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臭氧投加裝置(2) 池式鼓泡反應器混合法
1.臭氧通過多孔管鼓泡 此法始終是最廣泛用于水臭氧化的接觸裝置，特別在凈水處理中。擴散元件一般是多孔陶瓷管。不過，不銹鋼底板或塑料擴散頭也可以用。 擴散器裝于噴射或接觸池的底部，在池內必須保持充分的反應時間，例如水平均停留時間達到 20min 。標準布置是隔成一連串的四到六間徑流室。如圖3 和圖4 所示。
此法基于活塞流反應器原理，接近“間歇型”反應動力學。所以，總臭氧消耗可分成相應幾股支流進到每座相鄰室內，以維持一個較穩定的溶解臭氧剩余濃度。這一方法的目的是來分解難降解化合物并保證最后處理的殺病毒作用。大多數情況下，第一次投加滿足直接臭氧要求，可設計成投加總臭氧量的 50%~70% 。在第一接觸室內一般保持 8.333 × 10 -6 mol/L （ 0.4mg/L ）的剩余臭氧濃度，它是靠投加平衡量的臭氧予以保持的。 擴散器應產生具有平均有效直徑約 2mm 的氣泡。實際應用中是將孔徑大小 50~100μm 的擴散器安裝在水深 4~6m 的池底上。此種淹沒式多孔擴散器的水頭損失必須保持在 300~500mmH 2 O 。每座接觸池內平均氣體流量一般保持在水流量的 10% 以下。 氣泡直徑 r=2mm ，然后根據氣泡表面積估計每 m 3 水氣液交換總有效面積，近似等于 0.150m 2 /m 3 水。 在傳統接觸池中，水的平均下流速度約等于 4~5cm/s ，它對氣泡上升速度作用有限。目前趨勢是水的下流速度提高到 10~15cm/s 。這種方法要求在足夠的壓力下（例如達到 0.07MPa ）投加臭氧化氣以克服水柱的以及擴散裝置的水頭損失。為防止水中夾吸的氣泡進入到鄰室，隔板之間水的移動速度應限制在低于 30cm/s 。要想利用它們作為一項防護設施，各個隔開的室必須在氣相上相通。投加室應設計成在每一可能的情況下均能避免短路，以及避免隨之發生的投加到過量區或不足區（圖5 ）。
依試驗條件不同擴散固有損失可在進氣濃度的 5%~20% 間變化。 擴散法的優點有： （ 1 ）穩定運行無需麻煩的機電維護； （ 2 ）通過簡單重復投中操作可保持其臭氧剩余濃度； （ 3 ）可使氣體投加能力一定的設備容量加倍。 此法的缺點是： （ 1 ）空氣氣泡未經空氣與水的密切混合而垂直“溝流”的可能性，臭氧氣泡接觸效果差； （ 2 ）噴射管道上孔隙分布對確保均勻投加十分重要。管道破裂或泄漏，形成臭氧化空氣的“噴槍”，會縮短可用于傳遞的時間； （ 3 ）在多孔管表面上那些噴出高濃臭氧化空氣的地方，有鐵、錳氧化物沉積在上面的可能性，結果孔隙率改變； （ 4 ）上升過程，氣泡由于靜水壓的降低而膨脹，濃度和壓力降低，趨向使溶解減少。為確保足夠的空氣壓力，要投加的臭氧需要電能 2~3W · h/g 。 2.改良型渦流擴散器 為預防臭氧接觸過程短路，前聯邦德國的迪倫（ Doren ）市設計了一座很精致的塔式接觸裝置，采用液體環流渦輪運行。其原理圖，就像是把擴散器用于靜止接觸一樣的用于動態擴散裝置。在這一設計中，傳遞區內凈接觸時間延長到約 150s 。此處所舉的接觸塔的基本設計能力 600m 3 /h 。使用氣液環流渦輪運行即使在出水剩余臭氧濃度 1~ 1.2g/m 3 時，其損失也在 5% 以下。此方法的成功在很大程度上歸因于對稱構造避免出現短路。 3. 加格諾克斯重復擴散器 瑞士索特（ Sauter ）公司的加格諾克斯（ Gagnaux ）創立了一種供二次投加用，單室立式重復噴射疊加接觸池的特殊設計方案，如圖7 所示。
這項工藝是基于用水平流動液體傳輸氣體的設想，能利用首次預臭氧化過程中部分用過的工藝氣體。特別令人感興趣的是除了使水流動以外它不需要別的能量，而且，同前面討論過的雙室擴散池相比，能用比較低的造價達到較長的接觸時間。此系統建議用固定混合器作擴散器，因此運行費和用擴散器時的相類似（每投加 1g 臭氧約需 2~3W · h ）。鑒于這項工藝完成臭氧投加的能力主要依氣泡上升與水的水平流動的相對速度而定，因此，它的適應能力低。在這種雙層投加中，總臭氧損失能降低到小于 5% 。 4. 范德梅式和威爾士巴哈式擴散器 其他以多孔元件向水中擴散臭氧用的較古老裝置有范德梅（ Van der Made ）式擴散裝置 [ 圖8 （ a ） ] （順流），以及威爾士巴哈（ Welbach ）式擴散裝置 [ 圖8 （ b ） ] （逆流）。這兩種類型接觸裝置中的臭氧損失，在單位接觸電耗 2~3W · h/g 時普遍達到 20%~30% 。
5. 托里拆利接觸池 另一種臭氧接觸裝置是托里拆利（ Torricelli ）接觸池，池內尾氣中的臭氧再次擴散到進水下游的水里（圖9 ）。含臭氧氣體的主要擴散是在用隔板隔開的 2m 高的池內，以及 10~12m 高的進水和出水管中，用多孔芒散器完成的。此裝置的典型特點是，工藝氣體首次投加后水力加壓到 30~50kPa ；所以，氣相的泄漏是該裝置運行的主要問題之一。向下流的預臭氧化柱內，水流速度低于 160mm/s 。 在停留室內傳統剩余臭氧濃度（ 4.17~8.33 ）× 10 -6 mol/L （ 0.2~0.4g/m 3 ）情況下，該裝置內的損失小于所加臭氧的 5% 。運行費可按如下估算：用于臭氧接觸（水頭損失 >1m ）至少 1W · h/g 臭氧；用于臭氧生產工藝氣體加壓按 4~5 W · h/g 臭氧估算。 6. 固定混合器和超聲混合器 最近研制出的固定混合器能代替多孔擴散器。或許除了索特公司制造的 VAR 混合器外，這種設備的使用還沒有普及。其他類似設備包括有肯尼克斯（ Kenics ）型、高河（ Koch ）型、科馬克斯（ Komax ）型等混合器 [ 圖10 （ a ） ] 、羅斯（ Ross ） ISG 型和揚克爾斯超聲（ Yonkerssonic ）型混合器 [ 圖10 （ b ） ] 。
同用于快速反應化合物處理（包括瞬時殺菌作用）相比，這些裝置似乎不大適合于維持其剩余濃度的臭氧投加。在無臭氧反應化合物存在情況下的精確臭氧損失不得而知，但估計要 10%~20% 。此型裝置運行所用水氣比適應性，是用來選擇專用設備的一項基本條件。生產規模使用的運行費尚未得知，但可按每接觸 1g 臭氧 4~5W · h 估計：其中氣體調節用 2~3W · h ；校準水流量用 2 W · h 。在超聲混合情況下，引進到高能場內的液體被擴散成水滴狀，通過氣液交換，氣體被擴散成“微小氣泡”進到液體內。在高水流量和低氣量（約 1% ）情況下，超聲混合器產生極微型氣泡。這種裝置在較傳統運行方式下，例如每四份液體一份氣體，其產量類似于傳統裝置的結果。關于超聲混合裝置的中型或大型應用實際費用估算，目前還沒有。
7. 噴射器接觸器 歷史上，自 1906 年奧托法子尼斯應用以來，用噴射器溶解臭氧是大規模應用的頭一種裝置。最新的改型為部分噴射器（用一般支流同臭氧接觸），由此還產生了直接“管道噴射”和完善的重復噴射，諸如“緩慢降流噴射”包括：“深井”法或“大湮沒”法等。現時稱作聯合碳化公司分壓噴射器的格瑞斯（ Grace ）同向流接觸器也是基于相同原理的接觸器。 奧托全噴射裝置（圖11 ）——文丘里噴射器中，臭氧化氣被水系統的流動抽吸到 5~6m 深的接觸塔內。使用無壓工藝氣體時，在水射器膨脹區內必須保持最低降流速度為 40cm/s 。噴射的各相“最小”水頭損失，約為 2m ，不過，實際生產中水頭損失高達 20m 也是經常碰到的。為防止尾氣流量的驟然變化這項水頭，損失是必要的。 在上述情況下，臭氧接觸所需能耗達到 15~20W · h/g 臭氧（有可能達到 31W · h/g 臭氧）。對于一級簡單噴射來說，損失常高達引進臭氧量的 30%~40% 。因此，除了用于某些預臭氧系統或許有益外，這種裝置是不太適合的。鑒于工藝氣體可以是無壓的，尾氣抽吸到另外的接觸池似乎是該裝置有吸引力的方面之一。氣水流量比往往是嚴格的，但這一困難可利用幾只噴射器并聯運行消除。
臭氧化氣直接噴射到輸水管內，對開發臭氧接觸裝置將會有吸引力。該工藝被命名為“水動力學噴射”法，并做過試驗。這種裝置含溶解臭氧水的噴射支管，方向與主水流的方向相反。其相對速度如圖12 所示。支流流量約為總流量的 1/10~1/15 。當支流水加入到主水流中時因氣泡形成引起一定膨脹，支流水的總壓力有一定增加。無需長時間溶解臭氧剩余殺菌作用，即可得到良好的殺菌效果。 有關溶解率或排氣口臭氧逸散損失率尚無實際運行數據發表。此項工藝的主要問題是氣體噴射后附帶有氣體洗提，這對排放吹脫出的氮氣是必要的，但尾氣中可含有數量變化不可預計的臭氧。由于此法不宜使用一般材料，對腐蝕問題必須給以特別注意。 在臭氧處理水量低的情況下，如果主流水壓為 5kgf/cm 2 （ 1kgf/cm 2 = 10 5 Pa ），采用水動力學噴射法投加能耗可下降到 0.5W · h/g 臭氧。此法適用于部分原水的預臭氧化以促進混合效果。 還有文獻中敘述了為改善臭氧總效率用的多級總噴射器系統。為控制“噴射器系統”的費用，已建議用部分噴射法，此時臭氧化空氣為部分水吸入并與之混合，然后，混合水再投加到接觸池底部，在池內要處理的水是循環流動的。顯然，從反應機理和反應動力學觀點看，該裝置使一部分水過度暴露，而其余最主要部分的水沒有直接用高濃度下的臭氧化空氣予以處理。通常，噴射器運行的氣與水的體積比由以下決定： （ 1 ）噴射器管在水中淹沒深度的降低作用； （ 2 ）水壓的提高作用； （ 3 ）對某一定噴射器在足夠水壓下所能達到的最大值。 在理想操作情況下，臭氧損失可能低于 15% ，但適應能力差（氣水體積比變化小于 20% 是允許的）。在不適宜環境下此裝置往往難以運行從而不能滿足實際需要，如果這樣運行損失明顯增加。
支流噴射器可在低反壓下（法國 CEO 或杜塞爾多夫系統）運行，也可在高反壓下（ Chlorator 系統）運行（圖13 ）。這些裝置適合于無壓臭氧化氣噴射使用，噴射深度一般限制在 5m 以內。 支流占總水量的 5%~10% 。低反壓系統，在理想運行條件下，能以電耗 4W · h/g 臭氧實現臭氧接觸（如杜塞爾多夫系統）。至于高反壓法，平均電耗可上升到 10~20W · h/g 臭氧，但也有過實際電耗高達 30~45 W · h/g 臭氧的報道。如在柯尼斯堡（ Konigsberg ）和薩爾斯堡（ Salzburg ）。 最重要的是，必須認識到這種方法正為更新的方法所超過，在目前開發中，只在有可利用的水壓時，例如通過重力水頭以及在某些用做預臭氧化階段重復投加的情況下，才可以強調它的使用。這種裝置因缺乏靈活性可導致系統復雜化，系統內裝有若干不同額定流量的噴射器才可使運行能比較靈活。 臭氧在噴射器系統內的傳遞，是由于噴射器筒內的強烈攪動使壓力逐漸增加達到某最大值而被加速的。噴射筒內降流速度 >2m/s 。 對氣泡移動速度和臭氧氣體傳遞較好理解的結果是降低待處理水的降流速度（圖14 ）。這一方法的優點有： （ 1 ）可以不用機械設備攪拌； （ 2 ）該法當臭氧在空氣中的濃度逐漸降低時，作用在空氣氣泡上的靜水壓力逐漸增加，可加速溶解。 此法的缺點有： （ 1 ）空氣氣泡有垂直通過的趨勢，只一部分臭氧氣泡直接與水接觸； （ 2 ）氣水比的極端重要性使得某一定設備運行的靈活性差。該法特定在空氣流量為水流量 5%~10% 的實際運行條件下使用； （ 3 ）設備安全需要高度可靠性，以免水流量不足時臭氧泄漏； （ 4 ）接觸塔內的廢空氣一排放就有吹掉剩余臭氧的可能性。
為利于臭氧化空氣的擴散，進入裝置的氣體最好至少有 50kPa 的壓力，由此造成的比能耗約為 2~3W · h/g 臭氧。臭氧化氣的投加點必須設在出水水位之上至少 30~50cm 處。由臨界降流速度產生的水頭損失為 80~150cm 。總壓力需要有效范圍在 1.2~2m 水柱之間。附加總消耗依水流的整體設計而定，所需能耗一般約 2W · h/g 臭氧。為投加 1g/h 所需總能耗在 4~5W · h/g 范圍內，雖然運行的靈活性差，全部噴射工藝顯示出可與多孔管噴射裝置相比的性能。 這種方法已有生產裝置，諸如維也納華格納 - 比洛（ WaagnerBiro ）制造的多少有些像格瑞絲（ Grace ）順流接觸器（現名聯合碳化公司正壓噴射器）的薩莫斯（ Submers ）反應器。 薩莫斯反應器（圖15 ）內，一臺潛水泵按系統運行所需水頭使處理水循環。臭氧化處理所用基本設計值為：噴射筒內降流速度≥ 30cm/s ，循環管內水頭約 1~1.2m 。噴射筒深根據總設計可 4~10m 不等。 薩莫斯反應器基本設計是設想用 1 ： 5 的氣水體積比循環總水量的 10%~20% 。在總接觸池內按需要可安裝多臺薩莫斯設備，以便滿足要求。所以，原則上此種方法適合于低臭氧需量之用。如游泳池水處理或地下水消毒。至于高度污染水的處理要靠安裝必要數量的設備。 為擴散進氣，臭氧化處理最好在氣壓 50kPa 下運行，因而為此目的 2~3W · h/g 臭氧是必要的，每臺設備水提升附加電耗達 2W · h/g 臭氧。因此，對于一臺用空氣作工藝氣體的設備來講，總電耗為 4W · h/g 臭氧。同樣擴散，用快速潛水泵水射器裝置時更費，而且溶解率會降低些（如潘博塞 Penberthy 水射器）。 格瑞斯順流接觸器中，可供設計用的基本方案是那些緩慢降流噴射器（圖16 ）。此裝置需要通過進氣與進水（假定進水是高臭氧耗量的水，如污水）直接接觸形成氣泡。因此該法與同用于氧飽和的 ICI 型深井工藝有關。該裝置基本上建議使用富氧工藝氣體，結果，它很適合在一次運行中同時做延時充氧和臭氧化用。用在接觸上的能耗，應是在緩慢降流噴射系統的能耗上加上在連續隔板內供階梯形溢流用的附加水頭。這種接觸裝置應同臭氧化 - 充氣（爆氣）綜合工藝相比，而不是單同臭氧化相比。
8. 渦輪混合器 曲面葉片徑向氣體渦輪混合器臭氧接觸 比利時布魯塞爾梅塞河上的泰爾費給水站，用一種空氣擴散渦輪混合器進行過一些生產性試驗。在水流通過帶隔板的池子時，完成臭氧向水中的噴射（圖17 ）。每一間噴射室的平均停留時間為 2min ，經 5min 總接觸時間（噴射時間 2min ，剩余作用時間 4min ）后測定水中溶解臭氧的剩余濃度。 無論臭氧化還是預臭氧化，每一間噴射室都是 3m × 3m 的方室。渦輪混合器裝在臭氧化水面下 5m 處。在循環室或再噴射室，臭氧化空氣是在 3m 水柱之下擴散。預臭氧化部分設有一臺壓縮機。臭氧化空氣擴散器是一臺工業用帶反向曲面槳葉葉輪的徑向渦輪混合器。當渦輪以 2840r/min 旋轉時，為有利于導入渦輪的空氣向橫向擴散，在水平板上裝有復雜的導流板。只有由擴散作用產生的運動通過渦輪傳遞到液體。裝置的一般構造如圖18 所示。運行電耗按噴射情況平均 2~3W · h/g 臭氧。
為改進氣體渦輪混合器的臭氧接觸，已采用液體（如水）部分循環。盡管仍然基本上是氣體擴散裝置，但凱拉格（ Kerag ）渦輪能使部分液體循環（圖19 ）。
此型裝置在標準水壓力下，能擴散 25~1000m 3 /h ， 2m 淹沒深度下 15~500m 3 /h. 該設備的擴散能力隨淹沒深度急劇下降，如在 0.05Mpa 時 7~250m 3 是它的可比極限。因此，這種裝置基本上是一種能使部分液體環流的表面氣體擴散器，經常安裝在待處理水水面之下。其本質是密集的臭氧化氣氣泡同水的瞬時相互作用，而不是某種剩余臭氧濃度的延遲作用。根據中試研究，出口處臭氧損耗有 20%~30% 。同時，為保證充分抽吸作用，擴散器約需 7~10W · h/g 臭氧。該法似乎不大適合用于主臭氧化，但能有益的適合于預臭氧化。這項工藝是先進的，能產生極微小的氣泡。所以，它多少有點與雙層傳遞原理不同。為限制能耗適合采用支流工藝。例如，像克拉林根（ Kralingen ）的鹿特丹水廠那樣（20 ），重復接觸也能對這種裝置有利。 雖然這種設備不是按機械攪拌器的歷史發展，但目前所采用的液體環流設備原理要比氣體擴散渦輪更有效。況且，還考慮過在氣體擴散裝置中無液體環流時免不了因壓縮 - 減壓使部分臭氧分解的可能性。 Kerag 型渦輪混合器是對這些氣液環流理論的一次探討。 某些根據此種氣液環流理論設計的小型和中型試驗裝置已得出滿意結果，并提高了殺菌作用的效率。 當將一臺螺槳混合器淹沒到容器約 1/3 的深度時，通過以適當速度轉動渦輪能造成一股渦流。這種運動傳動到液體上能將 0.05Mpa 的臭氧化空氣卷吸到渦流區造成臭氧的直接溶解（圖21 ）。在適當操作條件下，此法能得到良好的溶解率，而且臭氧損失量小于投加量的 5%~10% 。 在臭氧溶解過程中，總接觸時間起重要的作用，并且極大的影響著液體環流接觸過程的處理效率。所以，進行了液體環流旋轉混合器進氣有帽分散和無帽分散試驗。 這項工藝的優點有： （ 1 ）保證每一部分水同引進的濃臭氧化空氣密切接觸； （ 2 ）臭氧化空氣壓力可限制在 0.015~0.02Mpa, 因為噴射點不需要淹沒 1.5m 以上。 （ 3 ）溶解率高，而且環流法促使“密集臭氧氣泡接觸”，瞬時殺滅細菌。
螺槳混合器環流特性可按連續混合進行計算。該法提供一種好的噴射管環形構造，進水在其內的降流速度最好保持在 15~20cm/s 。這種速度有助于空氣氣泡的鎮定。 此法的運行能耗：用于空氣壓縮為 0.5~1W · h/g 臭氧，用于使螺槳混合器能產生一級噴射時約 3W · h/g 臭氧（圖22 ）。 在泰爾費水廠初步生產性試驗后，該廠已用液體環流爆氣渦輪裝備了二次噴射系統（圖23 ），這種環流葉輪構成的渦輪，抽吸并混合臭氧化空氣到環流水中。一臺噴射能力 100m 3 /h 的渦輪裝置，配以 1450r/min 電機（防止明顯超負荷）。在正常運行期間，水和空氣是等量運行的，例如：每小時 100m 3 的空氣加到 100 m 3 /h 的水里所用電機功率為 5.5kW · h. 此設備允許正常運行范圍可從其總運行能力的 50% 至 170% 。如減少進入系統的空氣量，循環的水量就加多，環流的空氣 / 水混合流體，通過一系列設置在偏轉葉片間的輪齒形成流管擴散到待處理水中。這種渦輪起著如同在水平偏轉葉片間隆起部分有一系列噴射器的作用。
此型裝置的一個明顯優點是，即使在水中保持了較高剩余臭氧濃度時也可獲得良好的溶解。當減少空氣量而增加水量運行時，溶解量增加。由于渦輪是自吸的，因而臭氧化空氣在投加前不一定需要加壓，無需中間壓縮機，所以這種渦輪特別適合預臭氧化工藝使用。 此型裝置的能耗，按同空氣擴散器可比的算法表示，一臺標準噴射能力 100m 3 /h 的為 5.7kW · h 。這些數字相當于每噴射 1g 臭氧近似 5~6W · h ，如果臭氧是用壓縮空氣發生的話，最后還必須加上空氣壓縮的能耗（ 2~3W · h/g 臭氧）。泰爾費水廠為全部生產能力最后安裝的渦輪混合器有較高的噴射率（臭氧化用 Frings600TVAS 型；預臭氧化用 900F-VAS 型）。 在臭氧化處理階段，正常噴射力為 200m 3 /h ，但氣流可能在 150~300m 3 /h 之間變化，在泰爾費水廠，供渦輪抽吸的工藝氣體有 0.05Mpa 的壓力可以利用。在 1~4m 自吸水頭下渦輪環流有效氣量在 110~215m 3 /h 之間。這一自吸水頭等于擴散導流片與保護管出口之間的液位差。預臭氧化階段，在 3.1m 的淹沒深度下，渦輪所抽吸的氣量為 320m 3 /h. 正常運行下渦輪的最小抽吸深度為 1m 。 生產規模試驗結果與該裝置初步試驗期間所得結果一樣。得出以下結論。 在為任一特定情況選擇臭氧 / 水接觸裝置的工作當中，應在可比基礎上考慮以下基本的和工程的依據： （ 1 ）在一定水中剩余臭氧濃度下平均出口損失相當于可得到的實際溶解量； （ 2 ）在可靠的臭氧消耗基礎上報告的該裝置運行總費用； （ 3 ）氣 / 液接觸比的靈活性； （ 4 ）瞬時氣泡接觸與延時剩余溶解臭氧的綜合作用； （ 5 ）重復作用或多級接觸裝置綜合的可能性； （ 6 ）氣泡大小分布接近接觸方法的理論效果； （ 7 ）長期運行簡單性與因運動部件或固定元件阻塞而復雜化的比較； （ 8 ）在有壓還是真空裝置中運行同尾氣可能泄漏的關系； （ 9 ）接觸池抗腐蝕防護或更換的必要性； （ 10 ）接觸池構造上高負荷流量情況的可能性。 表 5-3 給出以上討論過的各型臭氧接觸器特性的比較。 表 5-3 接觸裝置性能比較
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