南洲水廠臭氧處理係統工藝設計簡介

2 臭氧應用的概況
　　臭氧處理在淨水工藝中的應用曆史悠久，幾乎與(yu) 最常用的氯消毒同時開始被采用，但由於(yu) 臭氧處理係統設備複雜、投資大、電耗高，所以過去在淨水工藝中未能普遍應用。
　　自20世紀90年代起，由於(yu) 懷疑水中的某些有機物和天然物質與(yu) 氯發生反應後形成的三鹵甲烷具有至癌性，越來越多國家和地區對臭氧在水處理中的應用產(chan) 生了興(xing) 趣，逐步在飲用水係統中采用了臭氧處理工藝，如美國、瑞士、法國、德國等。在我國，隨著人民生活水平的提高，對飲用水水質提出了更高的要求，目前我國已有北京、上海、深圳、昆明等城市的自來水廠采用了臭氧處理工藝。
　　與(yu) 氯相比，臭氧在水處理中有許多氯無法比擬的優(you) 勢。由於(yu) 臭氧的氧化還原電勢（+2.076V）比氯的氧化電位（+1.36V）高出50%以上，因此比氯具有更強的氧化能力，幾乎能夠氧化所有金屬以及有機、無機的物質(除金、鉑、不鏽鋼、玻璃、陶瓷等外)，因而具有更強的殺菌作用，對細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(wei) 2~4mg/L時，水幾乎可以完全被消毒。在消毒的同時還能氧化水中的色、嗅、味和酚等，改善水的性質。較少產(chan) 生附加的化學物質汙染，不會(hui) 產(chan) 生如氯酚那樣的臭味，也不會(hui) 產(chan) 生三鹵甲烷等氯消毒的副產(chan) 物。同時臭氧隻需要電能就可以就地製造。
3 南洲水廠臭氧處理係統主要工藝參數的確定
　　對於(yu) 臭氧處理係統來說，臭氧投加濃度、臭氧投加量、臭氧與(yu) 水的接觸反應時間以及臭氧在水中的轉移效率這四個(ge) 工藝參數十分關(guan) 鍵，它們(men) 不僅(jin) 關(guan) 係到係統設計的先進合理與(yu) 否，還與(yu) 工程投資密切相關(guan) 。為(wei) 了獲得這些關(guan) 鍵參數，在進行南洲水廠臭氧投加係統設計之前，廣州市自來水公司進行了時間長達一年的中試試驗，通過試驗確定了南洲水廠臭氧處理係統的主要工藝參數：臭氧投加濃度7~10wt%（正常情況下10wt%,其中一台臭氧設備故障停機時7wt%，wt%——重量百分比，臭氧濃度7~10wt%相當於(yu) 臭氧在混合氣體(ti) 中的含量為(wei) 103~148g/m3。）；預臭氧投加量0.5~1.5mg/l，臭氧與(yu) 水接觸反應時間≥4min；主臭氧投加量1.0~2.5mg/l，臭氧與(yu) 水接觸反應時間≥10min，主臭氧接觸池出水含有水中餘(yu) 臭氧0.2~0.4mg/l；預/主臭氧在水中的轉移效率都要求≥95%。
4 臭氧處理係統的組成
　　南洲水廠臭氧處理係統主要由氣源製備、臭氧發生、接觸反應和尾氣破壞四部分的組成，係統的組成及工藝流程如圖2所示：

4.1 氣源係統
　　根據臭氧處理係統的運行特點，氣源製備部分是臭氧處理係統中的前置係統，它的作用是為(wei) 臭氧發生器提供所需的質量適宜和數量足夠的原料氣體(ti) 。氣源製備係統主要有三種形式可供選擇：
①利用空氣幹燥後製臭氧；
②現場利用空氣通過VPSA係統製成高純度氧氣後製臭氧；
③利用液氧製臭氧。
采用不同形式氣源的臭氧發生器對比表
氣源形式 氧氣含量（%） 臭氧發生濃度（wt%） 單機最大發生量（kg/h）
①幹燥空氣 21 2~4 ≤15
②VPSA現場製氧 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(wei) 10wt%，臭氧最大需求量約為(wei) 183.3kg/h，氧氣需求量為(wei) 1309.57~2618.57kg/h，因此氣源采用②、③形式。
　　南洲水廠臭氧製備的氣源形式選用VPSA現場製氧為(wei) 主要形式，同時配置液氧儲(chu) 備係統作為(wei) VPSA設備檢修停產(chan) 或滿負荷峰值時產(chan) 量不足的備用。VPSA（Vacuum Pressure Swing Adsorption的簡稱，中文含義(yi) 是真空變壓吸附技術）的基本原理是：利用固體(ti) 吸附劑對氣體(ti) 組分吸附的明顯選擇性和擴散性的差異，通過氣源在接近常壓下在不同吸附劑中的循環變化，其解吸（或再生）采用真空抽吸的方式來實現氣體(ti) 的分離過程。它以空氣為(wei) 原料，利用專(zhuan) 用的製氧分子篩（即吸附劑）對空氣中氧、氮、二氧化碳等氣體(ti) 組分的吸附選擇性，在常溫狀態下將空氣中的氧氣分離出來。
　　南洲水廠的現場製氧設備由美國AIRSEP公司提供。該VPSA現場製氧係統的規格折算成100%的純氧時產(chan) 量為(wei) 1200Nm3/h（Nm3——標準立方米，標準狀態下（0℃，1.013bar）的體(ti) 積），国产传媒在线氣體(ti) 中氧氣含量為(wei) 90~95%。液氧儲(chu) 備設備主要包括三個(ge) 體(ti) 積為(wei) 50m3的液氧儲(chu) 罐，兩(liang) 個(ge) 蒸發能力為(wei) 1500Nm3/h的空溫式液氧汽化器。
4.2 臭氧發生係統
　　臭氧發生係統是臭氧處理係統中的設備核心，其作用是生產(chan) 消毒工藝所需的數量足夠的臭氧氣體(ti) 。
　　南洲水廠臭氧發生車間配備四台臭氧發生器，選用的是瑞士OZONIA公司的国产传媒在线，總臭氧發生量為(wei) 190kg/h，每台設備的發生量為(wei) 47.5kg/h，正常情況下臭氧發生濃度為(wei) 10wt%。
　　臭氧發生係統主要由以下部分組成：臭氧發生器、發生器供電單元（簡稱PSU，含變頻、變壓、冷卻係統）、供配電係統（簡稱PDB）、PLC控製係統、儀(yi) 表空氣和氮氣投加係統、相關(guan) 儀(yi) 表閥門、管道等。
 
 
臭氧產(chan) 生在臭氧發生器放電管內(nei) ，圖3是臭氧發生示意圖。

　　在臭氧生成的過程中，開始時氧分子吸收能量分解，分解後的氧原子與(yu) 未分解的氧分子結合生成臭氧分子。臭氧的產(chan) 生發生在放電管的兩(liang) 個(ge) 電極之間，兩(liang) 個(ge) 電極被絕緣介質隔開，並留有一個(ge) 很小的間隙。約3700V、1000z的電壓施加在電極上，含氧氣體(ti) 流過間隙，臭氧則在放電區域內(nei) 產(chan) 生。
4.3 臭氧接觸反應係統
　　接觸反應是臭氧處理係統中生產(chan) 運行的核心，它的作用是將臭氧發生器產(chan) 生的臭氧氣體(ti) 迅速有效地擴散到處理水中，並穩定可靠地完成預定工藝所要求的反應。
　　南洲水廠接觸、反應係統中設置前、主臭氧接觸池。從(cong) 取水泵站輸送來的原水到達南洲水廠廠區後，先進入預臭氧接觸池，隨後經過常規處理，再被提升泵房抽取送進主臭氧接觸池。
4.3.1 預臭氧接觸反應係統
4.3.1.1 南洲水廠預臭氧的主要目的：
l         初步氧化去除高濃度有機物（DOC）、鐵、錳；
l         改善絮凝和過濾效果，減少絮凝劑投加量和反衝(chong) 濾池用水量
l         減少三致物質的母體(ti) ，避免THM的形成；
l         控製藻類；
l         氧化無機物質如氰化物、碳化物、硝化物。
4.3.1.2 南洲水廠預臭氧係統主要設計參數：
l         投加量：0.5~1.5mg/l；
l         接觸池數量：4座；
l         接觸池有效水深：6m；
l         射流投加線：1線/池（共4線並聯運行）；
l         文丘裏射流器數量：4套；
l         射流器動力水泵：5台（4運1備）；
l         臭氧轉移效率：≥95%；
4.3.1.3 預臭氧接觸反應係統
 
　　臭氧擴散通常采用微孔曝氣或射流曝氣兩(liang) 種形式，南洲水廠預臭氧接觸反應係統采用文丘裏射流曝氣的形式。
　　在預臭氧接觸池中建有加壓水泵房，利用水泵向文丘裏射流器提供壓力水，通過射流器使臭氧進入接觸池。使用射流曝氣。
　　在預臭氧接觸池四條進水管處各安裝一個(ge) 電磁流量計，提供4~20mA的電流信號供臭氧發生器的PLC係統根據處理水量進行臭氧投加量控製。