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，包括去除有機化合物、某些無機化合物（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，它正在被越來越多地考慮用于各種水處理應用。

 

設計臭氧水處理系統(tǒng)的一個關鍵問題是實現(xiàn)處理目標需要多少臭氧。去除有機/無機化合物和消毒是臭氧處理的兩種 很常見的應用，因此這些將成為本文的重點。

 

在使用臭氧從水中去除污染物時，重要的是要了解臭氧通過化學氧化過程起作用。化學物質(zhì)在失去電子時會被氧化。這些反應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。

 

水中可氧化物質(zhì)的量稱為臭氧需求量。

 

無機化合物 

 

很簡單的反應是臭氧與無機化合物如Fe，Mn和H2S發(fā)生反應。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。因為在水處理中，除去這些化合物是非常重要的，F(xiàn)e和Mn會使水變色并沉積在管道系統(tǒng)和浸沒在水中的材料上。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，但實際上使用過量的臭氧（4 毫克臭氧/ 毫克 H2S）。H2S被氧化成硫酸鹽，一種可溶性鹽。

 

有機化合物

 

預測從水中去除有機物質(zhì)所需的臭氧量更加困難。首先，一些有機化合物不與臭氧反應，即使它是強氧化劑。這些化合物通常是羧酸、酮和醛。即使使用與臭氧發(fā)生反應的化合物，其中一些化合物也會氧化成不起反應的較小化合物。因此，如果沒有詳細了解所涉及的化學品或進行實驗室或試點研究，很難預測所需的臭氧量。

 

測量水中有機物含量的一種方法是測量化學需氧量（COD）。該測試基本上確定了將樣品中的所有有機碳轉(zhuǎn)化為CO2的氧氣量。該測試在高溫下使用強氧化劑來氧化有機化合物。測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。在實驗室測試中，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)生相關性。這是確定所需臭氧量的 很直接方法。對于可用臭氧處理的有機化合物，可以采用經(jīng)驗法則對臭氧需求進行初步估算。它說你需要2.5毫克臭氧/毫克COD，其中COD由可被臭氧氧化的有機化合物組成。

 

另一種測量水中有機物濃度的方法是總有機碳（TOC）。該測試通過首先從水中去除無機碳（IC）（例如碳酸鹽）來測量水中的總碳（TC）。通過測量TC并減去IC剩余量是TOC。雖然臭氧可以氧化有機化合物，包括一些氧化有機化合物，但許多化合物會以氧化態(tài)保留在水中，因此TOC的變化可能不會很大。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間。對此的測量被稱為Ct，其是臭氧的平均濃度乘以平均暴露時間。如果繪制臭氧濃度與時間的關系，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臭氧的需求。這意味著必須首先除去可被臭氧氧化的有機和無機化合物，然后才能建立濃度以建立Ct值。 

 

對于消毒，所需的臭氧量等于：

 

來自可氧化物質(zhì)的臭氧需求（mg/l）+（Ct÷接觸時間）

 

臭氧分解

 

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

 

因此，除了可氧化的無機或有機化合物對臭氧的需求外，還必須考慮到自分解。在開發(fā)Ct值時，將測量作為接觸時間的函數(shù)的臭氧濃度的變化以確定C對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

滯留時間，滯留時間越長，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（g/h）來評定。所需的臭氧產(chǎn)生率有時被稱為應用臭氧劑量（AOD）。我們還需要知道流量，因為大多數(shù)臭氧需求要求以克或毫克每升計算。因此，需要在一段時間內(nèi)處理的水量。

 

在有機/無機去除的情況下

 

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÷接觸時間）（g/l））X流速（升/小時）÷臭氧轉(zhuǎn)移效率（％）

 

準確了解所需臭氧量的方法臭氧轉(zhuǎn)移設備的類似于全面使用的臭氧轉(zhuǎn)移設備進行試驗。盡管如此，本文中討論的方法以及所提到的經(jīng)驗法則可用于生成粗略估計，以查看臭氧是否可能成為水處理應用中進一步考慮的候選者。