論臭氧在二級污水及淤泥處理中的應用
來(lai)源：谷騰水(shui)網(wang) 閱讀：4092 更新時(shi)間：2008-03-17 15:131. 概述
在污水凈化設備中，使用臭氧可以達到優化工藝流程，提高經濟效益的作用。
凈化后的污水經過消毒，毒性下降，而內分泌物質等微污染物則會轉化成分解物，其前提是使用適量的臭氧。
活性污泥變得穩定，且污泥體積指數變小，這樣活性污泥就能更好地沉積下來。
在活化過程中，過剩的污泥量會逐漸減少。
污水凈化時所產生的污泥開始產生沼氣，大多數污泥轉化成了生物能源，而需要凈化處理的污泥量則會減少。
淤泥逐漸減(jian)少，排水更加容(rong)易，而(er)且只需進行適(shi)當調節即可(ke)。
2. 引言
在符合技術性和經濟性的實用氧化劑中，臭氧的氧化能力是最強的。
如今它的應用非常廣泛：
可用于飲用水的消毒殺菌、有機材料的氧化、膠質物的去穩定作用以及離子態鐵和錳的沉淀等等。
也可以用于二級家庭和工業污水的消毒、將化學需氧量（CSB，英語中為COD）轉化為生物需氧量（BSB，英語中為BOD），降低毒性，消除化學需氧量與微污染物，如內分泌物質以及對水生群落有毒害作用的物質等等。
可用于工業加工，例如木質纖維素與高嶺土的曝曬漂白，也可用于特殊的有機合成。
新的應用包括：
抵御空氣污染
處理污水凈化后所產生的淤泥
食品與農產品的保鮮
3. 臭氧
臭氧的物理-化學性質
臭氧分子是由三個氧原子構成的，即O3。
其物理特性為：
分子量： 40 克/摩爾
形成熵： 2’975 J/g (25°C)
活化能： 2’221 J/g (25°C)
→這就意味著，臭氧是十分穩定的：
在20 °C的空氣中，其半衰期為： 35天
在20 °C的飲用水中，其半衰期為： 20分鐘
→要想實現有效的消毒，必須滿足下列條件。
紫外線吸收： 3’150 l/Mole/cm 每258毫微米
在氣相條件下對臭氧進行測量。
潔凈水中的亨利常數： 106 Pa/Mole/l (20°C)
臭氧的溶解度是氧氣的11倍
擴散常數： 1.75x10-9 m2/s (每20 °C)
大約與氧氣和二氧化碳相同
標準氧化還原電位： 2.08 V (pH = 1)
其他氧化劑： O2 1.23 V, Cl2 1.36 V, ClO2 1.49 V
氣味界限
立刻在空氣可以嗅到的濃度： 40 μg/m3
最大容許量： 200 μg/m3
觀察發現的最小致毒量： 240 μg/m3
→可以看到，早在臭氧達到危險劑量之前，人們就可以發現它了。
臭氧的生成
臭氧是通過一臺電氣設備，即臭氧生成器，在含有氧氣的氣體中產生的，該氣體必須是清潔（碳氫化合物的含量小于50 ppmV甲烷當量）和干燥的（最大露點-65 °C）。
如今，從經濟性方面考慮，人們已經很少使用干燥空氣。
以氧氣作為載運氣體生成的臭氧具有下列特性：
O3濃度 CO3 = 8.0 – 14.0wt %
對電能的需求
CO3 = 12.0wt % ： 36’000 J/g (10.0 kWh/kg)
臭氧的生成是一個平衡過程，它受到系統溫度的制約，因此必須能夠有效地進行水冷卻。
質量： 飲用水
變化： 無
溫度：o 參考： 20 °C 范圍： 4 ～ 30 °C 需求： ~ 1.50 m3/kgO3 溫度升高(gao)值： 5.0 °C
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圖1 氧氣生成器與儀器的使用 容量： 3 x 10 kgO3/h, 12 %O3, 氧氣 |
臭氧發生器
以氧氣作為載運氣體的臭氧儀包含下列部件：
氧氣供應，小型設備，低于30-40 kgO3/h：
? 液態氧氣“LOX”儲于罐中，并帶有汽化器
大型設備：
? 在類型為PSA、VPSA或VSA的裝置的輔助下，原地生成
帶有供電裝置的單個或多個臭氧生成器
發生器的典型臭氧產量： 0.10 – 100 kO3/h
在待處理的水或污水中用于臭氧的擴散與反應的系統，位于氣密性良好的混凝土槽或不銹鋼容器中。
或者是一個用于清除廢氣中殘存臭氧的系統
或者是應用在活性污泥凈化設備中的氧氣回收系統
一個冷水裝置，帶有熱交換器與循環泵，已處理的污水位于熱交換器的初級循環
必要的儀器，氣動閥
一臺系統控制設備
所需配電裝置
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圖2 2臺二級工業污水凈化臭氧反應器 從化學需氧量轉化為生物需氧量 容量： 75 kgO3/h, 12 %O3, 液態氧, 1’000 m3/h |
臭氧消耗
基礎：
液態氧“LOX”原地供應，儲藏罐與汽化器租賃使用
臭氧濃度： 12wt%
冷卻液溫度： 20 °C
年息： 10 %
維護費，備件： 3.00%/年（基礎投資）
電能： 0.15 Fr/kWh
在擴散與反應槽內的停留時間： 20分鐘
支出（不包含擴散與反應槽，但包含擴散裝置）：
年息，與設備大小有關，0.60 每 1.00 SFR/kgO3
電能：
臭氧的生成（10 kWh/kgO3）： 1.50 Sfr/kgO3
系統剩余（3.0 kWh/kgO3）： 0.45 Sfr/kgO3
氧氣“LOX”： 0.20 - 0.25 Sfr/kgO2 1.67 – 2.08 Sfr/kgO3
維護費與備件： 0.18 – 0.30 Sfr/kgO3
總計： 4.40 - 5.33 Sfr/kgO3
總計，特別是每gO3或gO3/m3： 0.44 - 0.53 分（瑞士貨幣單位）
初級冷卻液為凈化后的污水
反應槽可以使用普通的混凝土制成，但必須加蓋，確保絕對的氣密性。
4. 臭氧作為污水和淤泥中的氧化劑與消毒劑
在處理污水的過程中，臭氧的作用通常僅僅是部分氧化，也就是對有機物進行氧化，同時還可以觀察到殺菌現象，這也是一種氧化作用。 有機物質例外。
在實踐過程中不會出現礦物化的現象，或者只是偶爾出現，例如化學需氧量必須部分分解的時候 溶解和未溶解的有機碳實際上沒有發生變化。
本來，完全的礦物化還是有可能的，但是成本將會高得驚人。
臭氧是一種獨特的技術，它可以與其他技術聯合起來協同生產，達到最優化的效果，例如將它與生物過濾裝置串聯起來，可以對生化方面具有抵抗力的化學需氧量進行分解。
也可能會同時出現沉淀，例如當磷的沉淀物中帶有過量氯化鐵時，就會出現氫氧化鐵的沉淀。
亞硝酸鹽和亞硫酸鹽會被迅速氧化成硝酸鹽和硫酸鹽。 在中性PH值得環境中，氨基NH4 + 不會被臭氧氧化。
根據實際觀察到的情況，臭氧可以對二級或三級污水以及污水凈化后產生的淤泥發生如下作用：
通過弱化細胞壁來消滅微生物，后者在滲透壓力的作用下爆裂，也就是發生了細胞溶解。 大部分細胞質進入了周圍的液體中，其后果是周圍液體中含有更多的生物需氧量（BSB），硝酸鹽（是由臭氧氧化蛋白質中的氮元素后生成的）和磷。
由生化抵抗性化學需氧量（CSB）轉化為生物需氧量（BSB）。
降低毒性，以經典的試驗為基礎，例如Daphnia、Microtox、Ames或現代化的Luminotox測試等等。
微型污染物，例如內分泌物質或其他毒性物質的分解或轉化。
在下列方面，可以使用臭氧對污水和污水凈化后產生的淤泥進行處理：
二級或三級污水的消毒
同時，微污染物也會被氧化，因為在動力學上，該化學反應總是比消毒過程快。 例如，使用適量的臭氧可以使內分泌物質分解，并降低毒性。
如果需要對病菌進行3段分解，當剩余化學需氧量為50mg/l，且懸浮物為20mg/l時，臭氧量約為8gO3每立方米污水。
相應的處理成本（不包括混凝土結構）可達3.5至4.2分每立方米污水。
如果增加臭氧量，則可能會在微生物上出現抑制反應，因為臭氧會氧化微生物細胞外產生的酶。
抵抗性化學需氧量的分解，以及轉化為生物需氧量
下圖所示為一個二級工業(ye)污(wu)水(shui)的(de)案例，首先使用機械-生物學的(de)方法(fa)進行處理(li)。
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圖3 臭氧對抵抗性化學需氧量的作用，以及生成物的分解 參考： 得利滿技術Ozonia，小規模試驗計劃，使用100%的造紙廠污水 |
活性污泥的同時處理，提升沉淀性能
在活性淤泥設備的回流淤泥中(zhong)直接使(shi)用(yong)適量的臭氧，即可消除沉淀物(wu)表面的線形(xing)菌，同時還能消除干燥劑(ji)。
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圖4 臭氧對線形菌的作用 參考： Biolysis® O Degrémont |
典型的臭氧用量與污水通過量的關系為1.0 g O3每立方米污水，相應的總處理費用為0.44至0.53分（瑞士貨幣）每立方米污水。
淤泥體積指數被優化至200或更低。
與此同時還會發生副作用：
過量淤泥會減少50%或更多
在經過處理的污水中，總的化學需氧量與生物需氧量的濃度降低，可減少50%之多。
在經過處理的污水中，硝酸鹽的濃度提高約50%（如果沒有同時進行脫氮的話）
磷的(de)含量實際上沒有發生變化。
使用濾腔壓力機對污水凈化后產生的淤泥進行排水
以Air Liquide ASPAL為例，可以從兩個方面看出臭氧的積極作用TMSludge，運行5年后的結果，工業污水處理設備中的淤泥:
濾餅量減少45%，有機物含量減少41%
與普通的干燥劑含量“TS-G”為30%相比，由于提高了壓濾機的排水性能，干燥劑含量“TS-G”提高到50%以上。
降低了處理成本，提高了燃燒效率
減少20%的化學添加劑
副作用是：
濾液中含有更多的有機物（在細胞溶解過程中遭到破壞的微生物細胞的細胞質），因此流入活性淤泥設備中的生物需氧量提高了約0.5%。
濾液中也含有被臭氧氧化的細胞壁蛋白質所產生的硝酸鹽，約0.25 kgNO3每千克細胞壁生物需氧量BSB5。
濾液中也包括細胞壁中的磷，約0.02 kgPO4 每千克細胞壁-生物需氧量BSB5。
臭氧(yang)(yang)用(yong)量為23 gO3 每(mei)(mei)千克(ke)輸入的“干燥劑(ji)（TS）”，相應(ying)(ying)的總處理成本為10.1～12.2分(fen)（瑞(rui)士(shi)貨幣）每(mei)(mei)千克(ke)干燥劑(ji)（TS），或(huo)61～74-瑞(rui)士(shi)法郎(lang)每(mei)(mei)噸(dun)淤(yu)泥(ni)餅。 假設(she)處理脫(tuo)水淤(yu)泥(ni)的成本為300.--瑞(rui)士(shi)法郎(lang)每(mei)(mei)噸(dun)，則使用(yong)臭氧(yang)(yang)后，每(mei)(mei)噸(dun)濾餅可以節省74～61瑞(rui)士(shi)法郎(lang)。 在(zai)臭氧(yang)(yang)的此(ci)類應(ying)(ying)用(yong)中，往往在(zai)經(jing)濟上(shang)都比較實(shi)惠。
污泥的處理
在污水過濾后所產生的淤泥中使用臭氧，成功率很高，淤泥的臭氧化可以提高甲烷的產量。
更多的小型試驗表明，甲烷的產量至少提高了2至3倍。 其中一個試驗的淤泥儲存時間為18天，溫度為35°C，使用常規方法所產生的沼氣中的甲烷含量為60至65體積百分比（參見INRA Narbonne，法國）。
根據該試驗的能量平衡，可以產生下列數據，表明甲烷的產量提高了2.5倍：
不含臭氧： 7’330 kJ 每 kgTS (0.26 m3CH4/kgTS)
含臭氧：
理想的臭氧用量為0.15kgO3 每 kg干燥劑（TS）
相應的凈成本為7’020 kJO3 每 kg干燥劑（TS）
總成本為0.66至0.81瑞士法郎每千克OMe。
低燃燒熱值為18’330 kJ每 kg干燥劑（TS）
當使用熱電聯產，且熱電總效率為90%時，凈值為16’490 kJ每 kg干燥劑（TS）
也就是說，剩余凈含量為9’470 kJ每 kg干燥劑（TS）
凈能量平衡為正值。
根據上述情況，預計淤泥含量會減少50%以上。
試驗表明，在臭氧化過程中進入系統與溶解在液體中的氧氣不會對厭氧的產甲烷生物造成任何影響。
黏度也(ye)降低至(zhi)2至(zhi)3mPas，這是化(hua)學需氧量極度液化(hua)的結果(guo)。
5. 結論
在污水凈化設備中，使用臭氧可以達到優化工藝流程，提高經濟效益的作用。
凈化后的污水經過消毒，毒性下降，而內分泌物質等微污染物則會轉化成分解物，前提是使用適量的臭氧。
活性污泥變得穩定，且污泥體積指數變小，這樣活性污泥就能更好地沉積下來。
在活化過程中，過剩的污泥量會逐漸減少。
污水凈化時所產生的污泥開始產生沼氣，大多數污泥轉化成了生物能源，而需要凈化處理的污泥量則會減少。
淤泥逐漸減少，排水更加容易，而且只需(xu)進行適當調節即可。
在臭氧的這類應用中，需要考慮其優化問題：
在對二級或三級（過濾之后）污水進行氧化和消毒時，需要達到何種消毒結果以及化學需氧量對臭氧的使用量起決定作用，在大多數情況下，氧化過程都是有保證的。
在對淤泥的處理過程中，需要優化：
當然，當線形菌形成松散的沉淀物時，活化淤泥的臭氧化是不可或缺的
由于處理成本通常較高，必須減少淤泥的聚積，如果現有化糞池，即可通過優化的排水或甲烷化來實現。 將兩種方法結合起來似乎并無必要。
作者： 皮埃爾-安德烈•利希提，工程碩士 ETHL
國際臭氧協會IOA
歐洲-非洲-亞洲-大洋洲EA3G小組主席
得利滿技術 Ozonia公司技術總監
電子郵件: pierre.liechti@degtec.com liechti.pa@bluewin.ch
