净水厂臭氧系统的设计与安装调试

      提要：在给水深度处理工艺中臭氧系统得到越来越多的应用。介绍了臭氧系统中前(预)臭氧接触氧化、后臭氧接触氧化、臭氧发生系统、臭氧气源、尾气破坏系统、系统控制等的设计，以及安装调试要点。
     关键词：臭氧　设计　安装　调试　接触时间　投加量

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，有必要在现有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，它的配置直接影响着净水效果与运行成本。

1 臭氧的作用
臭氧（O3）是氧（O2）的同素异形体，是一种很强的氧化剂和消毒剂。臭氧是由3个氧原子成等腰三角形构成，密度为2.144 kg/m3，它在水中的溶解度是氧气的10多倍。臭氧的氧化能力很强，其氧化还原电位为2.08 V，远远高于水厂常用的消毒剂液氯（氧化还原电位为1.36 V）。
臭氧在给水净化工艺中的主要作用有：前（预）氧化和后氧化。
在前（预）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。
在后氧化工艺中，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、清洁剂、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，与有机物的反应分为直接反应和间接反应。直接反应是臭氧直接氧化水中有机物，它是有选择性的，它的反应速度较慢；间接反应，臭氧是通过水中形成的·OH自由基氧化有机物，它是没有选择性的，它的反应速度很快。

2 臭氧系统的设计
在给水净化工艺中，臭氧系统一般由前（预）臭氧接触氧化、后臭氧接触氧化、臭氧发生系统、臭氧气源、尾气破坏系统、PLC等几部分组成。
2.1　前（预）臭氧接触氧化
前（预）臭氧接触氧化的臭氧投加量很少，一般为0.5～1.5 mg/L。且反应时间短，一般为2～4 min，反应速度快，水中余臭氧一般为零或很少。
前（预）臭氧接触氧化系统的被处理水一般为原水，水中含有一定数量的杂质，因此其扩散装置必须能够防止被原水中的杂质堵塞，一般采用静态混合器或射流扩散器。静态混合器需要消耗0.5～1 m的水头，因此它适用于原水水头有富余的场合。射流扩散器不消耗原水水头，但它需增加部分动力设备，提升少量的原水（1.2～1.6 m3/kgO3）与臭氧混合，从而提高臭氧的转移效率。
前（预）臭氧接触氧化系统一般在每条流程线前端设1个投加点，有效水深一般为6 m。
2.2　后臭氧接触氧化
后臭氧接触氧化的反应速度慢，反应时间一般不小于10 min。臭氧投加量一般为1.5～2.5 mg/L，水中余臭氧为0.2～0.4 mg/L。有效水深也为6 m。
后臭氧接触氧化系统的被处理水一般为砂滤后水，水质较清，不含杂质，因此其扩散装置一般均采用微孔布气帽（盘）。微孔布气帽（盘）不消耗动力，价格便宜，臭氧转移效率高。
后臭氧接触氧化系统一般每条流程线设2～3个投加点。
当采用2点投加时，各点臭氧投加比例顺水流方向依次为总投加量的 80%～50%，20%～50%；2个投加点臭氧接触时间分别为总时间的50%。
当采用3点投加时，各点臭氧投加比例顺水流方向依次为总投加量的 80%～40%，10%～30%，10%～30%；3个投加点臭氧接触时间，顺水流方向依次为总时间的30%，30%，40%。
2.3　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O3（臭氧）。
臭氧发生器的臭氧产量与质量分数，随着供气压力的增高而降低，其工作压力一般为0.12～0.13 MPa。
臭氧质量分数低，臭氧发生器的能耗也低，但臭氧发生所消耗的氧气量则增加；臭氧质量分数高，臭氧发生器的能耗也高，但臭氧发生所消耗的氧气量则减少。因此究竟选用多大的臭氧质量分数，设计时应根据当地的电价和氧气价格，进行总能耗比较后才能确定。
臭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。
2.4　臭氧的气源
臭氧发生器的气源可以是：空气、液态氧（LOX）、气态氧。
空气制臭氧，臭氧发生设备投资高，运行电耗高，臭氧产量与质量分数低，臭氧质量分数一般在3%～4%，生产1 kgO3耗电量在23～25 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1 kgO3耗电量在10～13 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，臭氧发生设备的投资比空气制臭氧低，但比液态氧制臭氧要高。运行电耗也是介于两者之间。臭氧质量分数也可达到18%甚至更高，生产1 kgO3耗电量在11～14 kW·h。
气态氧一般是现场制取，制取的方法主要有：VPSA，VSA和PSA。它们都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，从而达到空分的目的。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%～93%，生产1 kgO2能耗一般在0.3～0.4 kW·h 。
用液态氧制臭氧，试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高。
对于不同的地区，究竟采用何种气源，设计时应根据当地的电价和氧气价格经成本分析后再确定。
2.5　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。臭氧在空气中的体积分数为0.01×10-6时能嗅出，环保允许排放体积分数为0.05×10-6～0.1×10-6。臭氧在常温下分解消失的半衰期为20 min。
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1.5～2 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：它是利用催化剂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。
2.6　臭氧系统的控制
臭氧的需求量一般根据式(1)进行确定：
R=QD(1)
式中R--臭氧需求量，kg/h；
Q--处理水量，m3/h；
D--臭氧的投加率，kg/m3。
臭氧的供给量用式(2)进行确定：
S=MC(2)
式中S--臭氧供给量，kg/h;
M--臭氧化气体(混合气体)流量,kg/h；
C--臭氧的质量分数。
臭氧系统的控制就是使R=S。
前（预）臭氧投加控制，一般采用设定臭氧投加率，根据水量变化比例投加。投加量的控制根据公式（1），采用PLC自动控制臭氧发生器的产量。
后臭氧投加控制，一般采用设定臭氧投加率，根据水量变化与水中余臭氧的变化，双因子复合环投加控制。处理水量是前馈条件，余臭氧是后馈条件。
投加量的控制也是根据式（1），采用PLC自动控制臭氧发生器的产量。但式（1）中的D值，需要根据余臭氧反馈数据进行自动修改。
臭氧发生量的控制一般有三种方式：第一种为恒臭氧质量分数，变臭氧流量。第二种为恒臭氧流量，变臭氧质量分数。第三种为变臭氧流量，变臭氧质量分数。
臭氧发生量大小的控制，均是由系统PLC根据式（1），式（2），通过调整相关的参数来完成的。
2.7　管材与密封件
氧气管、干的臭氧管、冷却水管一般采用AISI/ASTM304L不锈钢或同等级的其它产品。
湿的臭氧管道和扩散装置一般采用AISI/ASTM316L不锈钢或同等级的其它产品。
密封垫片。冷却水采用乙丙橡胶（EPDM）或同等产品。氧气采用氟橡胶（FPM）（如Vit on）或同等产品。臭氧采用聚四氟乙烯（PTFE）（如Teflon）或同等产品。

3 臭氧系统的安装调试
3.1　安装
臭氧系统安装的主要内容有焊接、清洗及强度与气密性试验。
3.1.1　焊接
焊接方法应采用钨极氩弧焊，开V型坡口。氩气体积分数不得低于99.96%。焊接过程中管道内必须充满惰性气体。
焊缝应进行10%～30%的X射线探伤检查。如果抽查中发现有一处焊缝存在缺陷，则相邻的焊缝均要进行检查；如果检查仍不合格，则所有焊缝均要进行探伤检查。任何焊缝返工不得超过2次。
检查合格的焊缝要求进行酸洗钝化，以防锈蚀。
焊接现场要求无灰尘、无油蒸汽，通风良好。不锈钢与碳钢的作业区必须分开。
3.1.2　清洗
氧气管道中的一个小颗粒，当其在移动时就会点燃管道内的油脂残留物，从而引起管道爆炸。因此臭氧系统管道中的所有杂质必须清洗干净。
清洗场地应无尘、无油蒸汽，并且通风良好。
清洗用的清洁剂一般采用99.8%的乙醇，不得使用氯化物清洗剂，因为残留的氯化物会影响臭氧发生器的正常工作。
清洗时，先封住管道一端并倒入清洁剂，待油脂完全溶解后倒出清洁剂，用无油、干燥空气或其它惰性气体吹扫管道内壁，去除溶剂和固体颗粒。再在紫外光（波长320～380 nm）下进行表观检查，不得出现碳氢化合物的荧光。已清洗合格的管道应两端封堵，编号，有序地摆放在清洁干燥的房间。
3.1.3　强度与气密性试验
强度试验压力为1.5倍工作压力。气密性试验压力等于工作压力。
强度与气密性试验用的介质应是清洁、干燥、无油的空气，N2，O2或其它惰性气体。
强度试验应无变形、无泄漏。
气密性试验是根据P/T=常数（P为压力，T为温度）而进行的。
压力与温度检测仪表精度应为一级（±1%）。
气密性试验前应对每个连接处用肥皂水检查，不得有泄漏。
气密性试验设0.5 h与12 h检测点，两点的P/T值之差应小于1%。
3.2　调试
调试一般在供货商工程师现场指导下进行。
调试前应按P＆I图对各单项设备和仪表进行逐项检查和验收，并作好标记。管道焊接、清洗、强度与气密性试验必须符合要求。
调试负荷一般从25%开始，逐渐增大到100%。测试点一般分为25%，50%，75%，100%。
调试内容主要有臭氧发生量、能耗、氧气用量以及PLC的运行工况等，各项测试参数应事先制成相应的表格。
调试过程中的各项参数应按表格翔实填写，并进行必要的验算。

4 结语
前臭氧接触时间一般为2～4 min，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，水中余臭氧为0.2～0.4 mg/L。
臭氧扩散装置既要效率高、成本低，又要考虑原水堵塞问题。
对臭氧质量分数、发生器的备用方式、臭氧气源，设计时应根据当地电价和氧气价格，经技术经济比较后择优选用。
臭氧发生的控制方式需根据规模大小与气源情况而定。
臭氧系统的焊接与清洗，关系到系统运行的安全稳定性，施工时应严格按规程操作。
系统调试应在各项检查合格后进行，负荷应从小到大逐渐增加，测试参数应真实可靠。