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净水厂臭氧系统的设计与安装调试

时间:2015-10-22 06:36  来源:未知   作者:BEYOKozone   点击:
      提要:在给水深度处理工艺中臭氧系统得到越来越多的应用。介绍了臭氧系统中前(预)臭氧接触氧化、后臭氧接触氧化、臭氧发生系统、臭氧气源、尾气破坏系统、系统控制等的设计,以及安装调试要点。
     关键词:臭氧 设计 安装 调试 接触时间 投加量

随着居民生活水平的不断提高和健康条件的日益改善,饮用水水质标准要求亦愈来愈高,常规的絮凝、沉淀、过滤、消毒净水工艺,已难以满足水质不断提高的要求,有必要在现有常规处理工艺的基础上,再增加水质深度处理。
臭氧氧化+活性炭过滤的水质深度处理工艺,已在深圳、上海、昆明、常州等城市逐步实施。在臭氧活性炭工艺中,臭氧系统是其重要的组成部分,它的配置直接影响着净水效果与运行成本。

1 臭氧的作用
臭氧(O3)是氧(O2)的同素异形体,是一种很强的氧化剂和消毒剂。臭氧是由3个氧原子成等腰三角形构成,密度为2.144 kg/m3,它在水中的溶解度是氧气的10多倍。臭氧的氧化能力很强,其氧化还原电位为2.08 V,远远高于水厂常用的消毒剂液氯(氧化还原电位为1.36 V)。
臭氧在给水净化工艺中的主要作用有:前(预)氧化和后氧化。
在前(预)氧化工艺中,臭氧的作用主要有:去除臭和味、色度、铁、锰以及重金属和藻类,使水中胶体微粒脱稳,改善絮凝效果,减少混凝剂的投加量,并可去除THM等三致物质的母体物,减少水中三致物质的含量,可将大分子有机物氧化为小分子有机物,氧化无机物质如氰化物、碳化物、硝化物。
在后氧化工艺中,臭氧一般与活性炭联合使用,其作用主要有:杀死细菌和病毒;氧化有机物,如杀虫剂、清洁剂、苯酚等;去除DOC;氧化分解螯合物,如EDTA和NTA等。
臭氧投入水中后,与有机物的反应分为直接反应和间接反应。直接反应是臭氧直接氧化水中有机物,它是有选择性的,它的反应速度较慢;间接反应,臭氧是通过水中形成的·OH自由基氧化有机物,它是没有选择性的,它的反应速度很快。

2 臭氧系统的设计
在给水净化工艺中,臭氧系统一般由前(预)臭氧接触氧化、后臭氧接触氧化、臭氧发生系统、臭氧气源、尾气破坏系统、PLC等几部分组成。
2.1 前(预)臭氧接触氧化
前(预)臭氧接触氧化的臭氧投加量很少,一般为0.5~1.5 mg/L。且反应时间短,一般为2~4 min,反应速度快,水中余臭氧一般为零或很少。
前(预)臭氧接触氧化系统的被处理水一般为原水,水中含有一定数量的杂质,因此其扩散装置必须能够防止被原水中的杂质堵塞,一般采用静态混合器或射流扩散器。静态混合器需要消耗0.5~1 m的水头,因此它适用于原水水头有富余的场合。射流扩散器不消耗原水水头,但它需增加部分动力设备,提升少量的原水(1.2~1.6 m3/kgO3)与臭氧混合,从而提高臭氧的转移效率。
前(预)臭氧接触氧化系统一般在每条流程线前端设1个投加点,有效水深一般为6 m。
2.2 后臭氧接触氧化
后臭氧接触氧化的反应速度慢,反应时间一般不小于10 min。臭氧投加量一般为1.5~2.5 mg/L,水中余臭氧为0.2~0.4 mg/L。有效水深也为6 m。
后臭氧接触氧化系统的被处理水一般为砂滤后水,水质较清,不含杂质,因此其扩散装置一般均采用微孔布气帽(盘)。微孔布气帽(盘)不消耗动力,价格便宜,臭氧转移效率高。
后臭氧接触氧化系统一般每条流程线设2~3个投加点。
当采用2点投加时,各点臭氧投加比例顺水流方向依次为总投加量的 80%~50%,20%~50%;2个投加点臭氧接触时间分别为总时间的50%。
当采用3点投加时,各点臭氧投加比例顺水流方向依次为总投加量的 80%~40%,10%~30%,10%~30%;3个投加点臭氧接触时间,顺水流方向依次为总时间的30%,30%,40%。
2.3 臭氧发生系统
臭氧是氧分子通过高压放电区时,被高电位电场电离而变成氧原子,一个氧原子与一个氧分子再结合,形成O3(臭氧)。
臭氧发生器臭氧产量与质量分数,随着供气压力的增高而降低,其最佳工作压力一般为0.12~0.13 MPa。
臭氧质量分数低,臭氧发生器的能耗也低,但臭氧发生所消耗的氧气量则增加;臭氧质量分数高,臭氧发生器的能耗也高,但臭氧发生所消耗的氧气量则减少。因此究竟选用多大的臭氧质量分数,设计时应根据当地的电价和氧气价格,进行总能耗比较后才能确定。
臭氧发生器的备用率一般应大于30%,备用的方式有设备台数备用(硬备用)与设备发生能力备用(软备用)两种。
2.4 臭氧的气源
臭氧发生器的气源可以是:空气、液态氧(LOX)、气态氧。
空气制臭氧,臭氧发生设备投资高,运行电耗高,臭氧产量与质量分数低,臭氧质量分数一般在3%~4%,生产1 kgO3耗电量在23~25 kW·h。
液态氧(LOX)制臭氧,臭氧发生设备投资低,运行电耗也低。臭氧质量分数可达18%甚至更高,生产1 kgO3耗电量在10~13 kW·h。但液态氧一般需外购,臭氧发生总成本随着液态氧价格的变化而变化。
气态氧制臭氧,臭氧发生设备的投资比空气制臭氧低,但比液态氧制臭氧要高。运行电耗也是介于两者之间。臭氧质量分数也可达到18%甚至更高,生产1 kgO3耗电量在11~14 kW·h。
气态氧一般是现场制取,制取的方法主要有:VPSA,VSA和PSA。它们都是利用分子筛吸附空气中的氮气,让空气中的氧气从分子筛通过,从而达到空分的目的。当分子筛吸附饱和后,再通过变压,使分子筛中的氮气脱落从而得到再生。之后,分子筛再重新工作。
现场制氧气,氧气体积分数一般在90%~93%,生产1 kgO2能耗一般在0.3~0.4 kW·h 。
用液态氧制臭氧,试验表明氧气体积分数在97.7%,氮气体积分数在2.3%时,臭氧发生器的臭氧产率最高。
对于不同的地区,究竟采用何种气源,设计时应根据当地的电价和氧气价格经成本分析后再确定。
2.5 臭氧尾气破坏系统
臭氧是一种带有强刺激气味的淡蓝色气体。臭氧在空气中的体积分数为0.01×10-6时能嗅出,环保允许排放体积分数为0.05×10-6~0.1×10-6。臭氧在常温下分解消失的半衰期为20 min。
由于受水质与扩散装置的影响,进入接触池的臭氧很难100%被吸收,在排出的尾气中仍含有一定数量的剩余臭氧。由于臭氧对人体健康有危害,对环境有污染,因此必须对接触池排出的尾气进行处理。常用的方法有:高温加热法和催化剂法。
高温加热法:臭氧加热到350℃时,其半衰期小于0.04 s,它在1.5~2 s 内便可100%分解。加热法的优点是:安全可靠,维护简单,并可回收热能;缺点是:增加了部分设备投资和运行能耗。
催化剂法:它是利用催化剂对臭氧尾气进行分解破坏,目前使用的催化剂是以MnO2为基质的填料。催化剂法的优点是设备投资和运行能耗比高温加热法低;缺点是处理效果受水质(如硫化物、卤素)、环境质量、尾气的含水率、催化剂的使用年限等因素影响,其安全稳定性比高温加热法差,且催化剂需要定期更换。
2.6 臭氧系统的控制
臭氧的需求量一般根据式(1)进行确定:
R=QD(1)
式中R--臭氧需求量,kg/h;
Q--处理水量,m3/h;
D--臭氧的投加率,kg/m3。
臭氧的供给量用式(2)进行确定:
S=MC(2)
式中S--臭氧供给量,kg/h;
M--臭氧化气体(混合气体)流量,kg/h;
C--臭氧的质量分数。
臭氧系统的控制就是使R=S。
前(预)臭氧投加控制,一般采用设定臭氧投加率,根据水量变化比例投加。投加量的控制根据公式(1),采用PLC自动控制臭氧发生器的产量。
后臭氧投加控制,一般采用设定臭氧投加率,根据水量变化与水中余臭氧的变化,双因子复合环投加控制。处理水量是前馈条件,余臭氧是后馈条件。
投加量的控制也是根据式(1),采用PLC自动控制臭氧发生器的产量。但式(1)中的D值,需要根据余臭氧反馈数据进行自动修改。
臭氧发生量的控制一般有三种方式:第一种为恒臭氧质量分数,变臭氧流量。第二种为恒臭氧流量,变臭氧质量分数。第三种为变臭氧流量,变臭氧质量分数。
臭氧发生量大小的控制,均是由系统PLC根据式(1),式(2),通过调整相关的参数来完成的。
2.7 管材与密封件
氧气管、干的臭氧管、冷却水管一般采用AISI/ASTM304L不锈钢或同等级的其它产品。
湿的臭氧管道和扩散装置一般采用AISI/ASTM316L不锈钢或同等级的其它产品。
密封垫片。冷却水采用乙丙橡胶(EPDM)或同等产品。氧气采用氟橡胶(FPM)(如Vit on)或同等产品。臭氧采用聚四氟乙烯(PTFE)(如Teflon)或同等产品。

3 臭氧系统的安装调试
3.1 安装
臭氧系统安装的主要内容有焊接、清洗及强度与气密性试验。
3.1.1 焊接
焊接方法应采用钨极氩弧焊,开V型坡口。氩气体积分数不得低于99.96%。焊接过程中管道内必须充满惰性气体。
焊缝应进行10%~30%的X射线探伤检查。如果抽查中发现有一处焊缝存在缺陷,则相邻的焊缝均要进行检查;如果检查仍不合格,则所有焊缝均要进行探伤检查。任何焊缝返工不得超过2次。
检查合格的焊缝要求进行酸洗钝化,以防锈蚀。
焊接现场要求无灰尘、无油蒸汽,通风良好。不锈钢与碳钢的作业区必须分开。
3.1.2 清洗
氧气管道中的一个小颗粒,当其在移动时就会点燃管道内的油脂残留物,从而引起管道爆炸。因此臭氧系统管道中的所有杂质必须清洗干净。
清洗场地应无尘、无油蒸汽,并且通风良好。
清洗用的清洁剂一般采用99.8%的乙醇,不得使用氯化物清洗剂,因为残留的氯化物会影响臭氧发生器的正常工作。
清洗时,先封住管道一端并倒入清洁剂,待油脂完全溶解后倒出清洁剂,用无油、干燥空气或其它惰性气体吹扫管道内壁,去除溶剂和固体颗粒。再在紫外光(波长320~380 nm)下进行表观检查,不得出现碳氢化合物的荧光。已清洗合格的管道应两端封堵,编号,有序地摆放在清洁干燥的房间。
3.1.3 强度与气密性试验
强度试验压力为1.5倍工作压力。气密性试验压力等于工作压力。
强度与气密性试验用的介质应是清洁、干燥、无油的空气,N2,O2或其它惰性气体。
强度试验应无变形、无泄漏。
气密性试验是根据P/T=常数(P为压力,T为温度)而进行的。
压力与温度检测仪表精度应为一级(±1%)。
气密性试验前应对每个连接处用肥皂水检查,不得有泄漏。
气密性试验设0.5 h与12 h检测点,两点的P/T值之差应小于1%。
3.2 调试
调试一般在供货商工程师现场指导下进行。
调试前应按P&I图对各单项设备和仪表进行逐项检查和验收,并作好标记。管道焊接、清洗、强度与气密性试验必须符合要求。
调试负荷一般从25%开始,逐渐增大到100%。测试点一般分为25%,50%,75%,100%。
调试内容主要有臭氧发生量、能耗、氧气用量以及PLC的运行工况等,各项测试参数应事先制成相应的表格。
调试过程中的各项参数应按表格翔实填写,并进行必要的验算。

4 结语
前臭氧接触时间一般为2~4 min,投加量一般为0.5~1.5 mg/L;后臭氧接触时间一般不小于10 min,投加量一般为1.5~2.5 mg/L,水中余臭氧为0.2~0.4 mg/L。
臭氧扩散装置既要效率高、成本低,又要考虑原水堵塞问题。
对臭氧质量分数、发生器的备用方式、臭氧气源,设计时应根据当地电价和氧气价格,经技术经济比较后择优选用。
臭氧发生的控制方式需根据规模大小与气源情况而定。
臭氧系统的焊接与清洗,关系到系统运行的安全稳定性,施工时应严格按规程操作。
系统调试应在各项检查合格后进行,负荷应从小到大逐渐增加,测试参数应真实可靠。

黄年龙,廖凤京.给水排水.2003,29[2]

(责任编辑:BEYOKozone)
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