臭氧处理系统在亳州地表水厂的应用

张圣，赵文广，李广磊，陈涛，谢雅雯 （中国建筑一局集团第一建筑有限公司，上海 201100）

1 臭氧特性及作用

1.1 臭氧的主要性能

臭氧在常温常压下是一种具有强烈刺激气味的淡蓝色气体，臭氧分子结构极不稳定，容易分解成氧气。臭氧的氧化能力很强，比氯和其他常用氧化剂强，仅次于氟。臭氧在水中的溶解度较高，在同样条件下是纯氧的10倍。臭氧在水溶液中的稳定性受水中所含杂质的影响较大，特别是有金属离子存在时，臭氧可迅速分解为氧气。

1.2 臭氧在地表水厂的作用

臭氧是一种比氯性质更强烈的氧化剂，在其应用中主要用这一特性。在混凝沉淀前投加臭氧，可以去除色度和臭味，改善絮凝和过滤效果，避免沉淀池藻类生长，取代前加氯、减少氯消毒副产物、氧化无机物以及促进有机物的氧化降解。在活性炭过滤前投加臭氧，臭氧-活性炭组合处理工艺可以有效去除水中的异味和色度，对氨氮、亚硝酸盐等具有良好的去除作用，改善自来水水质。另外，增加活性炭吸附的生化作用，延长活性炭再生周期。

2 亳州地表水厂臭氧系统的组成

亳州市城南地表水厂总规模是20.0万m/d，一次建成。臭氧总产量达到30kg/h，共设置2台臭氧发生器。臭氧发生器在外环冷却水为25°C，臭氧发生浓度为10wt%条件下，单台臭氧发生器产量须达到15kg/h。亳州地表水厂臭氧化法工艺的处理系统主要有5部分组成：①液态纯氧系统（LOX）；②臭氧发生系统；③闭环冷却水系统；④臭氧-水的接触反应系统；⑤剩余臭氧尾气破会系统。

2.1 液氧系统（LOX）

臭氧处理工艺的气源制备一般可采用空气处理、液态纯氧蒸发以及现场纯氧制备等方法，表1为3种气源的特点。

常见气源类型的特点 表1

亳州城南地表水厂根据臭氧产量经过经济、技术及维护成本等综合比较后，选择购买液态纯氧作为臭氧处理系统的气源。

2.2 臭氧发生系统

图1 亳州地表水厂臭氧处理工艺流程图

图2 液氧系统三维示意

臭氧发生器制造臭氧，以供水处理使用。亳州水厂采用的是WEDECO臭氧发生器，臭氧发生器采用立式安装，臭氧发生器、供电单元及控制系统被固定到两个分开的底座上，可以节省空间的设计。在臭氧发生器中，原料气流经绝缘体之间以及高压电极与绝缘体之间的环状狭小间隙，其中高压电极端接高电压，臭氧发生器的壳体接地，两个环状间隙之间的高压电场以无声放电（低温等离子体）的方式将原料气中的氧气转化为臭氧。

图3 臭氧发生系统三维示意

臭氧发生器可以在1Hz～1000Hz范围内变频运行，为了达到稳定高效的运行效率，臭氧发生器的放电电压应保持恒定不变，通过改变放电频率来调节臭氧产量，且放电电压应大于5kV。

2.3 闭环冷却水系统

在产生臭氧的过程中，部分电能转化为热量。为了提高臭氧发生工艺的效率，需要将臭氧发生器冷却下来，臭氧发生器采用闭路循环冷却水系统。内环冷却水系统包括一个板式热交换器，循环泵及必需的仪表及压力平衡罐。

图4 冷却水系统三维示意

内环冷却水为一次性灌注，水量与发生器型号及发生器与热交换器直接的管长度有关。内外环冷却水的水质要求不同。一次性灌注的内环冷却水水质要求相对较高，而外环冷却水水质要求不高，通常水质符合卫生部2006年《生活饮用水卫生标准》（GB5749-2006）要求完全可以用作外环冷却水。

2.4 臭氧——水接触反应系统

臭氧用于水处理过程必须经历臭氧从气相到液相的传质过程和溶解氧同水中污染物起反应的反应过程。根据臭氧在水中同污染物反应的速度，臭氧水处理可分为受传质速度控制和受化学反应速度控制，用于受传质速度控制的污染物去除时，应选用传质效率高的接触反应装置；受化学反应速度控制的污染物去除时，宜选用具有较大液相容积、可较长时间保持一定溶解浓度的接触反应装置，如微孔扩散接触池。

2.4.1 预臭氧接触反应方式

亳州水厂预臭氧池臭氧接触时间为5min,投加量为0.5mg/L～1.0mg/L。根据污染物种类，亳州水厂预臭氧池臭氧与水接触方式采用的是喷射器形式，主要包含增压泵、喷射器、曝气头、流量控制阀、蝶阀以及相应的管路系统等。

图5 预臭氧处理系统三维示意

喷射器是在旁通增压水泵加压后的水通过收缩喷嘴时所造成的负压下（如果增压水压满足要求，可不设置增压水泵），将臭氧化空气吸入水中。喷射器出口端伸至水下数米深，未被吸收的臭氧尚可有上升至水面的补充接触时间，可以改善臭氧向水中的传递，臭氧的吸收率一般可达到80%～90%。

图6 增效喷头剖面示意

2.4.2 后臭氧接触反应方式

亳州水厂后臭氧池臭氧接触时间为12min，投 加 量 为1.5mg/L～2.5mg/L。采用臭氧与水接触形式为微气泡接触（陶瓷微孔曝气盘），主要包含陶瓷曝气盘及相应连接的不锈钢管道和支架、手动阀门、压力表、流量计等。

图7 臭氧后处理系统三维示意

图8 后臭氧曝气盘安装

臭氧接触池为双格四室串联联运行，每格设三个投加点，三个点的投加量沿水流方向依次为50%（调节范围40%～80%）、25%（调节范围10%～30%）、25%（调节范围10%～30%），第4个隔室用来达到需要的水力停留时间。处理水流由池下部进入池内，呈向升流和向下降流方向，折向流动。臭氧通过设在底部的曝气盘扩散成微气泡与进入的水流呈逆向接触反应，进行氧化处理过程，臭氧的吸收率可达80%～90%。

2.5 剩余臭氧尾气破坏系统

为了安全起见，臭氧尾气破坏系统用来将没有溶解到水里的臭氧重新还原变为氧气，使臭氧浓度不高于0.1ppm。常见尾气处理方法的比较，见表2所示。

常见尾气处理方法特点 表2

亳州水厂剩余臭氧尾气破坏系统采用的是霍加拉特剂催化分解法。霍加拉特剂是一种黑色颗粒状物质，粒径3mm左右，其基本组成为氧化铜和二氧化锰的催化剂，能够对臭氧尾气起有效催化分解作用。反应池中的剩余臭氧尾气由破坏器后的风机抽出，通过一个预加热带将温度升高后进入尾气破坏带，再通过催化破坏方式将臭氧破坏。为了防止水滴进入破坏器，在接触池顶部设有除雾器进行气水分离，分离后的凝结水回流至接触池内。

图9 尾气破坏装置三维示意

3 土建结构施工时注意事项

土建结构是影响臭氧设备正常运行的一个重要因素，结构施工时应注意：

①安装臭氧处理设备的功能房间，应尽可能在整个厂区的下风向，并与经常有人停留建筑保持尽可能远的距离；

②臭氧设备的外形较大，房间门的大小要和厂家提前沟通，确保设备能安装进去；

③前、后臭氧接触池结构施工期间预埋pvc过气孔，没有溶解的臭氧可以通过平衡孔被尾气破坏装置吸收；

④接触池为钢结构混凝土结构，内要涂防腐层；

⑤接触池内安装曝气装置前，池子内要保持清洁，确保曝气系统不被堵塞；

⑥出于美观、接触池结构安全等因素考虑，国内许多水厂把前后臭氧投加系统放在接触池顶板上的阳光雨棚里，阳光棚里温度较高，尤其是夏天，温度过高会影响臭氧投加装置、尾气破坏装置及相关控制柜的正常运行。因此，阳光棚的玻璃尽量选择深色的，阳光棚要通风，上部可以设置百叶窗。

4 臭氧系统安装

臭氧系统安装质量不仅影响系统正常运行，同时也对环境和人身安全有着极其重要的影响，臭氧系统安装时应注意：

①为了防止设备与管道的漏气，在设备与管道投入运行之前需进行试压试验；

②臭氧是一种强氧化剂，具有很强的腐蚀性能，其中以湿臭氧化气腐蚀性最强，干燥臭氧化气和水中溶解臭氧腐蚀性稍弱。综合经济、安全等因素，亳州水厂气源输送、干燥臭氧输送、内循环冷却水采用的是SS304管道；潮湿臭氧及臭氧系统设备采用的是SS316管道；外循环水采用的是PE管。

③为避免不锈钢管道焊接过程中产生焊渣，采用的是氩弧焊。另外，为防止气体与油脂发生反应，所有的管路均要进行管道脱脂处理。

④尾气破坏抽气管道伸入顶板下表面5cm～10cm即可，伸入太长，水会倒灌进尾气破坏器罐体，造成催化剂失效。

5 结束语

亳州市城南地表水厂臭氧处理系统已经运行了半年，出水水质的各项指标较之前常规处理工艺得到很大改善，尤其是出水浊度和CODMn，沉淀池的出水浊度由1NTU～2NTU降为0.5NTU～0.85NTU，CODMn由之前3mg/L～4mg/L降为2mg/L～2.5mg/L。总体来说，臭氧处理工艺已成为给水处理领域中极具发展前景的应用技术之一，但如何协调好设备投资成本、运行成本、水处理效果三者的关系，还需要经过长时间的研究和摸索。