如何确定水处理所需的臭氧投加量

 

臭氧（O3）为水处理提供多种益处，包括去除有机化合物、某些无机化合物（Fe，Mn，H2S）、颜色、气味和味道。它还可作为微絮凝剂，有助于去除悬浮固体。此外，它是一种极好的消毒剂，能够杀死各种微生物。因此，它正在被越来越多地考虑用于各种水处理应用。

 

设计臭氧水处理系统的一个关键问题是实现处理目标需要多少臭氧。去除有机/无机化合物和消毒是臭氧处理的两种 很常见的应用，因此这些将成为本文的重点。

 

在使用臭氧从水中去除污染物时，重要的是要了解臭氧通过化学氧化过程起作用。化学物质在失去电子时会被氧化。这些反应可以在存在和不存在氧的情况下发生，但在现在的情况下，我们指的是涉及臭氧形式的氧的反应。

 

水中可氧化物质的量称为臭氧需求量。

 

无机化合物 

 

很简单的反应是臭氧与无机化合物如Fe，Mn和H2S发生反应。在Fe和Mn的情况下，金属被氧化成不溶性化合物，形成沉淀物。因为在水处理中，除去这些化合物是非常重要的，Fe和Mn会使水变色并沉积在管道系统和浸没在水中的材料上。因此加入臭氧使金属不溶，然后将它们作为固体从水中滤出。所需臭氧量为0.44毫克臭氧/毫克铁和0.88毫克臭氧/毫克锰。

 

硫化氢（H2S）在水中产生令人不快的气味（腐烂的鸡蛋）。在饮用水应用中，经常除去H2S以使水更加可口。去除H2S所需的理论臭氧量为3 毫克臭氧/ 毫克 H2S，但实际上使用过量的臭氧（4 毫克臭氧/ 毫克 H2S）。H2S被氧化成硫酸盐，一种可溶性盐。

 

有机化合物

 

预测从水中去除有机物质所需的臭氧量更加困难。首先，一些有机化合物不与臭氧反应，即使它是强氧化剂。这些化合物通常是羧酸、酮和醛。即使使用与臭氧发生反应的化合物，其中一些化合物也会氧化成不起反应的较小化合物。因此，如果没有详细了解所涉及的化学品或进行实验室或试点研究，很难预测所需的臭氧量。

 

测量水中有机物含量的一种方法是测量化学需氧量（COD）。该测试基本上确定了将样品中的所有有机碳转化为CO2的氧气量。该测试在高温下使用强氧化剂来氧化有机化合物。测量所用氧化剂量的颜色变化表示COD的量。

 

COD的变化通常用作水处理的目标。在实验室测试中，注意到COD的初始量并且将臭氧施加到污染的溶液上。在施加的臭氧和COD水平之间产生相关性。这是确定所需臭氧量的 很直接方法。对于可用臭氧处理的有机化合物，可以采用经验法则对臭氧需求进行初步估算。它说你需要2.5毫克臭氧/毫克COD，其中COD由可被臭氧氧化的有机化合物组成。

 

另一种测量水中有机物浓度的方法是总有机碳（TOC）。该测试通过首先从水中去除无机碳（IC）（例如碳酸盐）来测量水中的总碳（TC）。通过测量TC并减去IC剩余量是TOC。虽然臭氧可以氧化有机化合物，包括一些氧化有机化合物，但许多化合物会以氧化态保留在水中，因此TOC的变化可能不会很大。通常，为了去除TOC，需要使用可能涉及使用臭氧作为组分的高级氧化方法。

 

消毒 

 

为了灭活微生物，必须将它们暴露于臭氧一段时间。对此的测量被称为Ct，其是臭氧的平均浓度乘以平均暴露时间。如果绘制臭氧浓度与时间的关系，则曲线下面积为Ct。不同的生物在给定温度下需要不同的Ct用于灭活。已经开发了多种生物的Ct值。

 

为了在水中建立臭氧浓度，必须首先满足溶液中对臭氧的需求。这意味着必须首先除去可被臭氧氧化的有机和无机化合物，然后才能建立浓度以建立Ct值。 

 

对于消毒，所需的臭氧量等于：

 

来自可氧化物质的臭氧需求（mg/l）+（Ct÷接触时间）

 

臭氧分解

 

水溶液中的臭氧具有自分解反应。在纯水中臭氧，没有任何可氧化物质，会分解回氧气。分解反应是温度的函数。在pH 7时，值为：
 

 

因此，除了可氧化的无机或有机化合物对臭氧的需求外，还必须考虑到自分解。在开发Ct值时，将测量作为接触时间的函数的臭氧浓度的变化以确定C对t曲线，从而可以定义曲线下面积。

 

臭氧转移效率

 

为了在含水系统中充当氧化剂，臭氧必须从气体转移到液相，在那里它作为溶解物质在溶液中起作用。在溶液中终止的气相中产生的臭氧的百分比（施加的臭氧剂量）（转移的臭氧剂量）被称为臭氧转移效率。

 

转移效率主要受以下因素影响： 

 

气体体积与液体体积的比率（G/L比率），较低的比率提高了效率

气泡尺寸，较小的气泡可提高效率

臭氧对水的需求，更高的需求提高了效率

臭氧浓度越高，浓度越高，效率越高

压力，压力越高效率越高

滞留时间，滞留时间越长，效率越高

温度，温度越低，效率越高

 

 

所需的臭氧

 

产生臭氧发生器通常以每天克/小时（g/h）来评定。所需的臭氧产生率有时被称为应用臭氧剂量（AOD）。我们还需要知道流量，因为大多数臭氧需求要求以克或毫克每升计算。因此，需要在一段时间内处理的水量。

 

在有机/无机去除的情况下

 

AOD（g/h）=（臭氧需求量（g/l）÷臭氧转移效率（％））X流量（l/h）

 

在消毒的情况下

 

AOD（g/h）=（臭氧需求+（Ct÷接触时间）（g/l））X流速（升/小时）÷臭氧转移效率（％）

 

准确了解所需臭氧量的方法臭氧转移设备的类似于全面使用的臭氧转移设备进行试验。尽管如此，本文中讨论的方法以及所提到的经验法则可用于生成粗略估计，以查看臭氧是否可能成为水处理应用中进一步考虑的候选者。