申请日2001.04.24
公开(公告)日2002.12.04
IPC分类号C02F1/78
摘要
一种臭氧水处理装置,以一段变径管道取代扩散模式的氧化塔、罐及其管网,获得超常的传质速率,处理效果突出而O3用量倍减。传统气液混合器笨重复杂的视觉形象,消隐于输水或排放途中。仅用于气液混合,也可以提高多种暴气方式的传质效率。本发明以“一管两池”流程,集当代多种水处理功能于一身,在不同程度上,省去絮凝剂、生物与化学处理、曝气、气浮以及消毒等多项投资。净化生命之水,获得较高的技术经济指标。
权利要求书
1、一种臭氧水处理装置，其特征是以管道变径变压式气液混 合器提高传质速率。
2、根据权利要求1所述的水处理装置，其特征是管道式气液 混合器以其负压吸气正压增溶湍流参混的“一管两池”为基本处 理流程，兼备当代多种水处理功能。
3、根据权利要求1、2所述的水处理装置，其传质法也可以 提高微孔曝气、鼓风曝气、以及氧气曝气等多种气液混合的传质 效率。
说明书
管道式臭氧水处理装置
一种水处理装置，用于水质净化，特别是涉及湍流变压传质法。
水消毒一直沿用巨毒的氯。“最近已查明，氯化可以在水中形成致癌的氯化物”(“臭 氧消毒”建筑工业出版社83·7)。氯化水杀菌并不彻底，灭活灰质炎病毒几乎无效，故 为生水不宜直接饮用。而煮沸后，据大阪市供水局测定，致癌物增加三倍。氯消毒污水的 水质更差，残留水中的高氯化物难于降解，“对水生物有毒”。七十年代，人们改变了观 念，“氯消毒不是有效的、在生态上是安全的技术……氯化的益处抵消不了它对环境和卫 生的损害”(国际臭氧学会第三次国际会议论文集)。一些发达国家开始限制、处理水中 余氯并以臭氧O3代氯改善水质。
以强氧化著称的O3溶于水，不但高效广谱杀菌，还可以去除水中重金属离子、脱色、 除味，化解通常难以处理的杂质，总溶解固体几乎不增加，便于多次回用。O3是一种难 得的深度净化剂。更为优异的是，暂态物O3的半衰期约为二十分钟，较快自然分解还原， 没有发现任何有害残留物，从而实现绿色化。远在1906年，法国尼斯给水厂即用O3消毒。 当前国外已有三干多个以O3代Cl2消毒的大水厂，源源供出优质饮用水。净化污水的O3水处理装置，也相继投诸应用。O3水处理的前提是O3溶于水。在常温常压的曝气条件下， 气溶于水缓慢。例如在水深30.48cm、初始溶解氧浓度为3mg/L时，增溶1mg/LO2需12 天。气水混合的大量探索，诸如喷淋、搅拌、超声、射流，流化床以及紫外线激活等研究 试验，难以列数。获得突破的是扩散法—空压机加压微孔射流的托里塞利(Torricelli) 接触器。后经改进的LMTOC型接触器，喷气孔径5μm，产生φ0.25cm气泡，气液比 1∶7，据称获得饱和的O3传质。用于污水处理，生化需氧量和总悬浮物降低98%，去除98% 的磷酸盐、96%的色度浊度、90%的化学需氧量、87%的总有机炭，总溶解固体未见增加。 这些优异的生态指标，是Cl2难以伦比的。O3的投加量(表一)与接触时间都低于Cl2。
然而，扩散法也存在某些历史性弊病，尤其是传质效率尚待大幅度提高。
气液混合系气相O3溶于水并在水中弥散，以使“全部水尽可能快地与O3接触”。按 享利定律，溶于水中气体的浓度C=KP—式1。在常温常压下，系数K为常量，按式1， 唯有增加分压P才能增加浓度C现代臭氧机即使以O3为原料，产出O3的最高浓度为6%， O3的分压P难于再提高。
表一：投加量与接触时间 投加量mg/L 接触时间min 水中余量mg/L O3 Cl2 O3 Cl2 O3 Cl2 6 10 2 15 <0.05 3
传质过程，按双膜论，气相O3通过气液界面J两侧的气膜JQ、液膜Jy进入水相。 传质通量与气液接触面积成正比。气液界面就是水中气泡的外表面。等容积气泡群的直径 越小，表面积越大，立方体的比表面积S0=6/L。同时，较小气泡有较长的上升作用时间， 气泡的合并作用也小。大气泡内部的O3往往被迅速带出接触器，增大了无效的直通分量， 导致O3的浪费。气泡微形化是扩散法获得成效的核心技术。然而，进一步缩小喷气孔径 工艺难度大，微孔与水的物理化学作用引起堵塞又危及运行的可靠性。
O3在水中弥散，由以浓差为动力的常扩散与液力参混共同作用。当气膜JQ中的O3被水吸收其浓度下降，液膜Jy吸收O3其浓度趋向饱和。这种变化导致气液膜变厚，形成 传质的阻滞层，必需不断破坏更新。传质速率dc/dt=f(Cs-C)—式2。系数f，基本 是运动粘滞度的函数(“水处理原理”科学出版社89·1)，故需液流惯性力大于粘滞阻力 的湍流作用。通常，气液混合器内的流速缓慢。这是因为O3的杀菌等作用，按奇克定律， 需要足够的“浓时积”。低流速，才有较长的停留时间，但与湍流条件相悖。尽管在射流 点附近也有湍流，但这只是局部作用，即使加密射流点也难免传质死区。同时，较长的停 留时间(例如LMTOC型为26分钟)酿成O3大量自解，再加上直通分量的浪费，促使臭 氧发生器增容，而臭氧发生器的价格，在处理系统的投资中举足轻重。
扩散模式的气液混合器，往往做成高大的氧化塔或多级反应罐。例如LMTOC型由6 级1.8m接触器构成，外形尺寸1.8×2.3×1.2m3，而设计流量仅为1.32L/min。早期O3发 生器的效率仅及理论效率(3O3+6.8千卡=2O3)的1%：到了现代，生产每公斤O3的用 电也在十几度，能耗甚高。国外O3水处理成本(表二)比Cl2消毒高一倍，比次氯酸钠 处理高1/3，与SO2脱余氯的成本持平。国内某市防疫站对综合医院污水几种消毒方式的 统计数据见表三。由于臭氧发生器可靠性差，属试用性质，再加上非正常运营，经济指标 难定。
O3水处理系统结构笨重复杂，能耗高效率低，造价与使用成本也居高难下。其应用， 囿于少数发达国家。在发达国家，也受投资与能耗制约，尚难普及。广大发展中国家，则 可望不可及。出于国情，我国只有24%居民的饮用水符合细菌学指标，尚没有O3代Cl2消毒的大型自来水厂，城市污水处理率仅及10%(“城市可持续发展与水污染治理对策” 建筑工业出版社98·3)。O3水处理处于起步阶段，其传质模式，大抵不外扩散法。“臭氧 应用技术与现状”(北京电子报98·11·26)报道，“目前，无论国内国外，水气混合效 率普遍不高。大凡效率较高的气水混合器的结构都比较庞大、复杂，成本过高”。
表二：日处理一百万加仑污水的费用〔1千(美)加仑=3.7853m3) 类 别 O3 Cl2 SO2 总工艺费 5.91～7.37美分/千加仑 4.36～6.16美分/千加仑 5.59～9.95美分/千加仑 基建费 105～147仟美元 52仟美元 64～96仟美元
表三：处理400m3/D医院污水的经济参数 项目 设备费 功率 产气量/h 五年运行费 总成本 O3 12.5万元 36kw 1000gO3 27.12万元 39.62万元 次氯酸钠 4.5万元 6.8kw 1000gCl2 14.2万元 18.7万元 二氧化氯 8万元 4.5kw 500gClO2 4.68万元 12.68万元
人类80%的疾病与水相关，水体污染与日俱增。我国在世界13个贫水国之列，年排 污水数百亿m3。“按90年不变价计算，一个五年计划的水环境损失达2212亿元”。在世 纪之交，面对日近的“全球性水荒与生态灾难”，净化生命之水首当其冲。开拓净化水质 的新技术，涉及资源环境与可持续发展。
本发明的目的是突破传统气液混合模式的历史局限，提供一种简便高效的传质技术， 大幅度降低臭氧水处理的成本。
本发明的目的是这样实现的：改变一段输水管的内压，以其负压吸气、湍流参混、 正压增溶，获得超常的传质速率，实施水处理于输送或排放途中。
输水管径突增，等效于管咀出流，液流惯性力产生的真空值h=(1+ξ)v2/2g-H， 以此负压可省去空压机或水射器，实现非动力的气入水。在水管径Ds大于吸气管径Dx的 适当值内，气液比∝Dg/Dg，用逆止阀可方便地调节加气量，控制气液比。负压吸入的 气相O3在湍流的切应力、内摩擦力作用下，迅速“泡沫化”，气液质点做位移旋转瞬变运 动，产生通体均化的气液参混，克服了微孔射流的局限。
“溶解气体的质量变化与液体的压力成正比”，(“给水系统水力计算手册”建筑工业 出版社83·7)，在压力场内气体溶水率可以倍增，突破饱和浓度Cs的困扰(见式2)。 扩散法虽然也有一定的动压与静压，仍属自由场，增大空压机压力往往得不偿失。常温常 压下的定常流，流管截面S1(V1P1)扩至S2(V2P2)时，压力P2=P1+ρV2(V1-V2)，P2 在0.3～0.5兆帕时即可得到满意的增溶效果。在管流能量不足或弥补变径变压带来的流量 降，则需增容或加泵补充。若需更高的压力，可利用水击效应获得。管内园柱体的水击压 力ΔP=ρvc。ρ为水密度，其弹性模量为19.62×108帕：c为水击波速，普通钢管的c值 为1400m/s。在水速v=2m/s时，ΔP达2兆帕(“水力学”水力电力出版社83·10)。
迈阿密大学土木工程系拟定的〔臭氧消毒装置设计标准)指出，“消毒效果，取决于 剩余臭氧浓度和是否存在分散得很细的臭氧气泡”。剩余浓度，是O3完成氧化作用后在接 触器出口的裕量，不含气泡带出的直通分量与自解分量。决定O3总投加量最经济的关键 是传质速率dc/dt。至于分散得很细的臭氧气泡，只是表观判断。加压进入水相的O3呈过 饱和态，与水为分子级接触，宏观气泡微分到下限难于见到。dc/dt的巨增，气液比已从 G10型的1∶10降至1∶20以下。从压力段进入沉淀池的气液流，在解压之初析出的气泡 直径在μm级，远小于0.25cm，充分利用可兼得高效曝气与气浮的成效。
水处理宗旨是去除水中杂质——溶质、胶体、悬浮物。多数水中(PH>1.5)的杂 质颗粒都带电荷，具有Z电位(Z=4πσδ/Dmv)，由于静电相斥作用，颗粒处于稳态而 不能凝聚沉浮(“絮凝化学和絮凝剂”环境科学出版社88·3)。通常用絮凝剂中和颗粒表 面电荷(消除Z电位)，使杂质脱稳絮凝，沉淀或上浮。活性污泥与生物膜法，利用生物 高分子的负电性，吸附、吸收杂质，其作用与絮凝剂类似。絮凝作用难于分离溶质杂质， 脱色不佳便是例证。絮凝产物杂质量大，往往呈松散糊状体，清理负荷大。杂菌与病毒是 水中一种特殊杂质，絮凝或生物法对这类杂质的作用非常有限。O3的强氧化作用，可以 把多种杂质氧化成稳定的氧化物，颗粒表面能最低(Z=0)，消除库仑斥力而凝聚脱稳。 除杂能力强，对溶质及杂菌也不例外。分离物大多是以范德华力聚集的单质化合物，容重 高总量少绿色化。O3水处理函盖当代多种水处理功能——从曝气、气浮、絮凝到生物法， 以及消毒剂的功能于一身，享有“万能水”之誉，高效传质使它凸显出来。
试验表明，流速1.5m/s的输水管扩径3倍，取15m长做为气液混合器，在扩径之前 5m处负压吸入O3，在混合器内增压增溶停留30秒，处理滤砂池后、加Cl2之前的自来水 源。原过量的铁锰离子沉淀而达标，细菌学指标优良。这种水已成功试用于PDA培养基 中，无需热压灭菌。由于不用Cl2，从根本上排除了致癌的氯化物，消除了氯酚等异味而 又富氧，色度浊度口感均佳，可以直接饮用或灌装。这种水质，更接近人类进化历程所形 成的、与生理生化协调统一的生态水。它优于某些纯净水矿化水以及煮沸后失去营养的 “死水”。专家提醒(中央2台，98灾后防疫)，经常饮用纯净水矿泉水导致体内电解质 紊乱。用本技术方案，以O3取代次氯酸钠(电解食盐)处理一个400床位综合医院的污 水，模拟实验结果令人鼓舞：大肠杆菌比原处理减少90%，灭活灰质炎、乙肝病毒近100% (难于检出)。可以认为，本处理的成效，至少不会低于国外(如前述扩散法)的技术指 标。
由于一段管道取代氧化塔、罐，省去空压机及管网，气液混合系统简化到主要只是 O3机。笨重复杂的视觉形象消隐于输水途中，占地与维护量也显著降低，成本大幅度下 降。O3机产出1kgO3单位造价达12.5万元，在处理系统投资中举足轻重。高效传质扼制 了O3的直通分量与自解分量，气液比降一倍，因而O3的用量减半。按国外扩散法O3水 处理成本比Cl2消毒高出的一倍，若二者的使用成本相等，则可抵消。
功率脉冲源与沿面放电技术的突进，国产O3机产出每kgO3的用电量已降至7KWH， (“97北京臭氧应用技术暨产品展示会文集”北京电子报社)，跃入世界先进之列。近几 年涌现的电解法制取O3的新技术，造价倍减而输出O3浓度高达50%，为O3水处理的普 及应用展现出可喜的前景。O3水处理的使用成本，主要是制取O3的电费。电价平均按0.8 元/度计，每kgO3的电费0.8元/度×7度=5.6元，瓶液氯的单价为1.8元/kgCl2。O3的等 效使用剂量为Cl2的60%(表一)，高效传质又使O3的用量减半，则O3的折算电价为1.68 元，低于Cl2的1.8元。O3水处理的沉淀池与加Cl2的反应池相近。瓶氯的运输、贮存、 安全规程等要比使用O3麻烦得多。鉴于国产(IGBT功率脉冲源)O3发生器在试制阶段， 成本较高，而进口价还要倍增，故O3水处理投资高于Cl2消毒，而使用成本则低于Cl2。 然而，仅以消毒而论是片面的。由于O3水处理兼备的多种当代水处理功能得以充分发挥， 在不同程度上，可以省去絮凝剂、生物化学处理、消毒以及曝气气浮等多项投资。按我国 国情，本技术有助于废水资源化，避免或减少发达国家已付出的环境损失代价，走自己的 路。
我国80%的污水未经任何处理，中小城镇大多尚无下水道。92年人均下水道0.25m (英国为4.5m/人)，到2010年也只达到0.8m/人，水处理任重道远。困于财力支撑度， 除石化、电镀、印染等废水重点治理外，多数城镇污水从普及一级处理起步。一级处理以 沉淀为主，去除SS65%、BOD25～30%。从日益恶化的水环境损失(90年不变价计为2.02 元/M3)反思，上述指标甚低。美英等国已采用一级强化(一级半)处理，去除SS85～90%、 BOD60%。我国大中城市的100座污水处理厂，实际处理量远低于设计值，消毒环节往往 难以顾及。在低效、需要强化的一级处理中加入O3消毒，即完善了一级处理又获得一级 半到二级处理的生态指标。从脱色除味等表现看，具有三级出水的某些特征。尽管O3广 谱杀菌对生物处理法不利，然而O3氧化与生物氧化都是授受电子过程，只是电子载体有 别而已，处理技术的核心是传质通量。因此，即使不用O3而用空气或氧气做处理剂，也 可以据高鼓风曝气、氧气曝气等气液混合方式的效率，降低能耗。通常污水处理厂的电费 占运行成本的60～70%(“现代废水处理新技术”科技出版社95·3)，甚而出现“建得起 用不起”现象。模拟试验表明，处理后的污水，通常都可以达到TJ24-79(农田灌溉用 水水质标准)而回用，变污水处理厂为资源再生厂，开拓商品化运营。
