臭氧處理系統(tǒng)工藝設計要點及分析

 

        臭氧是一種氧化能力僅次于氟、·0H、原子氧的強氧化劑，通過臭氧可去除水中色度、嗅；可降低高錳酸鹽指數(shù)，使難降解的高分子有機物得到氧化、降解；同時具有消毒、滅菌等作用。當出水水質要求較高或原水中存在難降解有機物時，臭氧氧化及其組合工藝具有較好的處理效果；另一方面，相對于傳統(tǒng)城鎮(zhèn)污水處理工藝，臭氧氧化工藝具有投資及運行成本較高、運行操作相對復雜且具有一定危險性等特點。

 

        綜上，臭氧氧化及其組合工藝設計的合規(guī)性與合理性，直接影響了處理效果、工程投資、運行成本及生產(chǎn)安全性。為此，對臭氧處理系統(tǒng)設計重點和易忽視的問題進行歸納總結，并進行探討分析，以期為同類項目提供參考。

 

1氣源系統(tǒng)設計要點

1.1氣源系統(tǒng)的選擇

        工業(yè)用臭氧通過對氧氣的高壓放電而形成。供給臭氧發(fā)生器的氣源可以為空氣（CDA），也可以是純氧。純氧可以現(xiàn)場制備（V-GOX），也可以購買液氧（LOX）通過蒸發(fā)獲得。氣源不同，臭氧發(fā)生器的配套系統(tǒng)費用、原料費用、運行成本以及運行維護工作量等均有較大差別。假設液氧采購及運輸條件允許，當臭氧發(fā)生規(guī)模>60kg/h時，采用空氣源作為臭氧發(fā)生器的氣源才具有經(jīng)濟性；工程應用中當臭氧系統(tǒng)總制備能力≤60kg/h時，選用液氧作為臭氧發(fā)生的氣源較為經(jīng)濟。就不同氣源的典型指標而言，CDA源臭氧發(fā)生器電耗一般為15~25kW·h/kgO，制得的臭氧額定質量濃度約1%~2%；LOX源臭氧發(fā)生器電耗一般為8~10kW·h/kgO3，制得的臭氧質量濃度約6%~10%，發(fā)生器經(jīng)濟性很佳時臭氧濃度在10%左右；V-GOX源臭氧發(fā)生器電耗一般為8~10kW·h/kg03，制得的臭氧質量濃度約6%~10%。

 

1.2空氣源系統(tǒng)設計要點

        空氣源系統(tǒng)主要由空壓機、后部冷卻器、緩沖罐、過濾器、干燥機、穩(wěn)壓儲氣罐、管路閥件、配套儀表等組成。臭氧發(fā)生器用壓縮空氣的要求：粉塵顆粒尺寸為1um，很大濃度為1ug/L，很大壓力露點為-40℃時，很大含油濃度為1ug/L。

 

1.3液氧源系統(tǒng)設計要點

        液氧源系統(tǒng)一般由液氧儲罐、儲罐遠程液位監(jiān)控系統(tǒng)、液氧氣化系統(tǒng)、調(diào)壓閥組、過濾設備等組成。

        液氧儲罐一般通過租賃方式，由專業(yè)氣源供應商進行系統(tǒng)的設計、安裝、調(diào)試、運維，但仍需注意以下幾方面：

①液氧轉運罐車為大型貨車，通常液氧站附近路寬不應小于6m，轉彎半徑不宜小于14m；

②液氧站典型占地尺寸為5m×10m；

③液氧罐儲存量一般為3~5d的用量，氧氣純度一般為99.5%~99.9%，雜質顆粒尺寸<0.1um；

④液氧氣化系統(tǒng)一般應考慮設置1用1備，另外，對于北方地區(qū)，應考慮環(huán)境低溫時的蒸發(fā)能力，設計中應預留電加熱的電負荷和裝置[3]；

⑤經(jīng)過調(diào)壓閥組后的表壓一般為0.3MPa；

⑥調(diào)壓閥組后應設露點儀，氧氣常壓露點一般為-65℃，其將影響發(fā)生器放電均勻性；

⑦氧氣輸送管線應采用GC3級不銹鋼壓力管線，連接方式宜為焊接，焊接前應進行酸洗鈍化、清洗、脫脂處理[4]；

⑧氧氣輸送管線工作壓力為0.1~1MPa時，工作壓力下的很高允許流速為30m/／s，通常設計流速取10m／s；

⑨氧氣輸送主管應敷設于管溝內(nèi)，寒冷地區(qū)應考慮保溫措施，管溝應盡可能順直，且避讓主要通行道路；

⑩氧氣管道、管架與道路及建（構）筑物的很小間距應符合規(guī)范要求。

 

1.4現(xiàn)場制氧氣源系統(tǒng)設計要點

        現(xiàn)場制取氧氣的方法主要有低溫精餾和吸附分離兩種。低溫精餾法每產(chǎn)生1t氧氣耗電約260~340kW·h，產(chǎn)出氧氣純度>99.5%；此種方式制氧投資較高，但運行成本較低，主要適用于氧氣用量大、純度高的場合。吸附分離法每產(chǎn)生1Nm3氧氣耗電約0.2~0.3kW·h，產(chǎn)出氧氣純度約90%~93%。因現(xiàn)場制氧設備需定期停機檢修，故需配備一定容量的滿足停機供氣要求的液氧儲罐及其蒸發(fā)供氣裝置。此種方式制氧的工程應用案例相對較少。

現(xiàn)場制氧氣源系統(tǒng)一般要求純氧含量≥90%，常壓露點≤-60℃，雜質尺寸<0.1um，供氣壓力≥0.2MPa。

 

2臭氧制備及臭氧發(fā)生器冷卻系統(tǒng)設計要點

2.1臭氧制備系統(tǒng)設計要點
        臭氧設備核心參數(shù)為臭氧投加量，根據(jù)不同作用而確定，且一般不設備用機。通常情況下，用于脫色時，臭氧投加量為2.5~5mg/L；用于降解COD時，COD去除量與臭氧投加量之比一般為1：2~1：4；用于污水處理廠尾水消毒時，臭氧投加量為5~15mg/L。

臭氧發(fā)生器核心部件為高頻電流型變頻器、放電管，在發(fā)生器設備選型階段應注意如下幾點：

①每根放電管應有獨立的保險絲，防止因一根放電管路故障導致整個臭氧發(fā)生器停機而影響生產(chǎn)；

②放電管放電間隙一般為0.3~0.5mm，放電間隙越小，產(chǎn)生的熱量越少，越容易冷卻，發(fā)生效率越高；

③進口臭氧發(fā)生器的放電器材壽命至少擔保10年，發(fā)生器整機質保2年，且2年內(nèi)放電管破損率不得大于0.1%；

④對臭氧濃度和產(chǎn)量應提出擔保要求，驗收時應進行測定，產(chǎn)量在10%~100%內(nèi)可調(diào)。

對于氧氣源臭氧發(fā)生器，為提高其放電產(chǎn)率并保護放電管，一般在純氧中添加1%~3%（質量分數(shù)）的氮氣，即所謂“補氮”系統(tǒng)。補氮系統(tǒng)主要由無油型空壓機、冷干機、干燥器等組成，由臭氧發(fā)生器廠家成套提供。

臭氧發(fā)生間內(nèi)管線應敷設于管溝內(nèi)或考慮架空安裝，無論采用何種安裝形式，均應滿足相關規(guī)范，且應為檢修通道留出空間。

 

2.2臭氧發(fā)生器冷卻系統(tǒng)設計要點

        高溫不利于臭氧的產(chǎn)生，而且會加速臭氧的分解，導致臭氧濃度和產(chǎn)量下降。冷卻水主要是用來交換臭氧發(fā)生器放電管散發(fā)的熱量，冷卻水溫度越高，臭氧系統(tǒng)耗電量越大。冷卻水系統(tǒng)分為閉路循環(huán)和開路循環(huán)兩種。其中，開路循環(huán)對水質要求較高，一般對氯離子含量有要求，適用于小型發(fā)生器。閉路循環(huán)中的內(nèi)循環(huán)冷卻水主要用于冷卻放電管，應采用高純度去離子水（電導率<5uS/cm）；外部冷卻水通過板式換熱片冷卻純水，因此對冷卻水水質要求不高[3]，適用于大型發(fā)生器。對以生活污水為主的城鎮(zhèn)污水處理廠而言，當出水水質達到《城鎮(zhèn)污水處理廠污染物排放標準》（GB18918-2002）中一級A及以上時，污水廠尾水可作為外循環(huán)冷卻水水源（當水溫>35℃時，需考慮增設冷卻塔等降溫設施）。內(nèi)、外循環(huán)水泵流量因發(fā)生器氣源不同而存在差異。

 

        對于閉路循環(huán)冷卻系統(tǒng)而言，板式換熱器及其配套管件材質應為SS304及以上；在板式換熱器選型過程中，還應著重注意換熱器的傳熱系數(shù)、換熱面積、工作壓力、工作溫度、處理量、人字角等參數(shù)[6]是否滿足實際需求。通常，板式換熱器水頭損失約20~50kPa。

 

3臭氧投加及接觸反應系統(tǒng)設計要點

1.3.1臭氧投加系統(tǒng)設計要點
        實際工況下，臭氧投加干管的設計流速一般為10~15m／s。值得注意的是，臭氧發(fā)生器出口臭氧與氧氣的混合氣體壓力一般為0.1MPa，溫度一般為20~30℃（與氣溫、冷卻水溫、發(fā)生器工況等有關），在計算實際工況下的管徑時，需將標況下混合氣體體積流量依據(jù)波義耳定律折算成實際工況下的混合氣體體積流量，而后應用達西公式計算得出臭氧投加管徑。

 

        管道、管件、閥門材質均應為SS316L，設計工作壓力為0.1MPa，屬于GC2級壓力管道[]；當原污水中氯離子含量較高時，臭氧接觸池內(nèi)臭氧投加支管管材應考慮選用雙相鋼等高氯離子濃度耐受型材質。臭氧投加系統(tǒng)的密封件應為PIFE（聚四氟乙烯）、PVDF（聚偏二氟乙烯）、全氟橡膠等耐臭氧氧化材料。臭氧管道的連接宜為焊接，焊接前應對不銹鋼管道進行酸洗鈍化、清洗、脫脂[41，焊接后應對焊縫進行10%無損探傷檢測，使之滿足驗收標準。

 

        臭氧投加干管應敷設于管溝中，上覆活動蓋板。對于氣候炎熱地區(qū)，管道外露部分應按相關規(guī)范進行保溫，保溫材料可選用PUR（聚氨酯）等，保溫層厚度應通過計算確定，一般為25mm。

 

3.2臭氧接觸反應系統(tǒng)設計要點

        依據(jù)臭氧去除污染物種類的不同，臭氧與污水接觸時間存在差異。用于脫色時，接觸時間為10~20min；用于降解COD時，接觸時間為15~60min（設3~6段布氣區(qū)，每段接觸時間為8~15min）；用于消毒時，接觸時間為6~15min，或接觸3~5min后停留10~15min。臭氧接觸池的分格、分級（段）數(shù)、每級（段）臭氧投加比、尾氣破壞等均應按相關規(guī)范進行設計；豎向隔墻下部應設連通孔（方便泄空）、上部應設氣壓平衡孔。

        另外，臭氧接觸池的設計要點如下：

①應考慮設置超越接觸池的流道，宜在池體內(nèi)部實現(xiàn)超越功能[8]；

②接觸池每格均應設置獨立的放空系統(tǒng)，以方便檢修[9]；

③接觸池很后一格反應區(qū)與出水井間應經(jīng)兩次折流（即增加一格緩沖室），以將臭氧反應系統(tǒng)與下游工藝設施間實現(xiàn)徹底隔離；

④臭氧接觸池內(nèi)套管應采用SS316L材質；接觸池出水管道應采用SS316L，一定距離之后再采用絕緣法蘭與碳鋼管連接[10-1]；

⑤氣相臭氧濃度的測定宜選擇紫外吸光度儀在線監(jiān)測，水中余臭氧濃度應選用隔膜電極法儀表在線監(jiān)測[2]。

 

        污水處理廠臭氧接觸池宜采用微孔擴散盤釋放臭氧，盤材質應為陶瓷或鈦合金+SS316L不銹鋼，盤徑一般為120mm或150mm，單盤服務面積一般為0.6~1m2，單個曝氣盤通量一般為1.5～2Nm3/h，擴散盤水頭損失一般為5~6kPa。接觸池內(nèi)進、出水閘門及放空閥門、管件材質均應采用SS316L。