深圳市東湖水廠臭氧系統(tǒng)凈水的實(shí)踐
隨著經(jīng)濟(jì)的發(fā)展，人們生活水平的不斷提高，對(duì)飲用水水質(zhì)的要求越來越嚴(yán)格。另一方面當(dāng)前我國水源污染加劇趨勢(shì)尚未得到遏止，在污染治理的同時(shí)，各種飲用水凈化技術(shù)的應(yīng)用和發(fā)展已勢(shì)在必行。臭氧（O3）由于其強(qiáng)氧化能力而獲得了廣泛應(yīng)用。1906年法國尼斯市市政府對(duì)維蘇比亞Voyage水廠創(chuàng)先進(jìn)行O3處理。隨后O3技術(shù)的應(yīng)用發(fā)展迅速，到80年代初，世界上已有1000多家水廠使用O3及其聯(lián)合工藝，尤其在歐洲水廠應(yīng)用廣泛。目前，世界上以空氣制O3規(guī)模最大的是莫斯科東部水廠（Q=120萬m3/d），O3產(chǎn)量為200kg/h。而以純氧制O3規(guī)模最大的水廠在美國拉斯維加斯，O3產(chǎn)量為480kg/h。在我國也已經(jīng)開始了運(yùn)用O3及其聯(lián)合技術(shù)對(duì)生活飲用水進(jìn)行深度處理。深圳市特區(qū)內(nèi)的水廠目前多以深圳水庫水為原水，近年來深圳水庫水有機(jī)物污染加重。以"混凝沉淀→砂濾→加氯消毒"為代表的水廠常規(guī)處理工藝一般只能去除水中有機(jī)物的20%～30%。當(dāng)前，對(duì)微污染水，常規(guī)工藝普遍應(yīng)用前加氯工藝，增加了三鹵甲烷（THMs）和其它鹵化副產(chǎn)物。這些鹵化有機(jī)化合物中，有許多是致癌物或誘變劑。近年來在歐美等國爆發(fā)了大規(guī)模的由隱孢子蟲引發(fā)的水傳染疾病。在水源受污染情況下，常規(guī)工藝處理后的生活飲用水水質(zhì)安全性引起了供水界的關(guān)注。飲用水處理中O3的投加方式包括預(yù)氧化、中間氧化、最后消毒，在凈水處理中可以起到如下作用：（1）去除無機(jī)物（2）輔助混凝－絮凝工藝（3）除藻（4）氧化天然有機(jī)物（5）氧化微量污染物（6）消毒。公司在東湖水廠（Q=35萬m3/d）改造擴(kuò)建工程中采用了O3預(yù)處理工藝。
一、 臭氧的基本性能及在凈水處理中的機(jī)理
1．臭氧的基本性能
臭氧（O3）是氧（O2）的同素異形體，純凈的O3常溫常壓下為藍(lán)色氣體，密度為2.143kg/m3（0οC,760mmHg），與空氣的密度比1.657。O3是一種具有刺激性氣味的有毒氣體，人在O3環(huán)境中工作的允許濃度值為0.1PPm。O3在水中的氧化還原電位為2.076伏，比氯（1.36伏）高出50%以上，因此O3具有很強(qiáng)的氧化能力（僅次于氟），能氧化大部分有機(jī)物，能腐蝕金屬。O3在水中的溶解度大于氧，采用一定的擴(kuò)散方式，O3對(duì)水的傳質(zhì)系數(shù)可達(dá)90%以上。
O3極不穩(wěn)定，會(huì)分解成O2，同時(shí)放出大量的熱量。O3在空氣中分解消失的半衰期為12h,在水中的分解速度比在空氣中快得多，水中O3濃度為3mg/L時(shí)，常溫常壓下，其半衰期僅為5～10min。
由于O3極不穩(wěn)定，且無法儲(chǔ)存，只能現(xiàn)場(chǎng)制備直接使用。O3可通過O2制得，其熱化學(xué)方程式如下：3O2→2O3-288.9KJ。工業(yè)用O3制備一般采用無聲放電法：原料氣（O2或空氣）通過放電管間隙，氣流中的一部分O2在高電壓作用下激發(fā)為氧原子，氧原子和其它O2生成O3。這一過程中，在放電間隙將產(chǎn)生大量熱量，它會(huì)加速O3的分解而影響產(chǎn)量，必須采取適當(dāng)?shù)睦鋮s措施。
2、臭氧在凈水處理中的機(jī)理
O3氧化有機(jī)物的原理是打開通過親核作用或帶有多余電子的原子核雙碳鍵。其中主要有兩個(gè)反應(yīng)機(jī)理：（1）O3直接與有機(jī)物反應(yīng)，它是緩慢且有明顯選擇性的反應(yīng)。（2）O3通過OH與有機(jī)物反應(yīng)，這一反應(yīng)相當(dāng)快，且沒有選擇性。通過這兩個(gè)反應(yīng)，O3最終將有機(jī)物氧化成無機(jī)物（H2O,CO2等）或?qū)⒋蠓肿佑袡C(jī)物分解成可生物降解的小分子有機(jī)物。此外,由于O3的強(qiáng)氧化性和易于通過微生物細(xì)胞膜擴(kuò)散,所以O(shè)3有強(qiáng)大的殺藻和滅菌能力，能殺死水中細(xì)菌、大腸菌群、隱孢子蟲、賈第蟲孢囊、病毒。
二、 水廠臭氧系統(tǒng)
1．臭氧系統(tǒng)的組成
O3工藝的運(yùn)用主要有如下三種形式：（1）O3預(yù)處理。（2）O3與顆粒活性碳過濾相結(jié)合的O3生物活性炭處理（3）O3消毒。無論采用何種O3工藝，水廠O3系統(tǒng)都由以下四個(gè)基本部分組成：（1）氣源（2）O3發(fā)生系統(tǒng)（3）O3接觸池（4）尾氣破壞系統(tǒng)。
氣源主要有三種，一是使用成品純液態(tài)氧，二是現(xiàn)場(chǎng)用空氣制備純氣態(tài)氧，三是直接利用空氣。為了提高O3的濃度，同時(shí)節(jié)省能耗，降低設(shè)備及管道尺寸，目前較先進(jìn)的O3發(fā)生器多采用前兩種方式制備O3。第三種方式適用于O3產(chǎn)量較小的場(chǎng)合。
O3的發(fā)生則是由O3發(fā)生器完成，目前使用最廣的是管式發(fā)生器。影響O3發(fā)生器O3產(chǎn)量和濃度的主要因素有放電電壓、放電頻率、氣體壓力和冷卻水溫度。具體的說，O3發(fā)生器的O3產(chǎn)量和濃度隨放電電壓和放電頻率的提高而增加，隨氣體壓力和冷卻水溫度的增高而降低。經(jīng)實(shí)踐證明，一般放電電壓為3000～9000 V，放電頻率為800～1000HZ，供氣壓力0.21～0.23Mpa，冷卻水溫度要求小于30℃為好。
O3接觸是指通過一定的方式使O3氣體擴(kuò)散到液體中并使之與液體全面接觸和完成預(yù)期反應(yīng)的過程。這一過程是通過O3接觸池來完成。不同的工藝目標(biāo)和相應(yīng)的反應(yīng)決定了接觸池中接觸器的形式和接觸時(shí)間。接觸器的形式主要包括微氣泡擴(kuò)散接觸、渦輪擴(kuò)散接觸、水射器擴(kuò)散接觸以及接觸填料擴(kuò)散接觸等形式。目前對(duì)原水使用較多的是水射器擴(kuò)散接觸，對(duì)清水則采用微氣泡擴(kuò)散接觸方式較為普遍。
尾氣破壞系統(tǒng)是收集接觸器內(nèi)排出的剩余O3氣體并人為地分解成對(duì)環(huán)境無害的O2。尾氣破壞主要有兩種方法，一是化學(xué)觸媒法，二是加熱分解法。目前使用較普遍的是加熱分解法。
2．東湖水廠的預(yù)臭氧系統(tǒng)
東湖水廠在深圳特區(qū)內(nèi)，以深圳水庫水為原水，原規(guī)模30萬m3/d,改造擴(kuò)建后規(guī)模為35萬m3/d。東湖水廠改造主要是完善常規(guī)處理工藝和以預(yù)O3化取代預(yù)氯化。其O3系統(tǒng)是完整的，具有一定代表性，F(xiàn)東湖水廠改造擴(kuò)建工程已全部竣工，改造后水廠的工藝流程如下：
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東湖水廠O3系統(tǒng)氣源部分建有一座液態(tài)氧儲(chǔ)罐（V=31.58m3），采用液態(tài)氧，利用蒸發(fā)器進(jìn)行氣化。
O3發(fā)生器三臺(tái)，產(chǎn)氣量24kg/h，采用Ozonia公司產(chǎn)品，型號(hào)：ZF06/60。O3發(fā)生器正常情況下三臺(tái)同時(shí)運(yùn)行，此時(shí)單臺(tái)O3產(chǎn)量8kg/h，重量濃度比11%。特殊情況（如檢修）可運(yùn)行兩臺(tái)，此時(shí)單臺(tái)O3產(chǎn)量12kg/h,濃度8%。
預(yù)O3接觸池一座，分兩個(gè)流道。采用水射器擴(kuò)散接觸，O3投加量為1.0～1.5mg/L，接觸時(shí)間T=4分鐘。
尾氣破壞器兩臺(tái)，一用一備，采用加熱分解法，型號(hào)RB20，處理氣量正常時(shí)200kg/h，工作溫度380οC。
東湖水廠O3系統(tǒng)還配備了完善的檢測(cè)系統(tǒng)。（1）檢測(cè)O3濃度，包括發(fā)生器出氣中O3重量百分比濃度、接觸池進(jìn)出口處剩余O3濃度、O3車間和尾氣車間的環(huán)境監(jiān)測(cè)濃度。（2）檢測(cè)壓力，有進(jìn)氣壓力、發(fā)生器壓力、尾氣壓力、冷卻水壓力、加壓泵壓力、水射器前后壓力。（3）檢測(cè)溫度，包括進(jìn)氣溫度、尾氣破壞溫度、冷卻水的進(jìn)出水溫度。（4）檢測(cè)流量，包括進(jìn)氣量、O3氣流量、各分配管的O3氣流量、預(yù)臭氧加壓泵流量。另外，測(cè)定進(jìn)氣露點(diǎn)、電功率等。
水廠的O3系統(tǒng)在生產(chǎn)中要能正常運(yùn)行，施工、安裝是一個(gè)非常重要的環(huán)節(jié)，在東湖水廠的施工過程中我們初步總結(jié)出了如下應(yīng)該注意的問題。
三、水廠臭氧系統(tǒng)在施工中應(yīng)注意的問題
水廠O3系統(tǒng)的施工首先必須遵守各項(xiàng)常規(guī)構(gòu)（建）筑物的施工原則。但是由于Ｏ3系統(tǒng)中原料O2作為一種活躍的助燃劑，存在爆炸的危險(xiǎn)，產(chǎn)物O3具有強(qiáng)腐蝕性和對(duì)人的生理毒性，所以O(shè)3系統(tǒng)在施工安裝中有許多不同于常規(guī)構(gòu)（建）筑物施工之處，需引起注意。以下僅就此不同之處進(jìn)行說明。
1、水廠臭氧系統(tǒng)的土建施工
水廠O3系統(tǒng)土建施工的重點(diǎn)在于O3接觸池。由于O3的強(qiáng)腐蝕性和毒性，在澆注、養(yǎng)護(hù)砼時(shí)應(yīng)特別注意防止形成空鼓和出現(xiàn)裂縫，以防O3泄漏和腐蝕鋼筋。出于同樣原因，普通構(gòu)（建）筑物鋼筋保護(hù)層厚度為25mm，而O3接觸池則要求50mm。
O3接觸池所有預(yù)埋件均要采用316L不銹鋼。為滿足安裝的密封要求，預(yù)埋件安裝的水平度和垂直度要嚴(yán)格按設(shè)計(jì)要求執(zhí)行。所有預(yù)埋件均要帶有翼環(huán)，以防在預(yù)埋件處氣、水滲漏。由于預(yù)埋件為不銹鋼材質(zhì)，固定時(shí)要注意材質(zhì)不同而形成的電化學(xué)腐蝕問題。接觸池人孔預(yù)埋件安裝不同于普通構(gòu)筑物，最好采用成品法蘭密封面。如滿足不了要求而需自行加工時(shí)，應(yīng)采用機(jī)械加工，保證接觸面密封，利于人孔蓋板安裝后的氣密性。
接觸池主體砼澆注完成后，在用水泥砂漿抹面前，除應(yīng)按常規(guī)構(gòu)筑物進(jìn)行滿水試驗(yàn)外，還要進(jìn)行氣體密封性試驗(yàn)。由于國內(nèi)目前沒有專門針對(duì)臭氧接觸池的氣密性試驗(yàn)標(biāo)準(zhǔn)，我們?cè)谑┕ぶ袇⒄樟薌BJ141-90《給水排水構(gòu)筑物施工及驗(yàn)收規(guī)范》中消化池的氣密性試驗(yàn)標(biāo)準(zhǔn)執(zhí)行。
2、臭氧系統(tǒng)管道、設(shè)備的安裝
O3系統(tǒng)的管道、設(shè)備都采用奧氏體不銹鋼，所接觸的介質(zhì)是空氣、O2、O3，屬于要求較高的工業(yè)管道、設(shè)備，應(yīng)按相應(yīng)的標(biāo)準(zhǔn)、規(guī)范來施工和驗(yàn)收。O3系統(tǒng)中由于O2和O3的危險(xiǎn)性，在生產(chǎn)運(yùn)行中要求管道和設(shè)備既不能有任何泄漏，也不能含有任何顆粒、纖維、油脂，所以臭氧系統(tǒng)管道、設(shè)備安裝的最基本要求就是嚴(yán)格的密封和清潔。而要達(dá)到這一目的就必須在管道的焊接、清洗、吹掃、檢查上嚴(yán)格把關(guān)。
2.1焊接
O3系統(tǒng)管道的連接最好采用焊接。在施工中發(fā)現(xiàn)采用焊接和法蘭連接幾乎都沒有泄漏情況，而管徑12mm以下的不銹鋼管和儀表連接管多采用絲口連接，出現(xiàn)了普遍的漏氣現(xiàn)象，要經(jīng)過反復(fù)調(diào)整才能解決這一問題。
O3系統(tǒng)管道焊接不同于普通碳鋼管道的焊接，它采用惰性氣體保護(hù)手工鎢極氬弧焊。由于O3系統(tǒng)的管道工作壓力大于0.1Mpa，且輸送的介質(zhì)為易爆、有毒、氧化性很強(qiáng)的氣體，故管道的施工必須嚴(yán)格遵照《壓力管道安全管理與監(jiān)察規(guī)定》、GB50236-98《現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備、工業(yè)管道焊接工程施工及驗(yàn)收規(guī)范》中的相關(guān)條款進(jìn)行。
施工安裝單位必須持有勞動(dòng)行政部門頒發(fā)的壓力管道安裝許可證。施焊人員必須持有有效的《鍋爐壓力容器焊工合格證》，其中要含有奧氏體不銹鋼氬弧焊合格項(xiàng)目，沒有上述兩證的不得進(jìn)行操作。
在焊接過程中要注意如下兩個(gè)容易忽視的問題。（1）焊絲應(yīng)符合GB4242《焊接用不銹鋼》，對(duì)不同材質(zhì)的不銹鋼應(yīng)采用相應(yīng)的不銹鋼焊絲。一般說來，不銹鋼焊絲比母體不銹鋼要高一個(gè)等級(jí)。（2）焊接過程中要求不斷向管內(nèi)充氬氣保護(hù)，所采用的氬氣應(yīng)符合GB4842《氬氣》的規(guī)定，純度不低于99.96%，并要保證有一定的通氣量，否則會(huì)出現(xiàn)焊縫表面發(fā)黑，內(nèi)部則發(fā)生晶間腐蝕。
對(duì)焊縫的檢查，設(shè)計(jì)說明要求的是10%X射線探傷？紤]到實(shí)際情況，在施工中我們要求對(duì)所有焊縫（100%）實(shí)行X射線探傷。由具有資質(zhì)的檢測(cè)部門出具焊縫探傷報(bào)告，對(duì)Ⅲ級(jí)、Ⅳ級(jí)焊縫必須返工，任何焊縫的返工不得超過兩次。
2.2清洗、吹掃
管道清洗、吹掃往往在同一個(gè)工序中進(jìn)行，但要注意在整個(gè)系統(tǒng)安裝完成后還要分單元進(jìn)行一次吹掃。
在安裝過程中，管道內(nèi)所有污物，包括油、脂、碳水化合物、水分、塵土、焊接飛濺物、油漆等必須全部清除。因?yàn)槿绻艿乐杏椭瑳]有清洗干凈，任何細(xì)小顆粒在高速氣流帶動(dòng)下與管壁摩擦所產(chǎn)生的能量足以點(diǎn)燃管內(nèi)的油脂殘留物，導(dǎo)致管道爆炸。因此，清洗、吹掃工作必須引起高度重視。
管道的清洗、吹掃工作應(yīng)在干凈、通風(fēng)的室內(nèi)場(chǎng)地中進(jìn)行。清潔劑要采用99.8%的乙醇，不能使用氯化物清洗，因?yàn)槁然锏臍埩粑飳⒂绊懓l(fā)生器的工作。管道所有部分均要清洗、吹掃，不能留有任何死區(qū)。
在施工中我們總結(jié)出清洗、吹掃工作按如下程序執(zhí)行效果良好。
。1）對(duì)焊接好的管道分段清洗，封住管道一端倒入乙醇，灌滿后浸泡約15分鐘，等油脂完全溶解后倒出清潔劑。
。2）用鋼絲纏緊不起毛的白布，蘸上乙醇通入管道后，反復(fù)擦拭管壁直至干凈為止。
。3）使用無油壓縮機(jī)將壓縮空氣吹入管道，直至除去溶劑和固體顆粒。
。4）采用不起毛的白布擦拭管壁后，用紫外光（波長(zhǎng)320-380nm）進(jìn)行檢查，不能出現(xiàn)碳?xì)浠衔餆晒狻?br />
。5）將已清洗的管道兩端封住，做好標(biāo)記，擺放在清潔、干燥的房間里。
為便于管道的清洗，管道上應(yīng)留有一定的預(yù)留口，必須特別注意在焊接預(yù)留口時(shí)，不能對(duì)已清洗的管道造成污染。
2.3檢查
管道、設(shè)備安裝完成后，必須做壓力試驗(yàn)和密封性試驗(yàn)進(jìn)行檢查。壓力試驗(yàn)又稱之為強(qiáng)度試驗(yàn)。
壓力試驗(yàn)時(shí)，用空壓機(jī)壓入無油空氣（或惰性氣體），緩慢增加壓力至設(shè)計(jì)壓力的1.15倍，然后用發(fā)泡劑檢查所有接口，不泄漏為合格。
根據(jù)設(shè)計(jì)要求，密封性試驗(yàn)按如下進(jìn)行。壓入無油空氣（或惰性氣體） 至系統(tǒng)操作壓力，穩(wěn)壓30分鐘，記下管道中的壓力p1和溫度t1,12小時(shí)后記下此時(shí)的p2和t2。分別換算成絕對(duì)壓力P1、P2和絕對(duì)溫度T1、T2。因?yàn)樵囼?yàn)所用儀表精確度為±1%，所以P1/T1與P2/T2之間的差值在1%以內(nèi)為合格。
2.4需注意的其它事項(xiàng)
(1)不銹鋼和碳鋼必須分開作業(yè)，嚴(yán)禁在放有不銹鋼管道和設(shè)備的地方加工、焊接碳鋼構(gòu)件；所使用的工具也要嚴(yán)格區(qū)分。
(2)管道中由不銹鋼和碳鋼制作的構(gòu)件之間，以及不同材質(zhì)的法蘭與閥門之間必須要有絕緣層。正確的隔離方法是在螺栓外套上塑料墊片和套筒。
(3)與O3接觸的材料（如法蘭墊片等）要能防臭氧腐蝕。PTFE(聚四氟乙烯)、EDPM(乙烯丙烯二烯單體)、Viton（含氟橡膠）均能滿足上述要求。
(4)搬運(yùn)已清洗干凈的管道時(shí)只能觸摸管子外壁，若需接觸內(nèi)壁時(shí)，則必須戴上干凈的手套。
(5)預(yù)O3加壓泵的進(jìn)出水管不宜采用水泥砂漿內(nèi)防腐，以防水泥砂漿脫落。水廠所有構(gòu)筑物和管道設(shè)備施工完成后，要特別注意做好清渣工作，以防堵塞擴(kuò)散器。
四、臭氧系統(tǒng)的性能測(cè)試和工藝驗(yàn)證
1、性能測(cè)試
東湖水廠O3系統(tǒng)安裝、調(diào)試工作已全部結(jié)束，并在供貨商的參與下進(jìn)行了性能測(cè)試，主要測(cè)試指標(biāo)是O3發(fā)生器的O3產(chǎn)量和單位能耗。測(cè)試結(jié)果如下：在O3重量濃度比為11%的情況下，單臺(tái)O3發(fā)生器的O3產(chǎn)量≥8kg/h，O3的單位能耗≤9.8Kwh/kgO3，符合供貨合同技術(shù)性能要求。
2、工藝驗(yàn)證
采用預(yù)O3工藝后，為證明預(yù)O3工藝作用和對(duì)水質(zhì)的改善程度以及O3產(chǎn)生的副產(chǎn)物，確立針對(duì)深圳水源的合適預(yù)O3化技術(shù)參數(shù)和預(yù)O3化后的常規(guī)處理工藝參數(shù)，盡可能以較低的生產(chǎn)成本，最大限度地保證優(yōu)質(zhì)、高效、安全供水，必須對(duì)東湖水廠的預(yù)O3工藝進(jìn)行驗(yàn)證。工藝驗(yàn)證的主要內(nèi)容如下：
(1)水質(zhì)感官性指標(biāo)。采用預(yù)O3工藝后，濁度、色度、嗅、味與前加氯時(shí)的變化。
(2)三氮（NH3、NO3―、NO2―）的變化。
(3)O3助凝效果。
(4)對(duì)隱孢子蟲和賈第蟲的滅活效果。
(5)除藻效果。
(6)TOC、DOC等水質(zhì)指標(biāo)的變化。
(7)出廠水中三鹵甲烷（THMS）、總有機(jī)鹵（TOX）的變化。
(8)投加 O3后產(chǎn)生的有害副產(chǎn)物醛類（甲醛、乙醛）和溴酸鹽的檢測(cè)和評(píng)價(jià)。
(9)驗(yàn)證投加 O3后，由于水中溶解氧含量增加，是否會(huì)造成生物安全性指標(biāo)AOC（生物可同化有機(jī)碳）、細(xì)菌量和大腸菌群量升高。
此外，還要確定O3的利用率、運(yùn)行成本以及管理的難易程度，驗(yàn)證原水變化、O3投加量和處理效果的關(guān)系。
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