水廠臭氧投加精確控制的問(wèn)題與思考

小編導(dǎo)讀

目前國(guó)內(nèi)對(duì)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(duì)較少，臭氧的精確投加也并非現(xiàn)階段水廠日常運(yùn)營(yíng)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(lái)成為一項(xiàng)重要的研究工作。本期專(zhuān)欄討論了水廠臭氧投加目前所存在的問(wèn)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(lái)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(cè)儀器的應(yīng)用研究，對(duì)自來(lái)水及污水處理的生產(chǎn)工藝和監(jiān)測(cè)方法有豐富的實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)。

近年來(lái)，市政自來(lái)水廠的出廠水水質(zhì)問(wèn)題得到了社會(huì)的高度重視，在實(shí)現(xiàn)水質(zhì)標(biāo)準(zhǔn)106項(xiàng)達(dá)標(biāo)的基礎(chǔ)上，越來(lái)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(cè)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(guò)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(wèn)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(gè)制水過(guò)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(guò)高級(jí)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(huì)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(guò)量投加一方面會(huì)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(guò)量會(huì)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(shí)剩余臭氧會(huì)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(lái)溴酸鹽等消毒副產(chǎn)物問(wèn)題，帶來(lái)公共環(huán)境危害。

在日常的生產(chǎn)過(guò)程中，由于原水水質(zhì)相對(duì)較為穩(wěn)定的特性和預(yù)臭氧投加的目的性，對(duì)于原水臭氧投加的精確控制必要性相對(duì)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(jì)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(gè)環(huán)節(jié)影響因素較為復(fù)雜，水質(zhì)變化也相對(duì)較為頻繁，生物活性炭濾池前的臭氧投加量的即時(shí)調(diào)整顯得相對(duì)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(duì)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(wèn)題

2.1臭氧流量計(jì)量存在的問(wèn)題

精確投加在于精確計(jì)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(shí)數(shù)據(jù)及生物活性炭濾池剩余臭氧濃度兩個(gè)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(guò)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(duì)實(shí)際投加量的計(jì)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(jì)量和在線檢測(cè)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(jì)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(jì)或孔板差壓流量計(jì)對(duì)臭氧和純氧的混合物計(jì)量精確度都不高；熱式質(zhì)量流量計(jì)雖然具有較好的計(jì)量精確度，但其價(jià)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(wèn)題。對(duì)于高量程臭氧在線濃度測(cè)定的技術(shù)也相對(duì)匱乏，現(xiàn)階段國(guó)內(nèi)的計(jì)量檢測(cè)機(jī)構(gòu)不能對(duì)臭氧發(fā)生器出口的高量程臭氧濃度檢測(cè)儀器進(jìn)行計(jì)量檢測(cè)或校準(zhǔn)，臭氧的濃度檢測(cè)準(zhǔn)確度只能依賴(lài)于臭氧濃度檢測(cè)儀器本身的精確度。市場(chǎng)上高量程臭氧濃度檢測(cè)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(shí)間的延長(zhǎng)，儀器本身也會(huì)產(chǎn)生較大的誤差，無(wú)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(jì)量?jī)x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(duì)該臭氧投加量的運(yùn)行情況負(fù)責(zé)，無(wú)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(jì)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(jì)院提供的運(yùn)行參數(shù)計(jì)算得出。

（2）余臭氧濃度檢測(cè)的干擾

目前水廠中普遍使用的余臭氧濃度檢測(cè)有兩類(lèi)方法，一類(lèi)為在線儀器檢測(cè)，一類(lèi)為實(shí)驗(yàn)室檢測(cè)。在線儀器檢測(cè)一般使用采用極譜法電極式儀器進(jìn)行測(cè)量，這類(lèi)儀器對(duì)低濃度余臭氧的靈敏度不夠，且長(zhǎng)期應(yīng)用于低濃度（0.2 mg/L以下）工作環(huán)境下會(huì)發(fā)生鈍化現(xiàn)象，發(fā)生鈍化現(xiàn)象后這類(lèi)儀器對(duì)臭氧的濃度變化不響應(yīng)，因此這類(lèi)型儀器的可靠度存在較大的問(wèn)題。實(shí)驗(yàn)室檢測(cè)一般采用DPD比色法，結(jié)果相對(duì)較為可靠。但是對(duì)生產(chǎn)工藝中采用了前加氯工藝的水廠，DPD比色法會(huì)產(chǎn)生較大偏差，原因是水中的殘余氯會(huì)對(duì)DPD比色法的結(jié)果造成正向干擾，使測(cè)量值高于實(shí)際值。對(duì)于這種情況必須采取措施去除余氯對(duì)余臭氧的測(cè)量干擾。目前大部分水廠對(duì)余臭氧的實(shí)驗(yàn)室檢測(cè)頻率太低，甚至很難達(dá)到一周一次檢測(cè)頻率，實(shí)驗(yàn)室的檢測(cè)手段對(duì)于精確投加控制而言，價(jià)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(duì)水廠運(yùn)營(yíng)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(yíng)成本，對(duì)臭氧精確投加，特別是余臭氧的控制關(guān)注度相對(duì)較低，缺乏考核指標(biāo)的約束，而且余臭氧的問(wèn)題屬于相對(duì)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(duì)水廠的實(shí)際運(yùn)行情況所帶來(lái)的影響可以暫時(shí)忽略，所以精細(xì)化方面的相應(yīng)工作的推動(dòng)就存在內(nèi)在動(dòng)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(guó)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(duì)臭氧的精確投加暫未進(jìn)行關(guān)注。而且水廠作為運(yùn)營(yíng)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(jì)院所提供的運(yùn)行參數(shù)為依據(jù)開(kāi)展運(yùn)營(yíng)管理，對(duì)臭氧投加的優(yōu)化工作難以提上議程。

3對(duì)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(yíng)的主要焦點(diǎn)問(wèn)題，但從長(zhǎng)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(lái)水廠在追求更高水質(zhì)、更高效經(jīng)濟(jì)運(yùn)行過(guò)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(cè)設(shè)備供應(yīng)商、研究機(jī)構(gòu)、設(shè)計(jì)院，在有條件的水廠開(kāi)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(jì)量、在線濃度檢測(cè)等瓶頸問(wèn)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(duì)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(shí)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(duì)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(duì)水質(zhì)要求的提高，使得傳統(tǒng)常規(guī)給水處理工藝已無(wú)法滿足眾多自來(lái)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(lái)水廠凈水過(guò)程的各個(gè)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(wú)論臭氧應(yīng)用于哪個(gè)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(shuō)的溴酸鹽問(wèn)題，與臭氧的粗放式投加有較大關(guān)系。同時(shí)，近年的研究也發(fā)現(xiàn)，當(dāng)臭氧投加不穩(wěn)定時(shí)，會(huì)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(shí)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(gè)關(guān)鍵環(huán)節(jié)是實(shí)現(xiàn)剩余臭氧的精確在線監(jiān)測(cè)。臭氧在線監(jiān)測(cè)設(shè)備精度（檢測(cè)限）不達(dá)標(biāo)，會(huì)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(wèn)題?？傊?，臭氧氧化對(duì)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(cè)設(shè)備的研發(fā)和國(guó)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(kāi)發(fā)利用國(guó)家工程中心有限公司，研發(fā)部制水部經(jīng)理，高級(jí)工程師

由于水源微污染問(wèn)題日趨嚴(yán)重，以及人們對(duì)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(lái)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(duì)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(dòng)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(zhuān)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(jì)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(jì)、渦街流量計(jì)和熱式氣體質(zhì)量流量計(jì)，其中行業(yè)內(nèi)普遍使用的金屬轉(zhuǎn)子流量計(jì)或孔板差壓流量計(jì)對(duì)臭氧和純氧的混合物計(jì)量精確度都不高，將會(huì)逐漸被淘汰；渦街流量計(jì)可以測(cè)量氣體和液體的體積流量，安裝方式上對(duì)直管段和抗震動(dòng)都有較高的要求，且不適合小流量氣體的檢測(cè)；熱式質(zhì)量流量計(jì)可以直接檢測(cè)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(cè)要求低，另外對(duì)直管段抗震動(dòng)，沒(méi)有得到推廣的主要原因是價(jià)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(wèn)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(zhǎng)期穩(wěn)定精確的測(cè)量，為用戶(hù)提供可靠的測(cè)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(guó)區(qū)總經(jīng)理

水中殘留臭氧濃度的檢測(cè)一直以來(lái)都是水廠深度處理工藝中比較難的一個(gè)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(guó)對(duì)于水中臭氧濃度檢測(cè)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(chǎng)檢測(cè)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(chǎng)快速檢測(cè)，但預(yù)制式試劑成本高，難以實(shí)現(xiàn)高頻次、多樣品的長(zhǎng)期檢測(cè)；相反，DPD的預(yù)制式試劑生產(chǎn)技術(shù)成熟、操作簡(jiǎn)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(lái)，新一代的臭氧檢測(cè)技術(shù)，即安培計(jì)時(shí)法，已應(yīng)用到水處理工藝中，例如一種被稱(chēng)為“第三代氧化性消毒劑檢測(cè)技術(shù)”的一次性印刷芯片技術(shù)，該平臺(tái)有效解決了各類(lèi)氧化性消毒劑間彼此干擾的問(wèn)題，能做到精確區(qū)分檢測(cè)，單個(gè)樣品檢測(cè)時(shí)間短，且單次檢測(cè)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(chǎng)景。

編輯札記

初次接觸余臭氧的概念，是在一次很偶然的對(duì)話中，當(dāng)時(shí)江總對(duì)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(tái)，供更多行業(yè)內(nèi)專(zhuān)家人士探討和交流，從而推動(dòng)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)。