青草沙水源水廠深度處理臭氧投加量及發生器配置分析

邢思初，陳冠浩

(上海市政工程設計研究總院<集團>有限公司，上海 200092)

青草沙水源地有效庫容為4.35億m3，供水能力為719萬m3/d，服務人口約為1 300萬人，是上海重要的戰略水源地之一。但青草沙水源地位于長江下游，水源中存在部分微量有機物指標偏高的問題，常規工藝對微量有機物的去除能力有限。因此，從提高供水品質和供水安全性的角度，對青草沙原水進行臭氧活性炭工藝的深度處理是十分必要的[1]。上海市也提出全面開展全市水廠深度處理改造工程，2025年前完成全市深度處理改造的目標。

上海現狀采用臭氧活性炭工藝且運行時間較久的水廠主要為Y、N水廠和L水廠，3座水廠設計臭氧活性炭工藝時為黃浦江水源，臭氧投加量較大，切換成青草沙水源后，原水水質顯著提高，臭氧投加量大大降低，造成發生器設備閑置嚴重。對于臭氧活性炭的深度處理工藝，臭氧投加量選擇和發生器配置是設計的關鍵，直接影響水廠深度處理效果[2]。臭氧設計投加量不足，會造成接觸氧化不充分，后續系統的去除效果不佳，影響產水水質；設計投加量過大，則會造成設備閑置，浪費投資和增加運行維護成本。因此，有必要針對青草沙水源的臭氧設計投加量和發生器配置進行分析。

在此背景下，本文調查了Y、N水廠和L水廠切換成青草沙水源后近5年的實際臭氧投加量和發生器的運行情況，并調研了不同廠家臭氧發生器的特性進行分析，以期為青草沙水源水廠臭氧活性炭系統的設計和運行提供參考。

1 調研分析

本文調研了3座采用青草沙水源的水廠臭氧活性炭系統的運行情況，具體為Y水廠，規模為36萬m3/d；N水廠設計規模為70萬m3/d；L水廠設計規模為60萬m3/d。3座水廠的規模及工藝如表1所示。

表1 3座水廠基本情況Tab.1 Basic Information of 3 WTPs

1.1 主要調研內容

主要調研以下內容：(1)各廠近幾年的臭氧每日實際投加量，整理分析得出最大、最小和平均投加量；(2)臭氧發生器使用運行情況。

1.2 臭氧投加運行實際情況

實際現場調研發現，目前3座水廠的臭氧投加系統因余臭氧儀不能正常工作，無法實現投加量根據余臭氧量進行反饋調整的功能。因此，水廠臭氧投加采用設定投加量運行，每天的投加量數據基本相同。因此，每天的歷史投加數據意義不大，水廠提供每年的最大、最小及平均值作為參考。各廠主要投加量參數和調研情況如下。

(1)Y水廠

Y水廠統計的近7年臭氧投加量數據如圖1所示。Y水廠臭氧投加量變化不大，一般預臭氧為0.5～0.6 mg/L，后臭氧為0.5～0.8 mg/L，總投加量為1.0～1.4 mg/L。

圖1 Y水廠近7年臭氧投加量分析Fig.1 Ozone Dosages Analysis of WTP Y in Last 7 Years

此外，現場運行反饋，水廠運行臭氧平均總投加量在1.05～1.20 mg/L；高投加量為1.4 mg/L；歷史最大投加量曾達1.6 mg/L。

現狀發生器按臭氧總投加量為4 mg/L配置，采用3臺臭氧發生器，單臺規格為31 kg/h。實際運行中，僅使用1臺臭氧發生器額定功率的40%左右。

(2)N水廠

N水廠提供的近7年臭氧投加量數據統計如圖2所示。N水廠的臭氧投加量有一定的變化，其中預臭氧投加量變化較大，為0.5～1.0 mg/L，后臭氧投加量略小，為0.2～0.5 mg/L，總投加量為0.65～1.40 mg/L。

圖2 N水廠近7年臭氧投加量分析Fig.2 Ozone Dosages Analysis of WTP N in Last 7 Years

此外，現場運行反饋，目前水廠正常運行狀態下基本按總投加量為1.0 mg/L設定，其中預臭氧為0.5～0.6 mg/L，后臭氧為0.4～0.5 mg/L；在3月—5月的高藻期調整總投加量為1.4 mg/L，其中預臭氧為1.0 mg/L，后臭氧為0.4 mg/L。

N水廠臭氧發生器按總投加量為3.5 mg/L配置，設有3臺發生器，單臺規格為43.5 kg/h。

因目前水廠總產水量也較小，發生器實際使用單臺額定功率的10%～20%。

(3)L水廠

L水廠近7年臭氧投加量數據統計如圖3所示。L水廠預臭氧投加量采用0.3～0.5 mg/L，后臭氧投加量采用0.4～0.6 mg/L，總投加量為0.8～1.0 mg/L。

圖3 L水廠近7年臭氧投加量分析Fig.3 Ozone Dosages of WTP L in Last 7 Years

此外，現場運行反饋，水廠目前臭氧投加一般設定運行，總投加量為0.8～1.0 mg/L，其中預臭氧為0.3～0.5 mg/L，后臭氧為0.4～0.7 mg/L。

N水廠現狀按臭氧總投加量為4 mg/L配置，共有4臺臭氧發生器，單臺規格為24 kg/h。

現狀使用1臺發生器額定功率的85%左右。

1.3 調研小結

通過調研3座現狀水廠的臭氧系統運行情況，小結如下。

(1)臭氧投加基本采用設定投加量運行，3座水廠的現狀余臭氧儀均無法正常工作，不能實現反饋調節。現狀投加量的設定主要根據經驗判斷進行微調，其中N水廠在3月—5月高藻期對投加量會進行明顯的增加。

(2)臭氧實際總投加量在0.8～1.6 mg/L，常規運行總投加量一般在1.0～1.2 mg/L。前后投加量的分配各廠略有不同。

(3)3座水廠深度處理工藝設計時為黃浦江水源，臭氧投加量取值較大，在切換成青草沙水源后，臭氧投加量大大降低，實際運行中設備閑置情況較為嚴重。

2 規范分析

《室外給水設計標準》(GB 50013—2018)已正式實施，關于臭氧投加量的要求如下：臭氧設計投加量宜根據待處理水的水質狀況并結合試驗結果確定，也可參照相似水質條件下的經驗選用，預臭氧宜為0.5～1.0 mg/L，后臭氧宜為1.0～2.0 mg/L。關于臭氧發生器要求如下：采用空氣源時臭氧發生器應采用硬備用配置；采用氧氣源時，經濟技術比較后，可選擇采用軟備用或硬備用配置；采用軟備用配置時，臭氧發生器的配置臺數不宜少于3臺[3]。

3 相關研究總結

青草沙水庫通水運行以來，隨季節變化會出現藻類問題，其中冬季主要為硅藻，夏季為藍藻。青草沙原水存在季節性嗅味問題，主要是夏季藍藻產生的土霉味。通過連續對原水中土霉味典型致嗅物進行定性、定量分析，發現夏季典型致嗅物為2-甲基異莰醇(2-MIB)，隨季節變化明顯，最高濃度出現在夏秋季(7月—9月)[4]。2-MIB是青草沙水源深度處理中所需關注的重要關鍵水質指標。因此，很多相關課題對如何選擇合適的臭氧投加量來去除2-MIB進行了相關研究。

王錚等[4]在青草沙水源給水技術與裝備驗證基地進行了中試試驗，中試規模為2.5 m3/h，試驗期間原水2-MIB質量濃度最大達到580 ng/L，一般在50 ng/L以下。當原水2-MIB質量濃度低于50 ng/L時，臭氧投加量為0.5～1.0 mg/L(采用曝氣頭投加)，臭氧活性炭工藝出水2-MIB質量濃度均可低于10 ng/L。當原水2-MIB質量濃度在50～580 ng/L時，只投加后臭氧為0.5 mg/L時，常規沉淀過濾工藝出水2-MIB質量濃度在46～560 ng/L，去除率小于10%；臭氧生物活性炭出水2-MIB質量濃度在6～345 ng/L，去除率達到40%以上。以2-MIB為目標污染物時，建議采用前后臭氧兩點投加方式，投加量分別為0.6～0.8 mg/L和0.5～0.8 mg/L。當原水2-MIB質量濃度低于300 ng/L時，臭氧活性炭工藝出水2-MIB質量濃度可達10 ng/L以下。當原水嗅味濃度較高時可以適當提高臭氧投加量。

研究[5]通過在水廠的長期中試試驗，建議當原水2-MIB低于50 ng/L時，后臭氧投加量為0.5 mg/L；當原水2-MIB低于100 ng/L時，可適當增加后臭氧投加量至1.0 mg/L。當原水2-MIB質量濃度達到100～400 ng/L時，可考慮采用兩點投加，前后臭氧投加量為0.6～1.0 mg/L和0.5～1.0 mg/L。

4 發生器配置分析

臭氧發生器是用于制取臭氧的設備裝置，是水廠深度處理工藝的核心設備。水廠設計過程中，配置發生器時除了考慮臭氧投加量外，還需同時關注發生器在不同負荷下的電耗和應對不同水質工況的能力[6-7]。

本文以8 kg/h和20 kg/h兩種規格為例，收集了3個主流臭氧發生器在100%、80%、60%、40%工作負荷下其功率、產量、單位電耗等參數，發現其規律基本相同。本次僅選取其中一家的參數進行分析說明。表2和表3為8 kg/h和20 kg/h兩種規格的發生器在不同工作負荷下的臭氧產量、總電耗、單位電耗的數據表。圖4和圖5為8 kg/h和20 kg/h兩種規格的發生器在不同工作負荷下功率的變化。

表2 8 kg/h臭氧發生器不同負荷下參數Tab.2 Parameters of 8 kg/h Ozone Generator under Different Loads

表3 20 kg/h臭氧發生器不同負荷下參數Tab.3 Parameters of 20 kg/h Ozone Generator under Different Loads

由表2～表3可知，發生器隨工作負荷降低其功率相應降低，且功率的降低百分比略大于工作負荷的降低。如8 kg/h的發生器，100%工作負荷下功率為79.2 kW，80%工作負荷下功率為62.7 kW，工作負荷降低了20%，電耗降低了21%。圖4和圖5為8 kg/h和20 kg/h兩種規格的發生器在不同工作負荷下單位電耗的變化。

圖4 8 kg/h發生器在不同負荷下的單位電耗Fig.4 8 kg/h Ozone Generator Power under Different Loads

圖5 20 kg/h發生器在不同負荷下的單位電耗Fig.5 Diagram of 20 kg/h Ozone Generator Power under Different Loads

由圖4～圖5可知，發生器產出每kg臭氧的單位電耗隨工作負荷的降低而相應降低。但需特別注意的是該規律會受到變頻效率的影響，特別是工作負荷低于50%時，變頻效率的降低可能會使單位臭氧電耗上升。此外，工作負荷不宜低于10%～15%，否則會造成產出臭氧濃度的跳動，影響投加效果。

因此，根據以上分析，臭氧發生器不存在“大馬拉小車”的問題，負荷率在50%以上時，發生器效率和負荷率成反比，即負荷功率越高，產出臭氧效率越低，臭氧單位電耗越高。

5 青草沙水源臭氧投加量及發生器配置優化建議

5.1 投加量建議

針對青草沙水源的水廠，綜合3座現狀水廠的調研、相關研究及規范要求，建議臭氧投加量的設計取值如下：最大總投加量為1.7 mg/L，預臭氧投加量為0.5～1.0 mg/L，后臭氧投加量為0.5～1.0 mg/L。

5.2 發生器的配置建議

針對發生器的配置，建議如下：(1)發生器配置應考慮一定余量，可以降低負荷減少電耗，同時對特殊工況有較強應對能力；(2)當發生器硬備用時，可采用總投加量計算確定單臺能力；采用軟備用時，可在計算基礎適當放大發生器能力；(3)發生器配置時需考慮實際運行負荷，建議最小運行負荷不低于50%。

6 臭氧發生器配置案例分析

本文以規模20萬m3/d的X水廠深度處理改造工程為例，對發生器進行配置進行選型考慮。

(1)投加量計算

最大總投加量為1.7 mg/L。臭氧投加總量(kg/h)=水廠規模(萬m3/d)×自用水系數×臭氧投加量(mg/L)×10/24，則該水廠總投加量為20×1.05×10×1.7/24=14.875 kg/h。

(2)發生器配置方案對比分析

方案一：采用硬備用，共設3臺，2用1備，單臺計算能力約為7.44 kg/h。方案二：采用軟備用，共設3臺，單臺計算能力約為4.96 kg/h。

(3)考慮因素

①價格：因發生器規格較小，方案一和方案二的價格差異較小。

②常規投量：根據現狀水廠的實際投加量調研情況，考慮常規投加量為1.2 mg/L。

③水量：發生器的配置需同時考慮水廠設計規模和經常性實際運行規模，X水廠經常性實際運行水量規模按17萬m3/d考慮。

④常規運行分析：在常規水量和臭氧投加量條件下，需要臭氧投加能力17×1.05×10×1.2/24=8.925 kg/h。方案一可選擇開啟2臺，工作負荷約為60%(對應單位電耗約為9.65 kW·h)；方案二需開啟3臺，工作負荷約為60%(對應單位電耗約9.65 kW·h)，兩種方式的工作負荷及單位電耗相同。

⑤特殊工況應對能力：當遇到水質變化或啟用就地水源等特殊工況時，需在設計最大投加量基礎上進一步提高系統的臭氧投加量。方案一可啟用備用，在不用降低臭氧濃度的條件下總投加能力可增加至22.3 kg/h(單位電耗約為9.87 kW·h)，總投加量約合為2.5 mg/L；方案二通過降低臭氧濃度至6%，總投加能力可增加至18～22 kg/h(單位電耗約為9.95 kW·h)。方案一在應急工況下的投加效果和能耗均更好。

⑥維護保養成本差異：因發生器規格較小，兩種方案的維保成本幾乎相同。

⑦綜合一次性價格、常規運行能耗、特殊工況應對能力和維保成本，推薦采用方案一的發生器配置方案。

7 總結

(1)臭氧投加量是深度處理關鍵參數之一，其投加量和發生器配置既要考慮到實際運行的經驗，又要結合相關科研成果，同時還需充分考慮對特殊工況的應對。

(2)根據調研和相關科研成果，建議青草沙水源的最大臭氧投加量按1.7 mg/L考慮，其中前臭氧投加能力為0.5～1.0 mg/L，后臭氧投加能力為0.5～1.0 mg/L。

(3)臭氧發生器的實際運行功率隨著工作負荷的降低而相應降低，負荷率在50%以上時，發生器效率和負荷率成反比，即負荷功率越高，產出臭氧效率越低，臭氧單位電耗越高。但負荷低于15%時會影響臭氧濃度，從而影響投加效果。

(4)同一規格臭氧發生器在不同負荷下長期工作的設備壽命、運維成本基本相同。

(5)臭氧發生器的配置應結合每座水廠的設計規模、實際運行水量、具體發生器設備性能、價格、能耗、維保費用等多方面進行軟備用和硬備用方案比較，建議設計階段明確計算投加能力，具體配置方案結合招投標情況最終確定。