陈思颖
(西南大学资源环境学院,重庆 400716)
臭氧—气浮分离技术在水处理与再生回用中的应用
陈思颖
(西南大学资源环境学院,重庆 400716)
臭氧作为一种强氧化剂,有明显的杀菌消毒作用和较强的助凝作用,而浮选法有较强固液分离能力。臭氧-气浮工艺是化学、物化处理技术的高度集成,通过臭氧氧化与气浮过程的有机结合,采用臭氧化空气为气源,去除悬浮颗粒物同时又分解大量有机物。本文综述了臭氧、气浮技术的应用以及臭氧-气浮技术的研究进展,并说明了目前该技术在污水处理和城市污水再生回用中应用,最后展望了该技术未来的发展趋势。
臭氧 气浮 污水处理 再生利用 工程应用
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
随着人类社会的快速发展，城市化与工业化水平日益提高，水资源短缺已成为亟待解决的问题。在我国，人均占有水资源量约为世界人均水资源量的1/4，按UNDDSMS分类，其排位在世界100-117位之间，为水资源脆弱的国家之一[4]。
同时，随着经济建设的快速发展和城市人口的增加，城市用水需求必然会增长，对水资源的威胁也目趋加剧。为了缓解水资源匮乏现状，将污水作为一种可再生利用的资源成为当今解决水危机的重要途径。常规的污水回用处理工艺多为混凝沉淀过滤工艺，但是由于没有强氧化剂的存在，无法去除污水中残留的难生物降解有机物[2]，并且常规工艺对色度的去除局限在对表观色度的作用，无法去除溶解性的真实色度，对臭味的去除也很有限[1]。
臭氧-气浮工艺将臭氧氧化技术与气浮分离技术相结合，在一个操作单元内实现了破乳或絮凝、固液分离、除色、嗅、昧、消毒等多个过程[1]。而且其中臭氧能够促进气浮工艺的处理效果。同时本工艺又有明显的杀菌消毒能力，用臭氧作为消毒剂，在有明显效果的同时，不会产生对人体有害的副产物。另外，水力停留时间低也是本工艺的优势之一。
2 臭氧氧化在水处理中的应用
臭氧(O3)是氧的同素异构体，强氧化剂、杀菌消毒剂、催化剂、脱色剂和除臭剂。臭氧在水中的溶解度比氧约大10倍，氧化电位为2.07V，氧化能力仅次于氟。臭氧能与水中各种形态存在的污染物质起反应，将复杂的有机物转化成为简单有机物，使污染物的极性、生物降解性和毒性等发生改变。
臭氧与有机物的反应有两种途径：一是臭氧通过亲核或亲电作用直接参与反应[9]；二是碱性条件下臭氧在水体中分解后产生氧化性很强的羟基自由基等中间产物，发生间接氧化反应，用于高级氧化技术。臭氧能与许多有机物或官能团发生反应，如C=C、芳香化合物、杂环化合物、N=N、C=N、C-Si、-OH、-SH、-NH：、-CHO等[2]。而反应后多余的O3可自行分解为O2，操作方便。因此，臭氧技术成为了治理环境和水质污染的关键技术，在净化污水的化学氧化工艺中，地位稳步上升，在水处理中有着广阔的应用前景[5]。
臭氧氧化技术具有反应速度快、脱色效果好、可以处理水溶性高分子等难生物降解物质、以及可杀菌除臭等特点，普遍应用于空气、饮用水、泳池水、工业用水和污水的消毒；水回用和地下水回灌[7]；循环冷却水处理；物体表面的消毒以及油烟净化等方面[5]。
臭氧氧化工艺往往是作为一个操作单元接在常规的水处理流程之后，其目的就是对水进行深度处理。从本世纪70年代中期开始，我国也开始了利用臭氧氧化工艺处理受污染的饮用水、城市污水以及工业废水等方面的试验研究工作。该技术的核心环节是通过特定的电场实现无声放电而产生大量的臭氧气体，在此过程中，高能电子与气体分子碰撞时发生一系列反应并将气体激活，产生多种活性自由基，从而对有害物质发生催化、氧化和分解，而转为无毒的副产物，达到真正消毒、洁净的目的[5]。生活污水经二级处理后，多为粒径小、密度低的杂质，增加了用沉淀工艺处理的难度。用臭氧氧化法代替化学药剂法处理循环冷却水，不会带来对人体有害的病原体，也不会降低设备的使用寿命，运行费用也大大降低。无论在酸性还是碱性条件下，臭氧都有很强的杀菌消毒作用，臭氧在水中被还原的产物是氧气，不会带来很多副产物，不会带来二次污染。卢宁川等采用臭氧氧化的方法，对某厂苯酐车间的增塑剂废水的氧化降解过程进行了探讨。结果表明，在一定条件下，臭氧对增塑剂废水中COD的去除率高达41.5%。但在当前，由于制备臭氧的电能消耗较大，臭氧的投加与接触系统效率低，使其在废水处理中的应用受到限制[8]。
在臭氧-气浮工艺中，臭氧的氧化是非常重要的环节。生物处理以后，原水中还存在大量的难生物降解的有机物，用常规的工艺很难对其进行处理，而臭氧的强氧化性可使有机物的结构发生显著变化，因此，由于采用臭氧化空气作为气浮工艺的气源，具有了在脱色、除臭和有机物去除方面的优势。同时，很多研究者发现臭氧能够改变水中悬浮颗粒物的性质，从而改变絮凝操作单元的去除效果，这样臭氧又对混凝气浮工艺有了一定的促进作用[3]。
3 气浮分离工艺在水处理中的应用
气浮法是一种高效、快速的固-液和液-液分离方法。是向废水中通入空气，并以微小气泡形式从水中析出成为载体，使废水中的乳化油、微小悬浮颗粒等污染物质粘附在气泡上，随气泡一起上浮到水面，形成泡沫一气、水、颗粒三相混合体，通过收集泡沫或浮渣达到分离、净化的目的。要实现气浮分离必须具备两个条件：一是必须向水中提供足够数量的微气泡；二是必须使要分离的物质呈悬浮状态或具有疏水性质，有利于与气泡结合并上浮。
我国不少水源富营养化比较严重，而且有继续恶化的趋势，随着城市的土地资源越来越紧张，溶气气浮工艺在我国有很好的应用前景。目前，气浮分离工艺在水处理方面得到了广泛的应用。在给水方面，气浮法适用于处理腐殖质含量较高或天然色度较高、富营养化、浊度较低甚至是低温低浊原水。在废水处理领域，气浮法的应用则更广。由于在处理轻质污染物上存在很大优势，气浮法被广泛的应用于炼油厂含油废水的处理。另外，气浮法也用于处理电镀废水、含重金属离子废水、洗毛废水处理、城市生活污水以及富营养化前驱物。在生活污水的二级处理和深度处理方面，气浮工艺也同样得到应用。
与沉淀法比较，气浮法具有如下特点：气浮法占地较小，节省基建投资；气浮池具有预曝气作用，出水和浮渣都含有一定量的氧，有利于后续生化处理或再利用，泥渣不易腐化；对那些很难用沉淀法去除的低温低浊含藻水，用气浮法处理的时间短、效率高，甚至还可去除原水中的浮游生物，并且出水水质好；浮渣含水率比沉淀污泥含水率低，比沉淀池污泥体积少2-10倍，有利于污泥的后续处理，而且表面刮渣也比池底排泥方便。但是气浮法电耗较大，处理每吨废水比沉淀法多耗电约0.02-0.04kw/h。
气浮在“老三套”方法中起着承上启下的重要作用。目前国内外气浮按照气泡产生的方法，可分为加压溶气气浮(DAF)、叶轮气浮(IAF)、曝气气浮、引风空气气浮、电解气浮等。但是由于这些气浮都是采用空气，所以效果在一定范围内可以达到极限，不能解决事故状态下及高浓度废水的生化进水要求。利用臭氧替代空气与气浮结合，从而提高了气浮的去除率，满足生化进水要求，从而保证了污水处理回用[9]。
4 臭氧—气浮工艺在水处理中的应用
4.1 概述
臭氧一气浮工艺是将臭氧氧化技术与气浮分离技术相结合的一种新型深度处理工艺。由于采用臭氧化空气为气源，对有机物的去除较为彻底，有明显的杀菌消毒作用，同时臭氧又有较强的助凝作用，能够促进气浮工艺的处理效果；气浮工艺则在具有去除悬浮颗粒物能力的同时又比混凝沉淀工艺减少了水力停留时间，而溶气泵良好的混合效果又为充分发挥臭氧的氧化作用创造条件[3]。
目前水处理中所用到的气浮方法绝大多数是采用空气作为气源，本工艺将臭氧氧化与高效气浮有机结合起来，每个环节所发挥的作用都有其侧重面。在发挥各自作用的同时，双方又有重要的联系。
4.2 工艺流程
臭氧—气浮工艺是一种将臭氧氧化与高效气浮有机结合起来的集成式水处理方法。该工艺是以臭氧代替空气作为溶气气源，利用溶气泵吸入臭氧，在分离器内部释放产生均匀臭氧微气泡，同时实现臭氧气泡与污染物的接触粘附和对污染物的氧化过程，最终完成气浮分离。整个接触混合与气浮分离过程在密闭装置中进行，装置顶部设置排渣口，通过自动控制系统定时进行排渣操作，利用水位的定时升降实现全自动密闭排渣[10]。
4.3 技术优点
实际情况中，在经过生物处理以后，原水中还存在大量的难生物降解的有机物，用常规的工艺很难对其进行处理，而臭氧的强氧化性可使有机物的结构发生显著变化[1]。臭氧能够改变水中悬浮物的性质，将悬浮物颗粒粒径变大，使处于溶解状态的有机物变成可絮凝的胶体颗粒等方面。臭氧与水的混合效果又对工艺的处理效果有非常重要的影响，溶气泵良好的混合效果能够使臭氧与水充分、均匀的混合，有利于臭氧各种作用的发挥。在臭氧 -气浮工艺中，使用臭氧化空气或臭氧化氧气代替空气在特殊构造的气浮池中进行气浮处理，臭氧的氧化是非常重要的环节，其优点在于把臭氧氧化的化学现象和气浮净水技术的物理现象有机地结合在一起，充分发挥臭氧的强氧化剂和有力的消毒剂作用。
因此与过滤、膜分离、紫外线消毒等工艺相比，臭氧-气浮法适用范围更广，处理效率更高，处理对象更多样。96%以上的臭氧利用率，节省了用于消毒的臭氧设备费用。去除有机物、磷化物，杀死病原菌，脱色等处理效果佳。特别适用于处理含有难分解物质的废水。
4.4 影响因素
混凝条件、气浮条件以及臭氧的投量对工艺的处理效果均有非常重要的影响：混凝条件是否合适，决定了能否产生足够的絮体与污染物以及微气泡进行粘附，而回流水量、溶气压力等气浮条件则决定了微气泡的产生[3]。气浮所需的空气量和浮渣的去除也对气浮过程有较大的影响，气浮所需的空气量随选择的溶气压力或回流比而变化。因此不同尺寸的释放器要求不同的流量与压力的组合，从而提供同量的空气。不同的水质经过气浮处理后形成的浮渣具有不同的特性，对于某一特定水质，为了使浮渣去除对出水的影响到最小化，对浮渣的去除方式、刮渣方向、去除频率、刮渣速度和气浮池水位必须进行优化。
5 臭氧—气浮工艺在城市污水再生回用中的应用
城市污水的再生利用主要包括利用和再生两环节，污水利用的条件是拟进行回用的水必须满足一定用途的水质要求。因此，回用处理的环节是必不可少的。在这一战略的实施过程中，具有节水和治污双重功能的问题将得到广泛的关注。但由于我国污水再生产业还处于起步阶段，国家建设资金极端缺乏、价格体系不健全，严重影响了城市污水再生利用产业化进程。因此，研究污水再生利用的机制是加快城市污水再生利用产业化进程的重要问题。
目前常规污水回用工艺中存在许多问题。常规的污水回用处理工艺多为混凝沉淀过滤工艺，对污水中存在的呈胶体或悬浮态的污染物有明显的效果，出水浊度较低。但是由于没有强氧化剂的存在，无法去除污水中残留的难生物降解有机物。一般的混凝沉淀过滤工艺缺乏对二级处理后水中残留的难生物降解有机物的去除效果，其出水会带有轻微的刺激性气味。因此，常规工艺对色度和臭味的去除很有限。并且生活污水经二级处理后，多为粒径小、密度低的杂质，增加了用沉淀工艺对其进行处理的难度。
常规工艺不仅在处理效果上非常有限，而且在工艺上也存在弊端，需要新型工艺在以上两个方面有较大的改善。与常规回用水工艺相比较，臭氧—气浮工艺在工艺特征方面，臭氧—气浮工艺对进水水质冲击负荷具有很好的缓冲能力，尤其在浊度、色度、细菌、大肠杆菌等方面具有极强的耐冲击负荷能力。研究结果表明，二级出水水质经臭氧—气浮工艺深度处理后，出水中的浊度、色度、COD等指标均能达到国家城市杂用水水质标准(GB/T18920-2002)，同时对二级出水中的UV254、细菌和大肠杆菌也有很好的去除效果。因此，臭氧—气浮工艺在城市污水再生回用中的应用使得处理效果和工艺特性上都能够满足需要。
6 臭氧—气浮工艺的发展前景与展望
通过长期的实验，可知臭氧一气浮工艺非常适合对污水厂二级出水进行深度处理，它解决了常规回用水工艺对色度等感观性指标不易去除以及灭菌有害副产物多的难题，并且对难生物降解有机物有较高的去除率。此外，本工艺还适用于造纸废水一级处理、印染废水等有机污染处理，可以说具有广阔的污水处理前景[3]。
从操作方面来看，本工艺又优于冗长的混凝沉淀过滤工艺，而另一方面又克服了传统气浮工艺的各种弊端，操作简单，自动化程度高[3]，近年来，随着水泵生产技术的发展，国外出现了以溶气泵代替空压机、溶气罐的气浮装置，使系统得到简化，大大提高了设备运行的可靠性[1]。另外，处理过程中所产生的浮渣含水率远远低于沉淀工艺产生的污泥，大大降低对其处理的难度，而且还可以回收有用物质，这进一步提高了臭氧一气浮工艺的实用价值[3]。因此，臭氧—气浮工艺在城市污水处理厂二级出水深度处理中，更能解决常规水处理工艺的感官性指标不易去除及氯消毒有害消毒副产物等难题，并提高难降解有机物的有效去除率[1]。
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