臭氧发生设备及其在污水处理中的应用

一、臭氧的基本知识1、什么是臭氧？臭氧又称富氧、三子氧、超氧。雷电过後，有时人们可以闻到它的气味。臭氧在常温下可以自行还原为氧气。臭氧是氧的同素异形体，分子式为O3，是一种较为不稳定的、活泼的气体。大气中少量的臭氧可在某些自然和人为的条件下产生，包括：闪电，日光对烟雾成分的作用，有故障的电灯开关和电机刷，高压输电线路，复印机，核辐射，紫外灯以及水电解等等。2、臭氧的性质在常温下，臭氧为蓝色气体，不过在常温下，蓝色并不明显，除非是相当厚的气体。臭氧略溶于水，标准压力和温度下〔STP)，其溶解度比氧大13倍，比空气大25倍。臭氧的化学性质极不稳定，在空气和水中都会慢慢分解成氧气，由于分解时放出大量热量．故当其含量在25％以上时，很容易爆炸，但一般臭氧化空气中臭氧的含量很难超过10％．在臭氧用于饮用水处理的较长历史过程中，还没有一例关于臭氧爆炸的事例。为了提高臭氧利用率，水处理过程中要求臭氧分解得慢一些．而为了减轻臭氧对环境的污染，则要求处理后尾气中的臭氧分解得快一些。臭氧的氧化能力臭氧的氧化性极强，其氧化还原电位仅次于氟，在其应用中主要应用这一特性。臭氧的标准电极电位除比氟低之外，比氧、氯、二氧化氯及高锰酸钾等氧化剂都高。说明臭氧是常用氧化剂中氧化能力最强的。同时，臭氧反应后的生成物是氧气，所以臭氧是高效的无二次污染的氧化剂。臭氧的毒性和腐蚀性臭氧属于有害气体，由于臭氧的臭味很浓，浓度为0.1ppm时，人们就感觉到，因此，世界上使用臭氧已有一百多年的历史，至今也没有发现一例因臭氧中毒而导致死亡的报道。臭氧具有很强的氧化性，除了金和铂外，臭氧化空气几乎对所有的金属都有腐蚀作用。铝、锌、铅与臭氧接触会被强烈氧化，但铬铁合金基本不受臭氧腐蚀。基于这一点，生产上常使用含25％cr的铬铁合金(不锈钢)来制造臭氧发生设备和加注设备中与臭氧直接接触的部件。臭氧对非金属材料也有了强烈的腐蚀作用，即使是在别处使用得相当稳定的聚氯乙烯塑料扳等，在臭氧加注设备中使用不久便见开裂和穿孔等。在臭氧发生设备和计量设备中，不能用普通橡胶作密封材料，必须采用耐腐蚀能力强的硅橡胶或耐酸橡胶等。二、臭氧产生的机理：目前生产臭氧的方法大致有：无声放电法、核辐射法、紫外线法、等离子体射流法和电解法等。工业上大量的臭氧是用专门设计的电晕放电方法制造的。电晕放电法(无声放电或辉光发电法)就是一种干燥的含氧气体流过电晕放电区产生臭氧的方法，常用的原料气体有：氧气、空气以及含氧混合气体。下图是一种典型电晕放电，由充满气体的间隙和一块介电体分开的两块金属扳电极组成。在对电极施加高电压，同时，含氧气体从放电间隙流过。输入到电晕中的大部分电能，主要是以热的形式被散失较小部分转化为光、声、化学等能量。增加发生器进气的流量，可以增加臭氧的产量，降低臭氧的浓度，从而抑制臭氧的分解，降低了电耗。但是在如水处理等方面应用时，臭氧浓度越高效果越好，因此进气流量应结合具体的需要及发生器的性能来确定。1、臭氧产量的影响因素1）气源的质量和流量2）空气的露点3）电晕功率(1)提高电源的输出频率(2)提高电源电压气体干燥2、臭氧发生器应用时应注意的问题臭氧发生器应用于水处理工程等场合时，有很多因素可能影响发生器的效率及其可靠性，因此在设计臭氧发生器应用系统时必须注意下列问题。(1)发生器原料气体绝对不得含烃类、腐蚀性气体和任何其他能在氧/臭氧／电晕环境内发生反应，从而对设备安全造成危害或损坏的物质。2)臭氧发生器系统设计时，必须能防止大量水进入到发生器内。3)冷却水的水质要好，防止结垢，以免影响发生器的散热效果。4)对于气冷却发生器来说，冷却空气必须无潮气、杂质、腐蚀性、气溶胶、杂质或导电物质以及可见粉尘。正常情况下，除非处在一个极度多尘的工业大气环境内，空气多半是不需要过滤处理的。目前，可用于工业规模电晕法的臭氧发生器种类繁多，其基本差别在于：电晕元件几何形状、电源形式、散热工艺和运行条件等。技其构造可分为板式、管式和金属格网式三种。管式臭氧发生管中又可分为单管、多管式、卧式和立式等多种形式。三、臭氧发生器高频脉冲沿面放电臭氧发生技术已有的臭氧发生技术是把工业频率的高压电加在电晕极与接地间，放电是在空间气体中进行的，由于空气导热性能差，臭氧发生时产生大量热量难以传导出去，造成放电空间气体温度大幅度上升，加速了已生成具氧的分解，臭氧浓度、臭氧生成量、臭氧产生效率都难以提高，庞大的臭氧发生器体积减不下来。把空间放电型的臭氧发生元件改成沿面放电型臭氧发生元件，沿面放电臭氧发生元件断面如下图所示。分水冷却式、空气冷却式两种。高压电源的性能，特别是放电功率和稳定性直接影响到臭氧产生的质量和应用效果。传统的臭氧发生电源采用可控硅作为功率开关器件。但是，用可控硅作为功率开关器件有很多弊端，因此设计的臭氧发生电源应采用种新型的功率开关器件——IGBT，以取代传统的可控硅电路。四、臭氧与水的接触臭氧化法水处理站平面布置必须考虑到臭氧制造和利用的工艺操作顺序，臭氧化气的毒性及其不稳定性。臭氧化法水处理装置常根据其不同的功能分组进行布置：空气压缩和空气处理部分，臭氧制造部分，供电部分和水—臭氧接触装置部分。每一部分最好有自己单独房间。这样的分组布置使得将有可能出现危害性的臭氧高浓度的房间分离开来。各组房间相对位置虽无一定要求，但应注意到臭氧的毒性和不稳定性，即臭氧制造间与臭氧接触装置间应紧密相连(为了缩短输气管路)。臭氧氧化系统的组成和平面布置五、臭氧技术的应用臭氧作为一种强氧化剂、消毒剂、精制剂、催化剂等被广泛应用于石油、化工、纺织、食品、制药及香料等部门。1905年起臭氧开始用于水处理，现在世界上已有3000余个水场使用臭氧处理水，它可以解决饮用水的一些质量问题。目前，日本及欧美的大部分国家已把臭氧技术应用于医疗器械、餐具杀菌等。臭氧作为氧化剂在纺织、印染、造纸、除臭脱色、漂白、老化技术处理、生物工程等领域中亦在逐步得到应用。臭氧的最大特点是气体，并具有较强的氧化能力。它的氧化能力仅次于氟而高于氯，效率高而无有害残留物，因而具有广泛的应用领域。臭氧具有极强的氧化能力，因此具极强的杀菌作用、脱色、脱臭、脱味作用及分解作用。杀菌可用于：上、下水，游泳池水，饮料水等的杀菌消毒；食品贮藏室内杀菌消毒；医院、学校、幼儿园、办公室、食品加工厂、制药厂等空气净化；器具类杀菌消毒，医院污水、生活污水的杀菌消毒等等。脱色、脱臭、脱昧作用可用于：粪便处理、给排水的脱色除味、养殖场除臭等，下道水的净化脱臭。氧化：无机物的氧化，水中陈铁、锰，含氰废水的处理，矿石处理等。有机物氧化分解，工业废水处理，微污染水处理，COD消除等，表面活性化，表面改性(炭黑表面改性，纤维表面改性、塑料表面改性)，香料的合成，改变构造等。内燃机燃烧剂，火箭氧化刘等。1、二次加压给水臭氧消毒系统臭氧技术在水处理中应用2、中水回用建设部《城市中水设施管理暂行办法》中将中水定义为：部分生活优质杂排水经处理净化后达到《生活杂用水水指标》（CJ25.1-89）,可以在一定范围内重复使用的非饮用水。中水其实就是再生水，之所以叫中水，是沿用了日本的说法，通常人们把自来水叫做上水，把污水叫做下水，而中水的水质介于上水和下水之间，故名中水。3、矿泉水生产工艺中自来水等饮用水在我国目前普遍使用氯剂消毒。而使用氯法有严重的二次污染问题存在。1973年起，荷兰、加拿大、美国等国相继发现用氯消毒後的自来水中会产生卤代有机物（氯仿、氯胺等），经动物实验证明有致癌危险。况且氯消毒易受温度和PH值影响。馀氯还会影响饮用水的口感，特别对於饮料用水，馀氯会使碳酸饮料等饮料制品产生氯的臭味。采用紫外消毒时，不同的对像菌致死所需的照射能量差异较大，另一方面原水水质对紫外杀菌效果也有影响，紫外线因在水中的穿透能力有限而难以达到理想效果。而且紫外消毒不能像馀氯那样维持消毒效果。臭氧具有比氯更强的氧化消毒能力，不但可以较彻底地杀菌消毒，而且可以降解水中含有的有害成分和去除重金属离子以及多种有机物等杂质，如铁、锰、硫化物、苯、酚、有机磷、有机氯、氰化物等，还可以使水除臭脱色，从而达到净化水的目的。臭氧适应能力强，受水温、PH值影响较小。臭氧适应范围广，不受菌种限制，杀菌效果比氯消毒和紫外消毒效果好。与氯不同的是残余臭氧可以自行分解为氧气，不会产生二次污染。臭氧处理後的水无色无臭，口感好，能改善饮用水品质。故此，为了提高瓶装饮用水的质量和延长保质期，国际瓶装水协会（IBWA）建议采用臭氧处理。在臭氧处理前，瓶装水一般用反渗透、纳滤、超滤去除天然水中99%的有机物，降低臭氧的用量。游泳者身体与池水直接接触，池水会进入人嘴内，如果池水不卫生，会引起眼、耳、鼻、喉、皮肤和消化器官等疾病。严重者会引起伤寒、霍乱、梅毒、赤痢等病的传染。同时池水还会受到游泳者自身所带细菌的污染，故必须设置池水消毒杀菌装置。传统的消毒方法有氯化消毒、臭氧消毒、照射消毒和碘化消毒。当今常用的消毒方法通常为前两者即氯化消毒和臭氧消毒。氯化消毒常规消毒剂有氯（通常为液氯）、次氯酸钠、二氧化氯、氯胺、漂白粉、漂白精和氯片等。氯化消毒的特点是：1）杀菌效果好；2）有持续消毒功能。缺点是：1）有气味并对眼和呼吸道有刺激作用；2）对池子结构、设备和管道有腐蚀作用；操作管理水平要求高，否则会发生安全事故；3）长期与池水接触会使人的头发变色发黄，影响美观；4）最为严重的、几乎公认的是，氯化消毒的氧化过程中产生的氯的衍生物可能是致癌物质，在谈癌色变的今天，尤其令人畏惧。宜谨慎用之。4、游泳池水处理臭氧消毒的特点：1）反应快、投量少，臭氧能迅速杀灭扩散在水中的细菌、芽孢、病毒且在很低的浓度时既有杀菌灭活作用；2）适应能力强，在PH5.6-9.8，水温0-37℃的范围内，对臭氧的消毒性能影响很小；3）在水中不产生持久性残馀，无二次污染；4）臭氧的半衰期很短，仅二十分钟；5）能破坏水中有机物，改善水的物理性质和器官感觉，进行脱色和去嗅去味作用，使水呈蔚蓝色，而又不改变水的自然性质。臭氧消毒的缺点：1）因臭氧不易溶於水中，且不稳定，故其无持续消毒功能，应设置氯消毒与其配合使用，2）臭氧有毒性，池水中不允许超过0.01mg/l；空气中不允许超过0.001mg/l；游泳他水臭氧消毒应用已得到广泛，其处理效果和优点已被公认，国外应用极为普退。我国广州天河游泳馆、北京亚运村游泳馆等都采用臭氧消毒，池水清澈透明，彻底解决了氯消毒刺激眼睛皮肤及设施发黄的难题。医院污水用臭氧消毒与其它方式消毒的比较1．臭氧消毒克服了其它方式在运输、储存和处理过程中的危险。2．臭氧消毒接触时间短，能改善水质，是一种优良的消毒剂。3．臭氧能杀灭其它方式如氯等不能杀灭的病毒、芽孢等。4．臭氧消毒作用不受废水中氨氢含量及PH值的影响。5．臭氧可以廉价的空气或氧气为气源制备而得。6．由于如今的臭氧发生器能耗大大降低，体积越来越小，运行稳定性大大提高，加之目前电费较低，电能充足因而臭氧在污水处理上的应用，愈来愈占有明显的优势。7．臭氧发生器的价格与次氯酸钠、氯、二氧化氯发生器的价格相当5、医院污水处理(1)液体或气体处理系统，臭氧在系统中一点或几点应用的可能性；(2)为完成设计的臭氧处理任务所需的臭氧剂量；(3)确定接触器类型和尺寸：(4)拟采用的臭氧发生装置原料气．(5)初步工艺设计(6)臭氧化处理系统费用的估算。