AOP技術(shù)在軌道交通工程中的應(yīng)用實(shí)踐研究

向恒飛

（上海市隧道工程軌道交通設(shè)計(jì)研究院，上海 200235）

1 背景介紹

軌道交通地下車站循環(huán)冷卻水系統(tǒng)（如圖1），主要由冷水機(jī)組、冷卻循環(huán)水泵、冷卻塔、管道閥門、水處理設(shè)備、循環(huán)管道、放空裝置、補(bǔ)水裝置、溫度計(jì)、流量計(jì)等設(shè)備組成。其工作原理是利用冷卻機(jī)組蒸發(fā)器使水與冷媒進(jìn)行熱交換，冷媒系統(tǒng)在吸收水中的熱負(fù)荷，使水降溫產(chǎn)生冷水后，通過(guò)制冷壓縮機(jī)的作用將熱量帶至殼管式冷凝器，由冷媒與水進(jìn)行熱交換，使水吸收熱量后通過(guò)水管將熱量帶出，通過(guò)設(shè)置在地面的冷卻塔將熱量散出。

圖1 地下車站循環(huán)冷卻水系統(tǒng)原理圖

冷卻水系統(tǒng)在運(yùn)行過(guò)程中，隨著冷卻水濃度和溫度的升高，水中的鈣離子、鎂離子很容易形成難溶性結(jié)晶從水中析出，附著在冷凝器表明形成水垢，此類水垢又稱為硬垢。同時(shí)，冷卻水系統(tǒng)通過(guò)冷卻塔與外界接觸，其噴淋狀水霧非常適合細(xì)菌和藻類的滋生，使生物黏泥量增加，生物黏泥作為“黏結(jié)劑”可以將水中的灰塵、銹蝕物等無(wú)機(jī)物牢牢黏結(jié)在一起形成硬性的污垢，包覆于冷凝器表面和管道壁上，此類污垢又稱為軟垢，如圖2。通常情況下，附著在冷凝器上的硬垢和軟垢緊密交織在一起，共同影響著冷凝器的換熱效果。隨著結(jié)垢現(xiàn)象越來(lái)越嚴(yán)重，冷凝器的換熱效果逐漸變差，耗能也會(huì)逐漸增大。研究表明，每增加1mm厚的污垢，將增加40%的能耗。此外在污垢下面還會(huì)滋生大量會(huì)引起嚴(yán)重腐蝕的微生物，如噬鐵菌、硝化菌等，從而使設(shè)備和管道發(fā)生腐蝕。

圖2 冷凝器硬垢和軟垢實(shí)物圖

2 AOP水處理設(shè)備的運(yùn)行原理及優(yōu)劣勢(shì)分析

2.1 設(shè)備組成及運(yùn)行原理

AOP高級(jí)氧化技術(shù)是以臭氧溶解于水并在水中產(chǎn)生一系列自由基反應(yīng)的水處理技術(shù)，其設(shè)備組成包括臭氧發(fā)生裝置、氣水混合裝置和自動(dòng)監(jiān)控裝置等。其中，臭氧發(fā)生裝置的主要部件是臭氧發(fā)生器，臭氧發(fā)生器將空氣中的氧氣轉(zhuǎn)化為臭氧，臭氧通過(guò)氣水混合元件溶解于水中，未溶解于水中的臭氧通過(guò)臭氧尾氣分離裝置，將多余的臭氧氣體分解成氧氣，排至空氣中。自動(dòng)監(jiān)控裝置可將AOP設(shè)備的啟、停狀態(tài)信息、故障信息（包括臭氧發(fā)生器故障、臭氧泄漏報(bào)警等）上傳至車站控制室，以便于運(yùn)營(yíng)人員的維護(hù)管理。

AOP高級(jí)氧化技術(shù)利用水中一定濃度的臭氧，有效地破壞生物膜，殺滅水中的細(xì)菌和藻類，使附著在冷凝器內(nèi)壁的生物黏泥失去黏性，垢層變得松散脫落，將已經(jīng)形成的垢層破壞，使水中的碳酸鈣、碳酸鎂等化學(xué)沉淀物以懸浮物的形態(tài)存在于水中，最終通過(guò)旁濾系統(tǒng)予以去除。經(jīng)AOP技術(shù)處理后的冷卻水水質(zhì)在滿足《工業(yè)循環(huán)冷卻水處理設(shè)計(jì)規(guī)范》（GB50050-2007）相關(guān)規(guī)定的基礎(chǔ)上，還應(yīng)滿足《臭氧處理循環(huán)冷卻水技術(shù)規(guī)范》（GB/T32107-2015）的相關(guān)要求。

2.2 優(yōu)劣勢(shì)分析

AOP技術(shù)通過(guò)有效殺滅冷卻水中的細(xì)菌、病毒、藻類以及其分泌物生物黏泥，達(dá)到除垢、阻垢的目的，從而提高機(jī)組換熱效率，降低能耗和運(yùn)行成本。采用AOP技術(shù)的循環(huán)冷卻水系統(tǒng)的濃縮倍數(shù)可達(dá)到10以上，可以穩(wěn)定地實(shí)現(xiàn)節(jié)水。

AOP技術(shù)在阻垢的同時(shí)，臭氧能在冷凝器和金屬管道表面形成一層致密的氧化膜，增強(qiáng)了金屬的抗腐蝕性能。臭氧的強(qiáng)氧化性，可有效殺滅和抑制冷卻水中微生物的生長(zhǎng)，避免生物污垢引起的垢下腐蝕。傳統(tǒng)化學(xué)加藥法中的含氯漂移水會(huì)增加對(duì)冷卻塔構(gòu)件及管道的腐蝕，而AOP技術(shù)中的臭氧替代了氯系殺菌劑，漂移水中不含氯成分，一定程度上減緩了對(duì)冷卻塔和室外管道的腐蝕。

地鐵是人員流動(dòng)頻繁、人員密集的場(chǎng)所，公共衛(wèi)生安全至關(guān)重要，臭氧具有強(qiáng)化性，其殺菌能力高于化學(xué)加藥法，AOP技術(shù)可有效地將冷卻水中的細(xì)菌總數(shù)控制在1000個(gè)/mL以內(nèi)，特別是對(duì)軍團(tuán)菌的控制，效果比較明顯，可有效保障公共衛(wèi)生。

AOP高級(jí)氧化技術(shù)使用天然空氣為原料，使用過(guò)程中不產(chǎn)生其他有毒有害物質(zhì)，臭氧在水中不穩(wěn)定，水中殘留的臭氧易于自行分解成氧氣，采用AOP技術(shù)處理的冷卻水污染程度較低，避免了化學(xué)加藥法帶來(lái)的水質(zhì)污染問(wèn)題，可直接排放至市政雨水管道。

此外，AOP設(shè)備具有在線監(jiān)測(cè)、自動(dòng)控制、故障診斷、自動(dòng)排水等功能，可做到自動(dòng)運(yùn)行，大幅降低了運(yùn)營(yíng)人員的人力成本，提高了生產(chǎn)和管理效率。

當(dāng)然，AOP在使用過(guò)程中也存在自身的缺陷。AOP技術(shù)主要去除的是冷卻水中的軟垢，通過(guò)去除水中的微生物，使垢層變得松散而脫落，對(duì)水中的鈣離子、鎂離子并無(wú)去除作用。當(dāng)水中的硬度較高時(shí)，水中垢層以硬垢為主時(shí)，AOP技術(shù)可能無(wú)法達(dá)到預(yù)想的除垢效果。當(dāng)冷卻水的溫度高于40℃以上時(shí)，臭氧在水中極易被分解，臭氧存在的時(shí)間很短，水中的臭氧含量不足，也可能無(wú)法滿足運(yùn)行需求。總的來(lái)說(shuō)，AOP技術(shù)主要適用于水溫不高于40℃、水中硬度不高，以軟垢為主的循環(huán)冷卻水系統(tǒng)中。

目前，軌道交通工程采用的水處理設(shè)備多種多樣，如旁流式水處理器、全程式水處理器、智能加藥裝置、冷凝器在線膠球清洗裝置、在線吸垢裝置、AOP水處理設(shè)備等。各類設(shè)備除垢原理不盡相同，選擇合適的水處理設(shè)備，對(duì)保證系統(tǒng)正常運(yùn)行極為重要。各類設(shè)備的對(duì)比分析見表1。

表1 地鐵常用水處理設(shè)備對(duì)比分析

3 應(yīng)用實(shí)踐

國(guó)際上，AOP技術(shù)應(yīng)用于中央空調(diào)和工業(yè)冷卻水系統(tǒng)的水處理方案已趨于成熟，在處理效果和環(huán)保節(jié)能等方面相對(duì)傳統(tǒng)化學(xué)處理法有著自身的優(yōu)勢(shì)。2009年至今，上海申通地鐵已在12、17、5號(hào)線南延伸、9號(hào)線東延伸等線路全線采用了AOP水處理設(shè)備，并已投入運(yùn)行多年。剛開通的15號(hào)線、18號(hào)線首通段及目前在建的14號(hào)線也全線推廣，采用了AOP技術(shù)。

2009～2011年，申通地鐵集團(tuán)技術(shù)中心和上海輕工業(yè)研究所聯(lián)合對(duì)上海已投入運(yùn)營(yíng)的采用AOP技術(shù)處理循環(huán)冷卻水的四座車站進(jìn)行了水質(zhì)檢測(cè)，具體檢測(cè)數(shù)據(jù)如表2、3。

表2 水質(zhì)檢測(cè)數(shù)據(jù)表

表3 生物黏泥數(shù)量

根據(jù)以上檢測(cè)結(jié)果顯示，經(jīng)AOP技術(shù)處理后的冷卻水水質(zhì)指標(biāo)遠(yuǎn)低于國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)要求，生物黏泥數(shù)量較傳統(tǒng)化學(xué)加藥法明顯減少，殺菌效果顯著。經(jīng)過(guò)此次檢測(cè)以后，AOP技術(shù)在上海12號(hào)線開始全線推廣使用。2014年，運(yùn)行一個(gè)空調(diào)季后，申通技術(shù)中心隨機(jī)抽取了12號(hào)線巨峰路站一臺(tái)冷卻機(jī)組進(jìn)行了開缸，檢查結(jié)果顯示，冷凝器內(nèi)均可見銅色，內(nèi)壁螺紋清晰可見，基本無(wú)結(jié)垢現(xiàn)象，系統(tǒng)運(yùn)行良好如圖3。

圖3 上海12號(hào)線巨峰路站開缸實(shí)物圖

隨著AOP技術(shù)在上海軌道交通的成功應(yīng)用，國(guó)內(nèi)其他城市軌道交通項(xiàng)目也逐步開始推廣使用。常州地鐵1號(hào)線一期工程全線采用了AOP技術(shù)處理循環(huán)冷卻水系統(tǒng)如圖4，該線路于2019年9月開通運(yùn)營(yíng)，在運(yùn)行一個(gè)空調(diào)季以后，在博愛路站進(jìn)行了取樣檢測(cè)，檢測(cè)結(jié)果顯示，各項(xiàng)水質(zhì)指標(biāo)均滿足規(guī)范要求，設(shè)備運(yùn)行良好穩(wěn)定，阻垢效果明顯。

圖4 常州1號(hào)線AOP水處理設(shè)備實(shí)物圖

截至目前，AOP技術(shù)在廣州、南通等城市軌道交通行業(yè)已經(jīng)開始推廣使用。

4 結(jié)語(yǔ)

目前，AOP水處理技術(shù)在國(guó)內(nèi)的應(yīng)用仍處于起步和推廣階段。作為一種新型環(huán)保設(shè)備，AOP技術(shù)不僅具有阻垢、除垢的功能，同時(shí)在殺菌滅藻、防腐、節(jié)水、減排等方面有著自身的優(yōu)勢(shì)。AOP設(shè)備的初期投資高于傳統(tǒng)化學(xué)加藥法，其設(shè)備價(jià)格約為傳統(tǒng)加藥設(shè)備的2～3倍，但AOP技術(shù)無(wú)須添加任何化學(xué)藥劑，系統(tǒng)運(yùn)行過(guò)程中冷卻水濃縮倍數(shù)可達(dá)10以上，可有效地實(shí)現(xiàn)節(jié)水，其長(zhǎng)期運(yùn)營(yíng)費(fèi)用較低。當(dāng)然，AOP技術(shù)的應(yīng)用也存在著自身局限性，對(duì)于水溫偏高、水中硬度較高的地區(qū)不宜采用。在工程設(shè)計(jì)過(guò)程中，可結(jié)合當(dāng)?shù)貙?shí)際情況，選擇合理的水處理技術(shù)。