水厂臭氧投加精确调节的问题与思考

水厂臭氧投加精确控制的问题与思考

小编导读

目前国内对水厂深度处理工艺中生物活性炭滤池的余臭氧的研究相对较少，臭氧的精确投加也并非现阶段水厂日常运营中关注的重点，但作为水厂运行管理的前沿课题，臭氧的精确投加必将在未来成为一项重要的研究工作。本期专栏讨论了水厂臭氧投加目前所存在的问题，剖析所存在的技术瓶颈和管理瓶颈，并提出了相应建议，为呼吁未来相关的研究投入发声。

 江文华

工程师，主要从事水质在线监测仪器的应用研究，对自来水及污水处理的生产工艺和监测方法有丰富的实践经验。

近年来，市政自来水厂的出厂水水质问题得到了社会的高度重视，在实现水质标准106项达标的基础上，越来越多的水司和相关科研技术人员进一步将目光转向了消毒副产物、微量污染物的检测和去除等前沿课题。由此，以臭氧-活性炭工艺深度处理工艺的应用和优化，逐渐成为了供水行业的热点。但在应用深度处理工艺的水厂日常运行过程中，实现真正的精细化管理仍存在一定提升的空间，本文以臭氧为例提出余臭氧问题和臭氧精确投加的想法。

1.臭氧精确投加的必要性

在整个制水过程中，臭氧一般被用于高藻原水预臭氧环节，和生物活性炭滤池前接触氧化环节。臭氧的投加主要作用于水体中天然有机物（NOM，Nature Organic Matter），通过高级氧化作用，使大分子有机物分解为小分子有机物，从而便于后续生物活性炭滤池的吸附和生物降解。臭氧投加量的不足，可能会造成接触氧化的不充分，使生物活性炭滤池生物降解有机污染物效果不佳，导致出厂水有机物指标超标；过量投加一方面会直接导致水厂能耗和运行成本的增加，另一方面关春雨等研究发现，臭氧过量会增加NOM电负性，增加NOM和活性炭的静电斥力，不利于活性炭吸附，同时剩余臭氧会破坏活性炭微孔结构并改变其表面化学性质，影响活性炭的使用寿命，更为重要的是，臭氧投加量的增加，容易带来溴酸盐等消毒副产物问题，带来公共环境危害。

在日常的生产过程中，由于原水水质相对较为稳定的特性和预臭氧投加的目的性，对于原水臭氧投加的精确控制必要性相对不是那么重要，一般情况下（不包括突发性水源污染事故）根据相应设计参数，并参考水质的规律性变化情况作出相应调整即可达到相应要求。但水厂中由于各个环节影响因素较为复杂，水质变化也相对较为频繁，生物活性炭滤池前的臭氧投加量的即时调整显得相对比较重要。因此，精确控制水厂生物活性炭滤池前臭氧投加量，严格控制进入生物活性炭滤池的剩余臭氧浓度，对水厂出厂水水质的稳定和水厂的运行管理非常重要。

2.臭氧精确投加存在的问题

2.1臭氧流量计量存在的问题

精确投加在于精确计量、快速响应、准确投加。从PLC控制原理角度考虑，臭氧的精确投加量，需要由进水水质实时数据及生物活性炭滤池剩余臭氧浓度两个参数共同决定，前者决定臭氧应投加的理论量，后者通过实践反馈投加的实际效果并优化投加量。更重要的是，为保证精确投加的有效性，对实际投加量的计量，即臭氧投加的源头控制是精确投加，直接决定了后续工作是否具有意义。然而目前在上述相关因素的在线计量和在线检测方面都存在技术短板或技术难题。

（1）臭氧投加源头控制不准确

臭氧发生器的出口管道上的臭氧流量和浓度的计量，是准确控制臭氧投加量的关键。目前行业内普遍使用的金属转子流量计或孔板差压流量计对臭氧和纯氧的混合物计量精确度都不高；热式质量流量计虽然具有较好的计量精确度，但其价格高昂，由于臭氧和纯氧的混合物具备强腐蚀性导致该设备在实际应用中也存在故障率较高的问题。对于高量程臭氧在线浓度测定的技术也相对匮乏，现阶段国内的计量检测机构不能对臭氧发生器出口的高量程臭氧浓度检测仪器进行计量检测或校准，臭氧的浓度检测准确度只能依赖于臭氧浓度检测仪器本身的精确度。市场上高量程臭氧浓度检测仪品牌繁多，质量良莠不齐，少部分产品质量较好，但是随着工作时间的延长，仪器本身也会产生较大的误差，无法保证真实的反映臭氧发生器出口臭氧的浓度。

在水厂的实际应用中，用于臭氧投加量的计量仪器，往往由臭氧发生器厂商配套提供，用于实现该厂商设备工作状态的闭环控制，对该臭氧投加量的运行情况负责，无法作为可信数值运用于后续的精确控制，因此在臭氧投加的源头计量便失控的前提下，实现臭氧的精确投加就存在很大的难度。臭氧的投加主要还是参照水量以及设计院提供的运行参数计算得出。

（2）余臭氧浓度检测的干扰

目前水厂中普遍使用的余臭氧浓度检测有两类方法，一类为在线仪器检测，一类为实验室检测。在线仪器检测一般使用采用极谱法电极式仪器进行测量，这类仪器对低浓度余臭氧的灵敏度不够，且长期应用于低浓度（0.2 mg/L以下）工作环境下会发生钝化现象，发生钝化现象后这类仪器对臭氧的浓度变化不响应，因此这类型仪器的可靠度存在较大的问题。实验室检测一般采用DPD比色法，结果相对较为可靠。但是对生产工艺中采用了前加氯工艺的水厂，DPD比色法会产生较大偏差，原因是水中的残余氯会对DPD比色法的结果造成正向干扰，使测量值高于实际值。对于这种情况必须采取措施去除余氯对余臭氧的测量干扰。目前大部分水厂对余臭氧的实验室检测频率太低，甚至很难达到一周一次检测频率，实验室的检测手段对于精确投加控制而言，价值不大。

2.2考核指标约束与水厂重视不够

（1）缺乏考核指标引导

目前对水厂运营的考核聚焦点在于出厂水水质水量以及水厂能耗和运营成本，对臭氧精确投加，特别是余臭氧的控制关注度相对较低，缺乏考核指标的约束，而且余臭氧的问题属于相对前沿的精细化控制方面的课题，在正常运行的情况下，对水厂的实际运行情况所带来的影响可以暂时忽略，所以精细化方面的相应工作的推动就存在内在动力上的不足。

（2）水厂主观重视程度不足

由于净水技术的不断优化和提升和原水质量的保障，目前不少水厂常规工艺已基本可以达到国标的限值要求，与臭氧投加紧密相关的TOC、CODMn等指标也基本可以满足要求，所以水厂对臭氧的精确投加暂未进行关注。而且水厂作为运营单位，相应科研方面的投入存在短板，不具备足够的科研力量进行相应的研发攻关，在缺乏有效的解决方案的前提下，大部分水厂还是主要以设计院所提供的运行参数为依据开展运营管理，对臭氧投加的优化工作难以提上议程。

3对水厂臭氧投加精确控制的建议

虽然水厂余臭氧的控制和臭氧投加的精确控制尚不是水厂运营的主要焦点问题，但从长远角度以及精细化管理的大方向看，臭氧投加的精确控制必然是未来水厂在追求更高水质、更高效经济运行过程中所需要攻克的难题，就此提出如下建议：

（1）联合在线检测设备供应商、研究机构、设计院，在有条件的水厂开展一些前瞻性的试验性研究，逐步解决臭氧投加精确控制中所存在的精确计量、在线浓度检测等瓶颈问题，为精确控制解决前序环节的技术难点；

（2）逐步形成一套有效应对臭氧精确控制的解决方案，用成熟的解决方案引导水厂实施臭氧投加的精确控制，同时加强余臭氧浓度和生物活性炭滤池运行之间的影响研究，加强水厂对臭氧精确投加的重视程度。

讨 论：

楚文海

同济大学环境科学与工程学院，教授，博士生导师，环保部青年拔尖人才

饮用水水源的污染和人们对水质要求的提高，使得传统常规给水处理工艺已无法满足众多自来水厂的制水要求。臭氧化技术因具有氧化能力强、反应速度快等优点, 在自来水厂净水过程的各个阶段均得到较广泛应用，如预臭氧化、后臭氧化（活性炭前）和消毒等。无论臭氧应用于哪个阶段，臭氧的精确投加都尤为重要，直接关系到出水水质是否达标。正如本文所说的溴酸盐问题，与臭氧的粗放式投加有较大关系。同时，近年的研究也发现，当臭氧投加不稳定时，会造成后续生物处理中微生物的代谢紊乱，从而产生大量消毒副产物前体物（溶解性微生物产物等），导致后续氯化消毒时高毒性新型消毒副产物的形成（Chemosphere, 2015, 121, 33-38）。实现臭氧精确投加的一个关键环节是实现剩余臭氧的精确在线监测。臭氧在线监测设备精度（检测限）不达标，会造成反馈投加信息不准确，进而导致臭氧的粗放式投加和一系列水质问题。总之，臭氧氧化对后续生物处理工艺的影响机制以及高精度臭氧在线监测设备的研发和国产化都是需要进一步研究的课题。

王铮

上海城市水资源开发利用国家工程中心有限公司，研发部制水部经理，高级工程师

由于水源微污染问题日趋严重，以及人们对饮用水安全的高度重视，目前水厂臭氧生物活性炭深度工艺应用越来越广。臭氧氧化是臭氧生物活性炭深度处理工艺的关键环节，实现精确控制水厂生物活性炭滤池前臭氧投加量，严格控制进入生物活性炭滤池的剩余臭氧浓度，对水厂出厂水水质的稳定和水厂的运行管理非常重要。精确控制臭氧投加量能够节约水厂运行成本，也是提高企业管理水平，推动企业向精细化管理发展的重要方面。

 李俊英

Endress+Hauser公司区域经理，同济环境专业博士

臭氧发生器的的出口管道上的臭氧流量和浓度的计量，是准确控制臭氧投加量的关键。目前主要使用转子或叫做浮子流量计、涡街流量计和热式气体质量流量计，其中行业内普遍使用的金属转子流量计或孔板差压流量计对臭氧和纯氧的混合物计量精确度都不高，将会逐渐被淘汰；涡街流量计可以测量气体和液体的体积流量，安装方式上对直管段和抗震动都有较高的要求，且不适合小流量气体的检测；热式质量流量计可以直接检测质量流量，具有高精度、高量程比的优点，适合小流量检测要求低，另外对直管段抗震动，没有得到推广的主要原因是价格较高。另外，由于臭氧和纯氧的混合物具备强腐蚀性导致该设备在实际应用中也存在故障率较高的问题。使用PVDF材质的垫圈可避免由于臭氧的穿透能力腐蚀仪表的线路板等电子部件，保证长期稳定精确的测量，为用户提供可靠的测量数据，用于工艺的优化，实现节能降耗。 

范姝兴

百灵达，中国区总经理

水中残留臭氧浓度的检测一直以来都是水厂深度处理工艺中比较难的一个环节。据《生活饮用水标准检验方法-消毒剂指标》（GB/T 5750.11-2006），目前我国对于水中臭氧浓度检测的标准方法为碘量法或靛蓝分光光度法，前者操作繁复，能在实验室中进行，易受到如余氯等其它氧化性物质的干扰。目前臭氧水处理工艺中普遍应用的现场检测方法有靛蓝法和DPD法。靛蓝法使用预制式试剂可实现现场快速检测，但预制式试剂成本高，难以实现高频次、多样品的长期检测；相反，DPD的预制式试剂生产技术成熟、操作简便、试剂成本低廉，但是DPD易受余氯等氧化性物质的干扰。近年来，新一代的臭氧检测技术，即安培计时法，已应用到水处理工艺中，例如一种被称为“第三代氧化性消毒剂检测技术”的一次性印刷芯片技术，该平台有效解决了各类氧化性消毒剂间彼此干扰的问题，能做到精确区分检测，单个样品检测时间短，且单次检测成本较低。该方法在水厂臭氧精确投加控制方面将具有广阔的应用场景。

编辑札记

初次接触余臭氧的概念，是在一次很偶然的对话中，当时江总对于臭氧精确投加的思考和探索让人印象深刻。作为倡导水科技创新的期刊，提出前瞻性的思考和想法，并为这些想法提供交流平台，供更多行业内专家人士探讨和交流，从而推动行业的进步和发展，是我们的责任。本观点的提出，旨在抛砖引玉，引发同仁的思考，并期待更多热情的响应。