南洲水厂臭氧处理系统工艺设计简介

南洲水厂臭氧处理系统工艺设计简介 发布日期2007-12-10 广州市公用事业规划设计院 黄长均 吴韶萍 摘要：臭氧处理在国内净水行业中属于新工艺、新技术，刚建成投产的广州市南洲水厂采用了该工艺，本 文结合南洲水厂臭氧处理系统的设计，介绍了该水厂臭氧处理系统的工艺情况。 关键词：深度处理 VPSA 臭氧发生器 尾气破坏器 广州市自来水公司南洲水厂位于广州市海珠区，设计供水规模为 100 万 m3/d，是全国特大型水厂之一， 于 2004 年 6 月 30 日建成投产。 南洲水厂是响应广州市市委、市政府提出的将广州建设成为国际化大都市的号召，实现提高供水质量 的目标，按照国际先进水平建设的现代化水厂。水厂建成后将向广州大学城、珠江新城以及海珠区、东山 区、天河区部分地区供应优质饮用净水。 南洲水厂饮用净水投产后的生产实践证明，经过深度处理后的水质接近甚至达到欧美发达国家饮用水 水质标准。广州市公用事业规划设计院承担了南洲水厂的设计，设计中按照现代化水厂的要求，在采用新 工艺、新技术、新设备以及自动化等方面进行了许多新的尝试，其中在净水工艺深度处理系统中的臭氧处 理系统的设计在广州自来水公司是首次，而深度处理的供水规模、臭氧投加量在全国供水行业也是首屈一 指的。以下我们将对南洲水厂臭氧处理系统工艺作简要的介绍。 1 净水处理工艺 南洲水厂设计供水规模为 100 万 m3/d，净水工艺是在常规净水处理的基础上增加深度处理工艺。南洲 水厂采用的净水处理工艺为：臭氧预处理+常规处理+臭氧-生物活性炭滤池工艺，整个净水处理工艺流程 如图 1 所示： 2 臭氧应用的概况 臭氧处理在净水工艺中的应用历史悠久，几乎与最常用的氯消毒同时开始被采用，但由于臭氧处理系 统设备复杂、投资大、电耗高，所以过去在净水工艺中未能普遍应用。 自 20 世纪 90 年代起，由于怀疑水中的某些有机物和天然物质与氯发生反应后形成的三卤甲烷具有至 癌性，越来越多国家和地区对臭氧在水处理中的应用产生了兴趣，逐步在饮用水系统中采用了臭氧处理工 艺，如美国、瑞士、法国、德国等。在我国，随着人民生活水平的提高，对饮用水水质提出了更高的要求， 目前我国已有北京、上海、深圳、昆明等城市的自来水厂采用了臭氧处理工艺。 与氯相比，臭氧在水处理中有许多氯无法比拟的优势。由于臭氧的氧化还原电势（+2.076V）比氯的 氧化电位（+1.36V）高出 50%以上，因此比氯具有更强的氧化能力，几乎能够氧化所有金属以及有机、无 机的物质(除金、铂、不锈钢、玻璃、陶瓷等外)，因而具有更强的杀菌作用，对细菌的杀灭作用也比氯快， 且在很大程度上不受 PH 值的影响。在投加量为 24mg/L 时，水几乎可以完全被消毒。在消毒的同时还能 氧化水中的色、嗅、味和酚等，改善水的性质。较少产生附加的化学物质污染，不会产生如氯酚那样的臭 味，也不会产生三卤甲烷等氯消毒的副产物。同时臭氧只需要电能就可以就地制造。 3 南洲水厂臭氧处理系统主要工艺参数的确定 对于臭氧处理系统来说，臭氧投加浓度、臭氧投加量、臭氧与水的接触反应时间以及臭氧在水中的转 移效率这四个工艺参数十分关键，它们不仅关系到系统设计的先进合理与否，还与工程投资密切相关。为 了获得这些关键参数，在进行南洲水厂臭氧投加系统设计之前，广州市自来水公司进行了时间长达一年的 中试试验，通过试验确定了南洲水厂臭氧处理系统的主要工艺参数：臭氧投加浓度 710wt%（正常情况下 10wt%,其中一台臭氧设备故障停机时 7wt%，wt%重量百分比，臭氧浓度 710wt%相当于臭氧在混合气 体中的含量为 103148g/m3。）；预臭氧投加量 0.51.5mg/l，臭氧与水接触反应时间4min；主臭氧投 加量 1.02.5mg/l，臭氧与水接触反应时间10min，主臭氧接触池出水含有水中余臭氧 0.20.4mg/l；预 /主臭氧在水中的转移效率都要求95%。 4 臭氧处理系统的组成 南洲水厂臭氧处理系统主要由气源制备、臭氧发生、接触反应和尾气破坏四部分的组成，系统的组成 及工艺流程如图 2 所示： 4.1 气源系统 根据臭氧处理系统的运行特点，气源制备部分是臭氧处理系统中的前置系统，它的作用是为臭氧发生 器提供所需的质量适宜和数量足够的原料气体。气源制备系统主要有三种形式可供选择： 利用空气干燥后制臭氧； 现场利用空气通过 VPSA 系统制成高纯度氧气后制臭氧； 利用液氧制臭氧。 采用不同形式气源的臭氧发生器对比表 气源形式 氧气含量（%） 臭氧发生浓度（wt%） 单机最大发生量（kg/h） 干燥空气 21 24 15 VPSA 现场制氧 9094 718 250 液氧（LOX） 99.6 718 250 南洲水厂臭氧投加浓度为 10wt%，臭氧最大需求量约为 183.3kg/h，氧气需求量为 1309.572618.57kg/h，因此气源采用、形式。 南洲水厂臭氧制备的气源形式选用 VPSA 现场制氧为主要形式，同时配置液氧储备系统作为 VPSA 设备 检修停产或满负荷峰值时产量不足的备用。VPSA（Vacuum Pressure Swing Adsorption 的简称，中文含 义是真空变压吸附技术）的基本原理是：利用固体吸附剂对气体组分吸附的明显选择性和扩散性的差异， 通过气源在接近常压下在不同吸附剂中的循环变化，其解吸（或再生）采用真空抽吸的方式来实现气体的 分离过程。它以空气为原料，利用专用的制氧分子筛（即吸附剂）对空气中氧、氮、二氧化碳等气体组分 的吸附选择性，在常温状态下将空气中的氧气分离出来。 南洲水厂的现场制氧设备由美国 AIRSEP 公司提供。该 VPSA 现场制氧系统的规格折算成 100%的纯氧 时产量为 1200Nm3/h（Nm 3标准立方米，标准状态下（0，1.013bar）的体积），产品气体中氧气含 量为 9095%。液氧储备设备主要包括三个体积为 50m3的液氧储罐，两个蒸发能力为 1500Nm3/h 的空温式 液氧汽化器。 4.2 臭氧发生系统 臭氧发生系统是臭氧处理系统中的设备核心，其作用是生产消毒工艺所需的数量足够的臭氧气体。 南洲水厂臭氧发生车间配备四台臭氧发生器，选用的是瑞士 OZONIA 公司的产品，总臭氧发生量为 190kg/h，每台设备的发生量为 47.5kg/h，正常情况下臭氧发生浓度为 10wt%。 臭氧发生系统主要由以下部分组成：臭氧发生器、发生器供电单元（简称 PSU，含变频、变压、冷却 系统）、供配电系统（简称 PDB）、PLC 控制系统、仪表空气和氮气投加系统、相关仪表阀门、管道等。 臭氧产生在臭氧发生器放电管内，图 3 是臭氧发生示意图。 在臭氧生成的过程中，开始时氧分子吸收能量分解，分解后的氧原子与未分解的氧分子结合生成臭氧 分子。臭氧的产生发生在放电管的两个电极之间，两个电极被绝缘介质隔开，并留有一个很小的间隙。约 3700V、1000z 的电压施加在电极上，含氧气体流过间隙，臭氧则在放电区域内产生。 4.3 臭氧接触反应系统 接触反应是臭氧处理系统中生产运行的核心，它的作用是将臭氧发生器产生的臭氧气体迅速有效地扩 散到处理水中，并稳定可靠地完成预定工艺所要求的反应。 南洲水厂接触、反应系统中设置前、主臭氧接触池。从取水泵站输送来的原水到达南洲水厂厂区后， 先进入预臭氧接触池，随后经过常规处理，再被提升泵房抽取送进主臭氧接触池。 4.3.1 预臭氧接触反应系统 4.3.1.1 南洲水厂预臭氧的主要目的： l 初步氧化去除高浓度有机物（DOC）、铁、锰； l 改善絮凝和过滤效果，减少絮凝剂投加量和反冲滤池用水量 l 减少三致物质的母体，避免 THM 的形成； l 控制藻类； l 氧化无机物质如氰化物、碳化物、硝化物。 4.3.1.2 南洲水厂预臭氧系统主要设计参数： l 投加量：0.51.5mg/l； l 接触池数量：4 座； l 接触池有效水深：6m； l 射流投加线：1 线/池（共 4 线并联运行）； l 文丘里射流器数量：4 套； l 射流器动力水泵：5 台（4 运 1 备）； l 臭氧转移效率：95%； 4.3.1.3 预臭氧接触反应系统 臭氧扩散通常采用微孔曝气或射流曝气两种形式，南洲水厂预臭氧接触反应系统采用文丘里射流曝气 的形式。 在预臭氧接触池中建有加压水泵房，利用水泵向文丘里射流器提供压力水，通过射流器使臭氧进入接 触池。使用射流曝气。 在预臭氧接触池四条进水管处各安装一个电磁流量计，提供 420mA 的电流信号供臭氧发生器的 PLC 系统根据处理水量进行臭氧投加量控制。 4.3.2 主臭氧接触反应系统 4.3.2.1 南洲水厂主臭氧的主要目的： l 改善水质的口感、气味、色度； l 杀死细菌、去除病毒，例如贾第鞭毛虫和隐孢子虫等； l 氧化有机物质，如苯酚、洗洁精、杀虫剂和难降解的有机物。 4.3.2.2 主臭氧接触反应系统主要设计参数： l 投加量：1.02.5mg/l； l 接触池数量：6 座； l 接触池有效水深：6m； l 投加线：1 线/池（共 6 线并联运行）； l 水中余臭氧要求（C 值）：0.20.4mg/l； l 臭氧投加：每条投加线设 3 个投加点； l 臭氧转移效率：95% 4.3.2.3 主臭氧接触反应系统 主臭氧接触池采用曝气头微孔曝气的形式。在主臭氧接触池的每条进水管道上各安装一个电磁流量计， 提供 420mA 的信号供臭氧发生器的 PLC 系统进行臭氧投加量控制。主臭氧接触池每条出水廊道均不设置 出水阀门，而采用薄壁堰跌落出水，经过臭氧处理后的水通过堰跌落后汇集到密闭的混凝土集水渠送往炭 滤池。 主臭氧是整个臭氧处理系统的主氧化反应系统。主臭氧投加量通过控制 CT 值（C水中剩余臭氧浓 度，mg/l；T接触反应时间，min）来获得较理想的反应效果，一般控制 CT1.6mgmin/l，且 C 的取 值范围为 0.20.4mg/l。 4.4 臭氧尾气破坏系统 相对臭氧处理系统其他部分而言尾气破坏部分是相对独立的子系统。它的作用是及时有效地消除臭氧 处理系统生产运行过程中所产生的富裕臭氧气体。 空气中一定浓度的臭氧对人体有害，对经过尾气破坏系统排放到大气中的气体规定其臭氧浓度 0.1mg/l。因此必须设置臭氧尾气破坏系统消除臭氧处理系统生产运行过程中产生的富裕臭氧气体。 南洲水厂设置有预臭氧和主臭氧尾气破坏系统，它们分别建设在预臭氧和主臭氧接触池池顶上，其中 预臭氧破坏系统配置了两台型号为 RB100/FU 的加热型臭氧尾气破坏器，设备最大尾气处理能力为 770Nm3/h，运行状态为一用一备。主臭氧尾气破坏系统也配置了两台加热型尾气破坏器，型号为 RB160/FU，最大尾气处理能力为 1225Nm3/h，也是一用一备。 5 结束语 目前我国有部分城市的自来水厂采用