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的一個關鍵問題是實現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最常見的應用，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?；瘜W物質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生，但在現在的情況下，我們指的是涉及臭氧形式的氧的反應。

 

水中可氧化物質的量稱為臭氧需求量。

 

無機化合物 

 

最簡單的反應是臭氧與無機化合物如Fe，Mn和H2S發生反應。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，Fe和Mn會使水變色并沉積在管道系統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）在水中產生令人不快的氣味（腐爛的雞蛋）。在飲用水應用中，經常除去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水平之間產生相關性。這是確定所需臭氧量的最直接方法。對于可用臭氧處理的有機化合物，可以采用經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。已經開發了多種生物的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，會分解回氧氣。分解反應是溫度的函數。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Ct值時，將測量作為接觸時間的函數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。

 

臭氧轉移效率

 

為了在含水系統中充當氧化劑，臭氧必須從氣體轉移到液相，在那里它作為溶解物質在溶液中起作用。在溶液中終止的氣相中產生的臭氧的百分比（施加的臭氧劑量）（轉移的臭氧劑量）被稱為臭氧轉移效率。

 

轉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

 

產生臭氧發生器通常以每天克/小時（g/h）來評定。所需的臭氧產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）÷臭氧轉移效率（％）

 

準確了解所需臭氧量的唯一方法臭氧轉移設備的類似于全面使用的臭氧轉移設備進行試驗。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。