污水處理廠臭氧催化氧化系統設計要點分析

馮靜嫻，劉晶晶，曹倩倩

（中機國際工程設計研究院有限責任公司華東區域中心，南京 210023）

1 引言

為保護生態環境，提升城市周邊水體水環境質量，部分省份針對所屬地水體特征， 提出地方污水處理廠相關污染物排放標準。 其中，天津、浙江、江蘇等地污水處理廠污染物排放標準中的A 標準要求出水CODcr≤30 mg/L；巢湖、淮河流域等地污水處理廠污染物排放標準中的A 標準要求出水CODcr≤40 mg/L。 為保證污水廠出水CODcr達標，進水混有工業廢水或者進水主要為工業廢水的污水處理廠一般選擇高級氧化工藝。 現階段，污水處理廠常用的高級氧化工藝有臭氧催化氧化法、Fenton 氧化法、光化學氧化法、電化學氧化法等[1]。 為了給相關高級氧化設計提供參考，本文主要對臭氧催化氧化工藝中涉及的臭氧發生間和臭氧催化氧化池的相關設計進行論述。

2 設計參數

2.1 臭氧投加量的確定

臭氧催化氧化法處理污水的原理是臭氧在催化劑的作用下，生成羥基自由基（·OH），利用OH 的強氧化性去除水中難降解CODcr[2]。確定污水中臭氧投加量需要根據原水水質確定，并結合小試、中試試驗；根據《給排水設計手冊》，深度處理中O3投加量和CODcr去除量的比值可取2～4[3]；根據《臭氧催化氧化污水處理技術規程（征求意見稿）》，該比值可取0.8～2.0。

2.2 臭氧接觸時間的確定

為保障臭氧催化作用后與廢水中的難降解CODcr的充分反應，臭氧催化氧化池內接觸時間不宜小于30 min；可串聯分級設計，每級反應池接觸時間不宜小于30 min。

3 臭氧發生間設計要點

臭氧發生間一般內置臭氧制備系統、循環冷卻水系統、補氮系統，如圖1 所示。 臭氧制備系統根據氣源采用空氣源還是氧氣源有不同的布置形式。 除此以外，為方便電氣配電，臭氧發生間一般配有配電間。

圖1 臭氧發生間系統圖

3.1 臭氧制備系統設計

3.1.1 氣源的選擇

供給臭氧發生器制備臭氧的氣源主要有空氣源及純氧源。空氣源一般采用空壓機+制氧機現場制備；純氧源可采用現場制備和現場儲存兩種形式。 不同氣源的配套基建設備和運行費用不同，一般臭氧制備量＞60 kg/h，可選用空氣源，臭氧制備量≤60 kg/h，可選用純氧源[4]。 氣源裝置供氣量及供氣壓力應滿足臭氧發生器最大發生量時的要求。

1）空氣源系統配置

空氣源系統包括空壓機、過濾器、吸附干燥機、制氧機、儲氣罐及相關配套儀表，系統組成如圖2 所示。 原料空氣需滿足無油、干燥、無塵、無水、無有機物以及無其他氣體污染；空氣源制備氧氣濃度為21%[5]。空氣源系統一般設置在臭氧發生間內， 并與臭氧發生系統分開布置。 在進行空壓機等設備選擇時，空氣量可按式（1）計算：

圖2 空氣源系統流程圖

式中，V總為總干空氣量，Nm3/h；QO3為根據水處理要求計算出來的臭氧產量，kg/h；C為單位體積空氣產出的臭氧量，根據發生器而定，g/m3；α 為系數，可取0.92。

2）純氧源系統配置

（1）現場制備純氧配置

現場制氧設備可選擇采用吸附和真空蒸餾兩種形式，制備氧氣濃度≥90%，氧氣設計壓力≥0.3 MPa。由于制氧設備需停機檢修，現場一般需要儲存不少于2 d 的液氧量。 采用現場制備純氧的工程應用較少。

（2）液氧系統配置

液氧系統采用液氧為氣源，一般設置液氧站，將液氧系統相關設備設置在室外的臭氧發生間附近。 液氧站主要包括液氧儲罐、蒸發器、減壓閥組以及相關儀表閥件[6]，典型占地尺寸為5 m×10 m，系統組成如圖3 所示。 液氧儲罐儲存量可按照不小于3 d 進行設計，蒸發器設置備用[7]。

圖3 液氧站系統流程圖

在液氧儲罐選擇時，氧氣量可按式（2）計算：

式中，QO2為氧氣量，Nm3/h；QO3為根據水處理要求計算出來的臭氧產量，kg/h；β 為臭氧發生器出口濃度，%。

液氧儲罐以1 m3液氧折合800 m3標準狀態氣氧計算，液氧站采用的氧氣濃度≥99.5%；液氧儲罐工作壓力一般為1.6 MPa，蒸發器氣化工作壓力應與液氧儲罐一致，氣化能力以氧氣的峰值流量確定[8]；減壓閥組后應設露點儀，露點應低于-70 ℃。

3.1.2 臭氧發生器的布置

在確定臭氧投加量后，需乘以安全系數1.06，最終確定臭氧發生器規格。以空氣源為氣源的臭氧發生器，臭氧化空氣中臭氧濃度一般為25 mg/L，此時臭氧電耗≤17 kW·h/kgO3，臭氧發生器需設置備用；以氧氣為氣源的臭氧發生器，臭氧化空氣中臭氧濃度一般為150～180 mg/L，此時臭氧電耗10～12 kW·h/kgO3，臭氧發生器可設置硬備用或軟備用。 臭氧發生器產量具有調節性能，一般可在25%～100%區間調節。

臭氧發生器根據臭氧發生室對氧氣的制取方法不同，可分為管式和板式。 管式臭氧發生器是臭氧放電管，放電管安裝在不銹鋼管內，后期維護僅需將管體抽出，方便快捷；板式臭氧發生器的核心部件是短流程放電室，由放電室和對應獨立電源集成模塊組合，各模塊獨立，便于檢修保養[9]。 不論是管式還是板式臭氧發生器，為方便檢修，一般相鄰機組間距為1.0～1.5 m，設備模塊或管體更換空間需結合設備預留相應空間。

3.2 循環冷卻水系統設計

臭氧發生器循環冷卻水溫度不大于35 ℃；氧氣源型產生1 kg/h 臭氧的冷卻水流量不小于1.5 m3/h，空氣源型產生1 kg/h 臭氧的冷卻水流量不小于3 m3/h。循環冷卻水系統一般設置間接冷卻，包括內循環冷卻水系統與外循環冷卻水系統。循環冷卻水系統以板換為媒介， 將臭氧發生器產生的熱量由冷水進行熱交換，產生的熱量經板換換熱，再由外部冷卻系統將熱量帶出整個臭氧制備系統。 每臺臭氧發生器對應配置一套板換系統，設置于臭氧發生器附近；外循環冷卻系統包括冷卻塔及外循環水泵，一般可置于臭氧發生間屋頂或室外。 內循環冷卻水采用高濃度去離子水， 一般要求電導率＜5 μS/cm；外循環冷卻水采用廠區自來水。

3.3 補氮系統設計

液氧氣化后添加少量氮氣會提高臭氧制備效率， 一般以氧氣為氣源的臭氧發生器常備補氮系統， 將少量空氣注入臭氧進氣系統。 補氮系統由空壓機、冷干機、干燥機和儲氣罐組成，其中空壓機設置備用；整個系統與臭氧設備一起設置在臭氧發生間內[10]。

3.4 消防及通風系統設計

3.4.1 消防系統設計

1）液氧站消防設計

液氧儲罐與污水廠建筑物之間的間距應滿足建筑防火規范。 儲罐之間防火間距不應小于相鄰較大儲罐直徑的1/2。 液氧儲罐周圍5 m 范圍內不應有可燃物和瀝青路面，一般做混凝土路面。 液氧儲罐與污水廠主要道路路邊防火間距應≥10 m，次要道路路邊防火間距≥5 m。 液氧站周邊宜設置圍欄，并應設置明顯的禁火標志[11]。

2）臭氧發生間消防設計

結合防火規范，不同氣源的臭氧發生間火災危險類別不同，具體見表1。

表1 不同氣源的臭氧發生間火災危險類別

臭氧發生間室內消防需結合火災危險類別進行布置， 若為丁類建筑，當建筑面積≥300 m2時，宜設輕便消防水龍或消防軟管卷盤，并以中危險等級布設滅火器，當建筑面積＜300 m2時，以中危險等級布設滅火器即可； 若為乙類建筑， 當建筑面積≥300 m2時，應設室內消火栓系統，并以嚴重危險等級布設滅火器，當建筑面積＜300 m2時，以嚴重危險等級布設滅火器。 臭氧發生間室外附近應設置室外消火栓。

3.4.2 通風設計

由于臭氧分子量大于空氣，因此，臭氧發生間通氣系統需設置高位進風及低位排風風機，滿足8～12 次/h 的換氣要求。

3.5 其他設計要點

結合臭氧和氧氣特性，建議臭氧管道、管件、閥件、采用316L 不銹鋼；氧氣管道采用304 不銹鋼，閥門應使用氧氣專用閥門，主體材料滿足不氧化、不銹蝕，含碳極少；循環冷卻水系統管道采用304 不銹鋼或PPR 管材[12]。

采用液氧氣源或者制氧機氣源的污水廠， 廠內道路應滿足液氧槽罐車通行，轉彎及回車要求。 臭氧發生間應設置臭氧泄漏檢測報警裝置， 房間出入口附近需設置防護搶救設施工具箱，并設置照明和通風的室外開關。

4 臭氧催化氧化池設計要點

臭氧催化氧化池以池內裝填催化裝置的不同分為均相催化氧化池和非均相催化氧化池。 均相催化氧化池是以溶液中的金屬離子為催化劑， 非均相催化氧化池是利用固相載體中的金屬離子或金屬氧化物為催化劑[13]；由于非均相催化易回收且穩定、成本低等特點，非均相催化池在污水廠應用較多[14]。 綜上，本次論述主要針對非均相催化氧化池相關設計要點進行論述。

4.1 臭氧催化氧化系統設計

臭氧催化氧化池可單獨設置也可串聯設置，為減少臭氧投加，一般要求進水SS 小于10 mg/L。 結合污水設計相關規范，一般將臭氧催化氧化系統分為兩組，每組單級反應池的停留時間≥30 min。 催化劑裝填于催化池內，自上而下分別為非均相催化劑、承托層、布水布氣層和二次氣體混合裝置。其中，催化劑層、承托層厚度不應小于0.3 m，當采用濾板濾頭布氣時，濾板底部距離池底距離不小于1.5 m。設計水深一般為6～9 m，超高0.8～1.0 m；多級串聯催化氧化池以豎向倒流隔板形式進行分隔，以滿足豎向流進水，分隔間距一般取1.0～1.2 m。單格臭氧催化氧化池長寬取值需結合布水布氣尺寸進行設計。

此外，為保障臭氧催化氧化池的運行，一般需設置反沖洗裝置，反沖洗宜采用氣洗，氣洗強度取12～16 L/（m2·s），氣洗頻率結合水質及運行情況進行選擇。

4.2 臭氧投加系統布置

臭氧投加可采用射流投加或曝氣盤投加， 投加布置如圖4所示。 射流投加裝置主要由臭氧溶氣裝置、射流泵和二次混合裝置組成，一般設置在臭氧催化氧化池池頂。 由臭氧發生間制備的臭氧接至臭氧溶氣裝置再經二次混合裝置后投加至催化池內。 臭氧應采用多點投加，一般設置3 段，第一段投加量不宜小于40%，第二段和三段宜為等比例分配，氣水比一般取2.5∶1。

圖4 不同投加方式的臭氧催化氧化池

曝氣盤投加主要由曝氣盤和曝氣分配器組成， 設置于催化氧化池內。 曝氣盤應采用多點投加方式進行布置，其中，第一段布氣區的布氣量不宜小于總布氣量的40%， 水下安裝深度為4～6 m。 臭氧投加系統設備材質及管材閥件等需選用耐臭氧材質。

4.3 尾氣破壞系統設計

臭氧尾氣破壞系統一般隨臭氧發生間設備一同配置，設備一般設置在臭氧催化池池頂， 并置于輕質房內用以防雨及防凍[15]。 臭氧尾氣破壞系統主要由輸送管道、抽氣風機、剩余臭氧消除器及相關監測儀表組成。 臭氧消除器需設置備用，可采用電加熱分解、催化劑接觸分解等形式，最大設計氣量應與臭氧發生器的最大設計氣量一致。

4.4 其他設計要點

考慮臭氧特性， 整個臭氧催化氧化池需按照強腐蝕進行設計，池體內壁混凝土保護層不宜小于50 mm，混凝土材質需滿足耐久性基本要求，池體內外裂縫不宜大于0.15 mm。 催化氧化池應考慮全密封，池頂需設置檢修人孔，人孔應采用密封型人孔；池頂需設置自動雙向壓力平衡閥；池體內部隔墻頂部應設通氣孔，底部應設導流孔。

5 結語

隨著國家對污水處理廠出水要求的提高， 臭氧催化氧化工藝應用也越來越多。 整個臭氧催化氧化包括臭氧制備系統及臭氧投加系統，污水廠對應設計包括液氧站、臭氧發生間及臭氧催化氧化池。本文從以上幾個系統論述相關設計要點及各系統的主要設備組成，以此為相關設計提供借鑒與參考。