水廠臭氧發生器的經濟運行分析

劉佩青，姚 青，沈 華，皇甫新星

(蘇州工業園區清源華衍水務有限公司，江蘇蘇州 215000)

目前，很多水廠的水源污染較嚴重，原水中有機物濃度和藻類密度較高。常規的混凝-沉淀-砂濾-加氯消毒工藝不能滿足出廠水水質安全，因此，臭氧-生物活性炭深度處理工藝開始廣泛應用到水廠。

水廠運行水質安全是第一要素，其次，能耗和運行成本控制也很關鍵，深度處理工藝在運行過程中實現精細化管理有待提升[1]。在制水過程中，臭氧投加不足，會導致出廠水高錳酸鹽指數(CODMn)和嗅味物質(2-甲基異莰醇)超標，水質有異味，影響感官。投加過量易產生溴酸鹽等致癌性消毒副產物問題，還會導致能耗和運行成本的增加[2]。以蘇州某水廠的臭氧發生器為例，研究其經濟運行，進一步降低深度處理工藝能耗。

1 臭氧發生系統

1.1 臭氧系統組成

該試驗研究時間為2019年5月—10月，預臭氧投加量為0.6 mg/L，后臭氧投加量為0.8 mg/L，試驗期間日均供水量變化平穩。本文考察內容包括：①不同臭氧發生濃度下，CODMn的去除率；②確定不同臭氧發生濃度下臭氧發生器的能耗，即電能消耗和液氧消耗之和。

該水廠設計規模為20萬m3/d，于2014年7月投產運行。工藝為混凝沉淀、過濾、臭氧-生物活性炭濾池、消毒。深度處理工藝具有物理化學吸附、臭氧化學氧化、生物氧化降解和臭氧滅菌消毒的功能，其中，臭氧氧化水中2-甲基異莰醇(2-MIB)的效果明顯優于KMnO4、NaClO等氧化劑[3]。同時，臭氧還能氧化水中的鐵、錳等無機物，使用臭氧消毒產生的化學物質污染較少，不會產生三鹵甲烷等消毒副產物[4]。

生物活性炭濾池采用向下流工藝，預臭氧接觸池臭氧曝氣采用射流擴散器，不易堵塞，預臭氧設計投加量為0.5 mg/L，最大投加能力為1.0 mg/L。后臭氧投加采用微孔曝氣器投加，設計投加量為1.5 mg/L，最大投加能力為2.0 mg/L，接觸時間13 min，后臭氧為3點投加，各級投加比例為2∶1∶1。

臭氧發生系統由氣源系統、冷卻系統、補氮系統、臭氧發生器、擴散系統以及尾氣破壞系統裝置組成[5]，工藝流程如圖1所示。氣源系統主要由液氧儲罐和氣化器組成，液氧儲罐和氣化器采用租賃方式。補氮系統由空壓機、冷干機等組成，臭氧發生器進氣時會投加0.1%～1%濃度的空氣，空氣中的氮氣能起到催化反應的作用，可降低電耗[6]。冷卻水系統主要是帶走臭氧發生器高壓放電產生的熱量，要求冷卻水溫控制在35 ℃以下。尾氣破壞裝置采用加熱觸媒催化分解法，經尾氣破壞器分解后的氣體其臭氧濃度應該小于0.1 mg/L。

圖1 臭氧發生系統工藝流程圖Fig.1 Process Flow Diagram of Ozone Generation System

1.2 臭氧發生器工作原理

該水廠臭氧發生器選用某進口品牌CFV20型號，放電室裝有288個電介質單元，制備臭氧質量濃度可達6%～12%，額定臭氧產量15.8 kg/h，額定進氣壓力0.12 MPa，裝機功率151 kW。臭氧發生器的工作原理基于無聲放電，當高壓電極上帶有變化的高電壓時，電極之間的放電間隙處會產生微放電，氧氣分子被分解為自由態的氧原子，部分自由態的氧原子與未分解的氧氣分子重新結合生產臭氧[7-8]，即O + O2=O3。

2 臭氧發生器能耗分析

2.1 水量概況

圖2為2017年—2019年水廠供水量的年日均值變化情況，2018年和2019年2月為春節假期，供水量較低，7月—9月為夏季高峰供水，日均供水量為18萬m3左右。由圖2可知，2019年5月—9月日均供水量在17.75萬～18.07萬m3，水量較平穩。

圖2 2017年—2019年水廠日均供水量變化情況Fig.2 Variation of Average Daily Water Supply Capacity in WTP during 2017—2019

2.2 冷卻水系統

冷卻水系統是臭氧發生系統的輔助系統，它在提高臭氧的產量及節省電耗方面起到至關重要的作用[9]。該冷卻水系統內循環采用純水，在臭氧發生器、循環水泵及熱交換器之間流動，外循環采用自用水，通過熱交換器帶走內循環水產生的熱量，使臭氧發生器在一個恒定的溫度范圍內工作。有研究表明，16 ℃為最佳冷卻水進口溫度，進口溫度在8～16 ℃時，電耗隨冷卻水進口溫度升高而降低[10]。該水廠臭氧發生器間安裝了兩臺功率為5 kW的空調，夏季室內溫度保持在26 ℃，試驗期間冷卻水進口溫度為12.2～16.5 ℃。

2.3 原水水質概況

結合臭氧-活性炭濾池深度處理工藝實際運行功能，選擇原水CODMn、藻類、2-MIB 3項水質指標作為研究對象。圖3(a)為2017年—2019年原水CODMn月均值的變化，由圖3(a)可知，2019年原水CODMn平均濃度低于前兩年，逐年呈遞減趨勢。2017年—2019年原水CODMn最低值為3.81 mg/L，最高值為7.22 mg/L，每年CODMn的月均值變化趨勢具有相似性，從每年5月開始濃度逐漸升高，8月達到最高。

由圖3(b)可知，2019年原水藻類數量比前兩年有大幅上升，2019年最高值1 790萬個/L比2018年最高值1 064萬個/L上漲68.2%，比2017年最高值3 367萬個/L下降46.8%。藻類月均值變化趨勢跟CODMn具有相似性，從每年5月開始藻類數量逐漸明顯升高，夏季高峰供水期間，藻類數量明顯大幅升高，8月、9月達到最高值。

由圖3(c)可知，2-MIB峰值的時間與CODMn、藻類并不同步，每年4月—6月2-MIB濃度明顯升高，6月開始下降。根據數據記錄，2017年5月原水2-MIB全年最高為0.711 μg/L，2018年5月原水2-MIB最高為0.160 μg/L，2019年4月原水2-MIB最高為0.330 μg/L，原水2-MIB峰值呈提前趨勢。

圖3 2017年—2019年原水中3項水質指標變化 (a) CODMn; (b) 藻類; (c) 2-MIBFig.3 Variation of Three Water Quality Indexes of Raw Water during 2017—2019 (a) CODMn; (b) Algae; (c) 2-MIB

2.4 CODMn去除率

研究表明，水廠常規工藝對CODMn的去除率平均值為20%～38.13%[11-12]。由圖4(a)可知，2017年—2019年CODMn的月平均去除率為62%～77%，出廠水CODMn控制在1.31～1.82 mg/L，遠低于內控的3 mg/L限值，深度處理工藝對水體中的有機物去除效果遠優于常規工藝。

2019年該水廠出廠水CODMn比2017年、2018年低，可能跟原水CODMn逐年降低有關。CODMn的去除率還跟原水的CODMn有關，原水CODMn高，去除率也高，并呈現每年5月去除率逐漸升高，9月逐漸下降的規律。

由圖4(b)可知，試驗期間，投加不同發生濃度臭氧情況下，原水CODMn經過臭氧-生物活性炭濾池工藝去除率在64%～70%，比較穩定。

圖4 (a) 2017年—2019年出廠水CODMn月平均值及其去除率； (b) CODMn的去除率隨不同臭氧投加濃度的變化Fig.4 (a) Monthly Average Values and Removal Efficiency of CODMn in Finished Water during 2017—2019； (b)Variation of CODMn Removal Efficiency with Different Ozone Dosages

2.5 電耗與氧耗

試驗期間該水廠供水量穩定，后臭氧接觸池中余臭氧的濃度控制在0.2 mg/L以內。臭氧發生器的臭氧產率從6%調到12%，臭氧投加量不變，預臭氧投加量為0.6 mg/L，后臭氧投加量為0.8 mg/L。液氧費用為900元/t，電費為0.635 8元/(kW·h)。一般情況下，適當提高臭氧發生濃度可降低氧耗，降低臭氧發生濃度可降低電耗，因此，以電能消耗和液氧消耗之和最小為目標。試驗結果表明，臭氧發生濃度<10 wt%時，液氧消耗占生產成本的比重更大。隨著臭氧發生濃度的上升，液氧消耗與電能消耗的差值逐漸縮小，到12 wt%時，差值基本持平。

研究表明，臭氧發生器設備的電氣運行工況點，臭氧濃度應≤10%。由圖5可知，供水量變化趨勢比較平穩的情況下，9%臭氧發生濃度下液氧消耗和電能消耗的之和最小，運行成本最低為11.3 × 10-3元/m3，此時氧耗為7.44 g/m3，電耗為7.26 × 10-3kW·h/m3，因此，臭氧發生濃度9%是臭氧發生器的能耗最低點。

圖5 不同臭氧發生濃度與氧耗和電耗的變化關系Fig.5 Relationship between Different Ozone Concentrations and Oxygen and Electricity Consumption in Generator

3 結論

在供水量較平穩狀態下，臭氧投加量恒定，預臭氧投加0.6 mg/L，后臭氧投加0.8 mg/L的情況下，水廠的臭氧發生器的臭氧發生濃度依次調整為6%、7%、8%、9%、10%、11%、12%，后臭氧接觸池內余臭氧濃度小于0.2 mg/L。試驗表明，不同臭氧發生濃度，臭氧-生物活性炭濾池工藝對CODMn的去除率較穩定，控制在64%～70%，深度處理工藝對水體中有機物的去除效果遠優于常規工藝。

根據試驗結果，臭氧發生濃度9%是水廠臭氧發生器液氧消耗與電能消耗之和的最低點，氧耗為7.44 g/m3，電耗為7.26 × 10-3kW·h/m3，運行成本最低為11.3 × 10-3元/m3。發生濃度為6%時，成本單價最高為15.86 × 10-3元/m3，以該水廠供水量18萬m3/d運行為例，運行年費可節約29.89萬元。該水廠實際生產中以臭氧發生濃度7%進行投加，若調整為臭氧發生濃度9%，則運行年費可節約5.85萬元。