水廠臭氧投加精確控制的問題與思考

小編導(dǎo)讀

目前國內(nèi)對水廠深度處理工藝中生物活性炭濾池的余臭氧的研究相對較少，臭氧的精確投加也并非現(xiàn)階段水廠日常運(yùn)營中關(guān)注的重點(diǎn)，但作為水廠運(yùn)行管理的前沿課題，臭氧的精確投加必將在未來成為一項重要的研究工作。本期專欄討論了水廠臭氧投加目前所存在的問題，剖析所存在的技術(shù)瓶頸和管理瓶頸，并提出了相應(yīng)建議，為呼吁未來相關(guān)的研究投入發(fā)聲。

 江文華

工程師，主要從事水質(zhì)在線監(jiān)測儀器的應(yīng)用研究，對自來水及污水處理的生產(chǎn)工藝和監(jiān)測方法有豐富的實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)。

近年來，市政自來水廠的出廠水水質(zhì)問題得到了社會的高度重視，在實(shí)現(xiàn)水質(zhì)標(biāo)準(zhǔn)106項達(dá)標(biāo)的基礎(chǔ)上，越來越多的水司和相關(guān)科研技術(shù)人員進(jìn)一步將目光轉(zhuǎn)向了消毒副產(chǎn)物、微量污染物的檢測和去除等前沿課題。由此，以臭氧-活性炭工藝深度處理工藝的應(yīng)用和優(yōu)化，逐漸成為了供水行業(yè)的熱點(diǎn)。但在應(yīng)用深度處理工藝的水廠日常運(yùn)行過程中，實(shí)現(xiàn)真正的精細(xì)化管理仍存在一定提升的空間，本文以臭氧為例提出余臭氧問題和臭氧精確投加的想法。

1.臭氧精確投加的必要性

在整個制水過程中，臭氧一般被用于高藻原水預(yù)臭氧環(huán)節(jié)，和生物活性炭濾池前接觸氧化環(huán)節(jié)。臭氧的投加主要作用于水體中天然有機(jī)物（NOM，Nature Organic Matter），通過高級氧化作用，使大分子有機(jī)物分解為小分子有機(jī)物，從而便于后續(xù)生物活性炭濾池的吸附和生物降解。臭氧投加量的不足，可能會造成接觸氧化的不充分，使生物活性炭濾池生物降解有機(jī)污染物效果不佳，導(dǎo)致出廠水有機(jī)物指標(biāo)超標(biāo)；過量投加一方面會直接導(dǎo)致水廠能耗和運(yùn)行成本的增加，另一方面關(guān)春雨等研究發(fā)現(xiàn)，臭氧過量會增加NOM電負(fù)性，增加NOM和活性炭的靜電斥力，不利于活性炭吸附，同時剩余臭氧會破壞活性炭微孔結(jié)構(gòu)并改變其表面化學(xué)性質(zhì)，影響活性炭的使用壽命，更為重要的是，臭氧投加量的增加，容易帶來溴酸鹽等消毒副產(chǎn)物問題，帶來公共環(huán)境危害。

在日常的生產(chǎn)過程中，由于原水水質(zhì)相對較為穩(wěn)定的特性和預(yù)臭氧投加的目的性，對于原水臭氧投加的精確控制必要性相對不是那么重要，一般情況下（不包括突發(fā)性水源污染事故）根據(jù)相應(yīng)設(shè)計參數(shù)，并參考水質(zhì)的規(guī)律性變化情況作出相應(yīng)調(diào)整即可達(dá)到相應(yīng)要求。但水廠中由于各個環(huán)節(jié)影響因素較為復(fù)雜，水質(zhì)變化也相對較為頻繁，生物活性炭濾池前的臭氧投加量的即時調(diào)整顯得相對比較重要。因此，精確控制水廠生物活性炭濾池前臭氧投加量，嚴(yán)格控制進(jìn)入生物活性炭濾池的剩余臭氧濃度，對水廠出廠水水質(zhì)的穩(wěn)定和水廠的運(yùn)行管理非常重要。

2.臭氧精確投加存在的問題

2.1臭氧流量計量存在的問題

精確投加在于精確計量、快速響應(yīng)、準(zhǔn)確投加。從PLC控制原理角度考慮，臭氧的精確投加量，需要由進(jìn)水水質(zhì)實(shí)時數(shù)據(jù)及生物活性炭濾池剩余臭氧濃度兩個參數(shù)共同決定，前者決定臭氧應(yīng)投加的理論量，后者通過實(shí)踐反饋投加的實(shí)際效果并優(yōu)化投加量。更重要的是，為保證精確投加的有效性，對實(shí)際投加量的計量，即臭氧投加的源頭控制是精確投加，直接決定了后續(xù)工作是否具有意義。然而目前在上述相關(guān)因素的在線計量和在線檢測方面都存在技術(shù)短板或技術(shù)難題。

（1）臭氧投加源頭控制不準(zhǔn)確

臭氧發(fā)生器的出口管道上的臭氧流量和濃度的計量，是準(zhǔn)確控制臭氧投加量的關(guān)鍵。目前行業(yè)內(nèi)普遍使用的金屬轉(zhuǎn)子流量計或孔板差壓流量計對臭氧和純氧的混合物計量精確度都不高；熱式質(zhì)量流量計雖然具有較好的計量精確度，但其價格高昂，由于臭氧和純氧的混合物具備強(qiáng)腐蝕性導(dǎo)致該設(shè)備在實(shí)際應(yīng)用中也存在故障率較高的問題。對于高量程臭氧在線濃度測定的技術(shù)也相對匱乏，現(xiàn)階段國內(nèi)的計量檢測機(jī)構(gòu)不能對臭氧發(fā)生器出口的高量程臭氧濃度檢測儀器進(jìn)行計量檢測或校準(zhǔn)，臭氧的濃度檢測準(zhǔn)確度只能依賴于臭氧濃度檢測儀器本身的精確度。市場上高量程臭氧濃度檢測儀品牌繁多，質(zhì)量良莠不齊，少部分產(chǎn)品質(zhì)量較好，但是隨著工作時間的延長，儀器本身也會產(chǎn)生較大的誤差，無法保證真實(shí)的反映臭氧發(fā)生器出口臭氧的濃度。

在水廠的實(shí)際應(yīng)用中，用于臭氧投加量的計量儀器，往往由臭氧發(fā)生器廠商配套提供，用于實(shí)現(xiàn)該廠商設(shè)備工作狀態(tài)的閉環(huán)控制，對該臭氧投加量的運(yùn)行情況負(fù)責(zé)，無法作為可信數(shù)值運(yùn)用于后續(xù)的精確控制，因此在臭氧投加的源頭計量便失控的前提下，實(shí)現(xiàn)臭氧的精確投加就存在很大的難度。臭氧的投加主要還是參照水量以及設(shè)計院提供的運(yùn)行參數(shù)計算得出。

（2）余臭氧濃度檢測的干擾

目前水廠中普遍使用的余臭氧濃度檢測有兩類方法，一類為在線儀器檢測，一類為實(shí)驗(yàn)室檢測。在線儀器檢測一般使用采用極譜法電極式儀器進(jìn)行測量，這類儀器對低濃度余臭氧的靈敏度不夠，且長期應(yīng)用于低濃度（0.2 mg/L以下）工作環(huán)境下會發(fā)生鈍化現(xiàn)象，發(fā)生鈍化現(xiàn)象后這類儀器對臭氧的濃度變化不響應(yīng)，因此這類型儀器的可靠度存在較大的問題。實(shí)驗(yàn)室檢測一般采用DPD比色法，結(jié)果相對較為可靠。但是對生產(chǎn)工藝中采用了前加氯工藝的水廠，DPD比色法會產(chǎn)生較大偏差，原因是水中的殘余氯會對DPD比色法的結(jié)果造成正向干擾，使測量值高于實(shí)際值。對于這種情況必須采取措施去除余氯對余臭氧的測量干擾。目前大部分水廠對余臭氧的實(shí)驗(yàn)室檢測頻率太低，甚至很難達(dá)到一周一次檢測頻率，實(shí)驗(yàn)室的檢測手段對于精確投加控制而言，價值不大。

2.2考核指標(biāo)約束與水廠重視不夠

（1）缺乏考核指標(biāo)引導(dǎo)

目前對水廠運(yùn)營的考核聚焦點(diǎn)在于出廠水水質(zhì)水量以及水廠能耗和運(yùn)營成本，對臭氧精確投加，特別是余臭氧的控制關(guān)注度相對較低，缺乏考核指標(biāo)的約束，而且余臭氧的問題屬于相對前沿的精細(xì)化控制方面的課題，在正常運(yùn)行的情況下，對水廠的實(shí)際運(yùn)行情況所帶來的影響可以暫時忽略，所以精細(xì)化方面的相應(yīng)工作的推動就存在內(nèi)在動力上的不足。

（2）水廠主觀重視程度不足

由于凈水技術(shù)的不斷優(yōu)化和提升和原水質(zhì)量的保障，目前不少水廠常規(guī)工藝已基本可以達(dá)到國標(biāo)的限值要求，與臭氧投加緊密相關(guān)的TOC、CODMn等指標(biāo)也基本可以滿足要求，所以水廠對臭氧的精確投加暫未進(jìn)行關(guān)注。而且水廠作為運(yùn)營單位，相應(yīng)科研方面的投入存在短板，不具備足夠的科研力量進(jìn)行相應(yīng)的研發(fā)攻關(guān)，在缺乏有效的解決方案的前提下，大部分水廠還是主要以設(shè)計院所提供的運(yùn)行參數(shù)為依據(jù)開展運(yùn)營管理，對臭氧投加的優(yōu)化工作難以提上議程。

3對水廠臭氧投加精確控制的建議

雖然水廠余臭氧的控制和臭氧投加的精確控制尚不是水廠運(yùn)營的主要焦點(diǎn)問題，但從長遠(yuǎn)角度以及精細(xì)化管理的大方向看，臭氧投加的精確控制必然是未來水廠在追求更高水質(zhì)、更高效經(jīng)濟(jì)運(yùn)行過程中所需要攻克的難題，就此提出如下建議：

（1）聯(lián)合在線檢測設(shè)備供應(yīng)商、研究機(jī)構(gòu)、設(shè)計院，在有條件的水廠開展一些前瞻性的試驗(yàn)性研究，逐步解決臭氧投加精確控制中所存在的精確計量、在線濃度檢測等瓶頸問題，為精確控制解決前序環(huán)節(jié)的技術(shù)難點(diǎn)；

（2）逐步形成一套有效應(yīng)對臭氧精確控制的解決方案，用成熟的解決方案引導(dǎo)水廠實(shí)施臭氧投加的精確控制，同時加強(qiáng)余臭氧濃度和生物活性炭濾池運(yùn)行之間的影響研究，加強(qiáng)水廠對臭氧精確投加的重視程度。

討 論：

楚文海

同濟(jì)大學(xué)環(huán)境科學(xué)與工程學(xué)院，教授，博士生導(dǎo)師，環(huán)保部青年拔尖人才

飲用水水源的污染和人們對水質(zhì)要求的提高，使得傳統(tǒng)常規(guī)給水處理工藝已無法滿足眾多自來水廠的制水要求。臭氧化技術(shù)因具有氧化能力強(qiáng)、反應(yīng)速度快等優(yōu)點(diǎn), 在自來水廠凈水過程的各個階段均得到較廣泛應(yīng)用，如預(yù)臭氧化、后臭氧化（活性炭前）和消毒等。無論臭氧應(yīng)用于哪個階段，臭氧的精確投加都尤為重要，直接關(guān)系到出水水質(zhì)是否達(dá)標(biāo)。正如本文所說的溴酸鹽問題，與臭氧的粗放式投加有較大關(guān)系。同時，近年的研究也發(fā)現(xiàn)，當(dāng)臭氧投加不穩(wěn)定時，會造成后續(xù)生物處理中微生物的代謝紊亂，從而產(chǎn)生大量消毒副產(chǎn)物前體物（溶解性微生物產(chǎn)物等），導(dǎo)致后續(xù)氯化消毒時高毒性新型消毒副產(chǎn)物的形成（Chemosphere, 2015, 121, 33-38）。實(shí)現(xiàn)臭氧精確投加的一個關(guān)鍵環(huán)節(jié)是實(shí)現(xiàn)剩余臭氧的精確在線監(jiān)測。臭氧在線監(jiān)測設(shè)備精度（檢測限）不達(dá)標(biāo)，會造成反饋投加信息不準(zhǔn)確，進(jìn)而導(dǎo)致臭氧的粗放式投加和一系列水質(zhì)問題。總之，臭氧氧化對后續(xù)生物處理工藝的影響機(jī)制以及高精度臭氧在線監(jiān)測設(shè)備的研發(fā)和國產(chǎn)化都是需要進(jìn)一步研究的課題。

王錚

上海城市水資源開發(fā)利用國家工程中心有限公司，研發(fā)部制水部經(jīng)理，高級工程師

由于水源微污染問題日趨嚴(yán)重，以及人們對飲用水安全的高度重視，目前水廠臭氧生物活性炭深度工藝應(yīng)用越來越廣。臭氧氧化是臭氧生物活性炭深度處理工藝的關(guān)鍵環(huán)節(jié)，實(shí)現(xiàn)精確控制水廠生物活性炭濾池前臭氧投加量，嚴(yán)格控制進(jìn)入生物活性炭濾池的剩余臭氧濃度，對水廠出廠水水質(zhì)的穩(wěn)定和水廠的運(yùn)行管理非常重要。精確控制臭氧投加量能夠節(jié)約水廠運(yùn)行成本，也是提高企業(yè)管理水平，推動企業(yè)向精細(xì)化管理發(fā)展的重要方面。

 李俊英

Endress+Hauser公司區(qū)域經(jīng)理，同濟(jì)環(huán)境專業(yè)博士

臭氧發(fā)生器的的出口管道上的臭氧流量和濃度的計量，是準(zhǔn)確控制臭氧投加量的關(guān)鍵。目前主要使用轉(zhuǎn)子或叫做浮子流量計、渦街流量計和熱式氣體質(zhì)量流量計，其中行業(yè)內(nèi)普遍使用的金屬轉(zhuǎn)子流量計或孔板差壓流量計對臭氧和純氧的混合物計量精確度都不高，將會逐漸被淘汰；渦街流量計可以測量氣體和液體的體積流量，安裝方式上對直管段和抗震動都有較高的要求，且不適合小流量氣體的檢測；熱式質(zhì)量流量計可以直接檢測質(zhì)量流量，具有高精度、高量程比的優(yōu)點(diǎn)，適合小流量檢測要求低，另外對直管段抗震動，沒有得到推廣的主要原因是價格較高。另外，由于臭氧和純氧的混合物具備強(qiáng)腐蝕性導(dǎo)致該設(shè)備在實(shí)際應(yīng)用中也存在故障率較高的問題。使用PVDF材質(zhì)的墊圈可避免由于臭氧的穿透能力腐蝕儀表的線路板等電子部件，保證長期穩(wěn)定精確的測量，為用戶提供可靠的測量數(shù)據(jù)，用于工藝的優(yōu)化，實(shí)現(xiàn)節(jié)能降耗。 

范姝興

百靈達(dá)，中國區(qū)總經(jīng)理

水中殘留臭氧濃度的檢測一直以來都是水廠深度處理工藝中比較難的一個環(huán)節(jié)。據(jù)《生活飲用水標(biāo)準(zhǔn)檢驗(yàn)方法-消毒劑指標(biāo)》（GB/T 5750.11-2006），目前我國對于水中臭氧濃度檢測的標(biāo)準(zhǔn)方法為碘量法或靛藍(lán)分光光度法，前者操作繁復(fù)，能在實(shí)驗(yàn)室中進(jìn)行，易受到如余氯等其它氧化性物質(zhì)的干擾。目前臭氧水處理工藝中普遍應(yīng)用的現(xiàn)場檢測方法有靛藍(lán)法和DPD法。靛藍(lán)法使用預(yù)制式試劑可實(shí)現(xiàn)現(xiàn)場快速檢測，但預(yù)制式試劑成本高，難以實(shí)現(xiàn)高頻次、多樣品的長期檢測；相反，DPD的預(yù)制式試劑生產(chǎn)技術(shù)成熟、操作簡便、試劑成本低廉，但是DPD易受余氯等氧化性物質(zhì)的干擾。近年來，新一代的臭氧檢測技術(shù)，即安培計時法，已應(yīng)用到水處理工藝中，例如一種被稱為“第三代氧化性消毒劑檢測技術(shù)”的一次性印刷芯片技術(shù)，該平臺有效解決了各類氧化性消毒劑間彼此干擾的問題，能做到精確區(qū)分檢測，單個樣品檢測時間短，且單次檢測成本較低。該方法在水廠臭氧精確投加控制方面將具有廣闊的應(yīng)用場景。

編輯札記

初次接觸余臭氧的概念，是在一次很偶然的對話中，當(dāng)時江總對于臭氧精確投加的思考和探索讓人印象深刻。作為倡導(dǎo)水科技創(chuàng)新的期刊，提出前瞻性的思考和想法，并為這些想法提供交流平臺，供更多行業(yè)內(nèi)專家人士探討和交流，從而推動行業(yè)的進(jìn)步和發(fā)展，是我們的責(zé)任。本觀點(diǎn)的提出，旨在拋磚引玉，引發(fā)同仁的思考，并期待更多熱情的響應(yīng)。