AOP技术在轨道交通工程中的应用实践研究

向恒飞

（上海市隧道工程轨道交通设计研究院，上海 200235）

1 背景介绍

轨道交通地下车站循环冷却水系统（如图1），主要由冷水机组、冷却循环水泵、冷却塔、管道阀门、水处理设备、循环管道、放空装置、补水装置、温度计、流量计等设备组成。其工作原理是利用冷却机组蒸发器使水与冷媒进行热交换，冷媒系统在吸收水中的热负荷，使水降温产生冷水后，通过制冷压缩机的作用将热量带至壳管式冷凝器，由冷媒与水进行热交换，使水吸收热量后通过水管将热量带出，通过设置在地面的冷却塔将热量散出。

图1 地下车站循环冷却水系统原理图

冷却水系统在运行过程中，随着冷却水浓度和温度的升高，水中的钙离子、镁离子很容易形成难溶性结晶从水中析出，附着在冷凝器表明形成水垢，此类水垢又称为硬垢。同时，冷却水系统通过冷却塔与外界接触，其喷淋状水雾非常适合细菌和藻类的滋生，使生物黏泥量增加，生物黏泥作为“黏结剂”可以将水中的灰尘、锈蚀物等无机物牢牢黏结在一起形成硬性的污垢，包覆于冷凝器表面和管道壁上，此类污垢又称为软垢，如图2。通常情况下，附着在冷凝器上的硬垢和软垢紧密交织在一起，共同影响着冷凝器的换热效果。随着结垢现象越来越严重，冷凝器的换热效果逐渐变差，耗能也会逐渐增大。研究表明，每增加1mm厚的污垢，将增加40%的能耗。此外在污垢下面还会滋生大量会引起严重腐蚀的微生物，如噬铁菌、硝化菌等，从而使设备和管道发生腐蚀。

图2 冷凝器硬垢和软垢实物图

2 AOP水处理设备的运行原理及优劣势分析

2.1 设备组成及运行原理

AOP高级氧化技术是以臭氧溶解于水并在水中产生一系列自由基反应的水处理技术，其设备组成包括臭氧发生装置、气水混合装置和自动监控装置等。其中，臭氧发生装置的主要部件是臭氧发生器，臭氧发生器将空气中的氧气转化为臭氧，臭氧通过气水混合元件溶解于水中，未溶解于水中的臭氧通过臭氧尾气分离装置，将多余的臭氧气体分解成氧气，排至空气中。自动监控装置可将AOP设备的启、停状态信息、故障信息（包括臭氧发生器故障、臭氧泄漏报警等）上传至车站控制室，以便于运营人员的维护管理。

AOP高级氧化技术利用水中一定浓度的臭氧，有效地破坏生物膜，杀灭水中的细菌和藻类，使附着在冷凝器内壁的生物黏泥失去黏性，垢层变得松散脱落，将已经形成的垢层破坏，使水中的碳酸钙、碳酸镁等化学沉淀物以悬浮物的形态存在于水中，最终通过旁滤系统予以去除。经AOP技术处理后的冷却水水质在满足《工业循环冷却水处理设计规范》（GB50050-2007）相关规定的基础上，还应满足《臭氧处理循环冷却水技术规范》（GB/T32107-2015）的相关要求。

2.2 优劣势分析

AOP技术通过有效杀灭冷却水中的细菌、病毒、藻类以及其分泌物生物黏泥，达到除垢、阻垢的目的，从而提高机组换热效率，降低能耗和运行成本。采用AOP技术的循环冷却水系统的浓缩倍数可达到10以上，可以稳定地实现节水。

AOP技术在阻垢的同时，臭氧能在冷凝器和金属管道表面形成一层致密的氧化膜，增强了金属的抗腐蚀性能。臭氧的强氧化性，可有效杀灭和抑制冷却水中微生物的生长，避免生物污垢引起的垢下腐蚀。传统化学加药法中的含氯漂移水会增加对冷却塔构件及管道的腐蚀，而AOP技术中的臭氧替代了氯系杀菌剂，漂移水中不含氯成分，一定程度上减缓了对冷却塔和室外管道的腐蚀。

地铁是人员流动频繁、人员密集的场所，公共卫生安全至关重要，臭氧具有强化性，其杀菌能力高于化学加药法，AOP技术可有效地将冷却水中的细菌总数控制在1000个/mL以内，特别是对军团菌的控制，效果比较明显，可有效保障公共卫生。

AOP高级氧化技术使用天然空气为原料，使用过程中不产生其他有毒有害物质，臭氧在水中不稳定，水中残留的臭氧易于自行分解成氧气，采用AOP技术处理的冷却水污染程度较低，避免了化学加药法带来的水质污染问题，可直接排放至市政雨水管道。

此外，AOP设备具有在线监测、自动控制、故障诊断、自动排水等功能，可做到自动运行，大幅降低了运营人员的人力成本，提高了生产和管理效率。

当然，AOP在使用过程中也存在自身的缺陷。AOP技术主要去除的是冷却水中的软垢，通过去除水中的微生物，使垢层变得松散而脱落，对水中的钙离子、镁离子并无去除作用。当水中的硬度较高时，水中垢层以硬垢为主时，AOP技术可能无法达到预想的除垢效果。当冷却水的温度高于40℃以上时，臭氧在水中极易被分解，臭氧存在的时间很短，水中的臭氧含量不足，也可能无法满足运行需求。总的来说，AOP技术主要适用于水温不高于40℃、水中硬度不高，以软垢为主的循环冷却水系统中。

目前，轨道交通工程采用的水处理设备多种多样，如旁流式水处理器、全程式水处理器、智能加药装置、冷凝器在线胶球清洗装置、在线吸垢装置、AOP水处理设备等。各类设备除垢原理不尽相同，选择合适的水处理设备，对保证系统正常运行极为重要。各类设备的对比分析见表1。

表1 地铁常用水处理设备对比分析

3 应用实践

国际上，AOP技术应用于中央空调和工业冷却水系统的水处理方案已趋于成熟，在处理效果和环保节能等方面相对传统化学处理法有着自身的优势。2009年至今，上海申通地铁已在12、17、5号线南延伸、9号线东延伸等线路全线采用了AOP水处理设备，并已投入运行多年。刚开通的15号线、18号线首通段及目前在建的14号线也全线推广，采用了AOP技术。

2009～2011年，申通地铁集团技术中心和上海轻工业研究所联合对上海已投入运营的采用AOP技术处理循环冷却水的四座车站进行了水质检测，具体检测数据如表2、3。

表2 水质检测数据表

表3 生物黏泥数量

根据以上检测结果显示，经AOP技术处理后的冷却水水质指标远低于国家标准要求，生物黏泥数量较传统化学加药法明显减少，杀菌效果显著。经过此次检测以后，AOP技术在上海12号线开始全线推广使用。2014年，运行一个空调季后，申通技术中心随机抽取了12号线巨峰路站一台冷却机组进行了开缸，检查结果显示，冷凝器内均可见铜色，内壁螺纹清晰可见，基本无结垢现象，系统运行良好如图3。

图3 上海12号线巨峰路站开缸实物图

随着AOP技术在上海轨道交通的成功应用，国内其他城市轨道交通项目也逐步开始推广使用。常州地铁1号线一期工程全线采用了AOP技术处理循环冷却水系统如图4，该线路于2019年9月开通运营，在运行一个空调季以后，在博爱路站进行了取样检测，检测结果显示，各项水质指标均满足规范要求，设备运行良好稳定，阻垢效果明显。

图4 常州1号线AOP水处理设备实物图

截至目前，AOP技术在广州、南通等城市轨道交通行业已经开始推广使用。

4 结语

目前，AOP水处理技术在国内的应用仍处于起步和推广阶段。作为一种新型环保设备，AOP技术不仅具有阻垢、除垢的功能，同时在杀菌灭藻、防腐、节水、减排等方面有着自身的优势。AOP设备的初期投资高于传统化学加药法，其设备价格约为传统加药设备的2～3倍，但AOP技术无须添加任何化学药剂，系统运行过程中冷却水浓缩倍数可达10以上，可有效地实现节水，其长期运营费用较低。当然，AOP技术的应用也存在着自身局限性，对于水温偏高、水中硬度较高的地区不宜采用。在工程设计过程中，可结合当地实际情况，选择合理的水处理技术。