臭氧接觸池的新設(shè)計(jì)方法和應(yīng)用

1、臭氧接觸池的新設(shè)計(jì)方法和應(yīng)用森岡崇行，汪兆康富士電機(jī)系統(tǒng)株式會(huì)社圖為2月28日采訪汪兆康先生時(shí)，他與水業(yè)中國CEO陳震宇的合影摘要:本文介紹運(yùn)用本公司獨(dú)自開發(fā)的模擬系統(tǒng)對(duì)臭氧接觸池設(shè)計(jì)的新方法，通過對(duì)常用的臭氧接觸池一擴(kuò)散管式接觸池 和作為新一代接觸池而正被引起矚目的DUT性能的評(píng)價(jià)，來體現(xiàn)其實(shí)用性。關(guān)鍵詞：設(shè)計(jì)、臭氧接觸池、擴(kuò)散管式接觸池、DUT、模擬系統(tǒng)、臭氧濃度1. 前言臭氧是具有強(qiáng)氧化性的氣體。溶解于水后，可以去除異臭、三鹵甲烷生成可能性能、色素及微量的化學(xué)成分等作用。在 世界范圍內(nèi)飲用水的水質(zhì)標(biāo)準(zhǔn)越來越嚴(yán)格的情況下，臭氧處理的有效性也越來越被重視。本文，就臭氧接觸池的新設(shè)計(jì)方法 和應(yīng)

2、用作簡(jiǎn)單的介紹。2.臭氧接觸池2.1臭氧接觸池的類型臭氧處理的接觸池是提供臭氧溶解于水和確保臭氧反應(yīng)時(shí)間的裝置。由此，臭氧接觸池應(yīng)具備以下兩個(gè)功能：讓臭氧有 較高的溶解率（較高的臭氧吸收率）和較高的反應(yīng)效率（較高的去除率）具有代表性的臭氧接觸池的類型如圖一1、圖一2所示。圖一1所示的擴(kuò)散管式接觸池，是目前世界上廣泛使用的一種類 型?；緲?gòu)造為由同向流式3格接觸池（分3格投加臭氧）后加滯留池（增加反應(yīng)時(shí)間）。例如，日本具有代表性的大型凈水 廠一東京都金町凈水廠、朝霞凈水廠、大阪市柴島凈水廠都采用這種類型的接觸池。圖一2是U型管式（Deep U-tube的開頭字母，簡(jiǎn)稱為DUT）接觸池1）它最早是

3、由法國人開發(fā)出來的，有效水深設(shè)定為 2030m，具有占地面積小，臭氧吸收率高的特點(diǎn)。例如：大阪市豐野凈水廠、阪神水道的新尼崎凈水廠是采用這種類型的 接觸池）2.2與臭氧接觸池性能有關(guān)的因素如表一1所示，為了預(yù)測(cè)臭氧接觸池的性能，必須考慮原水的水質(zhì)和與其他與接觸池相關(guān)的因素）圖一1圖一1擴(kuò)散管式接觸池臭氧氣體大富士電機(jī)系統(tǒng)株式會(huì)社環(huán)境系統(tǒng)本部事業(yè)企畫部 191-8502東京都日野市富士町1 丁目 TEL.+81-42-585-6116_FAX.+81-42-585-6119E-mail:.jp,臭氧氣體原水上升部處理水/下降部（原水上升部處理水/下降部（下降管）1 1 流向吸收的基本方程式補(bǔ)充J

4、接觸觸池類、二擴(kuò)散管式接觸池氣相:外流 液相:完全 混合吸成的J基本1方，程HQ=-A(1-)Ka(C*-C)GdZL(pN - pO,TQG=七 C(1-幟+(c,pq.IlLDUTG氣相、液才兩者皆為匕流式QL=Ay-C-J)-kg卜dPQ P=-A1-)K a(C*-C)G dZL第二式為 上升管時(shí) 不需負(fù)記 號(hào)記號(hào)說明QG：氣體流量、Q：液流量、A：接觸池?cái)嗝婷?氣體滯留、 KLa:物質(zhì)移動(dòng)容量系數(shù)C:液相臭氧濃度:臭氧氣體濃度:、C 中平衡的液相臭氧濃K03:臭氧的自我分解系數(shù)在擴(kuò)散管式接觸池中，因?yàn)槿芙夂头磻?yīng)同時(shí)進(jìn)行，所以很難明確劃分其溶解過程和反應(yīng)過程。而DUT則是在中央的下降管

5、里 以極短的時(shí)間里幾乎被完成溶解，其后在上升過程中進(jìn)行反應(yīng)，接觸池中可以明確劃分溶解和反應(yīng)過程。3設(shè)計(jì)方法為了能最大程度地同時(shí)考慮表一1的各種因素關(guān)系，運(yùn)用了物理化學(xué)的系數(shù)進(jìn)行工程學(xué)的模擬實(shí)驗(yàn)。模擬實(shí)驗(yàn)的概要如 圖一3所示。輸入條件包括:輸入接觸池的外形尺寸、接觸方法、處理?xiàng)l件、臭氧注入條件等。據(jù)此，通過臭氧吸收模式（包 括反應(yīng)模式）對(duì)臭氧的吸收和反應(yīng)進(jìn)行計(jì)算，得到處理水中溶解臭氧的濃度和反應(yīng)物質(zhì)的濃度。如果計(jì)算出的結(jié)果并不是很 好的情況，可以改變其輸入條件（如臭氧注入率、滯留時(shí)間等）重復(fù)進(jìn)行演算。如果知道了臭氧的注入率的話，通過演算，即可計(jì)算出臭氧的需要量，從而決定臭氧發(fā)生器的發(fā)生量。另外，

6、如果能夠 定出接觸時(shí)間的話，便可計(jì)算出接觸池的規(guī)格。如圖一3所示，模擬演算在設(shè)計(jì)中是一種非常有用的手法。臭 氧吸收的模式是此模擬演算的核心。如表一2所示。擴(kuò)散管式的模 式別名也被稱為 LCGP（Liquid Phase Complete mixing Gas Phase Plug Flow）模式。另外，DUT的模式也是由本公司開發(fā)完成的2）3） 表一2中以臭氧吸收為主進(jìn)行表述。為了簡(jiǎn)便起見，臭氧的反應(yīng)只米 用臭氧的自我分解。在實(shí)際運(yùn)用中，反應(yīng)物質(zhì)和臭氧的反應(yīng)通過另 外的實(shí)驗(yàn)進(jìn)行驗(yàn)證，求出其反應(yīng)式和反應(yīng)速度定數(shù)，追加入表中的 公式中。當(dāng)反應(yīng)物質(zhì)為化學(xué)物質(zhì)的時(shí)侯，臭氧的反應(yīng)速度系數(shù)不隨原水 水質(zhì)而

7、改變，為一定值。但是，原水中所包含的有機(jī)物的性質(zhì)根據(jù)原水不同而不同，根據(jù)經(jīng)驗(yàn)可明顯得知有機(jī)物的臭氧消費(fèi) 特性（臭氧消費(fèi)速度系數(shù)），將此另行進(jìn)行實(shí)驗(yàn)而求取是非常重要的。多數(shù)的情況下，即使pH等條件相同的水質(zhì)，因內(nèi)含有機(jī)物成分的不同,臭氧的消費(fèi)速度系數(shù)也存在差異。表一1與臭氧接觸池的性能相關(guān)的因素4.模擬實(shí)例表一3中所示的是根據(jù)實(shí)際的模擬演算作為參考而設(shè)計(jì)的某大型凈水廠接觸池的實(shí)例。同向流式3格接觸池,全部有5 座，表所示的流量等為其合計(jì)值，接觸池內(nèi)的反應(yīng)時(shí)間約為12分鐘，滯留池的滯留時(shí)間約為6分鐘。表一2臭氧吸收的基本方程式臭氧注入條件-注入臭氧氣體濃度注入臭氧氣體流量臭氧注入條件-注入臭氧氣體

8、濃度注入臭氧氣體流量處理水流量其它條件-物質(zhì)移動(dòng)容量系數(shù)臭氧自我分解速度系數(shù)八來代表性因素水質(zhì)反應(yīng)物質(zhì)濃度（反應(yīng)物質(zhì)的反應(yīng)速度系數(shù)K）共存物質(zhì)濃度（共存物質(zhì)對(duì)反應(yīng)促進(jìn)，阻礙的程度）臭氧消費(fèi)性物質(zhì)濃度（臭氧消費(fèi)速度系數(shù)，臭氧分解速度）_永、潟原水水量1 11，刀 5111流量變動(dòng)溶解裝置的功 能臭氧氣體流量，臭氧氣體濃度，L/G （液，氣體比率）、臭氧氣體空塔速度（也稱氣體吹入速度，和a相關(guān)聯(lián)） 分配系數(shù)（亨利定數(shù)），水深接觸池反應(yīng)裝置的功 能接觸時(shí)間（接觸池和滯留池或下降管和上升部） 滯留時(shí)間分布，臭氧濃度分布格數(shù)，注入率，各格的注入比率（注入的偏心系數(shù)）CT值輸出處理水溶存臭氧濃度輸出處理水

9、溶存臭氧濃度被處理物質(zhì)除去率排臭氧濃度I實(shí)際設(shè)備應(yīng)用于設(shè)計(jì)一臭氧吸收率表一3實(shí)測(cè)值和模擬的比率項(xiàng)目17:0018:259:00水溫C29.93029.4UV2600.0710.0890.082-MIBng/L6722O注入率O3發(fā)生量mg/L3.232.6kg/h343434處理水量m3/h104001120013200發(fā)生O氣量Nm 3/h180018001800發(fā)生O 濃度g/m 311889188918893尾氣臭氧實(shí)測(cè)值g/m 31.91.81.7計(jì)算值1.511.41.25吸收率實(shí)測(cè)值%89.9490.4791.00計(jì)算值91.9992.5893.38溶解O。實(shí)測(cè)值 計(jì)算值mg/L0

10、.030.010.030.0350.0290.026表中顯示運(yùn)行后的實(shí)際性能和在水質(zhì)中進(jìn)行模擬的相適合性。由于此時(shí)原水的臭氣物質(zhì)（2-MIB）濃度很低，沒有進(jìn)行對(duì)臭 氣的計(jì)算。但是，如表中所示，溶解臭氧濃度和臭氧吸收率的計(jì)算結(jié)果和實(shí)際數(shù)據(jù)基本上一致。4 .設(shè)計(jì)變數(shù)、操作變數(shù)及擴(kuò)散管式接觸池和DUT的性能4.1臭氧吸收率投加量=1.5（mg/L）、反應(yīng)時(shí)間=5min一定的條件下，接觸池的高度及注入臭氧氣體的濃度（P。）產(chǎn)生變化時(shí)的臭氧吸收率 如圖一4所示。（為了保持一定的臭氧投加量，當(dāng)投加臭氧氣體的濃度升高時(shí)，可降低臭氧氣體的流量）。隨著投加臭氧氣體的濃度的升高，臭氧吸收率增加到10%以上?？墒?/p>

11、，提高接觸池的深度的時(shí)侯，臭氧吸收率增加量很 微小?？梢?，臭氧氣體濃度的效果影響很大。也就是說，如果使用高濃度的臭氧氣體，提高接觸池的高度時(shí)，也能取得同樣 的效果。同向流式3格接觸池（接觸池有效水深6m的時(shí)侯）時(shí)也同樣，臭氧吸收率和DUT幾乎沒有差別。4.2臭氣物質(zhì)去除率選用的臭氣物質(zhì)為2-MIB （二甲基異冰片）。在臭氧投加量=1.5（mg/L）、反應(yīng)時(shí)間=5 min一定的條件下，接觸池高度及臭 氧的濃度產(chǎn)生變化時(shí)，臭氣物質(zhì)去除率如圖一5所示。臭氣物質(zhì)去除率隨注入臭氧氣體的濃度而增加，但從P0=25mg/L-air附 近開始呈現(xiàn)飽和趨勢(shì)。圖一3模擬的概念圖一6是DUT同向流散氣管式3格接觸池

12、的接觸池內(nèi)溶解臭氧濃度分布曲線圖。（P0=30mg/L）和同向流擴(kuò)散管式3格接觸池 相比較，DUT的值在整體上呈現(xiàn)高出10%左右。此原因，可考慮為是由于溶解臭氧濃度分布不均而引起的。從圖中可以看到，同向流散氣管式3格接觸池的流出口處溶解臭氧濃度值最大，WDUT則是在接觸池底部時(shí)最大。這說明了在DUT中臭氧的溶解主要是在下降管內(nèi)，并且在非常短時(shí)間內(nèi)進(jìn)行。（本計(jì)算中全滯留時(shí)間的2.5% =大約7.5sec）因此，DUT中在較早的階段就開始進(jìn)行高濃度的臭氧溶解和臭氣物質(zhì)的反應(yīng)，并有效地利用上升過程的滯留時(shí)間。和同 等滯留時(shí)間的同向流式3格接觸池相比顯示了其較高的臭氣物質(zhì)去除率。5.結(jié)語本文針對(duì)利用模擬演算對(duì)臭氧接觸池的設(shè)計(jì)方法的實(shí)用性進(jìn)行了說明。由于篇幅的關(guān)系未能作詳細(xì)的說明。如果能給諸 位帶來參考價(jià)值的話，筆者將感到十分榮幸。圖一4注入臭氧氣體濃度和臭氧吸收率050100150注入臭氧氣體濃度