張圣，趙文廣，李廣磊，陳濤，謝雅雯 （中國建筑一局集團(tuán)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(qiáng)烈刺激氣味的淡藍(lán)色氣體，臭氧分子結(jié)構(gòu)極不穩(wěn)定，容易分解成氧氣。臭氧的氧化能力很強(qiáng)，比氯和其他常用氧化劑強(qiáng)，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(wěn)定性受水中所含雜質(zhì)的影響較大，特別是有金屬離子存在時(shí)，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(zhì)更強(qiáng)烈的氧化劑，在其應(yīng)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(chǎn)物、氧化無機(jī)物以及促進(jìn)有機(jī)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(duì)氨氮、亞硝酸鹽等具有良好的去除作用，改善自來水水質(zhì)。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(tǒng)的組成

亳州市城南地表水廠總規(guī)模是20.0萬m/d，一次建成。臭氧總產(chǎn)量達(dá)到30kg/h，共設(shè)置2臺(tái)臭氧發(fā)生器。臭氧發(fā)生器在外環(huán)冷卻水為25°C，臭氧發(fā)生濃度為10wt%條件下，單臺(tái)臭氧發(fā)生器產(chǎn)量須達(dá)到15kg/h。亳州地表水廠臭氧化法工藝的處理系統(tǒng)主要有5部分組成：①液態(tài)純氧系統(tǒng)（LOX）；②臭氧發(fā)生系統(tǒng)；③閉環(huán)冷卻水系統(tǒng)；④臭氧-水的接觸反應(yīng)系統(tǒng)；⑤剩余臭氧尾氣破會(huì)系統(tǒng)。

2.1 液氧系統(tǒng)（LOX）

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

常見氣源類型的特點(diǎn) 表1

亳州城南地表水廠根據(jù)臭氧產(chǎn)量經(jīng)過經(jīng)濟(jì)、技術(shù)及維護(hù)成本等綜合比較后，選擇購買液態(tài)純氧作為臭氧處理系統(tǒng)的氣源。

2.2 臭氧發(fā)生系統(tǒng)

圖1 亳州地表水廠臭氧處理工藝流程圖

圖2 液氧系統(tǒng)三維示意

臭氧發(fā)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(fā)生器，臭氧發(fā)生器采用立式安裝，臭氧發(fā)生器、供電單元及控制系統(tǒng)被固定到兩個(gè)分開的底座上，可以節(jié)省空間的設(shè)計(jì)。在臭氧發(fā)生器中，原料氣流經(jīng)絕緣體之間以及高壓電極與絕緣體之間的環(huán)狀狹小間隙，其中高壓電極端接高電壓，臭氧發(fā)生器的殼體接地，兩個(gè)環(huán)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(zhuǎn)化為臭氧。

圖3 臭氧發(fā)生系統(tǒng)三維示意

臭氧發(fā)生器可以在1Hz～1000Hz范圍內(nèi)變頻運(yùn)行，為了達(dá)到穩(wěn)定高效的運(yùn)行效率，臭氧發(fā)生器的放電電壓應(yīng)保持恒定不變，通過改變放電頻率來調(diào)節(jié)臭氧產(chǎn)量，且放電電壓應(yīng)大于5kV。

2.3 閉環(huán)冷卻水系統(tǒng)

在產(chǎn)生臭氧的過程中，部分電能轉(zhuǎn)化為熱量。為了提高臭氧發(fā)生工藝的效率，需要將臭氧發(fā)生器冷卻下來，臭氧發(fā)生器采用閉路循環(huán)冷卻水系統(tǒng)。內(nèi)環(huán)冷卻水系統(tǒng)包括一個(gè)板式熱交換器，循環(huán)泵及必需的儀表及壓力平衡罐。

圖4 冷卻水系統(tǒng)三維示意

內(nèi)環(huán)冷卻水為一次性灌注，水量與發(fā)生器型號(hào)及發(fā)生器與熱交換器直接的管長度有關(guān)。內(nèi)外環(huán)冷卻水的水質(zhì)要求不同。一次性灌注的內(nèi)環(huán)冷卻水水質(zhì)要求相對(duì)較高，而外環(huán)冷卻水水質(zhì)要求不高，通常水質(zhì)符合衛(wèi)生部2006年《生活飲用水衛(wèi)生標(biāo)準(zhǔn)》（GB5749-2006）要求完全可以用作外環(huán)冷卻水。

2.4 臭氧——水接觸反應(yīng)系統(tǒng)

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

2.4.1 預(yù)臭氧接觸反應(yīng)方式

亳州水廠預(yù)臭氧池臭氧接觸時(shí)間為5min,投加量為0.5mg/L～1.0mg/L。根據(jù)污染物種類，亳州水廠預(yù)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(yīng)的管路系統(tǒng)等。

圖5 預(yù)臭氧處理系統(tǒng)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(shí)所造成的負(fù)壓下（如果增壓水壓滿足要求，可不設(shè)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(shù)米深，未被吸收的臭氧尚可有上升至水面的補(bǔ)充接觸時(shí)間，可以改善臭氧向水中的傳遞，臭氧的吸收率一般可達(dá)到80%～90%。

圖6 增效噴頭剖面示意

2.4.2 后臭氧接觸反應(yīng)方式

亳州水廠后臭氧池臭氧接觸時(shí)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(yīng)連接的不銹鋼管道和支架、手動(dòng)閥門、壓力表、流量計(jì)等。

圖7 臭氧后處理系統(tǒng)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(lián)聯(lián)運(yùn)行，每格設(shè)三個(gè)投加點(diǎn)，三個(gè)點(diǎn)的投加量沿水流方向依次為50%（調(diào)節(jié)范圍40%～80%）、25%（調(diào)節(jié)范圍10%～30%）、25%（調(diào)節(jié)范圍10%～30%），第4個(gè)隔室用來達(dá)到需要的水力停留時(shí)間。處理水流由池下部進(jìn)入池內(nèi)，呈向升流和向下降流方向，折向流動(dòng)。臭氧通過設(shè)在底部的曝氣盤擴(kuò)散成微氣泡與進(jìn)入的水流呈逆向接觸反應(yīng)，進(jìn)行氧化處理過程，臭氧的吸收率可達(dá)80%～90%。

2.5 剩余臭氧尾氣破壞系統(tǒng)

為了安全起見，臭氧尾氣破壞系統(tǒng)用來將沒有溶解到水里的臭氧重新還原變?yōu)檠鯕?，使臭氧濃度不高?.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(diǎn) 表2

亳州水廠剩余臭氧尾氣破壞系統(tǒng)采用的是霍加拉特劑催化分解法?；艏永貏┦且环N黑色顆粒狀物質(zhì)，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?qū)Τ粞跷矚馄鹩行Т呋纸庾饔?。反?yīng)池中的剩余臭氧尾氣由破壞器后的風(fēng)機(jī)抽出，通過一個(gè)預(yù)加熱帶將溫度升高后進(jìn)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(jìn)入破壞器，在接觸池頂部設(shè)有除霧器進(jìn)行氣水分離，分離后的凝結(jié)水回流至接觸池內(nèi)。

圖9 尾氣破壞裝置三維示意

3 土建結(jié)構(gòu)施工時(shí)注意事項(xiàng)

土建結(jié)構(gòu)是影響臭氧設(shè)備正常運(yùn)行的一個(gè)重要因素，結(jié)構(gòu)施工時(shí)應(yīng)注意：

①安裝臭氧處理設(shè)備的功能房間，應(yīng)盡可能在整個(gè)廠區(qū)的下風(fēng)向，并與經(jīng)常有人停留建筑保持盡可能遠(yuǎn)的距離；

②臭氧設(shè)備的外形較大，房間門的大小要和廠家提前溝通，確保設(shè)備能安裝進(jìn)去；

③前、后臭氧接觸池結(jié)構(gòu)施工期間預(yù)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(jié)構(gòu)混凝土結(jié)構(gòu)，內(nèi)要涂防腐層；

⑤接觸池內(nèi)安裝曝氣裝置前，池子內(nèi)要保持清潔，確保曝氣系統(tǒng)不被堵塞；

⑥出于美觀、接觸池結(jié)構(gòu)安全等因素考慮，國內(nèi)許多水廠把前后臭氧投加系統(tǒng)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(huì)影響臭氧投加裝置、尾氣破壞裝置及相關(guān)控制柜的正常運(yùn)行。因此，陽光棚的玻璃盡量選擇深色的，陽光棚要通風(fēng)，上部可以設(shè)置百葉窗。

4 臭氧系統(tǒng)安裝

臭氧系統(tǒng)安裝質(zhì)量不僅影響系統(tǒng)正常運(yùn)行，同時(shí)也對(duì)環(huán)境和人身安全有著極其重要的影響，臭氧系統(tǒng)安裝時(shí)應(yīng)注意：

①為了防止設(shè)備與管道的漏氣，在設(shè)備與管道投入運(yùn)行之前需進(jìn)行試壓試驗(yàn)；

②臭氧是一種強(qiáng)氧化劑，具有很強(qiáng)的腐蝕性能，其中以濕臭氧化氣腐蝕性最強(qiáng)，干燥臭氧化氣和水中溶解臭氧腐蝕性稍弱。綜合經(jīng)濟(jì)、安全等因素，亳州水廠氣源輸送、干燥臭氧輸送、內(nèi)循環(huán)冷卻水采用的是SS304管道；潮濕臭氧及臭氧系統(tǒng)設(shè)備采用的是SS316管道；外循環(huán)水采用的是PE管。

③為避免不銹鋼管道焊接過程中產(chǎn)生焊渣，采用的是氬弧焊。另外，為防止氣體與油脂發(fā)生反應(yīng)，所有的管路均要進(jìn)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(huì)倒灌進(jìn)尾氣破壞器罐體，造成催化劑失效。

5 結(jié)束語

亳州市城南地表水廠臭氧處理系統(tǒng)已經(jīng)運(yùn)行了半年，出水水質(zhì)的各項(xiàng)指標(biāo)較之前常規(guī)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?？傮w來說，臭氧處理工藝已成為給水處理領(lǐng)域中極具發(fā)展前景的應(yīng)用技術(shù)之一，但如何協(xié)調(diào)好設(shè)備投資成本、運(yùn)行成本、水處理效果三者的關(guān)系，還需要經(jīng)過長時(shí)間的研究和摸索。