臭氧消毒在二次供水工程中的应用

冷震
(济宁正源给排水勘察设计有限公司)

　　提要：分析了臭氧生产原理和消毒特性，结合工程实例详细介绍了臭氧消毒在二次供水工程中的应用情况。
　　关键词：臭氧　消毒　 二次供水　 投加　 持续性消毒

　　臭氧作为一种强氧化剂，在许多领域得到了广泛的应用，在净水工艺中也有悠久的应用历史，几乎与最常用的氯消毒同时被采用。但由于臭氧消毒系统设备复杂，投资大，耗电量高，以前只在少数几个发达国家得以采用。自20世纪90年代起，由于怀疑水中的有机物与氯消毒发生反应后形成的三氯甲烷具有致癌性，许多国家也逐渐对臭氧消毒产生了兴趣，加大了研究力度，并逐步在饮用水处理系统中采用或增设了臭氧处理工艺。在我国，臭氧消毒总的来说是处在起步阶段，尤其是在水厂净水处理工艺中，但在区域二次供水工程中，臭氧消毒得到了一定的应用，积累了一些经验。

1 臭氧生产原理

　　臭氧是一种强氧化剂，比氯具有更高的活性和氧化能力，很不稳定，不易储存。因此臭氧应根据需要就地生产。生产原理是：在一定的能量下，将O₂分裂成O，再重新组成O₃，化学方程式是：3O₂≒2O₃。目前生产臭氧的方法有：紫外线照射法、电解法、放射化学法、无声放电法，其中最经济、普及最广的是无声放电法，就是在放电器（即常见的臭氧发生器）通入空气或氧气，转换成臭氧排出。

2 臭氧消毒特性

2.1 杀菌速度快、效果好。试验结果表明，在0.45mg/L臭氧作用下，经过2分钟脊髓灰质炎病毒即死亡；如用氯消毒，则剂量为2mg/L时需经过3小时。臭氧不仅对全部病原菌、荧光菌、变形菌、灵菌等微生物均可快速杀灭，而且对某些普通消毒剂呈抗药性的微生物也有十分显着的杀菌效果。同时臭氧消毒几乎不受pH的影响。
2.2 可去除有机物。臭氧可去除水中的多种有机物，特别是有毒有害的微量污染物，并能使非生物降解物变为生物降解物，大大降低处理成本。
2.3 可除臭、脱色。臭氧能有效去除多种藻类引起的臭和土臭、霉臭，对某些胶态物质和有机物产生的颜色的去除也十分有效。
2.4 水中的残留物少，产生的附加化学污染物少。臭氧使水中的污染物通过氧化变成气体或沉淀去除，它本身则被还原为氧离子而结合于挥发物或沉淀物中，或与H₂O、H^＋结合，因而水中的残留物很少；并且不会产生如氯酚那样的臭味，也不会产生三氯甲烷等氯消毒的消毒副产物。
2.5 臭氧可就地制造，只需电能。
2.6 持续性消毒能力差。由于臭氧在水中很不稳定，易分解成O₂，致使其持续性消毒能力差，如接触池出口处水中剩余臭氧尚有0.40mg/L，但经过清水池的停留后，水中的剩余臭氧已完全分解，管网中的消毒已无从保障。因此还需与其它消毒剂一起配合使用，经过臭氧消毒的自来水通常在其进入管网前还要加入少量的氯或氯胺，以维持一定的消毒剂剩余量。
　　臭氧的持续性消毒能力差在一定程度上限制了其在净水厂的使用普及，但是在区域二次供水工程中，由于距离用户终端比较近，饮用水流通周转快，在蓄水设施中停留时间短，消毒后的水很快输送到用户，对持续性消毒要求不高，因此，受到了一些用户的欢迎。以济宁市为例，目前在二次供水工程中使用臭氧消毒的有11家，对臭氧消毒效果均很满意。下面以山东里能集团舜泰园小区为例，介绍一下臭氧消毒应用情况。

3 工程实例

3.1 工程概况
　　山东里能集团舜泰园小区位于济宁市琵琶山路与327国道交汇处，是高档小高层住宅区，区内均为12层建筑，人口5400人。小区供水采用二次加压供水方式，即把市政给水管道的水输送到清水池，然后通过水泵加压，把清水池内的水输送到区内管网。二次供水工程包括清水池、加压泵房、消毒室和变配电室。其中清水池分两格，一格为生活水池，200m³，一格为消防水池，300 m³，生活水池与消防水池互为独立；加压泵房设计了6台立式离心泵，其中2台生活泵，4台消防泵；消毒室安装了消毒设备；变配电室内置控制设备。
3.2 消毒方案选择
　　我们设计了3套消毒方案：氯消毒，二氧化氯消毒，臭氧消毒。各方案优缺点见下表。

　　通过比较，并考虑到高档住宅小区对水质要求较高，水在清水池中停留时间不长（对持续性消毒要求不高），且电力供应方便，故选择臭氧消毒方案。尤其作为可疑的或疑似的致癌物质，自来水中的三氯甲烷等有机氯化物已越来越引起人们关注的情况下，臭氧消毒工艺是一个理想的选择。
3.3 臭氧消毒工艺设计
　　（1）工艺流程
　　由空气（或氧气）通过臭氧发生器生成的臭氧，通过水射器与水混合，接着进入清水池进行充分的接触混合与反应，然后由水泵输送至小区管网。
　　（2）平面布置：
　　（3）气源
　　气源的选择要结合臭氧发生量、场地条件、能耗、运行管理、维护等因素综合考虑。臭氧发生器的气源为空气和氧气。采用空气为气源时，由于空气中含有较高的水分和灰尘，不仅影响臭氧的产量，而且会破坏介电体，因此需对空气进行除尘和脱水干燥，但省去了气源费用。以氧气为气源时，相比空气气源，耗电量小，节省动力费用，占地少，但购买氧气也增加了运行成本，并且需经常更换氧气瓶，日常管理麻烦。考虑到电力供应充足，消毒间比较宽敞，工程选用空气为气源。
　　（4）臭氧投加量
　　臭氧的杀菌效果主要取决于水中臭氧的含量、臭氧气体在水中的分散程度（即混合是否均匀、充分）、臭氧与水接触的时间。水中臭氧的浓度含量越高，杀菌的效果就越好，但并不是投加量越多越好，多了不但造成浪费，而且有可能在用户使用的时候，带来身体不适感。同时投加时还要考虑水质状况，对二次供水工程，由于原水水质较好，臭氧投加量一般为0.5～1.5 mg/L，本工程取1.0 mg/L，为了减少投加时间，投加量定为180g/h。
　　（5）投加混合方式
　　常用的投加混合方式一般有三种：①采用固定螺旋管道混合器，把其安装在清水池的进水管上，臭氧与水在混合器混合后进入清水池；②采用射流器（水射器），这是一种比较常用的气水混合装置，可安装在清水池进水管上，直接利用进水管内的压力进行水气混合，然后进入清水池，或者从水泵总出水管接一条管道，进入射流器与臭氧混合后进入水池，而不必通过进水管。③采用臭氧接触氧化塔或接触氧化池。水进入接触塔或接触池与臭氧混合后，再进入清水池。方式①与方式②简化了工程设计，占地面积少，成本低，方式③虽然占地面积大，成本高，但混合效果好。可根据经济条件、场地、水质状况进行选用，也可相互配合使用。本工程采用方式②，从水泵总出水管接一条管道，进行气水混合，投加点在清水池底部，我们特别设计了一组呈放射状的接触混合管，每个管上留有许多小孔，以便与水充分混合。
　　（6）投加时间的控制
　　理论上讲，应该24小时连续投加臭氧，这样能保持持续消毒作用，水质不至于二次污染恶化。但以往臭氧消毒应用经验表明，这样不仅浪费，有可能到用户终端臭氧浓度过高，吸入人体后不利于健康。只要能保证充足的接触时间，消毒效果就会理想。设计每天投加次数6次，平均每4 h一次，每次1h。
　　（7）设备选择
　　选用空气型高频臭氧发生器，臭氧产量180g/h，额定功率2.7Kw。设备包括空压机、冷却器、过滤器、干燥器、臭氧发生器。
3.4 使用效果及存在的问题
　　自工程投入使用以来，臭氧发生器运行稳定，消毒效果比较理想，没有一次水质二次污染事故发生，居民反映良好。根据多次取水样化验，水质无恶化情况，个别指标甚至优于出厂水水质。
　　但在使用过程中，存在的问题有：
　　（1）虽然干燥的和水溶液中的臭氧腐蚀性稍弱，但在潮湿的环境里臭氧的腐蚀性比较强。由于消毒室建于地下，采光不好，室内潮湿，一旦臭氧泄漏，对室内的管道、设备就会产生一定的腐蚀。为此后来采用排风扇强制通风，对管道、设备采取了防腐措施。
　　（2）尾气处置。臭氧与水在水池中混合后，会有一定的剩余臭氧从水中逸出，通过水池通气管排到空气中。由于空气中一定浓度的臭氧对人的机体有害，一般情况下不允许直接排放。但由于尾气处置通常采用的回用法、加热分解法、化学消减法、催化分解法能耗大、费用高，对于本工程来说不太适合。好在本工程的尾气量很小，且清水池所在位置地面开阔，易于空气流通，采用稀释法来处置，即直接排出，利用环境空气稀释。
　　（3）空气型臭氧发生器噪音大。

4 结语

　　臭氧由于其独特的杀毒特性，在二次供水工程实践中使用效果比较理想。但目前在我国给水工程中臭氧消毒还没有国家标准和行业标准，比如投加量、接触时间、投加方式、尾气处置等问题没有一个明确统一的标准，设计人员多是凭着经验或厂家的说明书来设计，这在一定程度上制约了臭氧消毒的普及。希望行业主管部门或协会加强指导，科研单位和生产厂家增加投入，加大研究力度，比如降低噪音、减少能耗、确立合理的投加指标，只有这样，臭氧消毒的使用才会有一个美好的前景。

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