臭氧處理系統在亳州地表水廠的應用

張圣，趙文廣，李廣磊，陳濤，謝雅雯 （中國建筑一局集團第一建筑有限公司，上海 201100）

1 臭氧特性及作用

1.1 臭氧的主要性能

臭氧在常溫常壓下是一種具有強烈刺激氣味的淡藍色氣體，臭氧分子結構極不穩定，容易分解成氧氣。臭氧的氧化能力很強，比氯和其他常用氧化劑強，僅次于氟。臭氧在水中的溶解度較高，在同樣條件下是純氧的10倍。臭氧在水溶液中的穩定性受水中所含雜質的影響較大，特別是有金屬離子存在時，臭氧可迅速分解為氧氣。

1.2 臭氧在地表水廠的作用

臭氧是一種比氯性質更強烈的氧化劑，在其應用中主要用這一特性。在混凝沉淀前投加臭氧，可以去除色度和臭味，改善絮凝和過濾效果，避免沉淀池藻類生長，取代前加氯、減少氯消毒副產物、氧化無機物以及促進有機物的氧化降解。在活性炭過濾前投加臭氧，臭氧-活性炭組合處理工藝可以有效去除水中的異味和色度，對氨氮、亞硝酸鹽等具有良好的去除作用，改善自來水水質。另外，增加活性炭吸附的生化作用，延長活性炭再生周期。

2 亳州地表水廠臭氧系統的組成

亳州市城南地表水廠總規模是20.0萬m/d，一次建成。臭氧總產量達到30kg/h，共設置2臺臭氧發生器。臭氧發生器在外環冷卻水為25°C，臭氧發生濃度為10wt%條件下，單臺臭氧發生器產量須達到15kg/h。亳州地表水廠臭氧化法工藝的處理系統主要有5部分組成：①液態純氧系統（LOX）；②臭氧發生系統；③閉環冷卻水系統；④臭氧-水的接觸反應系統；⑤剩余臭氧尾氣破會系統。

2.1 液氧系統（LOX）

臭氧處理工藝的氣源制備一般可采用空氣處理、液態純氧蒸發以及現場純氧制備等方法，表1為3種氣源的特點。

常見氣源類型的特點 表1

亳州城南地表水廠根據臭氧產量經過經濟、技術及維護成本等綜合比較后，選擇購買液態純氧作為臭氧處理系統的氣源。

2.2 臭氧發生系統

圖1 亳州地表水廠臭氧處理工藝流程圖

圖2 液氧系統三維示意

臭氧發生器制造臭氧，以供水處理使用。亳州水廠采用的是WEDECO臭氧發生器，臭氧發生器采用立式安裝，臭氧發生器、供電單元及控制系統被固定到兩個分開的底座上，可以節省空間的設計。在臭氧發生器中，原料氣流經絕緣體之間以及高壓電極與絕緣體之間的環狀狹小間隙，其中高壓電極端接高電壓，臭氧發生器的殼體接地，兩個環狀間隙之間的高壓電場以無聲放電（低溫等離子體）的方式將原料氣中的氧氣轉化為臭氧。

圖3 臭氧發生系統三維示意

臭氧發生器可以在1Hz～1000Hz范圍內變頻運行，為了達到穩定高效的運行效率，臭氧發生器的放電電壓應保持恒定不變，通過改變放電頻率來調節臭氧產量，且放電電壓應大于5kV。

2.3 閉環冷卻水系統

在產生臭氧的過程中，部分電能轉化為熱量。為了提高臭氧發生工藝的效率，需要將臭氧發生器冷卻下來，臭氧發生器采用閉路循環冷卻水系統。內環冷卻水系統包括一個板式熱交換器，循環泵及必需的儀表及壓力平衡罐。

圖4 冷卻水系統三維示意

內環冷卻水為一次性灌注，水量與發生器型號及發生器與熱交換器直接的管長度有關。內外環冷卻水的水質要求不同。一次性灌注的內環冷卻水水質要求相對較高，而外環冷卻水水質要求不高，通常水質符合衛生部2006年《生活飲用水衛生標準》（GB5749-2006）要求完全可以用作外環冷卻水。

2.4 臭氧——水接觸反應系統

臭氧用于水處理過程必須經歷臭氧從氣相到液相的傳質過程和溶解氧同水中污染物起反應的反應過程。根據臭氧在水中同污染物反應的速度，臭氧水處理可分為受傳質速度控制和受化學反應速度控制，用于受傳質速度控制的污染物去除時，應選用傳質效率高的接觸反應裝置；受化學反應速度控制的污染物去除時，宜選用具有較大液相容積、可較長時間保持一定溶解濃度的接觸反應裝置，如微孔擴散接觸池。

2.4.1 預臭氧接觸反應方式

亳州水廠預臭氧池臭氧接觸時間為5min,投加量為0.5mg/L～1.0mg/L。根據污染物種類，亳州水廠預臭氧池臭氧與水接觸方式采用的是噴射器形式，主要包含增壓泵、噴射器、曝氣頭、流量控制閥、蝶閥以及相應的管路系統等。

圖5 預臭氧處理系統三維示意

噴射器是在旁通增壓水泵加壓后的水通過收縮噴嘴時所造成的負壓下（如果增壓水壓滿足要求，可不設置增壓水泵），將臭氧化空氣吸入水中。噴射器出口端伸至水下數米深，未被吸收的臭氧尚可有上升至水面的補充接觸時間，可以改善臭氧向水中的傳遞，臭氧的吸收率一般可達到80%～90%。

圖6 增效噴頭剖面示意

2.4.2 后臭氧接觸反應方式

亳州水廠后臭氧池臭氧接觸時間為12min，投 加 量 為1.5mg/L～2.5mg/L。采用臭氧與水接觸形式為微氣泡接觸（陶瓷微孔曝氣盤），主要包含陶瓷曝氣盤及相應連接的不銹鋼管道和支架、手動閥門、壓力表、流量計等。

圖7 臭氧后處理系統三維示意

圖8 后臭氧曝氣盤安裝

臭氧接觸池為雙格四室串聯聯運行，每格設三個投加點，三個點的投加量沿水流方向依次為50%（調節范圍40%～80%）、25%（調節范圍10%～30%）、25%（調節范圍10%～30%），第4個隔室用來達到需要的水力停留時間。處理水流由池下部進入池內，呈向升流和向下降流方向，折向流動。臭氧通過設在底部的曝氣盤擴散成微氣泡與進入的水流呈逆向接觸反應，進行氧化處理過程，臭氧的吸收率可達80%～90%。

2.5 剩余臭氧尾氣破壞系統

為了安全起見，臭氧尾氣破壞系統用來將沒有溶解到水里的臭氧重新還原變為氧氣，使臭氧濃度不高于0.1ppm。常見尾氣處理方法的比較，見表2所示。

常見尾氣處理方法特點 表2

亳州水廠剩余臭氧尾氣破壞系統采用的是霍加拉特劑催化分解法。霍加拉特劑是一種黑色顆粒狀物質，粒徑3mm左右，其基本組成為氧化銅和二氧化錳的催化劑，能夠對臭氧尾氣起有效催化分解作用。反應池中的剩余臭氧尾氣由破壞器后的風機抽出，通過一個預加熱帶將溫度升高后進入尾氣破壞帶，再通過催化破壞方式將臭氧破壞。為了防止水滴進入破壞器，在接觸池頂部設有除霧器進行氣水分離，分離后的凝結水回流至接觸池內。

圖9 尾氣破壞裝置三維示意

3 土建結構施工時注意事項

土建結構是影響臭氧設備正常運行的一個重要因素，結構施工時應注意：

①安裝臭氧處理設備的功能房間，應盡可能在整個廠區的下風向，并與經常有人停留建筑保持盡可能遠的距離；

②臭氧設備的外形較大，房間門的大小要和廠家提前溝通，確保設備能安裝進去；

③前、后臭氧接觸池結構施工期間預埋pvc過氣孔，沒有溶解的臭氧可以通過平衡孔被尾氣破壞裝置吸收；

④接觸池為鋼結構混凝土結構，內要涂防腐層；

⑤接觸池內安裝曝氣裝置前，池子內要保持清潔，確保曝氣系統不被堵塞；

⑥出于美觀、接觸池結構安全等因素考慮，國內許多水廠把前后臭氧投加系統放在接觸池頂板上的陽光雨棚里，陽光棚里溫度較高，尤其是夏天，溫度過高會影響臭氧投加裝置、尾氣破壞裝置及相關控制柜的正常運行。因此，陽光棚的玻璃盡量選擇深色的，陽光棚要通風，上部可以設置百葉窗。

4 臭氧系統安裝

臭氧系統安裝質量不僅影響系統正常運行，同時也對環境和人身安全有著極其重要的影響，臭氧系統安裝時應注意：

①為了防止設備與管道的漏氣，在設備與管道投入運行之前需進行試壓試驗；

②臭氧是一種強氧化劑，具有很強的腐蝕性能，其中以濕臭氧化氣腐蝕性最強，干燥臭氧化氣和水中溶解臭氧腐蝕性稍弱。綜合經濟、安全等因素，亳州水廠氣源輸送、干燥臭氧輸送、內循環冷卻水采用的是SS304管道；潮濕臭氧及臭氧系統設備采用的是SS316管道；外循環水采用的是PE管。

③為避免不銹鋼管道焊接過程中產生焊渣，采用的是氬弧焊。另外，為防止氣體與油脂發生反應，所有的管路均要進行管道脫脂處理。

④尾氣破壞抽氣管道伸入頂板下表面5cm～10cm即可，伸入太長，水會倒灌進尾氣破壞器罐體，造成催化劑失效。

5 結束語

亳州市城南地表水廠臭氧處理系統已經運行了半年，出水水質的各項指標較之前常規處理工藝得到很大改善，尤其是出水濁度和CODMn，沉淀池的出水濁度由1NTU～2NTU降為0.5NTU～0.85NTU，CODMn由之前3mg/L～4mg/L降為2mg/L～2.5mg/L。總體來說，臭氧處理工藝已成為給水處理領域中極具發展前景的應用技術之一，但如何協調好設備投資成本、運行成本、水處理效果三者的關系，還需要經過長時間的研究和摸索。