臭氧接触氧化模型及臭氧接触池优化研究

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1、臭氧接触氧化模型及臭氧接触池优化研究(申请清华大学工学硕士学位论文)培养单位：环境学院学科：土木工程研究生：戚圣琦指导教师：杨宏伟副研究员二○一五年六月StudyonthemodelandoptimizationofozonecontacttankThesisSubmittedtoTsinghuaUniversityinpartialfulfillmentoftherequirementforthedegreeofMasterofScienceinCivilEngineeringbyQiShengqiThesisSupervisor：AssociateProfess

2、orYangHongweiJune,2015摘要摘要截至2013年，中国已有75个饮用水厂采用臭氧-生物活性炭工艺对水进行深度处理。然而，在臭氧接触池的设计和运行中，普遍存在臭氧总投加量和三段式臭氧投加比确定不合理的问题。因此，研究基于臭氧接触池的臭氧接触氧化模型，对臭氧接触池中臭氧的传质和反应进行模拟，具有重要的实际意义。本文建立了基于鼓泡柱的臭氧接触氧化模型，并通过研究臭氧在地下水和腐殖酸配水中的传质和氧化效果对模型进行了验证。在此基础上，建立了基于臭氧接触池的臭氧接触氧化模型，并提出了优化臭氧投加比和总臭氧投加量的方法。研究表明：（1）基于双膜理论和臭氧反应动

3、力学，分别在臭氧降解为一级反应和非一级反应两种情况下，建立了臭氧接触传质模型。当反应符合一级反应时，得到了模型的解析解；当反应不符合一级反应时，分别基于有机物消耗和臭氧消耗，得到了模型的数值解。（2）分别以地下水和腐殖酸配水作为水源，对该模型进行验证。结果表明，以地下水作为水源时，该模型能准确预测出水液相臭氧浓度和尾气臭氧浓度，误差不超过20%；出水液相臭氧浓度随着进气浓度、进气流量和水深的增加而增加，随着进水流量的增加而减少，在相同条件下逆向流比同向流传质效率更高。当以腐殖酸配水为水源时，臭氧的降解过程不符合一级反应动力学。此时，若以基于臭氧消耗的臭氧反应动力学模

4、型对臭氧消耗曲线进行拟合，其中的臭氧反应速率常数和臭氧消耗量之间呈指数关系，此时对不同臭氧投加量下出水液相臭氧浓度进行拟合，拟合效果较好，误差小于18%。（3）建立了基于臭氧接触池的臭氧传质氧化模型，并分析了其灵敏度。在此基础上，对臭氧接触池进行优化。此时，需要首先在某一个臭氧总投加量下，根据臭氧利用率最高，确定三段的臭氧投加比。在此基础上，根据出水中余臭氧浓度调整总臭氧投加量。结果显示，对于三种不同性质的水，随着水质消耗臭氧速率从慢到快，其臭氧投加比分别为7：3：0，4：4：2和4：3：3，总臭氧投加量分别为0.9～1.1mg/L，1.1～1.3mg/L和1.5～

5、1.7mg/L。在本文中，通过测定某水质的臭氧衰减曲线，可以确定臭氧接触池总臭氧投加量和三段式臭氧投加比，对水厂的臭氧接触池优化运行具有一定的指导意义。关键词：臭氧；传质系数；反应动力学；臭氧接触池；臭氧利用率IAbstractAbstractOzone-biologicalactivatedcarbonprocesshasbeenappliedin75drinkingwatertreatmentplantsinChinauntil2013.However,intheprocessofdesigningandoperatingtheozonecontacttank,

6、thetotalozonedosageandthemassratioofozoneinthreestagesisalwaysdeterminedwithouttheoreticalproof.Therefore,researchonmodelforthesimulationofozonemasstransferandreactionkineticsinozonecontacttankhasimportantpracticalsignificance.Inthisstudy,anozonemasstransferandreactionmodelbasedonabubb

7、lecolumnwasestablished.Themodelwasvalidatedbyinvestigatingtheozonemasstransferandoxidationefficiencyofgroundwaterandsyntheticwatercontaininghumicacid.Onthisbasis,anotherozonemasstransferandreactionmodelbasedonozonecontacttankwasalsoestablishedtoputforwardwaystooptimizethetotalozonedo