臭氧接触池的新设计方法和应用.doc

1、1) Michel Rouson, Theoretical Approach and Experimental Results Obtained For A New Ozonation Gas Liquid Reactor : The Deep U TUBE, Water Nagoya89 ASPAC proceedings, p458-4641臭氧接触池的新设计方法和应用森冈 崇行 , 汪 兆康富士电机系统株式会社图为 2 月 28 日采访汪兆康先生时,他与水 业中国 CEO 陈震宇的合影摘要:本文介绍运用本公司独自开发的模拟系统对臭氧接触池设计的新方法,通过对常用的臭氧接触池扩散管式接触池

2、和作为新一代接触池而正被引起瞩目的 DUT 性能的评价,来体现其实用性。关键词：设计、臭氧接触池、扩散管式接触池、DUT、模拟系统、臭氧浓度1. 前言臭氧是具有强氧化性的气体。溶解于水后，可以去除异臭、三卤甲烷生成可能性能、色素及微量的化学成分等作用。在世界范围内饮用水的水质标准越来越严格的情况下，臭氧处理的有效性也越来越被重视。本文，就臭氧接触池的新设计方法和应用作简单的介绍。2. 臭氧接触池2.1 臭氧接触池的类型 臭氧处理的接触池是提供臭氧溶解于水和确保臭氧反应时间的装置。由此，臭氧接触池应具备以下两个功能：让臭氧有较高的溶解率（较高的臭氧吸收率）和较高的反应效率（较高的去除率）具有代表

3、性的臭氧接触池的类型如图1、图2 所示。图1 所示的扩散管式接触池，是目前世界上广泛使用的一2种类型。基本构造为由同向流式 3 格接触池（分 3 格投加臭氧）后加滞留池(增加反应时间)。例如，日本具有代表性的大型净水厂东京都金町净水厂、朝霞净水厂、大阪市柴岛净水厂都采用这种类型的接触池。图2 是 U 型管式（Deep U-tube 的开头字母，简称为DUT）接触池 1)。它最早是由法国人开发出来的，有效水深设定为 2030m，具有占地面积小，臭氧吸收率高的特点。例如：大阪市丰野净水厂、阪神水道的新尼崎净水厂是采用这种类型的接触池。2.2 与臭氧接触池性能有关的因素如表1 所示，为了预测臭氧接触

4、池的性能，必须考虑原水的水质和与其他与接触池相关的因素。在扩散管式接触池中,因为溶解和反应同时进行,所以很难明确划分其溶解过程和反应过程。而 DUT 则是在中央的下降管里以极短的时间里几乎被完成溶解，其后在上升过程中进行反应, 接触池中可以明确划分溶解和反应过程。3 设计方法为了能最大程度地同时考虑表1 的各种因素关系，运用了物理化学的系数进行工程学的模拟实验。模拟实验的概要如图3 所示。输入条件包括:输入接触池的外形尺寸、接触方法、处理条件、臭氧注入条件等。据此，通过臭氧吸收模式（包括反应模式）对臭氧的吸收和反应进行计算,得到处理水中溶解臭氧的浓度和反应物质的浓度。如果计算出的结果并不是很好

5、的情况，可以改变其输入条件（如臭氧注入率、滞留时间等）重复进行演算。如果知道了臭氧的注入率的话，通过演算，即可计算出臭氧的需要量，从而决定臭氧发生器的发生量。另外，如果能够定出接触时间的话， 便可计算出接触池的规格。如图3 所示，模拟演算在设计中是一种非常有用的手法。臭氧吸收的模式是此模拟演算的核心。如表2 所示。扩散管式的模式别名也被称为 LCGP(Liquid Phase Complete mixing Gas Phase Plug Flow)模式。另外， DUT 的模式也是由本公司开发完成的 2)3)。表2 中以臭氧吸收为主进行表述。为了简便起见,臭氧的反应只采用臭氧的自我分解。在实际运

6、用中，反应物质和臭氧的反应通过另外的实验进行验证，求出其反应式和反应速度定数，追加入表中的公式中。当反应物质为化学物质的时侯，臭氧的反应速度系数不随原水水质而改变，为一定值。但是，原水中所包含的有机物的性质根据原水不同而不同，根据经验可明显得知有机物的臭氧消费特性（臭氧消费速度系数） ，将此另行进行实验而求取是非常重要的。多数的情况下，即使 pH 等条件相同的水质，因内含有机物成分的不同,臭氧的消费速度系数也存在差异。模拟实例表3 中所示的是根据实际的模拟演算作为参考而设计的某大型净水厂接触池的实例。同向流式 3 格接触池,全部 富士电机系统株式会社 环境系统本部 事业企画部191-8502

7、东京都日野市富士町 1 丁目TEL.+81-42-585-6116FAX.+81-42-585-6119E-mail:wang-zhaokangfesys.co.jp,原水 处理水臭氧气体接触池滞留池图1 扩散管式接触池原水臭氧气体处理水下降部（下降管）上升部G L图2 U 型管式接触池（DUT）G L *流 向接 触 池 类 型 吸 收 的 基 本 方 程 式 补 充记 号 说 明DUT气 相 、 液 相两 者 皆 为 外流 式 第 二 式 为上 升 管 时 ，不 需 负 记号Q:气 体 流 量 、 Q：液 流 量 、 A：接 触 池 断 面 积 ：气 体 滞 留 、KLa：物 质 移 动

8、容 量 系 数 、 C:液 相 臭 氧 浓 度 P臭 氧 气 体 浓 度 、 C：P中 平 衡 的 液 相 臭 氧 浓 度 Ko3：臭 氧 的 自 我 分 解 系 数扩 散 管 式 接触 池 气 相 ：外 流液 相 完 全混 合 QdPZAKaCPQkVCQG LINOUTGO INL()(*)() ()()113)*()1( )*()1( 3CaKdZP kCaKAdZCQLG OLL 流 向接 触 池 类 型 吸 收 的 基 本 方 程 式 补 充记 号 说 明 气 相 、 液 相两 者 皆 为 外流 式 第 二 式 为上 升 管 时 ，不 需 负 记号气 体 流 量 、 液 流 量 、

9、接 触 池 断 面 积 气 体 滞 留 、物 质 移 动 容 量 系 数 、 液 相 臭 氧 浓 度 臭 氧 气 体 浓 度 、中 平 衡 的 液 相 臭 氧 浓 度 臭 氧 的 自 我 分 解 系 数扩 散 管 式 接触 池 气 相 外 流液 相 完 全混 合接 触 池 类 型 吸 收 的 基 本 方 程 式 补 充记 号 说 明 气 相 、 液 相两 者 皆 为 外流 式 第 二 式 为上 升 管 时 ，不 需 负 记号气 体 流 量 、 液 流 量 、 接 触 池 断 面 积 气 体 滞 留 、物 质 移 动 容 量 系 数 、 液 相 臭 氧 浓 度 臭 氧 气 体 浓 度 、中 平

10、衡 的 液 相 臭 氧 浓 度 臭 氧 的 自 我 分 解 系 数扩 散 管 式 接触 池 气 相 外 流液 相 完 全混 合3有 5 座，表所示的流量等为其合计值,接触池内的反应时间约为 12 分钟，滞留池的滞留时间约为 6 分钟。表中显示运行后的实际性能和在水质中进行模拟的相适合性。由于此时原水的臭气物质（2-MIB）浓度很低，没有进行对臭气的计算。但是，如表中所示,溶解臭氧浓度和臭氧吸收率的计算结果和实际数据基本上一致。设计变数、操作变数及扩散管式接触池和 DUT 的性能4.1 臭氧吸收率投加量=1.5(mg/L)、反应时间=min一定的条件下，接触池的高度及注入臭氧气体的浓度( P0)

11、产生变化时的臭氧吸收率如图4所示。 （为了保持一定的臭氧投加量，当投加臭氧气体的浓度升高时，可降低臭氧气体的流量） 。随着投加臭氧气体的浓度的升高，臭氧吸收率增加到10%以上。可是，提高接触池的深度的时侯，臭氧吸收率增加量很微小。可见,臭氧气体浓度的效果影响很大。也就是说，如果使用高浓度的臭氧气体，提高接触池的高度时，也能取得同样的效果。同向流式3格接触池(接触池有效水深6m的时侯)时也同样，臭氧吸收率和DUT几乎没有差别。4.2 臭气物质去除率选用的臭气物质为2-MIB（二甲基异冰片） 。在臭氧投加量=1.5(mg/L)、反应时间=min一定的条件下，接触池高度及臭氧的浓度产生变化时,臭气物

12、质去除率如图5所示。臭气物质去除率随注入臭氧气体的浓度而增加，但从 P0=25mg/L-air附近开始呈现饱和趋势。图6是DUT同向流散气管式3格接触池的接触池内溶解臭氧浓度分布曲线图。( P0=30mg/L)和同向流扩散管式3格接触池相比较，DUT 的值在整体上呈现高出10%左右。此原因，可考虑为是由于溶解臭氧浓度分布不均而引起的。从图中可以看到，同向流散气管式3格接触池的流出口处溶解臭氧浓度值最大，而DUT则是在接触池底部时最大。这说明了在DUT中臭氧的溶解主要是在下降管内，并且在非常短时间内进行。 （本计算中全滞留时间的 2.5%大约7.5sec）因此，DUT中在较早的阶段就开始进行高浓

13、度的臭氧溶解和臭气物质的反应，并有效地利用上升过程的滞留时间。和同等滞留时间的同向流式3格接触池相比显示了其较高的臭气物质去除率。结语本文针对利用模拟演算对臭氧接触池的设计方法的实用性进行了说明。由于篇幅的关系未能作详细的说明。如果能给诸位带来参考价值的话,笔者将感到十分荣幸。分类 代表性因素 原水 水质 反应物质浓度（反应物质的反应速度系数 K） 共存物质浓度（共存物质对反应促进,阻碍的程度） 臭氧消费性物质浓度（臭氧消费速度系数，臭氧分解速度）（ PH，水温 水量 流量变动 溶解装置的功能臭氧气体流量， 臭氧气体浓度，L/G（液,气体比率） 、 、 臭氧气体空塔速度（也称气体吹入速度，和

14、a 相关联） 分配系数（亨利定数） ，水深接触池 反应装置的功能接触时间（接触池和滞留池或下降管和上升部） 、滞留时间分布，臭氧浓度分布 格数，注入率，各格的注入比率（注入的偏心系数）CT 值表1 与臭氧接触池的性能相关的因素输入输出 计算 接触方式（向流、并流下方注入、部分注入） 接触池外形、接触方法 接触池高度、接触面积注入臭氧气体浓度臭氧注入条件处理水流量注入臭氧气体流量物质移动容量系数其它条件温度 pH被处理物质流入浓度（臭气物质易分解性 农药难分解性） 处理条件（水质）臭氧自我分解速度系数反应速度系数 臭氧消费物质臭氧吸收模式 处理水溶存臭氧浓度 排臭氧浓度臭氧吸收率被处理物质除去率

15、 实际设备应用于设计 图3 模拟的概念项目 17:00 18:25 9:00水温 29.9 30 29.4UV260 0.071 0.089 0.082-MIB ng/L 6 7 22O3注入率 mg/L 3.2 3 2.6O3发生量 kg/h 34 34 34处理水量 m3/h 10400 11200 13200发生 O 3气量 Nm 3/h 1800 1800 1800发生 O 3 浓度 g/m 3 18.89 18.89 18.89尾气臭氧实测值 g/m 3 1.9 1.8 1.7计算值 1.51 1.4 1.25吸收率实测值 % 89.94 90.47 91.00计算值 91.99 9

16、2.58 93.38溶解 O 3 实测值 mg/L 0.03 0.01 0.03计算值 0.035 0.029 0.026表3 实测值和模拟的比率表2 臭氧吸收的基本方程式4(来源: 摘自中国给水排水 2006 年第 1 期，中国净水技术网获得本文作者授权予以刊登,转载请注明出处)(本文第一作者汪兆康先生于 1982 年毕业于同济大学环境工程与技术学院，获得学士学位；后赴日本留学获得日本上下水道技术士职称)8284868890929496981000 50 100 150注入臭氧气体浓度 P0 (mg/L-air)臭氧吸收率(%)U型管式H=30mH=6m同向流扩散管式H=6m图4 注入臭氧气体浓度和臭氧吸收率010203040506070800 50 100 150注入臭氧气体浓度 P 0 (mg/L-air)臭气物质去除率(%)同向流扩散管式H=6mU型管式 H=6mH=30m图5 注入臭氧气体浓度和臭气物质去除率0.00.20.40.60.81.01.21.41.60 1 2 3 4 5接触池滞留时间 HRt (min)溶存臭氧浓度(mg/L)U型管式 H=30m同向流扩散管式H=6m接触池底部P 0 =30mg/L-air图6 接触池内溶存臭氧分布曲线