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臭氧发生装置介绍 高碑店污水处理厂反硝化小组 作者：高保华 主要内容 l臭氧的介绍 l臭氧发生装置的介绍 l臭氧发生装置的选型 l臭氧的应用与安全运行 一、关于臭氧的介绍 l 臭氧是氧的同素异形体，是一种淡蓝色不稳定的气体，有三个氧原 子组成，分子式为O3，常温下自行分解为初生态的氧，是一种强氧 化剂，其氧化能力仅次于氟。具有低浓度下可瞬时完成氧化作用； 微量时有一种清新气味，高浓度时具有强烈的漂白粉味，臭氧与有 机物、无机物均能产生氧化。 l 臭氧化气体用于水处理、脱色、除臭、杀菌、灭藻与病毒灭活；除 锰、除硫化物、除酚、除氯、除农药异味、石油制品及合成洗涤后 消毒；作为氧化剂，用于某些香料合成、提炼药物、润滑脂合成、 合成纤维的制造；作为催化剂用于油墨涂料速干、助燃及酿酒发酵 方面、各类纤维纸浆漂白、全盛洗涤剂的脱色、毛皮加工件的除臭 杀菌等；在医院废水处理中起到消毒、除臭等作用。 l 在废水处理方面，可除酚、硫、氰油、磷、芳香烃和铁、锰等金属 离子。使生化物快速分解，因此臭氧受到国内外工业及环保部门的 日渐重视。 关于臭氧的介绍 臭氧为混合气体其臭氧为混合气体其浓度浓度通常按通常按质量比质量比和和体积比体积比来表示。质量比是指单位体积来表示。质量比是指单位体积 内混合气体中含有多少质量的臭氧，常用单位内混合气体中含有多少质量的臭氧，常用单位mg/Lmg/L或或g/m3g/m3等表示。体积比等表示。体积比 是指单位体积内臭氧所占的体积含量或百分比含量，使用百分比表示如是指单位体积内臭氧所占的体积含量或百分比含量，使用百分比表示如2%2% 、5%5%、12%12%等。卫生行业常用等。卫生行业常用ppmppm表示臭氧浓度，即每立方臭氧混合气体表示臭氧浓度，即每立方臭氧混合气体 中臭氧占该体积的百万分之一为中臭氧占该体积的百万分之一为1ppm1ppm。臭氧浓度臭氧浓度是衡量臭氧发生器技术含是衡量臭氧发生器技术含 量和性能的重要指标。同等的工况条件下臭氧输出浓度越高其品质度就越高量和性能的重要指标。同等的工况条件下臭氧输出浓度越高其品质度就越高 。影响臭氧浓度的主要因素有。影响臭氧浓度的主要因素有1 1、臭氧发生器的结构和加工精度；、臭氧发生器的结构和加工精度；2 2、冷却方、冷却方 式和条件；式和条件；3 3、驱动电压和驱动频率；、驱动电压和驱动频率；4 4、介电体材料；、介电体材料；5 5、原料气体中氧的、原料气体中氧的 含量及结净和干燥度。含量及结净和干燥度。臭氧产量臭氧产量是指臭氧发生器单位时间内臭氧的产出量；是指臭氧发生器单位时间内臭氧的产出量； 臭氧浓度数值与进入臭氧发生器总气量数值的乘积即为臭氧产量；通常使用臭氧浓度数值与进入臭氧发生器总气量数值的乘积即为臭氧产量；通常使用 mg/h,g/h,kg/hmg/h,g/h,kg/h这些单位表示。臭氧发生器标准中规定臭氧发生器规格型号使这些单位表示。臭氧发生器标准中规定臭氧发生器规格型号使 用臭氧产量表示和区分。小型臭氧发生器使用用臭氧产量表示和区分。小型臭氧发生器使用g/hg/h为单位，大型臭氧发生器为单位，大型臭氧发生器 使用使用kg/hkg/h为单位区分规格的大小。为单位区分规格的大小。 臭氧对环境的影响： 二、臭氧发生装置 l 臭氧发生器是用于制取臭氧的设备装置。臭氧易于分解无 法储存需现场制取现场使用（但是在特殊的情况下是可以 进行短暂时间的储存），凡是能用到臭氧的场所均需使用 臭氧发生器。臭氧发生器在自来水，污水，工业氧化，空 间灭菌等领域广泛应用。 l 臭氧是世界公认的广谱高效杀菌消毒剂。采用空气或 氧气为原料利用高频高压放电产生臭氧。臭氧比氧分子多 了一活泼的氧原子臭氧，化学性质特别活泼，是一种强氧 化剂，在一定浓度下可迅速杀灭空气中的细菌。没有任何 有毒残留，不会形成二次污染，被誉为“最清洁的氧化剂 和消毒剂”。 通电 l 其反应的化学方程式为3O2=2O3 高压放电式臭氧发生装置结构原理图 臭氧发生管的结构与工作原理 l 臭氧发生管的结构如图1所示，内外电极间用一层复合介电体隔开 ，当两电极间施加一定强度的交变高压时，气隙中产生生电晕放 电，使流经气隙的氧气电离成氧原子(O2)，氧原子再与其他氧分 子结合产生臭氧(O3)。影响臭氧产生的因素很多，如气源品质、 高压电源特性、臭氧发生管结构与冷却条件等等。就臭氧发生器 本身而言，臭氧产率与加载的电晕功率成正比。 臭氧的产生机理 l 虽然有若干机理可能同电晕内臭氧的形成有关，但 式特殊反应途径被 认为是主要的 l e+O2 2O e l 利用高速电子轰击氧气，其分解成氧原子。高速电子具有足够的动能（ 6 7eV ） , 紧接着通过三体碰撞反应形成臭氧。 l l O+O2 +MO3 M l 式中 M 是气体中任何其它气体分子，不过与此同时，原子氧和电子也同样同臭 氧反应形成氧气。 l l O+O3 2O2 l l e+O3 O+O2 +e l 此外，电晕内的气体是处于可促进臭氧分解反应的高温下，所以净臭氧产量 或出口产气组成是形成和分解臭氧所有反应的总和。净产率依众多因素而变， 包括：原料气的氧气含量和温度、原料气含的污染物、达到的臭氧浓度、电晕 中的功率密度、冷却剂的温度和流量及冷却系统的效率。这些因素都影响着实 用的、经济上有吸引力的臭氧发生器和系统的设计。 臭氧发生装置的分类 类 别说 明备 注 高压放电式 利用交变高压电场使含氧气体 产生电晕放电，电晕中的高能 自由电子离解氧分子并聚合生 成臭氧分子的方法 这种臭氧发生器具有技术成熟、工作稳 定、使用寿命长、臭氧产量大（单机可 达1Kg/h）等优点，所以是国内外相关 行业使用最广泛的臭氧发生器。 紫外线式 使用特定波长(185mm)的紫外线 照射氧分子，使氧分子分解并 聚合产生臭氧的方法 由于紫外线灯管体积大、臭氧产量低、 使用寿命短，所以这种发生器使用范围 较窄，常见于消毒碗柜上使用。 电解式 利用直流电源电解含氧电解质 产生臭氧的方法 这种发生器能制取高浓度的臭氧水，制 造成本低，使用和维修简单。但由于有 臭氧产量无法做大、电极使用寿命短、 臭氧不容易收集等方面的缺点，其用途 范围受到限制。目前这种发生器只是在 一些特定的小型设备上或某些特定场所 内使用，不具备取代高压放电式发生器 的条件。 高压放电式臭氧发生器类型 l 按发生器的高压电频率划分，有工频(50-60Hz)、中频(400-1000Hz) 和高频(1000Hz)三种。工频发生器由于体积大、功耗高等缺点，目 前已基本退出市场。中、高频发生器具有体积小、功耗低、臭氧产量 大等优点，是现在最常用的产品。 l 按使用的气体原料划分，有氧气型和空气型两种。氧气型通常是由氧 气瓶或制氧机供应氧气。空气型通常是使用洁净干燥的压缩空气作为 原料。由于臭氧是靠氧气来产生的，而空气中氧气的含量只有21%， 所以空气型发生器产生的臭氧浓度相对较低，而瓶装或制氧机的氧气 纯度都在90%以上，所以氧气型发生器的臭氧浓度较高。 l 按冷却方式划分，有水冷型和风冷型。臭氧发生器工作时会产生大量 的热能，需要冷却，否则臭氧会因高温而边产生边分解。水冷型发生 器冷却效果好，工作稳定，臭氧无衰减，并能长时间连续工作，但结 构复杂，成本稍高。风冷型冷却效果不够理想，臭氧衰减明显。总体 性能稳定的高性能臭氧发生器通常都是水冷式的。风冷一般只用于臭 氧产量较小的中低档臭氧发生器。在选用发生器时，应尽量选用水冷 型的。 高压放电式臭氧发生器类型 l 按介电材料划分，常见的有石英管（玻璃的一种）、陶瓷板、陶瓷管 、玻璃管和搪瓷管等几种类型。目前使用各类介电材料制造的臭氧发 生器市场上均有销售，其性能各有不同，玻璃介电体成本低性能稳是 人工制造臭氧使用最早的材料之一，但机械强度差。陶瓷和玻璃类似 但陶瓷不宜加工特别在大型臭氧机中使用受到限制。搪瓷是一种新型 介电材料，介质和电极于一体机械强度高、可精密加工精度较高，在 大中型臭氧发生器中广泛使用，但制造成本较高。 l 按臭氧发生器结构划分，有间隙放电式（DBD）和开放式两种。间隙 放电式的结构特点是臭氧在内外电极区间的间隙内产生臭氧，臭氧能 够集中收集输出使用其浓度较高，如用于水处理。开放式发生器的电 极是裸露在空气中的，所产生的臭氧直接扩散到空气中，因臭氧浓度 较低通常只用于较小空间的空气灭菌或某些小型物品表面消毒。间隙 放电式发生器可代替开放式发生器使用。但间隙放电式臭氧发生器成 本远高于开放式。 臭氧发生器气源 类 别说 明备 注 干燥空气气源 无油的压缩空气经过冷却、 干燥、过滤处理后作为原料 气使用 富氧气源 无油压缩空气经过冷干处理 送入PSA空分系统将氮气和 氧气分离，并将氧气收集作 为原料气 此原料气含有惰性气 体和二氧化碳及少量 氮气，并非纯氧气所 以称为富氧源 工业氧气源 通常使用瓶装工业氧气 大多适用于小型臭氧 发生器 液氧 液态氧经过汽化器汽化减压 后送入臭氧发生器作为原料 气 常用于大型臭氧发生 器 三、臭氧发生装置的选型 l 确定臭氧发生器的型号即臭氧产量 采购臭氧发生器时首先要确定其使用用途，是用于空气灭菌除味 还用于水处理。用于空气处理时可选择低浓度经济型的开放式臭氧 发生器，它包括有气源开放式和无气源开放式两种最好选有气源机 型。该类臭氧发生器结构简单价格低廉，但工作时温度和湿度影响 臭氧发生量。上述开放式臭氧发生器属最简单的臭氧装置，对于要 求高的场所空气处理也应选择高浓度臭氧发生器。空气处理时按20 -50mg/m3标准投放，食品药品行业选高值。可根具空间大小换算即 得出臭氧的总用量（即臭氧发生器产量）。用于水处理时必须选购 高浓度臭氧发生器（臭氧浓度大于12mg/L)，低浓度臭氧处理水是 无效的。高浓度臭氧发生器为标准配置含气源及气源处理装置和臭 氧发生装置。小型的可设计成一体式机型产量在5-200g/h间，大中 型臭氧发生器基本以机组形式存在。 臭氧发生装置的选型 l 鉴别臭氧发生器的品质 臭氧发生器品质的优劣可从制造材料、系统配置、冷却方式、工 作频率、控制方式、臭氧浓度、气源和电能消耗指标等多方面鉴别。 优质的臭氧发生器应是高介电材料制造、标准配置（含气源和净化装 置）、双电极冷却、高频驱动、智能控制、高臭氧浓度输出、低电耗 和低气源消耗。 l 性价比 优质的臭氧发生器从设计到配置及制造材料均按其标准进行，成 本远高于低档发生器和低配置发生器。但优质臭氧发生器性能非常稳 定，臭氧浓度和产量不受环境因素影响。而低配置臭氧发生器工作时 受环境影响较大，温度和湿度的增加可使臭氧产量和浓度大幅度下降 ，影响处理效果。选购时应对其售价和性能进行综合比评 臭氧发生装置的选型 l 防止误区 A.了解臭氧发生器是否含气源，含气源发生器和不含气源发生器 造价相差很大。如果通过价格优势采购了无气源的臭氧发生器，你还 需自配气源装置最终可能要多花钱。B.了解发生器的结构形式，是否 可以连续运行，臭氧输出浓度等指标。例如需要一台臭氧发生器用于 净水处理，若误选了开放式臭氧发生器那是无法使用的。D确认臭氧 发生器额定标注产量，是使用空气源标注的还是使用氧气源时标注的 产量。因为臭氧发生器使用氧气源时臭氧产量比使用空气源时大一倍 ，两者的造价相差近一倍。选购臭氧发生器时供求双方应全方位沟通 避免走入误区，切勿以价格为主要参考依据衡量臭氧发生器。 l 备用机 对于连续工作不许停机的场所，选购臭氧发生器时应有备用机。 按两用一备，一用一备的原则购置。备用机组主要在设备维护或修理 过程中交替使用，避免停机维护影响正常生产。 臭氧发生器专业厂家清单 序号厂家国家备注 1 威德高Wedeco 德国世界最大 2 TRAILIGAZ 法国 3 奥宗尼亚OZONIA 法国+瑞典 4 江苏省泰兴市环境保护设备厂 中国 5 山东绿邦光电设备有限公司 中国 6 佛山启达臭氧设备公司 中国 7 江苏胜亚臭氧设备制造有限公司 中国 8 臭氧的应用与安全运行 l 臭氧作为一种强氧化剂，在许多领域得到了广泛的应用，在净水工艺 中也有悠久的应用历史，几乎与最常用的氯消毒同时被采用。但由于 臭氧消毒系统设备复杂，投资大，耗电量高，以前只在少数几个发达 国家得以采用。自20世纪90年代起，由于怀疑水中的有机物与氯消毒 发生反应后形成的三氯甲烷具有致癌性，许多国家也逐渐对臭氧消毒 产生了兴趣，加大了研究力度，并逐步在饮用水处理系统中采用或增 设了臭氧处理工艺。在我国，臭氧消毒总的来说是处在起步阶段，尤 其是在水厂净水处理工艺中，但在区域二次供水工程中，臭氧消毒得 到了应用，积累了一定经验。 l 臭氧是一种在室温和冷冻温度下存在的淡紫色的、有特殊鱼腥味的气 体，它在水中部分溶解，且随着温度的降低而溶解度增加，在常温下 能自行降解产生大量的自由基，最显著的是氢氧根自由基，因而具有 强氧化性的特点。臭氧是一种潜在的氧化剂，其氧化能力仅次于氟、 氯、三氟化合物和氢氧根自由基，位于第五位，实际应用中呈现出奇 特的消毒、灭菌等作用。一旦与水混合，可与水中的酸类、亚硝酸盐 、氰化合物等还原性无机物发生反应。其次，臭氧还能与一些有机物 反应，使有机物发生不同程度的降解，变成简单的中间体，再进一步 彻底氧化生成CO2，这一性质使之成为水处理中最具有潜力的氧化剂 和消毒剂。 臭氧消毒灭菌的特点 特点描述 广谱杀菌 臭氧是一种广谱杀菌剂，其在短时间内可有效地杀灭大肠杆菌、蜡杆菌、巨杆菌、痢疾杆 菌、伤寒杆菌、流脑双球菌、金黄色葡萄球菌、沙门氏菌以及流感病毒、肝炎病毒等多种 微生物。细菌的芽孢、原生孢囊以及真菌对臭氧的抵抗力较强，但经过较长时间的臭氧处 理亦可被全部杀灭。 灭菌速度快 试验结果表明，当消毒剂浓度为0.3mg/L时，为达到99%的菌体灭活率，用二氧化氯需 6.7min，用碘需100min，而用臭氧只需1min。臭氧杀灭大肠杆菌的速率更快，当消毒剂浓 度为0.9mg/L时，要达到99.99 %的消毒效果，臭氧只需0.5min，二氧化氯需4.9min，两者 相差8.8倍。 无残留 臭氧的化学性质活泼，一种不稳定的气体，易自行分解成氧，无任何残留，无任何新的 物质生成，不会造成二次污染，是最干净的消毒剂。特别是在饮用水杀菌消毒上，几乎是 唯一有效而无害的途径。 无消毒死角 用紫外线以及高锰酸钾、漂白粉等化学消毒剂容易造成消毒死角，用臭氧消毒不必担心有 消毒死角，臭氧在通常情况下是一种气体，极易扩散流动，所有与空气有接触的地方都可 起到很好的消毒效果。 可脱臭、除 味、脱色 臭氧是一种强氧化剂，进行水处理时能破坏使水产生异味的有机化合物和有色的有机物 ，将亚铁和亚锰氧化成高价的不溶性氧化物，然后通过沉淀和过滤除去，并且不会产生卤 代烃类。 使用方便 利用臭氧进行消毒灭菌比利用其它消毒灭菌方法方便，且安全可靠。 臭氧的安全运行 l 臭氧的化学性质极不稳定，在空气和水中都会慢慢分解成氧气，其反应式为 ： l 2O3 3O2 285kJ （ 1-2 ） l 由于分解时放出大量热量，故当其含量在 25 以上时，很容易爆炸。但 一般臭氧化空气中臭氧的含量很难超过 10 ，在臭氧用于饮用水处理的较 长历史过程中，还没 有一例氧爆炸的事例。 l 臭氧在水中的分解速度随水温和 PH 值的提高而加快，图 1-3 为 PH=7 时 ，水温和分解速度的关系。 为提高臭氧利用率，水处理过程中要求臭氧分解 得慢一些，而为了减轻臭氧对环境的污染，则要求处理后尾气中的臭氧分解 快一些。 l 臭氧的毒性：臭氧属于有害气体，浓度为 6.2510 -6 mol/L(0.3mg/m3 ) 时，对眼、鼻、喉有刺激的感觉；浓度 (6.25-62.5)10 -5 mol/L(3 30mg/m3 ) 时，出现头疼及呼吸器官局部麻痹等症 ; 臭氧浓度为 3.12510 -4 1.2510 -3 mol/L(15 60mg/m 3 ) 时 , 则对人体有危害。 其毒性还和接触时间有关，例如长期接触 1.74810 -7 mol/L(4ppm) 以下 的臭氧会引起永久性心脏障碍，但接触 20ppm 以下的臭氧不超过 2h ，对人 体无永久性危害。因此，臭氧浓度的允许值定为 4.4610 -9 mol/L(0.1ppm)8h. 由于臭氧的臭味很浓，浓度为 4.4610 -9 mol/L(0.1ppm) 时，人们就感觉到，因此，世界上使用臭氧已有一百多年的 历史，至今也没有发现一例因臭氧中毒而导致死亡的报道。 臭氧的安全运行 l 臭氧具有很强的氧化性，除了金和铂外，臭氧化空气几乎对所有的金属都有 腐蚀作用。铝、锌、铅与臭氧接触会被强烈氧化，但含铬铁合金基本上不受 臭氧腐蚀。基于这一点，生产上常使用含 25 Cr 的铬铁合金（不锈钢） 来制造臭氧发生设备和加注设备中与臭氧直接接触的部件。 l 臭氧对非金属材料也有了强烈的腐蚀作用，即使在别处使用得相当稳定得 聚氯乙烯塑料滤板等，在臭氧加注设备中使用不久便见疏松、开裂和穿孔。 在臭氧发生设备和计量设备中，不能用普通橡胶作密封材料，必须采用耐腐 蚀 能力强的硅橡胶或耐酸橡胶等。 存在的问题有：（1）虽然干燥的和水溶液中的臭氧腐蚀性稍弱，但在潮湿的 环境里臭氧的腐蚀性比较强。特别是在建于地下，采光不好，室内潮湿的环 境，一旦臭氧泄漏，对室内的管道、设备就会产生一定的腐蚀。因此必须采 用排风扇强制通风，对管道、设备采取防腐措施。 （2）尾气处置。臭氧与 水在水池中混合后，会有一定的剩余臭氧从水中逸出，通过水池通气管排到 空气中。由于空气中一定浓度的臭氧对人的机体有害，一般情况下不允许直 接排放。但由于尾气处置通常采用的回用法、加热分解法、化学消减法、催 化分解法能耗大、费用高，对于本工程来说不太适合。好在本工程的尾气量 很小，且清水池所在位置地面开阔，易于空气流通，采用稀释法来处置，即 直接排出，利用环境空气稀释。 副产物氮的氧化物的影响 氮氧化物主要有氮氧化物主要有: : 一氧化二氮一氧化二氮( (又称又称: :氧化亚氮氧化亚氮, ,笑气笑气, ,连二次硝酸酐连二次硝酸酐); ); Nitrous oxide; CAS: 10024-97-2 Nitrous oxide; CAS: 10024-97-2 一氧化氮一氧化氮; Nitric oxide; CAS: ; Nitric oxide; CAS: 10102-43-9 10102-43-9 二氧化氮二氧化氮( (又称又称: :过氧化氮过氧化氮); Nitrogen dioxide;CAS: 10102); Nitrogen dioxide;CAS: 10102 -44-0 -44-0 三氧化二氮三氧化二氮( (又称又称: :亚硝酸酐亚硝酸酐); Nitrogen trioxide ); Nitrogen trioxide 四氧化二氮四氧化二氮; ; Nitrogen tetraoxide Nitrogen tetraoxide 五氧化二氮五氧化二氮( (又称又称: :硝酐硝酐); Nitrogen pentoxide ); Nitrogen pentoxide 理化性质理化性质 除五氧化氮为固体外除五氧化氮为固体外, , 其余均为气体。分子式其余均为气体。分子式NOxNOx。其中四氧。其中四氧 化二氮是二氧化氮二聚体化二氮是二氧化氮二聚体, ,常与二氧化氮混合存在构成一种平衡态混合物常与二氧化氮混合存在构成一种平衡态混合物 。一氧化氮和二氧化氮的混合物。一氧化氮和二氧化氮的混合物, ,又称硝气又称硝气( (硝烟硝烟) )。相对密度。相对密度: :一氧化氮一氧化氮 接近空气接近空气, ,一氧化二氮、二氧化氮比空气略重。熔点一氧化二氮、二氧化氮比空气略重。熔点: : 五氧化二氮为五氧化二氮为3030 ，其余均为零下。均微溶于水，其余均为零下。均微溶于水, , 水溶液呈不同程度酸性。一氧化氮、二水溶液呈不同程度酸性。一氧化氮、二 氧化氮水中分解生成硝酸和氧化氮。一氧化二氮氧化氮水中分解生成硝酸和氧化氮。一氧化二氮300300以上才有强氧化作以上才有强氧化作 用用, , 其余有不同程度氧化性其余有不同程度氧化性, ,特别是五氧化二氮，在特别是五氧化二氮，在-10-10以上分解放出以上分解放出 氧气和硝气。氮氧化物系非可燃性物质氧气和硝气。氮氧化物系非可燃性物质, ,但均能助燃，如一氧化二氮但均能助燃，如一氧化二氮 (N2O)(N2O)、二氧化氮和五氧化二氮遇高温或可燃性物质能引起爆炸。、二氧化氮和五氧化二氮遇高温或可燃性物质能引起爆炸。 臭氧发生器的设计要求 l 标准臭氧发生器按室内安装要求设计，使用方应确保设备在设计条件范围内运行。 l a.温度 l 臭氧发生器设计环境温度范围为 040。 l b.湿度 l 臭氧发生器设计相对湿度 90%。 l c.冷却水 l 使用水冷却的臭氧发生器设计冷却水温度 30，一般可使用工厂的循环冷却水作 为臭氧发生器