南洲水厂臭氧处理系统工艺设计简介

2 臭氧应用的概况
　　臭氧处理在净水工艺中的应用历史悠久，几乎与最常用的氯消毒同时开始被采用，但由于臭氧处理系统设备复杂、投资大、电耗高，所以过去在净水工艺中未能普遍应用。
　　自20世纪90年代起，由于怀疑水中的某些有机物和天然物质与氯发生反应后形成的三卤甲烷具有至癌性，越来越多国家和地区对臭氧在水处理中的应用产生了兴趣，逐步在饮用水系统中采用了臭氧处理工艺，如美国、瑞士、法国、德国等。在我国，随着人民生活水平的提高，对饮用水水质提出了更高的要求，目前我国已有北京、上海、深圳、昆明等城市的自来水厂采用了臭氧处理工艺。
　　与氯相比，臭氧在水处理中有许多氯无法比拟的优势。由于臭氧的氧化还原电势（+2.076V）比氯的氧化电位（+1.36V）高出50%以上，因此比氯具有更强的氧化能力，几乎能够氧化所有金属以及有机、无机的物质(除金、铂、不锈钢、玻璃、陶瓷等外)，因而具有更强的杀菌作用，对细菌的杀灭作用也比氯快，且在很大程度上不受PH值的影响。在投加量为2~4mg/L时，水几乎可以完全被消毒。在消毒的同时还能氧化水中的色、嗅、味和酚等，改善水的性质。较少产生附加的化学物质污染，不会产生如氯酚那样的臭味，也不会产生三卤甲烷等氯消毒的副产物。同时臭氧只需要电能就可以就地制造。
3 南洲水厂臭氧处理系统主要工艺参数的确定
　　对于臭氧处理系统来说，臭氧投加浓度、臭氧投加量、臭氧与水的接触反应时间以及臭氧在水中的转移效率这四个工艺参数十分关键，它们不仅关系到系统设计的先进合理与否，还与工程投资密切相关。为了获得这些关键参数，在进行南洲水厂臭氧投加系统设计之前，广州市自来水公司进行了时间长达一年的中试试验，通过试验确定了南洲水厂臭氧处理系统的主要工艺参数：臭氧投加浓度7~10wt%（正常情况下10wt%,其中一台臭氧设备故障停机时7wt%，wt%——重量百分比，臭氧浓度7~10wt%相当于臭氧在混合气体中的含量为103~148g/m3。）；预臭氧投加量0.5~1.5mg/l，臭氧与水接触反应时间≥4min；主臭氧投加量1.0~2.5mg/l，臭氧与水接触反应时间≥10min，主臭氧接触池出水含有水中余臭氧0.2~0.4mg/l；预/主臭氧在水中的转移效率都要求≥95%。
4 臭氧处理系统的组成
　　南洲水厂臭氧处理系统主要由气源制备、臭氧发生、接触反应和尾气破坏四部分的组成，系统的组成及工艺流程如图2所示：

4.1 气源系统
　　根据臭氧处理系统的运行特点，气源制备部分是臭氧处理系统中的前置系统，它的作用是为臭氧发生器提供所需的质量适宜和数量足够的原料气体。气源制备系统主要有三种形式可供选择：
①利用空气干燥后制臭氧；
②现场利用空气通过VPSA系统制成高纯度氧气后制臭氧；
③利用液氧制臭氧。
采用不同形式气源的臭氧发生器对比表
气源形式 氧气含量（%） 臭氧发生浓度（wt%） 单机最大发生量（kg/h）
①干燥空气 21 2~4 ≤15
②VPSA现场制氧 90~94 7~18 ≥250
③液氧（LOX） ≥99.6 7~18 ≥250

　　南洲水厂臭氧投加浓度为10wt%，臭氧最大需求量约为183.3kg/h，氧气需求量为1309.57~2618.57kg/h，因此气源采用②、③形式。
　　南洲水厂臭氧制备的气源形式选用VPSA现场制氧为主要形式，同时配置液氧储备系统作为VPSA设备检修停产或满负荷峰值时产量不足的备用。VPSA（Vacuum Pressure Swing Adsorption的简称，中文含义是真空变压吸附技术）的基本原理是：利用固体吸附剂对气体组分吸附的明显选择性和扩散性的差异，通过气源在接近常压下在不同吸附剂中的循环变化，其解吸（或再生）采用真空抽吸的方式来实现气体的分离过程。它以空气为原料，利用专用的制氧分子筛（即吸附剂）对空气中氧、氮、二氧化碳等气体组分的吸附选择性，在常温状态下将空气中的氧气分离出来。
　　南洲水厂的现场制氧设备由美国AIRSEP公司提供。该VPSA现场制氧系统的规格折算成100%的纯氧时产量为1200Nm3/h（Nm3——标准立方米，标准状态下（0℃，1.013bar）的体积），产品气体中氧气含量为90~95%。液氧储备设备主要包括三个体积为50m3的液氧储罐，两个蒸发能力为1500Nm3/h的空温式液氧汽化器。
4.2 臭氧发生系统
　　臭氧发生系统是臭氧处理系统中的设备核心，其作用是生产消毒工艺所需的数量足够的臭氧气体。
　　南洲水厂臭氧发生车间配备四台臭氧发生器，选用的是瑞士OZONIA公司的产品，总臭氧发生量为190kg/h，每台设备的发生量为47.5kg/h，正常情况下臭氧发生浓度为10wt%。
　　臭氧发生系统主要由以下部分组成：臭氧发生器、发生器供电单元（简称PSU，含变频、变压、冷却系统）、供配电系统（简称PDB）、PLC控制系统、仪表空气和氮气投加系统、相关仪表阀门、管道等。
 
 
臭氧产生在臭氧发生器放电管内，图3是臭氧发生示意图。

　　在臭氧生成的过程中，开始时氧分子吸收能量分解，分解后的氧原子与未分解的氧分子结合生成臭氧分子。臭氧的产生发生在放电管的两个电极之间，两个电极被绝缘介质隔开，并留有一个很小的间隙。约3700V、1000z的电压施加在电极上，含氧气体流过间隙，臭氧则在放电区域内产生。
4.3 臭氧接触反应系统
　　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处理水中，并稳定可靠地完成预定工艺所要求的反应。
　　南洲水厂接触、反应系统中设置前、主臭氧接触池。从取水泵站输送来的原水到达南洲水厂厂区后，先进入预臭氧接触池，随后经过常规处理，再被提升泵房抽取送进主臭氧接触池。
4.3.1 预臭氧接触反应系统
4.3.1.1 南洲水厂预臭氧的主要目的：
l         初步氧化去除高浓度有机物（DOC）、铁、锰；
l         改善絮凝和过滤效果，减少絮凝剂投加量和反冲滤池用水量
l         减少三致物质的母体，避免THM的形成；
l         控制藻类；
l         氧化无机物质如氰化物、碳化物、硝化物。
4.3.1.2 南洲水厂预臭氧系统主要设计参数：
l         投加量：0.5~1.5mg/l；
l         接触池数量：4座；
l         接触池有效水深：6m；
l         射流投加线：1线/池（共4线并联运行）；
l         文丘里射流器数量：4套；
l         射流器动力水泵：5台（4运1备）；
l         臭氧转移效率：≥95%；
4.3.1.3 预臭氧接触反应系统
 
　　臭氧扩散通常采用微孔曝气或射流曝气两种形式，南洲水厂预臭氧接触反应系统采用文丘里射流曝气的形式。
　　在预臭氧接触池中建有加压水泵房，利用水泵向文丘里射流器提供压力水，通过射流器使臭氧进入接触池。使用射流曝气。
　　在预臭氧接触池四条进水管处各安装一个电磁流量计，提供4~20mA的电流信号供臭氧发生器的PLC系统根据处理水量进行臭氧投加量控制。