天津海河口南岸地區污水處理工程臭氧發生器的選擇

袁曉宇，田 征，趙佳睿

（1.天津市政工程設計研究總院有限公司第五設計研究院，天津市300051；2.北京北排水務設計研究院有限公司，北京市100124；3.哈爾濱工業大學環境學院，黑龍江 哈爾濱 150090）

1 項目背景

該項目位于天津市濱海新區，為海河口南岸污水處理工程，污水總處理規模為30000 t/d，分兩期建設，每期處理規模為15000 t/d，其處理過程中需投加臭氧作為消毒和高級氧化措施。根據該項目的處理規模、使用情況和臭氧發生器的標準型號，近期可配置兩臺臭氧發生器，一用一備，遠期再增加一臺同型號臭氧發生器，每臺臭氧發生器的臭氧投加量為15 kg/h。在對該項目進行設計的過程中，分別對板式臭氧發生器、常規管式臭氧發生器和改進管式臭氧發生器的工藝方案進行了對比，并最終選擇了第三種。

2 臭氧制取工藝

污水處理過程中所需的臭氧由臭氧發生器制取。臭氧發生器由氧氣源、臭氧發生室、冷卻水系統、電氣控制系統，以及電源、臭氧投加系統、尾氣收集破壞系統等組成。其中，關鍵部位是臭氧發生室[1]。根據臭氧發生室對臭氧的制取方法不同，臭氧發生器可分為板式和管式兩種[2]。

空氣經壓縮機壓縮后，先經主管道的過濾器去除塵埃粒子、水霧和油霧，再由冷凍式干燥機進行淺度除水，再經除油過濾，然后進入吸附式干燥機進行深度干燥，使氣源露點達到要求，最后除塵過濾后成為合格的原料氣源[3]。

合格的原料氣源經減壓穩壓后進入臭氧發生室。在臭氧發生室內部，氧氣通過高壓放電變成臭氧，產品氣體經溫度、壓力、流量監測調節后由臭氧出氣口產出。臭氧發生室上設有臭氧取氣口，先通過配備的臭氧濃度檢測儀在線監控臭氧發生器的出氣濃度，再通過控制系統計算出臭氧產量。

臭氧發生器冷卻水設計封閉循環冷卻水系統，通過換熱器換熱，每臺臭氧發生器配置一臺循環水泵，為臭氧發生器提供冷卻水。臭氧發生器冷卻水出水有溫度變送器、流量開關，當冷卻水溫度超過設定值或者流量低于設定值時報警。臭氧發生器設置檢修時、發生器出現故障時，可單獨進行吹洗而不影響系統正常運行。

3 板式臭氧發生器的特點

板式臭氧發生器的核心部件是短流程放電室。模塊化集成的核心內容由一組放電室和一套獨立對應電源的模塊組成。每個模塊的臭氧產量在1.0～1.5kg。該模塊不受空間限制，可隨意組合。模塊集成化系統在對臭氧氣體有不同需量時，通過自動改變模塊工作數量進行變量生產，從而對臭氧產出和穩定濃度實現精確控制。模塊化集成方案的獨立供電設計，不會在部分放電單元出現故障時導致系統停機。即使在某個放電單元模塊出現故障時，也不會使整個臭氧發生器癱瘓。放電室內部全部采用特殊的陶瓷釉化處理工藝，不會被臭氧氧化腐蝕。其結構圖詳見圖1。

圖1 板式臭氧發生器放電室結構圖

臭氧發生器的放電室采用非壓力容器設計，所有放電單元不需要放置于壓力容器中，不會有爆炸現象產生，安全性高，便于調節臭氧量。放電間隙小于0.2 mm，有助于氣體散熱和提高微放電密度，從而提高臭氧產率和濃度。在產生高濃度臭氧的同時，發生器的電耗仍處于較低水平，在不增加電耗的情況下，顯著減少氧氣量，降低運行成本。發生器的放電室是板式結構，容易實現模具化生產、高精度加工、面與面間緊密結合的小體積結構，便于維修保養。各個部件都可獨立互換，且性能不受影響，為模塊化集成提供了可靠的保證，同時節省了占地面積。

4 管式臭氧發生器的特點

管式臭氧發生器的核心部件是臭氧放電管。放電管安裝在不銹鋼管內。不銹鋼管安裝在發生器罐體中，發生器罐體配有氣源入口和分布室，以及臭氧出口和收集室。高壓分配安裝在氣源入口分布室，為臭氧發生單元提供電能。發生器罐體通過兩端已焊接的密封的不銹鋼管隔離，作為冷卻水腔，部分不能生產臭氧的能量轉化為熱能釋放時必須通過冷卻水腔流過的足夠流量的冷卻水帶走。其結構圖詳見圖2。

圖2 管式臭氧發生器發生室結構圖

臭氧放電管采用耐臭氧的316L 不銹鋼材料、PTFE（聚四氟乙烯）制造，提高了系統的長期運行可靠性。大型臭氧發生室為水平安裝，便于檢查和維修。放電管采用自動設備生產線，按照統一工藝、質量標準生產制造，互換性強。平時維護時只需將管體抽出，將放電管表面清潔干凈，并隨機配備放電管專用抽取工具，更換、維護方便。臭氧放電管臭氧產量大，臭氧濃度高，能最大程度地發揮電源系統和冷卻系統的功能。尾氣分解系統安全、低溫運行、壓降較低，尾氣出氣濃度不高于0.1×10-6，可以直接排放至大氣。同時，臭氧發生器可以使用空氣作為氣源，減少液氧的使用量，但增加耗電量，且臭氧濃度低，會增大曝氣量。

5 臭氧發生器的比選

5.1 板式臭氧發生器與管式臭氧發生器對比

板式臭氧發生器與管式臭氧發生器的技術參數對比詳見表1。

表1 板式和管式臭氧發生器對比

通過對兩種不同的臭氧發生器進行技術參數對比，可以發現，管式臭氧發生器的優勢在于可以使用空氣作為氣源，無須使用液氧，可降低液氧成本，且允許進氣量大，冷卻水消耗量較少。管式臭氧發生器作為一種傳統的工藝，技術經驗積累更充足、更加可靠，但同時具有耗電量大、占地面積大等缺點。板式臭氧發生器具有耗電量小、占地面積小的優點，但是冷卻水用量大，允許進氣量小，且需要使用液氧作為氣源，增加了液氧購買、運輸和儲存的成本。板式臭氧發生器作為一種新興工藝，運行技術經驗尚顯不足，因此，本工程最終選擇管式臭氧發生器作為臭氧制取設備。

5.2 改進管式臭氧發生器與常規管式臭氧發生器對比

改進管式臭氧發生器與常規管式臭氧發生器的優勢對比主要是在放電管方面，主要對比內容詳見表2。前者每一個放電單元均安裝了獨立的保險絲。保險絲不僅保護放電單元，而且可使損壞的放電單元與系統其他部分隔離。這樣可以保證即使有部分放電單元損壞，其他放電單元也可以不間斷地繼續運行。

表2 傳統和改進管式臭氧發生器放電管對比

此外，改進管式臭氧發生器獨特的放電管設計還具有以下優勢：

（1）更高的耐久性、強度和效率，以及耐沖擊負荷。

（2）簡便的設計將放電管分成幾段，使之具有更好的對氣源的適應性。

（3）工作電壓更低，約為3000～4000 V，使之具備更大的電氣安全性。

（4）由于放電效率提高，容器的尺寸可減少，除節約占地之外，還可減少相應的工作量和外圍設備。

（5）每根放電管具有單獨的保險，在突發情況下也可持續地工作。這最大限度地保證了系統的穩定運行，減少了停機時間。

（6）與傳統管式臭氧發生器玻璃材質的放電管比較，可顯著降低能耗。

（7）當氣源為純氧時，臭氧濃度可達14 wt%；當氣源為空氣時，臭氧濃度可達5 wt%。

（8）減少冷卻水溫度對產生臭氧的影響，在冷卻水溫較高時能耗優勢明顯。

通過對傳統管式臭氧發生器和改進管式臭氧發生器二者的進一步比較，本工程最終選擇改進管式臭氧發生器。

6 結語

臭氧作為氧化劑，其氧化能力比加氯高50%，因此在多數污水處理項目中作為消毒劑選擇的優選方案。本工程選擇的改進管式臭氧發生器，制取工藝不論采用氧氣還是空氣作為原料氣[4]，其制取的高臭氧產量和高臭氧濃度均可以得到保證。這為后續水處理消毒工藝的實施提供了穩定的物料基礎。而臭氧車間內部各工藝管線連接和安裝的科學性的設計則是該工藝可以良性運轉、進一步優化臭氧制取設備功能的前提和保障。