凈水廠臭氧系統的設計與安裝調試

      提要：在給水深度處理工藝中臭氧系統得到越來越多的應用。介紹了臭氧系統中前(預)臭氧接觸氧化、后臭氧接觸氧化、臭氧發生系統、臭氧氣源、尾氣破壞系統、系統控制等的設計，以及安裝調試要點。
     關鍵詞：臭氧　設計　安裝　調試　接觸時間　投加量

隨著居民生活水平的不斷提高和健康條件的日益改善，飲用水水質標準要求亦愈來愈高，常規的絮凝、沉淀、過濾、消毒凈水工藝，已難以滿足水質不斷提高的要求，有必要在現有常規處理工藝的基礎上，再增加水質深度處理。
臭氧氧化+活性炭過濾的水質深度處理工藝，已在深圳、上海、昆明、常州等城市逐步實施。在臭氧活性炭工藝中，臭氧系統是其重要的組成部分，它的配置直接影響著凈水效果與運行成本。

1 臭氧的作用
臭氧（O3）是氧（O2）的同素異形體，是一種很強的氧化劑和消毒劑。臭氧是由3個氧原子成等腰三角形構成，密度為2.144 kg/m3，它在水中的溶解度是氧氣的10多倍。臭氧的氧化能力很強，其氧化還原電位為2.08 V，遠遠高于水廠常用的消毒劑液氯（氧化還原電位為1.36 V）。
臭氧在給水凈化工藝中的主要作用有：前（預）氧化和后氧化。
在前（預）氧化工藝中，臭氧的作用主要有：去除臭和味、色度、鐵、錳以及重金屬和藻類，使水中膠體微粒脫穩，改善絮凝效果，減少混凝劑的投加量，并可去除THM等三致物質的母體物，減少水中三致物質的含量，可將大分子有機物氧化為小分子有機物，氧化無機物質如氰化物、碳化物、硝化物。
在后氧化工藝中，臭氧一般與活性炭聯合使用，其作用主要有：殺死細菌和病毒；氧化有機物，如殺蟲劑、清潔劑、苯酚等；去除DOC；氧化分解螯合物，如EDTA和NTA等。
臭氧投入水中后，與有機物的反應分為直接反應和間接反應。直接反應是臭氧直接氧化水中有機物，它是有選擇性的，它的反應速度較慢；間接反應，臭氧是通過水中形成的·OH自由基氧化有機物，它是沒有選擇性的，它的反應速度很快。

2 臭氧系統的設計
在給水凈化工藝中，臭氧系統一般由前（預）臭氧接觸氧化、后臭氧接觸氧化、臭氧發生系統、臭氧氣源、尾氣破壞系統、PLC等幾部分組成。
2.1　前（預）臭氧接觸氧化
前（預）臭氧接觸氧化的臭氧投加量很少，一般為0.5～1.5 mg/L。且反應時間短，一般為2～4 min，反應速度快，水中余臭氧一般為零或很少。
前（預）臭氧接觸氧化系統的被處理水一般為原水，水中含有一定數量的雜質，因此其擴散裝置必須能夠防止被原水中的雜質堵塞，一般采用靜態混合器或射流擴散器。靜態混合器需要消耗0.5～1 m的水頭，因此它適用于原水水頭有富余的場合。射流擴散器不消耗原水水頭，但它需增加部分動力設備，提升少量的原水（1.2～1.6 m3/kgO3）與臭氧混合，從而提高臭氧的轉移效率。
前（預）臭氧接觸氧化系統一般在每條流程線前端設1個投加點，有效水深一般為6 m。
2.2　后臭氧接觸氧化
后臭氧接觸氧化的反應速度慢，反應時間一般不小于10 min。臭氧投加量一般為1.5～2.5 mg/L，水中余臭氧為0.2～0.4 mg/L。有效水深也為6 m。
后臭氧接觸氧化系統的被處理水一般為砂濾后水，水質較清，不含雜質，因此其擴散裝置一般均采用微孔布氣帽（盤）。微孔布氣帽（盤）不消耗動力，價格便宜，臭氧轉移效率高。
后臭氧接觸氧化系統一般每條流程線設2～3個投加點。
當采用2點投加時，各點臭氧投加比例順水流方向依次為總投加量的 80%～50%，20%～50%；2個投加點臭氧接觸時間分別為總時間的50%。
當采用3點投加時，各點臭氧投加比例順水流方向依次為總投加量的 80%～40%，10%～30%，10%～30%；3個投加點臭氧接觸時間，順水流方向依次為總時間的30%，30%，40%。
2.3　臭氧發生系統
臭氧是氧分子通過高壓放電區時，被高電位電場電離而變成氧原子，一個氧原子與一個氧分子再結合，形成O3（臭氧）。
臭氧發生器的臭氧產量與質量分數，隨著供氣壓力的增高而降低，其工作壓力一般為0.12～0.13 MPa。
臭氧質量分數低，臭氧發生器的能耗也低，但臭氧發生所消耗的氧氣量則增加；臭氧質量分數高，臭氧發生器的能耗也高，但臭氧發生所消耗的氧氣量則減少。因此究竟選用多大的臭氧質量分數，設計時應根據當地的電價和氧氣價格，進行總能耗比較后才能確定。
臭氧發生器的備用率一般應大于30%，備用的方式有設備臺數備用（硬備用）與設備發生能力備用（軟備用）兩種。
2.4　臭氧的氣源
臭氧發生器的氣源可以是：空氣、液態氧（LOX）、氣態氧。
空氣制臭氧，臭氧發生設備投資高，運行電耗高，臭氧產量與質量分數低，臭氧質量分數一般在3%～4%，生產1 kgO3耗電量在23～25 kW·h。
液態氧（LOX）制臭氧，臭氧發生設備投資低，運行電耗也低。臭氧質量分數可達18%甚至更高，生產1 kgO3耗電量在10～13 kW·h。但液態氧一般需外購，臭氧發生總成本隨著液態氧價格的變化而變化。
氣態氧制臭氧，臭氧發生設備的投資比空氣制臭氧低，但比液態氧制臭氧要高。運行電耗也是介于兩者之間。臭氧質量分數也可達到18%甚至更高，生產1 kgO3耗電量在11～14 kW·h。
氣態氧一般是現場制取，制取的方法主要有：VPSA，VSA和PSA。它們都是利用分子篩吸附空氣中的氮氣，讓空氣中的氧氣從分子篩通過，從而達到空分的目的。當分子篩吸附飽和后，再通過變壓，使分子篩中的氮氣脫落從而得到再生。之后，分子篩再重新工作。
現場制氧氣，氧氣體積分數一般在90%～93%，生產1 kgO2能耗一般在0.3～0.4 kW·h 。
用液態氧制臭氧，試驗表明氧氣體積分數在97.7%，氮氣體積分數在2.3%時，臭氧發生器的臭氧產率高。
對于不同的地區，究竟采用何種氣源，設計時應根據當地的電價和氧氣價格經成本分析后再確定。
2.5　臭氧尾氣破壞系統
臭氧是一種帶有強刺激氣味的淡藍色氣體。臭氧在空氣中的體積分數為0.01×10-6時能嗅出，環保允許排放體積分數為0.05×10-6～0.1×10-6。臭氧在常溫下分解消失的半衰期為20 min。
由于受水質與擴散裝置的影響，進入接觸池的臭氧很難100%被吸收，在排出的尾氣中仍含有一定數量的剩余臭氧。由于臭氧對人體健康有危害，對環境有污染，因此必須對接觸池排出的尾氣進行處理。常用的方法有：高溫加熱法和催化劑法。
高溫加熱法：臭氧加熱到350℃時，其半衰期小于0.04 s，它在1.5～2 s 內便可100%分解。加熱法的優點是：安全可靠，維護簡單，并可回收熱能；缺點是：增加了部分設備投資和運行能耗。
催化劑法：它是利用催化劑對臭氧尾氣進行分解破壞，目前使用的催化劑是以MnO2為基質的填料。催化劑法的優點是設備投資和運行能耗比高溫加熱法低；缺點是處理效果受水質（如硫化物、鹵素）、環境質量、尾氣的含水率、催化劑的使用年限等因素影響，其安全穩定性比高溫加熱法差，且催化劑需要定期更換。
2.6　臭氧系統的控制
臭氧的需求量一般根據式(1)進行確定：
R=QD(1)
式中R--臭氧需求量，kg/h；
Q--處理水量，m3/h；
D--臭氧的投加率，kg/m3。
臭氧的供給量用式(2)進行確定：
S=MC(2)
式中S--臭氧供給量，kg/h;
M--臭氧化氣體(混合氣體)流量,kg/h；
C--臭氧的質量分數。
臭氧系統的控制就是使R=S。
前（預）臭氧投加控制，一般采用設定臭氧投加率，根據水量變化比例投加。投加量的控制根據公式（1），采用PLC自動控制臭氧發生器的產量。
后臭氧投加控制，一般采用設定臭氧投加率，根據水量變化與水中余臭氧的變化，雙因子復合環投加控制。處理水量是前饋條件，余臭氧是后饋條件。
投加量的控制也是根據式（1），采用PLC自動控制臭氧發生器的產量。但式（1）中的D值，需要根據余臭氧反饋數據進行自動修改。
臭氧發生量的控制一般有三種方式：第一種為恒臭氧質量分數，變臭氧流量。第二種為恒臭氧流量，變臭氧質量分數。第三種為變臭氧流量，變臭氧質量分數。
臭氧發生量大小的控制，均是由系統PLC根據式（1），式（2），通過調整相關的參數來完成的。
2.7　管材與密封件
氧氣管、干的臭氧管、冷卻水管一般采用AISI/ASTM304L不銹鋼或同等級的其它產品。
濕的臭氧管道和擴散裝置一般采用AISI/ASTM316L不銹鋼或同等級的其它產品。
密封墊片。冷卻水采用乙丙橡膠（EPDM）或同等產品。氧氣采用氟橡膠（FPM）（如Vit on）或同等產品。臭氧采用聚四氟乙烯（PTFE）（如Teflon）或同等產品。

3 臭氧系統的安裝調試
3.1　安裝
臭氧系統安裝的主要內容有焊接、清洗及強度與氣密性試驗。
3.1.1　焊接
焊接方法應采用鎢極氬弧焊，開V型坡口。氬氣體積分數不得低于99.96%。焊接過程中管道內必須充滿惰性氣體。
焊縫應進行10%～30%的X射線探傷檢查。如果抽查中發現有一處焊縫存在缺陷，則相鄰的焊縫均要進行檢查；如果檢查仍不合格，則所有焊縫均要進行探傷檢查。任何焊縫返工不得超過2次。
檢查合格的焊縫要求進行酸洗鈍化，以防銹蝕。
焊接現場要求無灰塵、無油蒸汽，通風良好。不銹鋼與碳鋼的作業區必須分開。
3.1.2　清洗
氧氣管道中的一個小顆粒，當其在移動時就會點燃管道內的油脂殘留物，從而引起管道爆炸。因此臭氧系統管道中的所有雜質必須清洗干凈。
清洗場地應無塵、無油蒸汽，并且通風良好。
清洗用的清潔劑一般采用99.8%的乙醇，不得使用氯化物清洗劑，因為殘留的氯化物會影響臭氧發生器的正常工作。
清洗時，先封住管道一端并倒入清潔劑，待油脂完全溶解后倒出清潔劑，用無油、干燥空氣或其它惰性氣體吹掃管道內壁，去除溶劑和固體顆粒。再在紫外光（波長320～380 nm）下進行表觀檢查，不得出現碳氫化合物的熒光。已清洗合格的管道應兩端封堵，編號，有序地擺放在清潔干燥的房間。
3.1.3　強度與氣密性試驗
強度試驗壓力為1.5倍工作壓力。氣密性試驗壓力等于工作壓力。
強度與氣密性試驗用的介質應是清潔、干燥、無油的空氣，N2，O2或其它惰性氣體。
強度試驗應無變形、無泄漏。
氣密性試驗是根據P/T=常數（P為壓力，T為溫度）而進行的。
壓力與溫度檢測儀表精度應為一級（±1%）。
氣密性試驗前應對每個連接處用肥皂水檢查，不得有泄漏。
氣密性試驗設0.5 h與12 h檢測點，兩點的P/T值之差應小于1%。
3.2　調試
調試一般在供貨商工程師現場指導下進行。
調試前應按P＆I圖對各單項設備和儀表進行逐項檢查和驗收，并作好標記。管道焊接、清洗、強度與氣密性試驗必須符合要求。
調試負荷一般從25%開始，逐漸增大到100%。測試點一般分為25%，50%，75%，100%。
調試內容主要有臭氧發生量、能耗、氧氣用量以及PLC的運行工況等，各項測試參數應事先制成相應的表格。
調試過程中的各項參數應按表格翔實填寫，并進行必要的驗算。

4 結語
前臭氧接觸時間一般為2～4 min，投加量一般為0.5～1.5 mg/L；后臭氧接觸時間一般不小于10 min，投加量一般為1.5～2.5 mg/L，水中余臭氧為0.2～0.4 mg/L。
臭氧擴散裝置既要效率高、成本低，又要考慮原水堵塞問題。
對臭氧質量分數、發生器的備用方式、臭氧氣源，設計時應根據當地電價和氧氣價格，經技術經濟比較后擇優選用。
臭氧發生的控制方式需根據規模大小與氣源情況而定。
臭氧系統的焊接與清洗，關系到系統運行的安全穩定性，施工時應嚴格按規程操作。
系統調試應在各項檢查合格后進行，負荷應從小到大逐漸增加，測試參數應真實可靠。