摘要:臭氧消毒技术因具有杀菌迅速、次生污染小、除异味效果显著等突出优点,广泛应用于污水处理、自来水消毒中。文章对城市自来水厂臭氧消毒技术中的臭氧气源系统、臭氧发生器、布气系统以及设备维护保养等关键技术进行了分析。
关键词:城市自来水厂;臭氧消毒技术;污水处理;布气系统
长期以来,人们在自来水消毒中采用的是氯气消毒技术。然而,这种消毒方法对水酸碱度有一定的要求,并且经氯气处理后的水体还将产生某些对人体造成伤害的氯化有机物。随着我国人们生活品质的提高,氯气逐渐被臭氧取代,成为自来水清毒处理的主流技术。臭氧(O3)属于一种活性强氧化剂,可以对水中的各种细菌、病毒产生快速杀灭消毒作用,并且不会产生次生污染,同时,还能起到除异味、脱色、清除悬浮物等作用。目前,臭氧消毒技术已经广泛用于城市自来水、工农业与生活污水处理工艺中。特别是近些年来,水处理业引入了O3/BAC的处理工艺后,以其突出的优点在我国经济发达的长江三角洲、珠江三角洲地区得到了迅速推广,与工艺相配套的臭氧设备也得到了应用。下面笔者结合多年工作经验,对城市自来水厂的臭氧消毒技术作简要探讨。
1臭氧气源系统
臭氧系统生产臭氧的原料有两种,即空气和氧气,氧气主要通过现场制氧或从外部采购。不同的原料供应来源将成为影响自来水厂臭氧处理系统的投资和经营成本的主要因素。自来水厂在选择具体气源时主要依据有:
(1)臭氧生产的单位综合成本比较,综合成本主要包括生产所需的耗电量、供气(液态氧气)、气源生产设备的固定资产投资(或租赁)成本,以及日常维护成本等。
(2)臭氧消毒的需求量,可根据自来水厂的供水规模进行合理评估。
(3)气源系统设备的可靠性和设备的操作管理要求。有研究表明,以空气为原料的臭氧浓度偏低,而以氧气为原料的臭氧浓度较高。打个比方,若以氧气为原料的臭氧浓度为10的话,那么以空气为的原料的臭氧浓度则为3。这就意味着,要生产相同浓度的臭氧,以空气为原料必须增加设备投入,耗电量也要相应增加,但其它日常运行费用低;而以氧气为虽然初期成本高、运行费用高,但生产效率更高,耗电量更低。因此,气源系统设备选择、可靠性和操作管理要求,应当结合自来水厂的所需制氧规模进行决策。目前的空气分离技术发展迅速,有的小型自来水厂已经开始尝试现场制氧技术,并获得良好的经济效益。此外,一些设备厂商可以为自来水厂提供氧设备的租赁业务,大大降低了企业的设备投资成本。
大部分城市自来水厂现阶段采用的是液态氧为气源生产臭氧。臭氧发生器需要加入1%至3%的微量氮气(空气即可),主要是为了提高设备生产效率和保护放电管,尽量延长设备使用寿命。为了减少空气中的杂质,保证添加的空气能够满足设备工作要求,添加氮气的设备系统由无油型压缩机、冷干机、分子筛干燥机以及相关配件组成。需要注意的是,臭氧发生器的放电管非常敏感油性物质,所以必须选择无油型的空气压缩机。
2臭氧发生器
(1)放电体部分。臭氧发生器的放电体部分是设备的关键核心部件,主要包括了:具备高度绝缘性能的特种玻璃材质(或搪瓷材质)的放电管,具备高度耐腐蚀性能的不锈钢罐体接地。这二者通过高精密微小间隙组合而成。放电管和接地以高压无声放电的方式将气源转化为臭氧。从这个过程来看,放电体部分中的放电管质量和材质对臭氧发生器的生产效率和设备使用寿命会产生直接的影响。现在,市场上大部分的臭氧发生器采用玻璃或搪瓷制作放电管。实际上,这两种材料各有利弊。玻璃材质的放电体的材料性质比较均匀,绝缘性能稳定,但制作工艺比较复杂,设备运输、安装难度更大;搪瓷材质的放电体虽然制作过程简单,运输、安装方便,但材料性质没有玻璃好,在气源要求方面更为严格,且容易发生放电击穿的问题。
(2)电源/控制系统。电源/控制系统是对电源设备与臭氧发生器各个设备运行进行全面控制的设施。电源/控制系统中最关键的设备是高频率电流型变频器(IGBT)。按照理论观点来看,较高的臭氧发生器放电频率将导致放电体的耗电量更高,设备的体积也就更小,设备造价也可能更低。然而,高频率放电必然提高了放电管温度、放电管绝缘性能下降,再者,高温还使得臭氧发生效率降低,以及产生较大的工作噪音。因此,为了避免走入这个恶性循环,臭氧发生器必须采用可以平衡放电频率的电源装置。IGBT 正好解决了这个问题,为更好地控制操作频率提供可能。一般情况下,电源装置调整在1～2千赫兹范围内。
目前,PLC过程控制技术已经相当成熟,广泛应用到臭氧监测仪器系统、控制阀、传感器以及许多其他设备稳定运行。
为了满足PLC控制系统运行要求,臭氧消毒设备的各种仪器、探头应当具有高浓度臭氧环境下的耐腐蚀性,才能保证数据准确性,从而使臭氧系统的PLC控制过程提供更为精准的参数,以达到臭氧发生器最佳工作效率。
(3)冷却水系统。夏季,全国大部分气温将达到35℃,甚至许多地方还会突破到39℃。这样严峻的气候条件,给臭氧发生器设备平稳运转带来不利影响。同时,臭氧发生器的放电管在工作时会产生很多热量,若不及时将设备冷却下来,将影响到设备的正常运转,还有损设备的使用寿命。因此,臭氧发生器需要配备冷却水系统,防止因热量造成的臭氧发生工作效率降低。有实验数据表明,当冷却水超过30℃,温度相差1℃,臭氧发生量相差10%～15%。可见,科学合理的设计使用冷却水系统对于创造良好的设备内部环境温度,提高发生工作效率具有十分重要的意义。
在现在技术条件下,臭氧冷却水系统主要有直接冷却和间接冷却两种技术措施。直接冷却技术就是经过处理的出厂水作为冷却水,在与臭氧发生器直接接触的过程中带走内部热量;间接冷却技术则是额外在臭氧发生器中安装冷却水系统换热器,通过注入外部冷却水闭环带走设备多余热量。间接冷却水系统要求闭环内的水应使用高纯度且不容易产生腐蚀作用的水,而外部冷却水可以使用自来水厂的出厂水。不管采用哪种冷却技术通常由出厂的水质决定。当自来水厂的出厂水中的氯离子不超过50毫克/升时,选择用出厂水作冷却水直接冷却设备,否则,宜采用间接冷却的技术。这主要是因为,水质不佳的冷却水可能会造成管道腐蚀严重,损坏设备内部。即使是出厂水作冷却水,也应当定期更换系统配件,从而保证臭氧发生器的设备本体不易生锈。
有些生产规模较大城市自来水厂选用了进口的大容量臭氧发生器。从维护成本角度出发,为了减少设备维修次数,避免冷却水因长时间直接接触设备而发生的腐蚀现象,应使用间接冷却技术。如果设计冷却系统时还一并考虑到了电气部分冷却问题,这样就可以省略电源控制柜冷却水系统投入。
3布气系统
(1)在前(预)臭氧氧化接触系统中,通过射流扩散+静态混合器系统使臭氧气体与原水强烈混合。前加系统中设备主要有水射器、增压水泵、配套管道和阀门、气体管路回水报警联动装置等。在前加系统中,对气体管路中可能发生的回水现象必须重视,应在前加系统设计中给予充分考虑。
(2)在后(主)臭氧氧化接触系统中,通过布气盘(或高处布气管)方式使臭氧气体投加到水体中。布气盘(或布气管)安装在臭氧接触池底上方约1m,一般分二到三阶段布气,有效水深一般不小于6m(布气盘至运行水面),接触时间一般不小于10min。在布气量较大的场合适合使用布气管方式布气,例如空气源臭氧发生器,产臭氧浓度低、气量大。在布气量较小的场合适合使用布气盘方式布气,例如氧气源臭氧发生器,产臭氧浓度高、气量较小。在对布气盘规格和数量的选择上应充分考虑布气面积,布气面积越大,气体接触面也越大,臭氧的吸收率越高。
4尾气破坏
目前常用的尾气破坏方法有:加热催化法和高温加热法。
(1)加热催化法。将尾气加热至40℃～50℃,利用催化剂对臭氧尾气进行分解破坏,催化剂为MnO2。加热催化法的优点是设备投资和运行能耗低;缺点是处理尾气中如含硫化物、卤素等杂质会导致催化剂中毒失效。
(2)高温加热法。臭氧加热至350℃时,在2秒内可100%分解。高温加热法就是对臭氧尾气高温加热分解。高温加热法优点是原理简单、设备稳定;缺点是设备投资和运行能耗高。据了解,一般在污水处理行业选用较多。给水厂不受水质限制,考虑到设备投资和运行能耗,一般采用加热催化法。石臼漾水厂使用加热催化尾气破坏已近三年,催化剂没有更换过,目前运行仍非常稳定。
5维护保养
由于臭氧发生器是一个非常专业的设备,国外通常采用定期由供应商进行维护保养的方式。但由于费用较高,国内很少会采用这种有偿长期保养的方式。所以在平时使用过程中,定期进行小维护、小保养能够非常有效地延长设备的寿命,可注意以下几点:
(1)通过PLC操作控制柜显示屏定期察看系统各个节点的压力、流量值是否在允许范围。
(2)定期释放空气压缩机、尾气破坏装置的排泄水。
(3)监测臭氧接触池是否处于负压状态。
(4)定期检查尾气破坏装置的加热系统是否正常,定期更换臭氧吸附用触媒等。
(5)及时清洗或更换空气过滤棉。
(6)定期校验监测仪表准确性,及时更换相关器件。
