簡介

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。

臭氧系統主要由臭氧發生系統、臭氧氣源、尾氣破壞系統、系統控制等組成，主要用于水深度處理。空氣凈化所用的是主要元件是一個簡單的臭氧發生器，不屬于在此所說的臭氧系統。

性質

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/m，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）。

工藝

臭氧在給水凈化工藝中的主要作用有:前（預）氧化和后氧化。

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。

前（預）氧化工藝

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，氧化無機物質如碳化物、硝化物。

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。

后氧化工藝

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COD;氧化分解螯合物，如EDTA和NTA等。

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%。

臭氧系統設計

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（見臭氧工藝）、臭氧發生系統、臭氧氣源、尾氣破壞系統、PLC等幾部分組成。

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，其最佳工作壓力一般為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。

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最高。

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。

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 時能嗅出，環保允許排放體積分數為0.05×10~0.1×10。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。

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，m/h;

D--臭氧的投加率，kg/m。

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PLC系統根據式（1），式（2），通過調整相關的參數來完成的。

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。

臭氧系統的安裝

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。

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。

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。

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%。

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。

臭氧系統的原則

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。