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微米气泡强化再生水臭氧消毒的中试研究
出处：中国给水排水 发布时间：2021-02-24
摘要： 以再生水为研究对象，考察了微米气泡强化臭氧消毒的效果。在微米气泡发生中，控制水气比在3．5～6．5之间时臭氧的传质效率最佳，此时液相臭氧浓度最高可达6．4 mg／L。在相同投量下，臭氧在微米气泡形式下的传质效率是毫米气泡(鼓泡曝气)形式下的2～3．5倍，并且微米气泡形式下臭氧在水中的停留时间更长，从而导致臭氧对色度、uV254和TOC的去除率更高，相比毫米气泡形式可分别提高30％、9％和5％以上。另外，达到相同的消毒效果时，微米气泡形式下所需的臭氧投量更少。在微米气泡形式下，当臭氧投量为8 mg／L时，出水中的总大肠茵群可降至10个／L以下，粪大肠菌群未检出，细菌总数可降至2个／mL。254
随着全球水资源的短缺，再生水回用已经成为一种趋势，且回用的范围也越来越广。臭氧消毒作为再生水厂的一种新型处理技术，不但能杀灭水中的致病细菌，还能去除水中的色度和嗅味，对提高再生水的安全利用及经济效益有许多积极的作用。为了有效恢复地表水体功能，某城市排水集团正在进行8座再生水厂的新建工作，再生水产量达到267×104 m3／d，在工艺选择中，消毒是其中一个重要单元。早在1970年，美国就已经开始考虑将臭氧应用于再生水领域，但是由于臭氧消毒设备维护费用高，限制了臭氧的实际应用。为此，一些研究人员想通过降低气泡粒径(如微米气泡代替鼓泡曝气)来提高臭氧传质效率，从而降低消毒成本。笔者以再生水为研究对象，利用臭氧消毒中试系统，比较了微米气泡和毫米气泡臭氧对再生水的消毒效果，以期为再生水厂的升级改造提供参考。
1 试验材料与方法
1．1 原水水质
试验在某城市污水厂进行，该厂采用A2／O工艺，以其二沉池出水为再生水原水，经GAC强化砂滤池过滤后再进入臭氧反应器。再生水原水水质如下：色度为18～35倍，浊度为0．5～1．5 NTU，UV254为0．110～0．135 cm～，TOC为7．0—9．0 mg／L，总大肠菌群为105—106个／L；GAC强化砂滤池出水水质如下：色度为12～23倍，浊度为0．21～0．55NTU，UV254为0．09～0．125 cm～，TOC为6．0～8．0mg／L，总大肠菌群为105～106个／L。
1．2试验装置
试验装置如图1所示。为对比微米气泡和毫米气泡臭氧的处理效果，在反应器底部设置一个微孔鼓泡曝气器用以产生毫米臭氧气泡。臭氧反应槽由有机玻璃制成，有效容积为70 L，水力停留时问为10 min，处理能力为10 m3／d。臭氧发生器的原料气为高纯氧，气体流量范围为15～150 L／h，额定臭氧产量为15 g／h，出口尾气经臭氧分解器分解后排放。
图1 试验装置
臭氧气体进入循环管道后，经循环泵的湍流作用后会变成高压的水气混合物，高压水气混合物穿过孔板时会产生一个压降，当液面压强降低时，相应的气化温度也降低，开始气化时的液面压强称为气化压强，当循环管道内某处的压强低于该处液体温度下的气化压强时，部分液体就开始气化，形成气泡，与此同时，原来溶解于水中的臭氧也会逸出，从而产生大量的微米级臭氧气泡。
1．3分析项目与方法
UV254采用紫外可见分光光度计测定，TOC采用TOC一5000A分析仪测定，其余指标均采用国家标准方法测定。
2 结果与讨论
2．1 最佳水气比的确定
臭氧气体在微米气泡循环管道中的流动属于气液两相流，流动过程中，水气混合分两个阶段实现，第一阶段是通过循环泵的湍流作用完成，第二阶段是在微气泡发生器的射流过程中完成。在本试验中，通过研究流动参数即水气比的变化来直观评价微米气泡发生器的性能，通过控制臭氧发生器来改变臭氧产量或调节循环泵流量，可获得不同的水气比，臭氧浓度随水气比的变化如图2所示。
图2 微米气泡发生器出口的臭氧浓度随水气比的变化
由图2可以看出，液相臭氧浓度随水气比的增大而呈现先升高后降低的趋势，当水气比<3．5时，液相臭氧浓度随水气比的增大而增大，原因是逐渐增大的水气比造成发生器内较大的真空度和湍流程度，提高了臭氧的溶解度；当水气比在3．5～6．5之间时，液相臭氧浓度稳定在较高水平，最高可达到6．4 mg／L；当水气比>6．5后，液相臭氧浓度随水气比的增大而逐渐降低。这是由于逐渐增大的水气比改变了微米气泡喷射流态，即由喷射流变为泡状流，从而降低了臭氧的传质效率。综上可知，当水气比为3．5～6．5时臭氧的传质效率最佳。
2．2微米臭氧气泡的传质效率
臭氧鼓泡曝气时，在气泡浮升过程中臭氧气体不断传人水中，用来解释气、液两相间传质机理的经典理论是Lewis和Whitman提出的双膜理论一1。但微米气泡在水中的存在和发展方式与毫米气泡有很大的差异，在本试验中，臭氧在两种形式下的溶解曲线见图3(水气比为4．6)。由于微米气泡体积小，在水中的上浮速度慢，接触时间长，同时比表面积较大，传质效率高，臭氧的溶解速率随着时间的增加而升高，当通气5 min后，液相臭氧浓度已经达到3．5mrdL；而鼓泡曝气产生的毫米气泡在水中的上浮速度较快，接触时间有限，当液相臭氧浓度达到3．3mg／L时，停留时间需要12 rain，传质效率远低于微米气泡形式。毫米气泡体积大，从水中上升到气液界面的过程中更容易破碎，存在气体逸出损失；而微米气泡在水中的稳定性很强，在上升过程中会逐步缩小成纳米级，最后消减湮灭溶入水中，从而提高了臭氧在水中的溶解度和反应速度。
图3 臭氧微米气泡和毫米气泡的溶解速率曲线
2．32．3对色度的去除效果
再生水中致色有机物的特征结构是双键和芳环，代表物是腐殖酸和富里酸。试验中考察了两种气泡形式下臭氧对色度的去除效果。结果表明，在两种曝气方式下，再生水的色度都随着臭氧投量的增加而不断降低；在相同的臭氧投量下，微米气泡形式下的出水色度始终低于毫米气泡形式下的，例如，当臭氧投量为12 mg／L时，微米气泡形式下的出水色度为3倍，而毫米气泡形式下的则为9倍；当臭氧投量为8 mg／L时，微米气泡形式下的出水色度趋于稳定，而毫米气泡形式下的出水色度则在臭氧投量为12 mg／L时才趋于稳定。由此可以看出，相比毫米气泡形式，微米气泡形式下臭氧对色度的去除效率更高。
2．4对UV：钳的去除效果
试验结果表明，在臭氧投量相同的情况下，微米气泡形式下臭氧对uV254的去除效果要好于毫米气泡形式下的；随着臭氧投量的增加，对UV254的去除率逐渐提高，当臭氧投量为10 mg／L时，微米气泡下对uV笛。的去除率高达60．8％，而毫米气泡下对uV254的去除率为51．7％，继续增加臭氧投量，对uV254的去除率趋于平缓。由此可知，臭氧在微米气泡形式下对UV254的去除能力更强。
2．5对TOC的去除效果
两种曝气方式下臭氧对TOC的去除效果见图4。可以看出，随着臭氧投量的增加，出水TOC浓度呈不断降低的趋势，当臭氧投量为10 mg／L时，微米气泡下的出水TOC浓度降至6．26 mg／L，去除率为18，9％；而毫米气泡下的出水TOC浓度降至6．68mg／L，去除率为13．5％。臭氧在微米气泡下的处理效果明显好于毫米气泡下的，这是因为微米臭氧气泡在水中破碎溶解时会激发产生更多的羟基自由基，羟基自由基相比臭氧分子具有更高的氧化活性Hj，其对有机物的降解能力也更强，并可使有机物完全矿化，从而强化了臭氧的氧化能力。
图4 微米和毫米臭氧气泡对TOC的去除效果
2．6消毒效果
试验结果表明，随着臭氧投量的增加，对微生物的灭活率不断提高。在毫米气泡形式下，当臭氧投量为8 mg／L时，出水中的总大肠菌群降至35个／L，去除率为99．98％，粪大肠菌群降至6个／L，去除率为99．99％。在微米气泡形式下，当臭氧投加量为6mg／L时，出水中的总大肠菌群为200个／L；当臭氧投量增至8 mg／L时，出水中的总大肠菌群可降至10个／L以下，粪大肠菌群未检出，细菌总数降至2个／mL，后续补充氯消毒，出水中的总大肠菌群数能够满足《城市污水再生利用城市杂用水水质》(GB／T 18920–2002)的要求(总大肠菌群≤3个／L)。由此可知，达到相同的消毒效果时，微米气泡形式下所需的臭氧投量更少。
3结论
①微米气泡形式可以有效增强臭氧的传质效率，提高臭氧利用率，强化臭氧氧化能力。在相同投量时，臭氧在微米气泡形式下的传质效率和利用率是毫米气泡形式下的2～3．5倍。另外，微米气泡形式延长了臭氧在水中的停留时间，从而能够降低反应器高度，节省反应器容积。
②在相同投量时，臭氧在微米气泡形式下对色度、uV254和TOC的去除效果均优于毫米气泡形式下的，去除率可分别提30％、9％和5％以上。另外，达到相同的消毒效果时，微米气泡形式下所需的臭氧投量更少。在微米气泡形式下，当臭氧投量TP值均优于《城镇污水处理厂污染物排放标准》(GB 18918–2002)的一级A标准，出水pH值、浊度和NH4+一N在稳定之后能达到《城市污水再生利用城市杂用水水质》(GB／T 18920–2002)要求，而系统出水COD值只能达到《城镇污水处理厂污染物排放标准》(GB 18918—-2002)的三级标准。
③对浊度、COD、NH4+一N和TP的平均去除率随着水力负荷的增大呈现高度显著的线性下降趋势，而对TN的平均去除率与水力负荷之间没有明显的线性相关关系。
④可以采用降低面积负荷、延长布水时间或增加预处理设施等途径提高土壤渗滤装置对COD的去除率，有关这方面的研究还有待于深入。
⑤从试验结果来看，高水力负荷土壤渗滤系统处理出水中的氮、磷值极低，表明结合源分离技术和地下渗滤的处理系统，能够有效防止含有大量氮、磷的生活污水直接进入水体而引起富营养化，特别是在我国湖泊、水库流域的村镇生活污水处理领域，具有一定的应用潜力。