凈水廠臭氧處理系統設計的關鍵點

【摘 要】當前凈水廠給水在深度處理工藝中大量使用臭氧處理系統，為了使得凈水廠臭氧處理系統設計更加科學、合理，本文就結合某自來水廠臭氧處理系統實際建設和設計，對臭氧系統中臭氧氣源生產、發生系統、具體接觸反應及尾氣處理系統的設計關鍵點進行敘述，以期能夠為相關工作者提供借鑒。

【關鍵詞】凈水廠；臭氧處理系統；接觸反應

隨著當前我國經濟的持續發展，人們日益重視生活水平的提高及健康條件的改善，而飲用水作為衡量生活水平的關鍵指數，其加工過程中僅僅采用絮凝、沉淀、過濾及消毒等工藝已經很難滿足人們對水質的要求，因此有必要對水質進行深度處理，并且如臭氧氧化加活性炭過濾等深度處理工藝已經在我國很多地區得以實施，而整個臭氧系統的設計合理與否，直接關系著凈水廠運行成本及凈水效果。

1.臭氧處理系統原理及作用

臭氧在自來水廠凈化工藝中主要作用包括預氧化與主氧化。對于預氧化來說，臭氧處理主要表現在將水中的一些異味、色度以及水中含有藻類、鐵錳等重金屬處理，進而使得水中含有的膠體微粒失穩，有效提高絮凝效果，避免混凝劑加入量，并且預氧化，還能將THM等物質母體物除去，大幅度減少“三致”物質在水中的含量，另外先期的臭氧預處理還能將水中含有的大分子有機物氧化，進而使得這些大分子有機物變為小分子有機物，而對于無機物質的氧化主要包括一些碳化物、氰化物、硝化物等。而對于主氧化來說，通常要和活性炭共同使用，其主要用于消滅病毒和細菌，氧化水中的苯酚、清潔劑、殺蟲劑等有機物，并除去水中的DOC；氧化分解如NTA、EDTA等螯合物。

另外對整個臭氧處理系統來說，臭氧的加入濃度、臭氧加入量、接觸反應時間及水中的轉移效率等工藝參數對自來水深度處理來說至關重要，通常情況下，前臭氧接觸時間一般控制在3分鐘作用，而加入臭氧量應該控制在1mg/L作用，而后臭氧接觸時間應該要超過10分鐘，并且加入量應該控制在2mg/L左右。另外對于水中的剩余臭氧，其濃度應該控制在0.3mg/L，保證整個臭氧轉移效率超過95%。

2.凈水廠臭氧處理系統設計要點

在凈水廠整個凈化環節過程中，臭氧系統主要包括臭氧源生產；發生系統；具體接觸反應及尾氣處理等幾部分共同組成。

2.1臭氧氣源的生產

對于臭氧氣源的生產可以使用氣態氧、液態氧或干燥空氣等：（1）使用氣態氧制造。使用氣態氧制臭氧在設備的投資上要比使用空氣制臭氧的投資低，但是要比使用液態氧制臭氧的投資高。所制成的臭氧質量分數也通常能夠達到18%，或者更高一些。并且通常每生產一千克臭氧耗電在12-13KW·h之間，另外氣態氧通常要使用真空變壓吸附技術來制造。該技術通過分子篩將空氣中的氮氣篩選吸附，而讓其中的氧氣順利通過，進而實現對空氣的氮氧分離，然后當分子篩達到飽和之后，再采用變壓處理，使得分子篩當中的氮氣脫落進而實現再生，接著重復循環上述操作。而這樣的氣態氧氣制備，通常情況下氧氣體積分數能夠保證在85%-93%之間，而生產一千克臭氧則通常要耗電0.3-0.4kW·h。而利用氣態氧氣進行臭氧制造，經驗表明，所生產的氧氣體積分數大約在95%以上，而氮氣體積分數則在5%以下，整個臭氧發生器中臭氧生產率較高[1]。（2）使用空氣制臭氧。使用空氣制臭氧，臭氧發生設備所需資金較高，并且其實際運行過程所需電耗多，所制臭氧含量與產量均很低，通常情況下，使用空氣制臭氧，臭氧的質量分數僅僅能達到4%左右，每生產一千克臭氧所需耗電量在10-13kW·h。（3）使用液態氧制臭氧。使用液態氧進行臭氧制備，臭氧發生設備投資相對前兩者較低，并且實際運行過程中電耗也很低，而制成的臭氧質量分數能達到18%以上，通常情況下，每生產一千克臭氧所需耗電大約在10-13kW·h。但是因為液態氧氣很難自行生產，大多要求外購，因此臭氧制造總成本必然隨著市場上液態氧氣的價格變化而發生變化。通過對三種方式的比較，該自來水廠最終確定使用真空變壓吸附技術來進行現場制氧，并且還設計應用一套備用的液氧備用系統。

2.2發生系統

對于臭氧來說，它是氧分子在高壓放電區內，遭受高電位電廠電離進行生產氧原子，而這些氧原子又和氧分子相互結合，最終形成臭氧。而整個臭氧處理系統中臭氧發生器是其中的核心設備，通常情況下，隨著供氣壓力增高臭氧發生器當中臭氧質量分數與臭氧產量會降低，而經過大量試驗證明，臭氧發生器最佳供氣壓力應該保持在0.13MPa左右。而當前我國自來水廠使用的臭氧發生器大多來源于國外進口，僅僅有少量是國內生產。對于臭氧發生器來說，其管道使用不銹鋼材質，管道接觸大多為臭氧、氧氣和空氣，因此必須要采用材質較好的工業管道。另外因為臭氧和氧氣均具有高危險性，因此實際生產過程中必須要保證管道不得泄露，管道中也不能出現一些油脂、纖維及顆粒，因此系統管道必須要保證清潔和密封。該自來水廠一共設計安裝有3臺臭氧發生器，正常生產量為140kg/h，所生產的臭氧質量分數要高于10%，使用的冷卻水水溫通常保證在30℃以下。整個管道整體使用無縫焊接，并且利用X光無損探傷對焊縫進行了檢測，在整個安裝之前使用了濃度為99.8的乙醇對管道浸泡了15分鐘以上，以保證實現管道脫脂。最后臭氧發生器實際使用過程中，備用率保證超過30%，備用通常為設備軟備用和硬備用兩種形式。

2.3具體接觸反應

對于自來水深度處理來說，接觸反應是整個生產的又一核心，其作用是將已經生產好的臭氧氣體擴散至要處理的水中，并保證其能夠可靠穩定的完成反應。整個反應過程中，為了確保待處理水和臭氧反應效果更好，臭氧擴散一般使用射流曝氣或微孔曝氣等形式，而因為臭氧氧化性很強，又會和水中錳、鐵離子結合形成氧化沉淀物，這些沉淀物又極容易將曝氣頭微孔堵塞，并且如果這些待處理水中含有一些藻類，藻類含量較高也可能影響曝氣頭的正常工作[2]。因此為了有效保證曝氣頭工作，減少維修，該自來水廠臭氧接觸反應使用射流曝氣，并配和攪拌器，保證了臭氧和水的較好反應。

2.4尾氣處理

臭氧作為一種淡藍色強刺激氣味氣體，通常情況下空氣中臭氧質量濃度在0.15mg/m3時就能直接嗅出，而我國規定的排放限值為0.12 ～0.20mg/m3，而臭氧在常溫情況下，大約20分鐘就會分解消失，因為受到擴散裝置及水質影響，實際接觸池臭氧反應很難全部吸收，因此排出的尾氣中必然會存在一定的剩余臭氧，由于吸入臭氧對人體會造成一定危害，并且還會污染環境，因此必須要對排除的臭氧尾氣進行處理，而通常使用的方法有催化劑法和高溫加熱法。而在該自來水廠配備了兩臺加熱型臭氧尾氣處理器，一臺正常使用，一臺備用，保證了排放到大氣中的臭氧濃度符合排放標準。

3.結語

總而言之，對于自來水廠臭氧處理系統的設計及建設，首先應該結合本長實際用戶需求、經濟條件等情況，其次在臭氧處理系統的設計過程中，必須要重點做好臭氧氧氣源制備、接觸反應系統及尾氣處理等核心設計，最終保證自來水廠臭氧處理設備的在經濟效益及社會效益等方面實現共贏。 [科]

【參考文獻】

[1]徐新華，趙偉榮.水與廢水的臭氧處理[M].北京：化學工業出版社，2013，（08）：12-13.

[2]聶梅生.水工業工程設計手冊（水資源及給水處理）[M].北京：中國建筑工業出版社，2011，（07）：45-46.