臭氧处理系统工艺设计要点及分析

臭氧处理系统工艺设计要点及分析

 

        臭氧是一种氧化能力仅次于氟、·0H、原子氧的强氧化剂，通过臭氧可去除水中色度、嗅；可降低高锰酸盐指数，使难降解的高分子有机物得到氧化、降解；同时具有消毒、灭菌等作用。当出水水质要求较高或原水中存在难降解有机物时，臭氧氧化及其组合工艺具有较好的处理效果；另一方面，相对于传统城镇污水处理工艺，臭氧氧化工艺具有投资及运行成本较高、运行操作相对复杂且具有一定危险性等特点。

 

        综上，臭氧氧化及其组合工艺设计的合规性与合理性，直接影响了处理效果、工程投资、运行成本及生产安全性。为此，对臭氧处理系统设计重点和易忽视的问题进行归纳总结，并进行探讨分析，以期为同类项目提供参考。

 

1气源系统设计要点

1.1气源系统的选择

        工业用臭氧通过对氧气的高压放电而形成。供给臭氧发生器的气源可以为空气（CDA），也可以是纯氧。纯氧可以现场制备（V-GOX），也可以购买液氧（LOX）通过蒸发获得。气源不同，臭氧发生器的配套系统费用、原料费用、运行成本以及运行维护工作量等均有较大差别。假设液氧采购及运输条件允许，当臭氧发生规模>60kg/h时，采用空气源作为臭氧发生器的气源才具有经济性；工程应用中当臭氧系统总制备能力≤60kg/h时，选用液氧作为臭氧发生的气源较为经济。就不同气源的典型指标而言，CDA源臭氧发生器电耗一般为15~25kW·h/kgO，制得的臭氧额定质量浓度约1%~2%；LOX源臭氧发生器电耗一般为8~10kW·h/kgO3，制得的臭氧质量浓度约6%~10%，发生器经济性很佳时臭氧浓度在10%左右；V-GOX源臭氧发生器电耗一般为8~10kW·h/kg03，制得的臭氧质量浓度约6%~10%。

 

1.2空气源系统设计要点

        空气源系统主要由空压机、后部冷却器、缓冲罐、过滤器、干燥机、稳压储气罐、管路阀件、配套仪表等组成。臭氧发生器用压缩空气的要求：粉尘颗粒尺寸为1um，很大浓度为1ug/L，很大压力露点为-40℃时，很大含油浓度为1ug/L。

 

1.3液氧源系统设计要点

        液氧源系统一般由液氧储罐、储罐远程液位监控系统、液氧气化系统、调压阀组、过滤设备等组成。

        液氧储罐一般通过租赁方式，由专业气源供应商进行系统的设计、安装、调试、运维，但仍需注意以下几方面：

①液氧转运罐车为大型货车，通常液氧站附近路宽不应小于6m，转弯半径不宜小于14m；

②液氧站典型占地尺寸为5m×10m；

③液氧罐储存量一般为3~5d的用量，氧气纯度一般为99.5%~99.9%，杂质颗粒尺寸<0.1um；

④液氧气化系统一般应考虑设置1用1备，另外，对于北方地区，应考虑环境低温时的蒸发能力，设计中应预留电加热的电负荷和装置[3]；

⑤经过调压阀组后的表压一般为0.3MPa；

⑥调压阀组后应设露点仪，氧气常压露点一般为-65℃，其将影响发生器放电均匀性；

⑦氧气输送管线应采用GC3级不锈钢压力管线，连接方式宜为焊接，焊接前应进行酸洗钝化、清洗、脱脂处理[4]；

⑧氧气输送管线工作压力为0.1~1MPa时，工作压力下的很高允许流速为30m/／s，通常设计流速取10m／s；

⑨氧气输送主管应敷设于管沟内，寒冷地区应考虑保温措施，管沟应尽可能顺直，且避让主要通行道路；

⑩氧气管道、管架与道路及建（构）筑物的很小间距应符合规范要求。

 

1.4现场制氧气源系统设计要点

        现场制取氧气的方法主要有低温精馏和吸附分离两种。低温精馏法每产生1t氧气耗电约260~340kW·h，产出氧气纯度>99.5%；此种方式制氧投资较高，但运行成本较低，主要适用于氧气用量大、纯度高的场合。吸附分离法每产生1Nm3氧气耗电约0.2~0.3kW·h，产出氧气纯度约90%~93%。因现场制氧设备需定期停机检修，故需配备一定容量的满足停机供气要求的液氧储罐及其蒸发供气装置。此种方式制氧的工程应用案例相对较少。

现场制氧气源系统一般要求纯氧含量≥90%，常压露点≤-60℃，杂质尺寸<0.1um，供气压力≥0.2MPa。

 

2臭氧制备及臭氧发生器冷却系统设计要点

2.1臭氧制备系统设计要点
        臭氧设备核心参数为臭氧投加量，根据不同作用而确定，且一般不设备用机。通常情况下，用于脱色时，臭氧投加量为2.5~5mg/L；用于降解COD时，COD去除量与臭氧投加量之比一般为1：2~1：4；用于污水处理厂尾水消毒时，臭氧投加量为5~15mg/L。

臭氧发生器核心部件为高频电流型变频器、放电管，在发生器设备选型阶段应注意如下几点：

①每根放电管应有独立的保险丝，防止因一根放电管路故障导致整个臭氧发生器停机而影响生产；

②放电管放电间隙一般为0.3~0.5mm，放电间隙越小，产生的热量越少，越容易冷却，发生效率越高；

③进口臭氧发生器的放电器材寿命至少担保10年，发生器整机质保2年，且2年内放电管破损率不得大于0.1%；

④对臭氧浓度和产量应提出担保要求，验收时应进行测定，产量在10%~100%内可调。

对于氧气源臭氧发生器，为提高其放电产率并保护放电管，一般在纯氧中添加1%~3%（质量分数）的氮气，即所谓“补氮”系统。补氮系统主要由无油型空压机、冷干机、干燥器等组成，由臭氧发生器厂家成套提供。

臭氧发生间内管线应敷设于管沟内或考虑架空安装，无论采用何种安装形式，均应满足相关规范，且应为检修通道留出空间。

 

2.2臭氧发生器冷却系统设计要点

        高温不利于臭氧的产生，而且会加速臭氧的分解，导致臭氧浓度和产量下降。冷却水主要是用来交换臭氧发生器放电管散发的热量，冷却水温度越高，臭氧系统耗电量越大。冷却水系统分为闭路循环和开路循环两种。其中，开路循环对水质要求较高，一般对氯离子含量有要求，适用于小型发生器。闭路循环中的内循环冷却水主要用于冷却放电管，应采用高纯度去离子水（电导率<5uS/cm）；外部冷却水通过板式换热片冷却纯水，因此对冷却水水质要求不高[3]，适用于大型发生器。对以生活污水为主的城镇污水处理厂而言，当出水水质达到《城镇污水处理厂污染物排放标准》（GB18918-2002）中一级A及以上时，污水厂尾水可作为外循环冷却水水源（当水温>35℃时，需考虑增设冷却塔等降温设施）。内、外循环水泵流量因发生器气源不同而存在差异。

 

        对于闭路循环冷却系统而言，板式换热器及其配套管件材质应为SS304及以上；在板式换热器选型过程中，还应着重注意换热器的传热系数、换热面积、工作压力、工作温度、处理量、人字角等参数[6]是否满足实际需求。通常，板式换热器水头损失约20~50kPa。

 

3臭氧投加及接触反应系统设计要点

1.3.1臭氧投加系统设计要点
        实际工况下，臭氧投加干管的设计流速一般为10~15m／s。值得注意的是，臭氧发生器出口臭氧与氧气的混合气体压力一般为0.1MPa，温度一般为20~30℃（与气温、冷却水温、发生器工况等有关），在计算实际工况下的管径时，需将标况下混合气体体积流量依据波义耳定律折算成实际工况下的混合气体体积流量，而后应用达西公式计算得出臭氧投加管径。

 

        管道、管件、阀门材质均应为SS316L，设计工作压力为0.1MPa，属于GC2级压力管道[]；当原污水中氯离子含量较高时，臭氧接触池内臭氧投加支管管材应考虑选用双相钢等高氯离子浓度耐受型材质。臭氧投加系统的密封件应为PIFE（聚四氟乙烯）、PVDF（聚偏二氟乙烯）、全氟橡胶等耐臭氧氧化材料。臭氧管道的连接宜为焊接，焊接前应对不锈钢管道进行酸洗钝化、清洗、脱脂[41，焊接后应对焊缝进行10%无损探伤检测，使之满足验收标准。

 

        臭氧投加干管应敷设于管沟中，上覆活动盖板。对于气候炎热地区，管道外露部分应按相关规范进行保温，保温材料可选用PUR（聚氨酯）等，保温层厚度应通过计算确定，一般为25mm。

 

3.2臭氧接触反应系统设计要点

        依据臭氧去除污染物种类的不同，臭氧与污水接触时间存在差异。用于脱色时，接触时间为10~20min；用于降解COD时，接触时间为15~60min（设3~6段布气区，每段接触时间为8~15min）；用于消毒时，接触时间为6~15min，或接触3~5min后停留10~15min。臭氧接触池的分格、分级（段）数、每级（段）臭氧投加比、尾气破坏等均应按相关规范进行设计；竖向隔墙下部应设连通孔（方便泄空）、上部应设气压平衡孔。

        另外，臭氧接触池的设计要点如下：

①应考虑设置超越接触池的流道，宜在池体内部实现超越功能[8]；

②接触池每格均应设置独立的放空系统，以方便检修[9]；

③接触池很后一格反应区与出水井间应经两次折流（即增加一格缓冲室），以将臭氧反应系统与下游工艺设施间实现彻底隔离；

④臭氧接触池内套管应采用SS316L材质；接触池出水管道应采用SS316L，一定距离之后再采用绝缘法兰与碳钢管连接[10-1]；

⑤气相臭氧浓度的测定宜选择紫外吸光度仪在线监测，水中余臭氧浓度应选用隔膜电极法仪表在线监测[2]。

 

        污水处理厂臭氧接触池宜采用微孔扩散盘释放臭氧，盘材质应为陶瓷或钛合金+SS316L不锈钢，盘径一般为120mm或150mm，单盘服务面积一般为0.6~1m2，单个曝气盘通量一般为1.5～2Nm3/h，扩散盘水头损失一般为5~6kPa。接触池内进、出水闸门及放空阀门、管件材质均应采用SS316L。