天津海河口南岸地區(qū)污水處理工程臭氧發(fā)生器的選擇

袁曉宇，田 征，趙佳睿

（1.天津市政工程設(shè)計研究總院有限公司第五設(shè)計研究院，天津市300051；2.北京北排水務(wù)設(shè)計研究院有限公司，北京市100124；3.哈爾濱工業(yè)大學(xué)環(huán)境學(xué)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(qū)，為海河口南岸污水處理工程，污水總處理規(guī)模為30000 t/d，分兩期建設(shè)，每期處理規(guī)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(jù)該項目的處理規(guī)模、使用情況和臭氧發(fā)生器的標(biāo)準(zhǔn)型號，近期可配置兩臺臭氧發(fā)生器，一用一備，遠期再增加一臺同型號臭氧發(fā)生器，每臺臭氧發(fā)生器的臭氧投加量為15 kg/h。在對該項目進行設(shè)計的過程中，分別對板式臭氧發(fā)生器、常規(guī)管式臭氧發(fā)生器和改進管式臭氧發(fā)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(fā)生器制取。臭氧發(fā)生器由氧氣源、臭氧發(fā)生室、冷卻水系統(tǒng)、電氣控制系統(tǒng)，以及電源、臭氧投加系統(tǒng)、尾氣收集破壞系統(tǒng)等組成。其中，關(guān)鍵部位是臭氧發(fā)生室[1]。根據(jù)臭氧發(fā)生室對臭氧的制取方法不同，臭氧發(fā)生器可分為板式和管式兩種[2]。

空氣經(jīng)壓縮機壓縮后，先經(jīng)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(jīng)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(jīng)減壓穩(wěn)壓后進入臭氧發(fā)生室。在臭氧發(fā)生室內(nèi)部，氧氣通過高壓放電變成臭氧，產(chǎn)品氣體經(jīng)溫度、壓力、流量監(jiān)測調(diào)節(jié)后由臭氧出氣口產(chǎn)出。臭氧發(fā)生室上設(shè)有臭氧取氣口，先通過配備的臭氧濃度檢測儀在線監(jiān)控臭氧發(fā)生器的出氣濃度，再通過控制系統(tǒng)計算出臭氧產(chǎn)量。

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

3 板式臭氧發(fā)生器的特點

板式臭氧發(fā)生器的核心部件是短流程放電室。模塊化集成的核心內(nèi)容由一組放電室和一套獨立對應(yīng)電源的模塊組成。每個模塊的臭氧產(chǎn)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(tǒng)在對臭氧氣體有不同需量時，通過自動改變模塊工作數(shù)量進行變量生產(chǎn)，從而對臭氧產(chǎn)出和穩(wěn)定濃度實現(xiàn)精確控制。模塊化集成方案的獨立供電設(shè)計，不會在部分放電單元出現(xiàn)故障時導(dǎo)致系統(tǒng)停機。即使在某個放電單元模塊出現(xiàn)故障時，也不會使整個臭氧發(fā)生器癱瘓。放電室內(nèi)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(jié)構(gòu)圖詳見圖1。

圖1 板式臭氧發(fā)生器放電室結(jié)構(gòu)圖

臭氧發(fā)生器的放電室采用非壓力容器設(shè)計，所有放電單元不需要放置于壓力容器中，不會有爆炸現(xiàn)象產(chǎn)生，安全性高，便于調(diào)節(jié)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(chǎn)率和濃度。在產(chǎn)生高濃度臭氧的同時，發(fā)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(fā)生器的放電室是板式結(jié)構(gòu)，容易實現(xiàn)模具化生產(chǎn)、高精度加工、面與面間緊密結(jié)合的小體積結(jié)構(gòu)，便于維修保養(yǎng)。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(jié)省了占地面積。

4 管式臭氧發(fā)生器的特點

管式臭氧發(fā)生器的核心部件是臭氧放電管。放電管安裝在不銹鋼管內(nèi)。不銹鋼管安裝在發(fā)生器罐體中，發(fā)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(fā)生單元提供電能。發(fā)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(chǎn)臭氧的能量轉(zhuǎn)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(jié)構(gòu)圖詳見圖2。

圖2 管式臭氧發(fā)生器發(fā)生室結(jié)構(gòu)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(tǒng)的長期運行可靠性。大型臭氧發(fā)生室為水平安裝，便于檢查和維修。放電管采用自動設(shè)備生產(chǎn)線，按照統(tǒng)一工藝、質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)生產(chǎn)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(chǎn)量大，臭氧濃度高，能最大程度地發(fā)揮電源系統(tǒng)和冷卻系統(tǒng)的功能。尾氣分解系統(tǒng)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(fā)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(fā)生器的比選

5.1 板式臭氧發(fā)生器與管式臭氧發(fā)生器對比

板式臭氧發(fā)生器與管式臭氧發(fā)生器的技術(shù)參數(shù)對比詳見表1。

表1 板式和管式臭氧發(fā)生器對比

通過對兩種不同的臭氧發(fā)生器進行技術(shù)參數(shù)對比，可以發(fā)現(xiàn)，管式臭氧發(fā)生器的優(yōu)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(fā)生器作為一種傳統(tǒng)的工藝，技術(shù)經(jīng)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(fā)生器具有耗電量小、占地面積小的優(yōu)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(fā)生器作為一種新興工藝，運行技術(shù)經(jīng)驗尚顯不足，因此，本工程最終選擇管式臭氧發(fā)生器作為臭氧制取設(shè)備。

5.2 改進管式臭氧發(fā)生器與常規(guī)管式臭氧發(fā)生器對比

改進管式臭氧發(fā)生器與常規(guī)管式臭氧發(fā)生器的優(yōu)勢對比主要是在放電管方面，主要對比內(nèi)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(tǒng)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(xù)運行。

表2 傳統(tǒng)和改進管式臭氧發(fā)生器放電管對比

此外，改進管式臭氧發(fā)生器獨特的放電管設(shè)計還具有以下優(yōu)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(shè)計將放電管分成幾段，使之具有更好的對氣源的適應(yīng)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(jié)約占地之外，還可減少相應(yīng)的工作量和外圍設(shè)備。

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

（6）與傳統(tǒng)管式臭氧發(fā)生器玻璃材質(zhì)的放電管比較，可顯著降低能耗。

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

（8）減少冷卻水溫度對產(chǎn)生臭氧的影響，在冷卻水溫較高時能耗優(yōu)勢明顯。

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

6 結(jié)語

臭氧作為氧化劑，其氧化能力比加氯高50%，因此在多數(shù)污水處理項目中作為消毒劑選擇的優(yōu)選方案。本工程選擇的改進管式臭氧發(fā)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(chǎn)量和高臭氧濃度均可以得到保證。這為后續(xù)水處理消毒工藝的實施提供了穩(wěn)定的物料基礎(chǔ)。而臭氧車間內(nèi)部各工藝管線連接和安裝的科學(xué)性的設(shè)計則是該工藝可以良性運轉(zhuǎn)、進一步優(yōu)化臭氧制取設(shè)備功能的前提和保障。