地表水处理（七）

2.2.55 二氧化氯有何特点?如何制备?

二氧化氯在常温下是一种黄绿色气体，具有刺激性。溶解度是氯的5倍。二氧化氯极不稳定，当空气中含量大于10%或水溶液中含量大于30%时均易爆炸;二氧化氯在水中可变成HCIO₂和 HCIO₃，在室温下每天约有2%~10%的离解率，因此不利于大批量制备和运输，一般多在使用场所现用现制备。

CIO₂既是消毒剂又是氧化能力很强的氧化剂，CIO₂消毒能力比氯强，不会与水中有机物作用生成有机氯化物，甚至本身的氧化能力能去除THMs 前驱体。 CIO₂不水解，消毒受pH值影响较小，CIO₂余量能在管网中保持很长的时间。根据我国《生活饮用水卫生标准》GB5749-2006 中规定加C1O₂接触 30min后，出厂水余量不低于 0.1mg/L(不大于 0.8mg/L限值);在管网末梢不应低于0.02mg/L。C1O₂本身和副产物CIO₂^-对人体血红细胞有损害。有报道认为还对人的神经系统及生殖系统有损害。

CIO₂制备方法主要有电解法和化学法。电解法使用广泛的是隔膜电解法，以食盐为原料，由离子隔膜将阳极室和阴极室隔开，在电场的作用下阳极室得到 NaOH溶液，阴极室生成含有二氧化氯、次氯酸钠、双氧水、臭氧的混合溶液，二氧化氯的浓度一般仅为10%~30%左右，大多为氯气。由于电极、隔膜的使用寿命和维护费用问题，已逐渐被化学法所取代。

化学法主要有以氯酸钠和亚氯酸钠为原料的两类方法。

一是以氯酸钠(NaCIO₃)为原料，基本方程式为:

NaCIO₃+酸化剂+还原剂→CIO₂+CI₂+钠盐+H₂O

其中酸化剂为HCI和H₂SO₄，催化及还原剂有Cl₂、SO₂、NaCI、H₂O₂、 Na₂SO₄等，钠盐的酸根视酸化剂而定。

二是由亚氯酸钠(NaClO₂)为原料制取，当和氯反应其方程式为:2NaClO₂+Cl₂→2CIO₂+2NaCl

制得的二氧化氯存在纯度低的缺点。另一种是用盐酸与亚氯酸钠制取，制得的比例高，一般在90%以上，反应方程式为:

5NaClO₂+4HCI→4ClO₂+5NaCI+2H₂O

目前市场上的二氧化氯发生器多采用此法制得。

2.2.56二氧化氯发生器的组成及工作原理是什么?

二氧化氯发生器由供料系统(盐酸电磁计量泵、亚氯酸钠或氯酸钠电磁计量泵、盐酸贮罐、亚氯酸钠或氯酸钠贮罐)，反应系统，控制系统(温控、电控、自控)和安全系统(缺水报警)等几部分构成。

二氧化氯发生器选用亚氯酸钠(或氯酸钠)和盐酸为原料，固体亚氯酸钠在水中溶解，浓度为25%，盐酸为工业用盐酸，浓度为30%。盐酸与被溶解的亚氯酸钠溶液按1:1的比例，由盐酸电磁计量泵和亚氯酸钠电磁计量泵投加到发生器主机反应器中，在反应器中反应生成二氧化氯，然后在混合设备与稀释水混合制成一定浓度的二氧化氯溶液，再通过管路投到消毒点。

2.2.57 在净水过程中使用臭氧应包含哪些设施?

臭氧净水设施应包括:气源装置、臭氧发生装置、臭氧气体输送管道、臭氧接触池以及臭氧尾气消除装置。

2.2.58 臭氧发生装置有哪几种类型?

臭氧可通过高压放电(电晕放电)、化学等方法获得。按臭氧产生的方式划分，目前的臭氧发生器主要有三种;一是高压放电式，二是紫外线照射式，三是电解式。

(1)高压放电式发生器是使用一定频率的高压电流制造高压电晕电场，使电场内或电场周围的氧分子发生电化学反应，从而制造臭氧。这种臭氧发生器具有技术成熟、工作稳定、使用寿长、臭氧产量大(单机可达1kg/h)等优点，所以是国内外相关行业使用最广泛的臭氧发生器。

在高压放电式臭氧发生器中又分为以下几种类型。

①按发生器的高压电频率划分，有工频(50~60Hz)、中频(400~1000Hz)和高频(>1000Hz)三种。工频发生器由于体积大、功耗高等缺点，目前已基本退出市场。中、高频发生器具有体积小、功耗低、臭氧产量大等优点，是现在最常用的产品。

②按使用的气体原料划分，有氧气型和空气型两种。

③按冷却方式划分，有水冷型和风冷型。臭氧发生器工作时会产生大量的热能，需要冷却，否则臭氧会因高温而边产生边分解。水冷型发生器冷却效果好，工作稳定，臭氧无衰减，并能长时间连续工作，但结构复杂、成本稍高。风冷型冷却效果不够理想，臭氧衰减明显。大型发生器或重要场所使用的发生器通常都是水冷型的。

①按介电材料划分，常见的有石英管、陶瓷板、陶瓷管、玻璃管和搪瓷管等几种类型。其中石英管由于具有介电常数高、壁厚均匀、椭圆度好、耐高温、耐潮湿等特点而最常被一些高性能的臭氧发生器使用。陶瓷板易脆裂，只适用一些小型发生器。陶瓷管的壁厚和椭圆度不易控制，容易出现放电不均匀的问题，所以使用得不多。玻璃管和搪瓷管介电常数低，耐高温性能差，易炸裂，只有在一些低端发生器上使用。

⑤按臭氧产生部件的结构划分，有密闭式和开放式两种。密闭式发生器的结构特点是密封体本身就是电极，臭氧能够集中使用，如用于水处理。开放式发生器的电极是裸露在空气中的，所产生的臭氧无法集中使用，通常只用于较小空间的空气净化或某些小型物品表面消毒。

(2)紫外线照射式发生器是使用特定波长(185mm)的紫外线照射氧分子，使氧分子分解而产生臭氧。由于紫外线灯管体积大、臭氧产量低、使用寿命短，所以这种发生器使用范围较窄，常见于消毒碗柜上使用。

(3)电解式发生器 通常是通过电解纯净水而产生臭氧。由于有臭氧产量无法做大、电极使用寿命短、臭氧不容易收集等方面的缺点，其用途范围受到限制。目前这种发生器只是在一些特定的小型设备上或某些特定场所内使用，不具备取代高压放电式发生器的条件。

2.2.59高压放电式臭氧发生器的基本组成是什么?产生臭氧的原理是怎样的?

高压放电式臭氧发生装置的基本组成有:臭氧发生器、供电及控制设备、冷却设备、臭氧和氧气泄漏探测及报警设备。其中臭氧发生器由发生单元和高压交流电源系统组成，臭氧发生单元采用以石英或玻璃为介电体的管式结构，亦称臭氧发生管。高压交流电源工作电压约为11kV，工作频率为1100Hz。供气系统主要为臭氧发生管提供洁净、稳定的气源。冷却系统是臭氧发生器的辅助系统。在交流高频电压作用下气体放电时，气体电离及介电材料的损耗会使臭氧发生管内工作气体(空气或氧气)温度上升，而臭氧在较高温度下极易分解，造成臭氧产量减少，而冷却放电间隙中的工作气体可以有效地控制其温升。

高压(或称电晕)放电式臭氧发生器利用高压交流电场产生电晕，电晕中的自由高能离子轰击氧气分子，使其电离成高速氧原子，紧接着通过碰撞聚合形成臭氧分子。

e+O₂→2O+e

O+O₂→O₃

原子氧和电子也同样同臭氧反应形成氧气。

O+O₃→2O₂

e+O₃→O+O₂+e

由于臭氧的不稳定性使其很难实现瓶装贮存，一般只能利用臭氧发生器现场生产,随产随用。

2.2.60 影响臭氧发生的主要因素有哪些?

(1)电极电压,对单位电极面积的臭氧产率与电极电压的平方成正比，因此，电压愈高，产率愈高。但电压过高很容易造成介电体被击穿以及损伤电极表面，故一般采用15~20kV的电压。

(2)冷却剂的温度和流量及冷却系统的效率,臭氧的发生浓度随电极温度升高而明显下降。为提高臭氧的浓度，必须采用低温水冷电极。

(3)交流电频率,提高交流电的频率可以增加单位电极面积的臭氧产率，而且对介电体的损伤较小，一般采用50~500Hz的频率。

(4)介电常数,单位电极面积的臭氧产率与介电体的介电常数成正比，与介电体厚度成反比。因此应采用介电常数大、厚度薄的介电体。一般采用1~3mm 厚的硼玻璃作为介电体。

(5)原料选用,原料气体的氧含量，制备臭氧所需的动力则少，用空气和用氧气制备同样数量的臭氧所消耗的动力相比，前者要高出后者一倍左右。原料选用空气或氧气，需做经济比较决定。

(6)水分和尘粒,原料气中的水分和尘粒对反应过程不利，当以空气为原料时，在进入臭氧发生器之前必须进行干燥和除尘预处理。空压机采用无油润滑型，防止油滴带入，干燥可采用硅胶、分子筛吸附脱水，除尘可用过滤器。

2.2.61 臭氧在工艺流程中的投加点如何确定?

臭氧投加位置应根据水处理工艺的不同目的确定:

①以去除溶解性铁和锰、色度、藻类，改善臭味及混凝条件，减少三氯甲烷前驱物为目的的预臭氧化，宜设置在混凝沉淀(澄清前)之前;

②以氧化难降解有机物、消毒和灭活病毒，或与其后续生物氧化处理设施相结合为目的的后臭氧化，宜设置在过滤之前或过滤之后。

2.2.62 对臭氧接触时间有何要求?

臭氧接触池的接触时间应根据不同的工艺目的和待处理水的水质情况，通过试验或参照相似条件下的运行经验确定、一般在工艺流程前端的预臭氧接触池的接触时间为2~5min。后臭氧接触池的总接触时间应根据工艺目的确定，宜控制在6~15min之间，其中第一段接触室的接触时间宜为2min。以杀灭细菌和病毒为目的时，一般宜再设一段，当以杀灭寄生虫和氧化有机物(主要为农药)为目的时，应再设两段。

2.2.63 臭氧发生器的气源有几种?

供臭氧发生器的气源可以是空气，也可以是纯氧气。

氧气型通常是由氧气瓶或制氧机供应氧气。空气型通常是使用空气(如压缩空气)作为原料。由于臭氧是靠氧气来产生的，而空气中氧气的含量只有21%，所以空气型发生器产生的臭氧浓度比较低，同时还会衍生氮化物。而瓶装或制氧机的氧气纯度都在90%以上，所以氧气型发生器的臭氧浓度较高。在环境消毒时，通常使用空气型发生器。在水处理时，应优先考虑氧气型发生器。但如果消毒饮用水时，发生器需要配合旧式臭氧混合塔使用，则只能选用空气型。

(1)空气型供应空气的气源装置设备一般应包括空压机、储气罐、气体过滤设备、气体除湿干燥设备以及消声设备。空压机是供气的动力设备、用以满足供气气量和气压的要求，一般要求采用无油润滑型;储气罐用于平衡供气气压和气量;气体过滤设备用于去除空气中的颗粒和杂质;气体除湿干燥设备用于去除空气中的水分，以降低供气露点;消声设备用于降低气源装置在高压供气时所产生的噪声。

(2)氧气型目前国内外水厂氧净水设施中以氧气为气源的均通过设置现场液氧储罐或制氧机这两种形式的气源装置来为臭氧发生装置供氧气。

液氧储罐供氧装置一般应包括液氧储罐、蒸发器、添加氮气或空气的设备以及液氧储罐压力和罐内液氧储存量的显示及报警设备等。商购液氧纯度较高(99%以上)，而提供给臭氧发生器的最佳氧气浓度应在90%~95%，且要求含有少量的氮气，因此需要采用氮气储罐或空压机，并配有相应的气体混配器。

制氧机供氧装置一般应包括制氧设备、供气状况的检测报警设备、备用液氧储罐、蒸发器以及备用液氧储罐压力和罐内液氧储存量的显示及报警设备等。一般制氧机所制取的氧气纯度在90%~95%，其中含有少量的氮气。采用制氧机供氧时，需配备备用的液氧储罐及其蒸发器，以保证故障维修与设备停运保养期间不间断。液氧储罐的最少储存量不应少于两天。此时可不考虑用加氮气或空气的设备，以降低设备投资和简化设备系统。

2.2.64 臭氧尾气如何分解消除?

臭氧在空气中比在水中更稳定，室温下臭氧在气相的半衰期可在4~12h不等，因而臭氧尾气要达到排放标准，需采用下列几种方法进行消除分解。

(1)空气稀释法，用通风系统内的新鲜空气稀释含臭氧的尾气往往是一项实用方法。不过，直接达到排放臭氧尾气安全目标1.46X10^-9mol/L所需的稀释比可能是很高的，例如在5000~10000之间。所以此法只适合剩余臭氧进一步利用，例如通过预臭氧化后，确保适当的大气稀释比如8~10，配接排气烟筒之后才是可行的。

(2)洗涤法，在喷淋塔内用还原剂硫酸亚铁溶液或亚氯酸钠溶液来洗涤尾气。接触塔装填有拉希格环以提高去除效率。因能耗和经济问题，目前应用较少。

(3)热分解法，热分解法是当前用于消除臭氧尾气使用最广泛的技术。可采用的主要工艺有以下三种:

①单通道电阻加热;②通过热交换加热;③加热并过热燃烧。

以上三项工艺的相应投资费用比分别为1:2.5:1.3。空气中臭氧的热分解早在30℃即已开始，在40~50℃时显著。在200℃下，1min内臭氧分解大约是70%，230℃时92%~95%。在300℃或以上时，1~2s反应时间内达到100%分解。

虽然此法消耗较多的电能，但随着热能回收型的电加热分解消除器的出现，其应用价值会进一步提高。

(4)接触催化法，目前大多数可用催化剂都是同稀有金属或其氧化物(如钯、铂、银及铜的氧化物)有关的，不过，其他金属氧化物诸如氧化锰和氧化镍也是常用的。催化剂的载体则采用γ-AL₂O₃、TiO₂、SiO₂、分子筛、活性炭或以上几种的复合成分。与电加热法比较，电耗节省较多，设备投资较低，但需定期更换催化剂，生产管理相对复杂。

(5)活性炭吸附分解，活性炭吸附分解目前主要应用在日本等国。通过装有活性炭滤层的上流式过滤器吸附破坏臭氧。此方法中以氧气为气源的尾气，因含有大量氧气和不稳定的臭氧化反应产物，有发生爆炸的危险。此方法禁止在富氧气体发生臭氧情况下使用。