净水厂臭氧处理系统的设计要点与分析

净水厂臭氧处理系统的设计要点与分析
梁萍
(邯郸巾自来水公司．河北邯郸056003)
摘要：在给水深度处理工艺中臭氧系统得到越来越多的应用．结夸轶西水厂臭氧处理系统的设计与建设．详细介绍了臭氧系统中臭氧气源制备、臭氧发生系统、接触反应、尾气破环系统等的设计方法厦建设经验。实际运行中．该水厂臭氧系统运行稳定、出水选标。
关键词：净水厂；臭氧处理系统；设计；接触反应；尾气
随着居民生活水平的不断提高和健康条件的日益改善．饮用水水质标准要求亦愈来愈高，常规的絮凝、沉淀、过滤、消毒净水工艺，已难以满足水质不断提高的要求，有必要在现在常规处理工艺的基础上．再增加水质深度处理。臭氧氧化+活性炭过滤的水质深度处理工艺，已在深圳、上海、昆明、常州等城市逐步实施。在臭氧活性炭工艺中．臭氧系统是其重要的组成部分．其配置直接影响着净水效果与运行成本。
邯郸市铁西水厂二期工程2004年建成投产．设计供水规模为300万m3、d，采用的处理工艺为：臭氧预处理+常规处理+臭氧一生物活性炭滤池。
工艺流程如图l。

1臭氧的作用
臭氧在给水净化工艺中的主要作用有：前（预)氧化和主氧化。
在前氧化工艺中，臭氧的作用主要有：去除臭和味、色度、铁、锰以及重金属和藻类，使水中胶体微粒脱稳，改善絮凝效果，减少混凝剂的投加量，并可去除THM等“三致”物质的母体物，减少水中“三致”物质的含量，可将大分子有机物氧化为小分子有机物，氧化无机物质如氰化物、碳化物、硝化物。
主氧化工艺中，臭氧一般与活性炭联合使用，其作用主要有：杀死细菌和病毒；氧化有机物，如杀虫剂、清洁荆、苯酚等；去除DOC；氧化分解螯合物．如EDTA和NTA等。
2主要工艺参数
对于臭氧处理系统来说，臭氧的投加量、投加浓度、接触反应时I刨以及在水中的转移效率这4个工艺参数十分关键。前臭氧接触时间一般为2～4min．投加量一般为0．5～1．5 mg／L：后臭氧接触时间一般不小于10 min，投加量一般为1．5～2．5 mg／L．水中剩余臭氧的质量浓度为0．2～0．4 mg／L：转移效率均应大于95％。
3臭氧系统的设计
在给水净化工艺中，臭氧系统一般由臭氧气源制备、臭氧发生、接触反应、尾气破坏系统等儿部分组成。
3．1臭氧的气源制备
臭氧发生器的气源可以是：干燥空气、液态氧、气态氧。
空气制臭氧，臭氧发生设备投资高，运行电耗高．臭氧产量与含量低，臭氧的质量分数一般在3％一4％，生产1 kg03耗电量在10～13 kW•h。
液态氧(LOX)制臭氧，臭氧发生设备投资低，
运行电耗也低。臭氧质量分数可达18％甚至更高，
生产l kg 03耗电量在lO～13 kW•h。但液态氧一般需外购．臭氧发生总成本随着液态氧价格的变化而变化。
气态氧制臭氧，臭氧发生没备的投资比空气制臭氧低，但比液态氧制臭氧要高。臭氧质量分数也可达到18％甚至更高，生产1 kg03耗电量在1l～14 kw•h。气态氧•般是VPSA(Vacuum PressureSwing Adsorption，真空变压吸附技术)现场制般，它是利用分子筛吸附空气中的氮气，让空气中的氧气从分子筛通过，从而达到空气分离的目的。当分子筛吸附饱和后，再通过变压，使分子筛中的氮气脱落从而得到再生：之后，分子筛再重新工作。现场制氧气，氧气体积分数一般在90％一93％，生产l kg 03能耗一般在0．3～0．4 kW•h。用液态氧制臭氧，过验表明氧气体积分数在97．7％，氮气体积分数在2．3％时，臭氧发生器的臭氧产率最高。
经分析比较．铁西水厂采用了VPSA现场制氧气的气源形式，另外配置一套液氧备用设备系统。
VPSA现场制氧系统的生产规模折合成100％纯氧后为400 Nm3/h(Nm3／h——标准立方米，O℃、1．013 x 105Pa时的体积)，产品气体中氧气的体积分数不小于90％。
3．2臭氧发生系统
臭氧是氧分子通过高压放电区时，被高电位电场电离而变成氧原子，一个氧原子与一个氧分子再结合，形成03。
臭氧发生器是整个臭氧处理系统的设备核心，臭氧发生器的臭氧产量与质虽分数，随着供气压力的增高而降低，其最佳工作压力一般为O．12～0．13MPa．
目前国内水厂使用的臭氧发生器大都是由国外进口，能够生产高浓度、高产量臭氧发生器的厂家全世界也就几家。可以通过招标形式来采购设备。
臭氧系统的管道绝人部分是采用不锈钢材质，所接触的介质是空气、氧气、臭氧等，属于要求较高的工业管道，可参考化工行业的相关标准、规范束设计、施工及验收。由于氧气和臭氧的危险性，在生产运行中要求管道既不能有任何泄，也不能有任何颗粒、纤维、油脂，所以对系统管道最基本的要求就是密封和清洁。要达到这一目的就必须在管道的连接、清洗、吹扫、试压等方面严格把关。
铁西水厂共配备3台臭氧发生器，总发生量为140 kg／h．臭氧的质量分数不低于10％。冷却水水温不超过32℃。管道绝犬部分采用焊接的连接形式．并对焊缝进行x光无损探伤，在安装前用99．8％的乙醇浸泡管道不少于15 min。以求达到脱脂效果。
氧发生器的备用率一般应大于30％，备用的方式有设备台数备用(硬备用)与设备发生能力备用(软备用)两种，
3．3接触反应
接触反应是臭氧处理系统中生产运行的核心，它的作用是将臭氧发生器产生的臭氧气体迅速有效地扩散到被处理水中，并稳定可靠地完成反应。
为了保证臭氧与水的反应效果，臭氧扩散通常采用微孔曝气或射流曝气两种形式，由于臭氧的氧化性极强，会与水中的铁、锰离子发生氧化反应，生成的铁、锰离子淀物质会堵塞曝气头微孔。另外，如果预接触池的进水含有藻类，则藻类含量较高时也会影响曝气头出气。如果预曼氧系统采用微孔曝气的形式则会增大曝气系统的维护工作量，臭氧又属于有毒气体，设备维护难度大，并需要停池才能检修，影响正常供水，所以不宜采用微孔曝气的形式。铁西水厂预臭氧接触反应系统采用文丘里射流曝气的形式，其基本原理类似于水射器。加压水泵提供的高速水流通过射流器在管道上形成负压，吸入臭氧气体，并同时进行气水混合，达到臭氧扩散的目的。
主要氧接触池的进水已经过常规处理，水中的藻类含量较少，故适宜采用微孔曝气的形式，这样既减少了能耗，又保证了曝气的均匀。由于主臭氧池出水含有一定的余臭氧，如冉水管采用一般水泥沙浆内衬的碳钢管则管道有被腐蚀的危险；如采用不锈钢管则工程投资较大；另外，这部分输水管道上的阀门必须考虑抗臭氧腐蚀的问题。根据国内外水厂的经验。建议水厂主臭氧接触池至炭滤池采用密闭混凝土集水渠取代管道作为输水渠道，且每条出水廊道均不设出水闸板，而采用薄壁堰跌落出水的形式．既保证了每条线的出水均匀，又减免了采
用闸板造成的维护困难等问题。有一点需注意，主臭氧出水至炭滤池这段输水距离应有一定的长度或炭滤池(包含池面和管廊)通风条件良好，否则当水流至敞开的炭滤池面时由于臭氧的聚集其气味会令人不适，严重的会发生人员中毒事故。
为了保证整个臭氧系统能根据水厂处理水量的变化而自动控制臭氧的投加量．应在臭氧接触池的每条接触反应线配备进水电磁流量计，并将水流量转化成4～20mA的电流信号提供给臭氧系统的主控，根据需要处理的水量自动调整臭氧投加量。
无论是预臭氧还是主臭氧接触池．在正常运行的池内都是略带正压的，虽然压力并不高，但由于是长期带压运行．为了保证臭氧气体不外漏．必须保证池体的气密性能。需要注意的是，在接触池运行前应对池内进行彻底清洁，将所有施工垃圾清理掉．还需防止池体水泥砂浆掉落，因为这些都有可能堵塞曝气头和射流扩散器。
3．4臭氧尾气破坏系统
臭氧是一种带有强刺激气味的淡蓝色气体。臭氧在空气中的质量浓度为0．15 mg/m3，时能嗅出．环保允许排放限值为0．12—0．20 mg／m3。臭氧在常温下分解消失的半衰期为20min。由于受水质与扩散装置的影响，进入接触池的臭氧很难100％被吸收，在排出的尾气中仍含有一定数量的剩余臭氧。由于臭氧对人体健康有危害，对环境有污染，因此必须对接触池排出的尾气进行处理。常用的方法有：高温加热法和催化剂法。
高温加热法：臭氧加热到350℃时，其半衰期小于0．04 s，它在l.5～2 s内便可100％分解。加热法的优点是安全可靠，维护简单，并可回收热能；缺点是增加了部分设备投资和运行能耗。
催化剂法：它是利用催化剃对臭氧尾气进行分解破坏，目前使用的催化剂是以MnO2为基质的填料。催化剂法的优点是设备投资和运行能耗比高温加热法低；缺点是处理效果受水质(如硫化物、卤素)、环境质量、尾气的含水率、催化剂的使用年限等因素影响．其安全稳定性比高温加热法差，且催化剂需要定期更换。
铁西水厂预／主臭氧尾气破坏间分别设在预／主臭氧接触池池顶上，各配备用2台加热型臭氧尾气破坏器(1用1备)。最大尾气处理量为770 m3／h，排放到大气中的臭氧的质量浓度小于0．1 mg／L。由于预臭氧处理的是原水，水质较差，投加臭氧有可能在池内水面上形成泡沫，所以在预臭氧尾气收集口安装一个消泡器，避免了泡沫对尾气破坏器性能和寿命的影响。
4结语
通过总结铁两水厂建殴经验．认为建设一个合格的臭氧系统．应本着水厂实际，总结国内外设计经验，结合具体T程进行设计。无论是可行性研究、图纸设计、设备选型，还是现场施工，都需要有科学严谨的态度。