南洲水廠臭氧處理系統(tǒng)工藝設(shè)計(jì)簡(jiǎn)介

2 臭氧應(yīng)用的概況
　　臭氧處理在凈水工藝中的應(yīng)用歷史悠久，幾乎與最常用的氯消毒同時(shí)開始被采用，但由于臭氧處理系統(tǒng)設(shè)備復(fù)雜、投資大、電耗高，所以過(guò)去在凈水工藝中未能普遍應(yīng)用。
　　自20世紀(jì)90年代起，由于懷疑水中的某些有機(jī)物和天然物質(zhì)與氯發(fā)生反應(yīng)后形成的三鹵甲烷具有至癌性，越來(lái)越多國(guó)家和地區(qū)對(duì)臭氧在水處理中的應(yīng)用產(chǎn)生了興趣，逐步在飲用水系統(tǒng)中采用了臭氧處理工藝，如美國(guó)、瑞士、法國(guó)、德國(guó)等。在我國(guó)，隨著人民生活水平的提高，對(duì)飲用水水質(zhì)提出了更高的要求，目前我國(guó)已有北京、上海、深圳、昆明等城市的自來(lái)水廠采用了臭氧處理工藝。
　　與氯相比，臭氧在水處理中有許多氯無(wú)法比擬的優(yōu)勢(shì)。由于臭氧的氧化還原電勢(shì)（+2.076V）比氯的氧化電位（+1.36V）高出50%以上，因此比氯具有更強(qiáng)的氧化能力，幾乎能夠氧化所有金屬以及有機(jī)、無(wú)機(jī)的物質(zhì)(除金、鉑、不銹鋼、玻璃、陶瓷等外)，因而具有更強(qiáng)的殺菌作用，對(duì)細(xì)菌的殺滅作用也比氯快，且在很大程度上不受PH值的影響。在投加量為2~4mg/L時(shí)，水幾乎可以完全被消毒。在消毒的同時(shí)還能氧化水中的色、嗅、味和酚等，改善水的性質(zhì)。較少產(chǎn)生附加的化學(xué)物質(zhì)污染，不會(huì)產(chǎn)生如氯酚那樣的臭味，也不會(huì)產(chǎn)生三鹵甲烷等氯消毒的副產(chǎn)物。同時(shí)臭氧只需要電能就可以就地制造。
3 南洲水廠臭氧處理系統(tǒng)主要工藝參數(shù)的確定
　　對(duì)于臭氧處理系統(tǒng)來(lái)說(shuō)，臭氧投加濃度、臭氧投加量、臭氧與水的接觸反應(yīng)時(shí)間以及臭氧在水中的轉(zhuǎn)移效率這四個(gè)工藝參數(shù)十分關(guān)鍵，它們不僅關(guān)系到系統(tǒng)設(shè)計(jì)的先進(jìn)合理與否，還與工程投資密切相關(guān)。為了獲得這些關(guān)鍵參數(shù)，在進(jìn)行南洲水廠臭氧投加系統(tǒng)設(shè)計(jì)之前，廣州市自來(lái)水公司進(jìn)行了時(shí)間長(zhǎng)達(dá)一年的中試試驗(yàn)，通過(guò)試驗(yàn)確定了南洲水廠臭氧處理系統(tǒng)的主要工藝參數(shù)：臭氧投加濃度7~10wt%（正常情況下10wt%,其中一臺(tái)臭氧設(shè)備故障停機(jī)時(shí)7wt%，wt%——重量百分比，臭氧濃度7~10wt%相當(dāng)于臭氧在混合氣體中的含量為103~148g/m3。）；預(yù)臭氧投加量0.5~1.5mg/l，臭氧與水接觸反應(yīng)時(shí)間≥4min；主臭氧投加量1.0~2.5mg/l，臭氧與水接觸反應(yīng)時(shí)間≥10min，主臭氧接觸池出水含有水中余臭氧0.2~0.4mg/l；預(yù)/主臭氧在水中的轉(zhuǎn)移效率都要求≥95%。
4 臭氧處理系統(tǒng)的組成
　　南洲水廠臭氧處理系統(tǒng)主要由氣源制備、臭氧發(fā)生、接觸反應(yīng)和尾氣破壞四部分的組成，系統(tǒng)的組成及工藝流程如圖2所示：

4.1 氣源系統(tǒng)
　　根據(jù)臭氧處理系統(tǒng)的運(yùn)行特點(diǎn)，氣源制備部分是臭氧處理系統(tǒng)中的前置系統(tǒng)，它的作用是為臭氧發(fā)生器提供所需的質(zhì)量適宜和數(shù)量足夠的原料氣體。氣源制備系統(tǒng)主要有三種形式可供選擇：
①利用空氣干燥后制臭氧；
②現(xiàn)場(chǎng)利用空氣通過(guò)VPSA系統(tǒng)制成高純度氧氣后制臭氧；
③利用液氧制臭氧。
采用不同形式氣源的臭氧發(fā)生器對(duì)比表
氣源形式 氧氣含量（%） 臭氧發(fā)生濃度（wt%） 單機(jī)最大發(fā)生量（kg/h）
①干燥空氣 21 2~4 ≤15
②VPSA現(xiàn)場(chǎng)制氧 90~94 7~18 ≥250
③液氧（LOX） ≥99.6 7~18 ≥250

　　南洲水廠臭氧投加濃度為10wt%，臭氧最大需求量約為183.3kg/h，氧氣需求量為1309.57~2618.57kg/h，因此氣源采用②、③形式。
　　南洲水廠臭氧制備的氣源形式選用VPSA現(xiàn)場(chǎng)制氧為主要形式，同時(shí)配置液氧儲(chǔ)備系統(tǒng)作為VPSA設(shè)備檢修停產(chǎn)或滿負(fù)荷峰值時(shí)產(chǎn)量不足的備用。VPSA（Vacuum Pressure Swing Adsorption的簡(jiǎn)稱，中文含義是真空變壓吸附技術(shù)）的基本原理是：利用固體吸附劑對(duì)氣體組分吸附的明顯選擇性和擴(kuò)散性的差異，通過(guò)氣源在接近常壓下在不同吸附劑中的循環(huán)變化，其解吸（或再生）采用真空抽吸的方式來(lái)實(shí)現(xiàn)氣體的分離過(guò)程。它以空氣為原料，利用專用的制氧分子篩（即吸附劑）對(duì)空氣中氧、氮、二氧化碳等氣體組分的吸附選擇性，在常溫狀態(tài)下將空氣中的氧氣分離出來(lái)。
　　南洲水廠的現(xiàn)場(chǎng)制氧設(shè)備由美國(guó)AIRSEP公司提供。該VPSA現(xiàn)場(chǎng)制氧系統(tǒng)的規(guī)格折算成100%的純氧時(shí)產(chǎn)量為1200Nm3/h（Nm3——標(biāo)準(zhǔn)立方米，標(biāo)準(zhǔn)狀態(tài)下（0℃，1.013bar）的體積），產(chǎn)品氣體中氧氣含量為90~95%。液氧儲(chǔ)備設(shè)備主要包括三個(gè)體積為50m3的液氧儲(chǔ)罐，兩個(gè)蒸發(fā)能力為1500Nm3/h的空溫式液氧汽化器。
4.2 臭氧發(fā)生系統(tǒng)
　　臭氧發(fā)生系統(tǒng)是臭氧處理系統(tǒng)中的設(shè)備核心，其作用是生產(chǎn)消毒工藝所需的數(shù)量足夠的臭氧氣體。
　　南洲水廠臭氧發(fā)生車間配備四臺(tái)臭氧發(fā)生器，選用的是瑞士OZONIA公司的產(chǎn)品，總臭氧發(fā)生量為190kg/h，每臺(tái)設(shè)備的發(fā)生量為47.5kg/h，正常情況下臭氧發(fā)生濃度為10wt%。
　　臭氧發(fā)生系統(tǒng)主要由以下部分組成：臭氧發(fā)生器、發(fā)生器供電單元（簡(jiǎn)稱PSU，含變頻、變壓、冷卻系統(tǒng)）、供配電系統(tǒng)（簡(jiǎn)稱PDB）、PLC控制系統(tǒng)、儀表空氣和氮?dú)馔都酉到y(tǒng)、相關(guān)儀表閥門、管道等。
 
 
臭氧產(chǎn)生在臭氧發(fā)生器放電管內(nèi)，圖3是臭氧發(fā)生示意圖。

　　在臭氧生成的過(guò)程中，開始時(shí)氧分子吸收能量分解，分解后的氧原子與未分解的氧分子結(jié)合生成臭氧分子。臭氧的產(chǎn)生發(fā)生在放電管的兩個(gè)電極之間，兩個(gè)電極被絕緣介質(zhì)隔開，并留有一個(gè)很小的間隙。約3700V、1000z的電壓施加在電極上，含氧氣體流過(guò)間隙，臭氧則在放電區(qū)域內(nèi)產(chǎn)生。
4.3 臭氧接觸反應(yīng)系統(tǒng)
　　接觸反應(yīng)是臭氧處理系統(tǒng)中生產(chǎn)運(yùn)行的核心，它的作用是將臭氧發(fā)生器產(chǎn)生的臭氧氣體迅速有效地?cái)U(kuò)散到處理水中，并穩(wěn)定可靠地完成預(yù)定工藝所要求的反應(yīng)。
　　南洲水廠接觸、反應(yīng)系統(tǒng)中設(shè)置前、主臭氧接觸池。從取水泵站輸送來(lái)的原水到達(dá)南洲水廠廠區(qū)后，先進(jìn)入預(yù)臭氧接觸池，隨后經(jīng)過(guò)常規(guī)處理，再被提升泵房抽取送進(jìn)主臭氧接觸池。
4.3.1 預(yù)臭氧接觸反應(yīng)系統(tǒng)
4.3.1.1 南洲水廠預(yù)臭氧的主要目的：
l         初步氧化去除高濃度有機(jī)物（DOC）、鐵、錳；
l         改善絮凝和過(guò)濾效果，減少絮凝劑投加量和反沖濾池用水量
l         減少三致物質(zhì)的母體，避免THM的形成；
l         控制藻類；
l         氧化無(wú)機(jī)物質(zhì)如氰化物、碳化物、硝化物。
4.3.1.2 南洲水廠預(yù)臭氧系統(tǒng)主要設(shè)計(jì)參數(shù)：
l         投加量：0.5~1.5mg/l；
l         接觸池?cái)?shù)量：4座；
l         接觸池有效水深：6m；
l         射流投加線：1線/池（共4線并聯(lián)運(yùn)行）；
l         文丘里射流器數(shù)量：4套；
l         射流器動(dòng)力水泵：5臺(tái)（4運(yùn)1備）；
l         臭氧轉(zhuǎn)移效率：≥95%；
4.3.1.3 預(yù)臭氧接觸反應(yīng)系統(tǒng)
 
　　臭氧擴(kuò)散通常采用微孔曝氣或射流曝氣兩種形式，南洲水廠預(yù)臭氧接觸反應(yīng)系統(tǒng)采用文丘里射流曝氣的形式。
　　在預(yù)臭氧接觸池中建有加壓水泵房，利用水泵向文丘里射流器提供壓力水，通過(guò)射流器使臭氧進(jìn)入接觸池。使用射流曝氣。
　　在預(yù)臭氧接觸池四條進(jìn)水管處各安裝一個(gè)電磁流量計(jì)，提供4~20mA的電流信號(hào)供臭氧發(fā)生器的PLC系統(tǒng)根據(jù)處理水量進(jìn)行臭氧投加量控制。