25 Sfr/kgO2 1.67 – 2.08 Sfr/kgO3
維護(hù)費(fèi)與備件： 0.18 – 0.30 Sfr/kgO3
總計(jì)： 4.40 - 5.33 Sfr/kgO3
總計(jì)，特別是每gO3或gO3/m3： 0.44 - 0.53 分（瑞士貨幣單位）
初級(jí)冷卻液為凈化后的污水
反應(yīng)槽可以使用普通的混凝土制成，但必須加蓋，確保絕對(duì)的氣密性。
4. 臭氧作為污水和淤泥中的氧化劑與消毒劑
在處理污水的過(guò)程中，臭氧的作用通常僅僅是部分氧化，也就是對(duì)有機(jī)物進(jìn)行氧化，同時(shí)還可以觀察到殺菌現(xiàn)象，這也是一種氧化作用。 有機(jī)物質(zhì)例外。
在實(shí)踐過(guò)程中不會(huì)出現(xiàn)礦物化的現(xiàn)象，或者只是偶爾出現(xiàn)，例如化學(xué)需氧量必須部分分解的時(shí)候 溶解和未溶解的有機(jī)碳實(shí)際上沒(méi)有發(fā)生變化。
本來(lái)，完全的礦物化還是有可能的，但是成本將會(huì)高得驚人。
臭氧是一種獨(dú)特的技術(shù)，它可以與其他技術(shù)聯(lián)合起來(lái)協(xié)同生產(chǎn)，達(dá)到最優(yōu)化的效果，例如將它與生物過(guò)濾裝置串聯(lián)起來(lái)，可以對(duì)生化方面具有抵抗力的化學(xué)需氧量進(jìn)行分解。
也可能會(huì)同時(shí)出現(xiàn)沉淀，例如當(dāng)磷的沉淀物中帶有過(guò)量氯化鐵時(shí)，就會(huì)出現(xiàn)氫氧化鐵的沉淀。
亞硝酸鹽和亞硫酸鹽會(huì)被迅速氧化成硝酸鹽和硫酸鹽。 在中性PH值得環(huán)境中，氨基NH4 + 不會(huì)被臭氧氧化。
根據(jù)實(shí)際觀察到的情況，臭氧可以對(duì)二級(jí)或三級(jí)污水以及污水凈化后產(chǎn)生的淤泥發(fā)生如下作用：
通過(guò)弱化細(xì)胞壁來(lái)消滅微生物，后者在滲透壓力的作用下爆裂，也就是發(fā)生了細(xì)胞溶解。 大部分細(xì)胞質(zhì)進(jìn)入了周?chē)囊后w中，其后果是周?chē)后w中含有更多的生物需氧量（BSB），硝酸鹽（是由臭氧氧化蛋白質(zhì)中的氮元素后生成的）和磷。
由生化抵抗性化學(xué)需氧量（CSB）轉(zhuǎn)化為生物需氧量（BSB）。
降低毒性，以經(jīng)典的試驗(yàn)為基礎(chǔ)，例如Daphnia、Microtox、Ames或現(xiàn)代化的Luminotox測(cè)試等等。
微型污染物，例如內(nèi)分泌物質(zhì)或其他毒性物質(zhì)的分解或轉(zhuǎn)化。
在下列方面，可以使用臭氧對(duì)污水和污水凈化后產(chǎn)生的淤泥進(jìn)行處理：
二級(jí)或三級(jí)污水的消毒
同時(shí)，微污染物也會(huì)被氧化，因?yàn)樵趧?dòng)力學(xué)上，該化學(xué)反應(yīng)總是比消毒過(guò)程快。 例如，使用適量的臭氧可以使內(nèi)分泌物質(zhì)分解，并降低毒性。
如果需要對(duì)病菌進(jìn)行3段分解，當(dāng)剩余化學(xué)需氧量為50mg/l，且懸浮物為20mg/l時(shí)，臭氧量約為8gO3每立方米污水。
相應(yīng)的處理成本（不包括混凝土結(jié)構(gòu)）可達(dá)3.5至4.2分每立方米污水。
如果增加臭氧量，則可能會(huì)在微生物上出現(xiàn)抑制反應(yīng)，因?yàn)槌粞鯐?huì)氧化微生物細(xì)胞外產(chǎn)生的酶。
抵抗性化學(xué)需氧量的分解，以及轉(zhuǎn)化為生物需氧量
下圖所示為一個(gè)二級(jí)工業(yè)污水的案例，首先使用機(jī)械-生物學(xué)的方法進(jìn)行處理。
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圖3 臭氧對(duì)抵抗性化學(xué)需氧量的作用，以及生成物的分解 參考： 得利滿(mǎn)技術(shù)Ozonia，小規(guī)模試驗(yàn)計(jì)劃，使用100%的造紙廠污水 |
活性污泥的同時(shí)處理，提升沉淀性能
在活性淤泥設(shè)備的回流淤泥中直接使用適量的臭氧，即可消除沉淀物表面的線形菌，同時(shí)還能消除干燥劑。
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圖4 臭氧對(duì)線形菌的作用 參考： Biolysis® O Degrémont |
典型的臭氧用量與污水通過(guò)量的關(guān)系為1.0 g O3每立方米污水，相應(yīng)的總處理費(fèi)用為0.44至0.53分（瑞士貨幣）每立方米污水。
淤泥體積指數(shù)被優(yōu)化至200或更低。
與此同時(shí)還會(huì)發(fā)生副作用：
過(guò)量淤泥會(huì)減少50%或更多
在經(jīng)過(guò)處理的污水中，總的化學(xué)需氧量與生物需氧量的濃度降低，可減少50%之多。
在經(jīng)過(guò)處理的污水中，硝酸鹽的濃度提高約50%（如果沒(méi)有同時(shí)進(jìn)行脫氮的話(huà)）
磷的含量實(shí)際上沒(méi)有發(fā)生變化。
使用濾腔壓力機(jī)對(duì)污水凈化后產(chǎn)生的淤泥進(jìn)行排水
以Air Liquide ASPAL為例，可以從兩個(gè)方面看出臭氧的積極作用TMSludge，運(yùn)行5年后的結(jié)果，工業(yè)污水處理設(shè)備中的淤泥:
濾餅量減少45%，有機(jī)物含量減少41%
與普通的干燥劑含量“TS-G”為30%相比，由于提高了壓濾機(jī)的排水性能，干燥劑含量“TS-G”提高到50%以上。
降低了處理成本，提高了燃燒效率
減少20%的化學(xué)添加劑
副作用是：
濾液中含有更多的有機(jī)物（在細(xì)胞溶解過(guò)程中遭到破壞的微生物細(xì)胞的細(xì)胞質(zhì)），因此流入活性淤泥設(shè)備中的生物需氧量提高了約0.5%。
濾液中也含有被臭氧氧化的細(xì)胞壁蛋白質(zhì)所產(chǎn)生的硝酸鹽，約0.25 kgNO3每千克細(xì)胞壁生物需氧量BSB5。
濾液中也包括細(xì)胞壁中的磷，約0.02 kgPO4 每千克細(xì)胞壁-生物需氧量BSB5。
臭氧用量為23 gO3 每千克輸入的“干燥劑（TS）”，相應(yīng)的總處理成本為10.1～12.2分（瑞士貨幣）每千克干燥劑（TS），或61～74-瑞士法郎每噸淤泥餅。 假設(shè)處理脫水淤泥的成本為300.--瑞士法郎每噸，則使用臭氧后，每噸濾餅可以節(jié)省74～61瑞士法郎。 在臭氧的此類(lèi)應(yīng)用中，往往在經(jīng)濟(jì)上都比較實(shí)惠。
污泥的處理
在污水過(guò)濾后所產(chǎn)生的淤泥中使用臭氧，成功率很高，淤泥的臭氧化可以提高甲烷的產(chǎn)量。
更多的小型試驗(yàn)表明，甲烷的產(chǎn)量至少提高了2至3倍。 其中一個(gè)試驗(yàn)的淤泥儲(chǔ)存時(shí)間為18天，溫度為35°C，使用常規(guī)方法所產(chǎn)生的沼氣中的甲烷含量為60至65體積百分比（參見(jiàn)INRA Narbonne，法國(guó)）。
根據(jù)該試驗(yàn)的能量平衡，可以產(chǎn)生下列數(shù)據(jù)，表明甲烷的產(chǎn)量提高了2.5倍：
不含臭氧： 7’330 kJ 每 kgTS (0.26 m3CH4/kgTS)
含臭氧：
理想的臭氧用量為0.15kgO3 每 kg干燥劑（TS）
相應(yīng)的凈成本為7’020 kJO3 每 kg干燥劑（TS）
總成本為0.66至0.81瑞士法郎每千克OMe。
低燃燒熱值為18’330 kJ每 kg干燥劑（TS）
當(dāng)使用熱電聯(lián)產(chǎn)，且熱電總效率為90%時(shí)，凈值為16’490 kJ每 kg干燥劑（TS）
也就是說(shuō)，剩余凈含量為9’470 kJ每 kg干燥劑（TS）
凈能量平衡為正值。
根據(jù)上述情況，預(yù)計(jì)淤泥含量會(huì)減少50%以上。
試驗(yàn)表明，在臭氧化過(guò)程中進(jìn)入系統(tǒng)與溶解在液體中的氧氣不會(huì)對(duì)厭氧的產(chǎn)甲烷生物造成任何影響。
黏度也降低至2至3mPas，這是化學(xué)需氧量極度液化的結(jié)果。
5. 結(jié)論
在污水凈化設(shè)備中，使用臭氧可以達(dá)到優(yōu)化工藝流程，提高經(jīng)濟(jì)效益的作用。
凈化后的污水經(jīng)過(guò)消毒，毒性下降，而內(nèi)分泌物質(zhì)等微污染物則會(huì)轉(zhuǎn)化成分解物，前提是使用適量的臭氧。
活性污泥變得穩(wěn)定，且污泥體積指數(shù)變小，這樣活性污泥就能更好地沉積下來(lái)。
在活化過(guò)程中，過(guò)剩的污泥量會(huì)逐漸減少。
污水凈化時(shí)所產(chǎn)生的污泥開(kāi)始產(chǎn)生沼氣，大多數(shù)污泥轉(zhuǎn)化成了生物能源，而需要凈化處理的污泥量則會(huì)減少。
淤泥逐漸減少，排水更加容易，而且只需進(jìn)行適當(dāng)調(diào)節(jié)即可。
在臭氧的這類(lèi)應(yīng)用中，需要考慮其優(yōu)化問(wèn)題：
在對(duì)二級(jí)或三級(jí)（過(guò)濾之后）污水進(jìn)行氧化和消毒時(shí)，需要達(dá)到何種消毒結(jié)果以及化學(xué)需氧量對(duì)臭氧的使用量起決定作用，在大多數(shù)情況下，氧化過(guò)程都是有保證的。
在對(duì)淤泥的處理過(guò)程中，需要優(yōu)化：
當(dāng)然，當(dāng)線形菌形成松散的沉淀物時(shí)，活化淤泥的臭氧化是不可或缺的
由于處理成本通常較高，必須減少淤泥的聚積，如果現(xiàn)有化糞池，即可通過(guò)優(yōu)化的排水或甲烷化來(lái)實(shí)現(xiàn)。 將兩種方法結(jié)合起來(lái)似乎并無(wú)必要。
作者： 皮埃爾-安德烈•利希提，工程碩士 ETHL
國(guó)際臭氧協(xié)會(huì)IOA
歐洲-非洲-亞洲-大洋洲EA3G小組主席
得利滿(mǎn)技術(shù) Ozonia公司技術(shù)總監(jiān)
電子郵件: pierre.liechti@degtec.com liechti.pa@bluewin.ch
