臭氧活性炭在净水厂设计中若干问题的探讨邵世云刘平崔孝光

给水排水　Ｖｏｌ．４０　Ｎｏ．９　２０１４１３　　　臭氧—活性炭在净水厂设计中若干问题的探讨１　　１　２（１中国环境科学学会，北京　１０００８２；２北京市市政工程设计研究总院有限公司，北京　１０００８２）　　摘要　臭氧—活性炭吸附工艺是目前常用的深度处理技术，臭氧预氧化和粉末活性炭投加措施也是应对微污染原水的有效处理措施。臭氧发生器作为深度处理技术的核心设备，如何合理经济选择氧源系统，科学确定臭氧发生器设备台数，明确设备的各种技术参数，使臭氧系统能够灵活适应各种运行工况和环境条件，是招标工作中需要密切关注的问题。臭氧—活性炭系统的防火防爆措施如何满足安全和消防部门的要求、活性炭吸附池池型对反冲洗效果的影响、系统管道及附件和臭氧接触池的防腐措施等关键因素在设计过程中容易被忽视。通过对近年来相关给水深度处理技术文献资料的归纳整理和综合分析，并结合近年来净水厂深度处理工程的设计体会和经验，提出了臭氧—活性炭技术在水厂设计应用中容易忽视的问题，并对适宜的解决方案进行了探讨。关键词　净水厂设计　深度处理　臭氧　活性炭Ｐｒｏｂｅ　ｉｎｔｏ　ｓｏｍｅ　ｐｒｏｂｌｅｍｓ　ｏｆ　ｔｈｅ　ｐｒｏｃｅｓｓ　ｏｆ　ｏｚｏｎｅ?ａｃｔｉｖａｔｅｄｃａｒｂｏｎ　ｉｎ　ｗａｔｅｒ　ｔｒｅａｔｍｅｎｔ　ｐｌａｎｔ　ｄｅｓｉｇｎＳｈａｏ　Ｓｈｉｙｕｎ１，Ｌｉｕ　Ｐｉｎｇ１，Ｃｕｉ　Ｘｉａｏｇｕａｎｇ２（１．Ｃｈｉｎｅｓｅ　Ｓｏｃｉｅｔｙ　ｆｏｒ　Ｅｎｖｉｒｏｎｍｅｎｔａｌ　Ｓｃｉｅｎｃｅｓ，Ｂｅｉｊｉｎｇ　１０００８２，Ｃｈｉｎａ；２．Ｂｅｉｊｉｎｇ　ＧｅｎｅｒａｌＭｕｎｉｃｉｐａｌ　Ｅｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇ　Ｄｅｓｉｇｎ　ａｎｄ　Ｒｅｓｅａｒｃｈ　Ｉｎｓｔｉｔｕｔｅ　Ｃｏ．，Ｌｔｄ．，Ｂｅｉｊｉｎｇ　１０００８２，Ｃｈｉｎａ）Ａｂｓｔｒａｃｔ：Ｏｚｏｎｅ　ｏｘｉｄａｔｉｏｎ　ａｎｄ　ａｃｔｉｖａｔｅｄ　ｃａｒｂｏｎ　ａｄｓｏｒｐｔｉｏｎ　ｐｒｏｃｅｓｓ　ｉｓ　ｃｕｒｒｅｎｔｌｙ　ｕｓｅｄ　ａｄｖａｎｃｅｄｔｒｅａｔｍｅｎｔ　ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ，ｅｆｆｅｃｔｉｖｅ　ｔｒｅａｔｍｅｎｔ　ｍｅａｓｕｒｅｓ　ｏｆ　ｏｚｏｎｅ　ｐｒｅｏｘｉｄａｔｉｏｎ　ａｎｄ　ｐｏｗｄｅｒｅｄ　ａｃｔｉｖａｔｅｄｃａｒｂｏｎ　ｄｏｓｉｎｇ　ｍｅａｓｕｒｅｓ　ａｌｓｏ　ｄｅａｌ　ｗｉｔｈ　ｏｒｇａｎｉｃ　ｍｉｃｒｏ　ｐｏｌｌｕｔｅｄ　ｒａｗ　ｗａｔｅｒ．Ｔｈｅ　ｏｚｏｎｅ　ｇｅｎｅｒａｔｏｒ　ａｓｔｈｅ　ｃｏｒｅ　ｅｑｕｉｐｍｅｎｔ　ｏｆ　ａｄｖａｎｃｅｄ　ｔｒｅａｔｍｅｎｔ　ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ，ｈｏｗ　ｔｏ　ｃｈｏｏｓｅ　ｒｅａｓｏｎａｂｌｅ　ｅｃｏｎｏｍｉｃ　ｓｏｕｒｃｅ　ｏｆｏｘｙｇｅｎ　ｓｙｓｔｅｍ，ｓｃｉｅｎｔｉｆｉｃａｌｌｙ　ｄｅｔｅｒｍｉｎｅ　ｔｈｅ　ａｍｏｕｎｔ　ｏｆ　ｏｚｏｎｅ　ｇｅｎｅｒａｔｏｒ　ｅｑｕｉｐｍｅｎｔｓ，ｄｅｔｅｒｍｉｎｅ　ｔｈｅｖａｒｉｏｕｓ　ｔｅｃｈｎｉｃａｌ　ｐａｒａｍｅｔｅｒｓ，ｍａｋｅ　ｔｈｅ　ｏｚｏｎｅ　ｓｙｓｔｅｍ　ｃａｎ　ｂｅ　ｆｌｅｘｉｂｌｙ　ａｄａｐｔ　ｔｏ　ｖａｒｉｏｕｓ　ｗｏｒｋｉｎｇ　ｃｏｎ－ｄｉｔｉｏｎｓ　ａｎｄ　ｅｎｖｉｒｏｎｍｅｎｔａｌ　ｃｏｎｄｉｔｉｏｎｓ，ｗａｓ　ｐａｉｄ　ｃｌｏｓｅ　ａｔｔｅｎｔｉｏｎ　ｔｏ　ｔｈｅ　ｐｒｏｂｌｅｍ　ｎｅｅｄ　ｉｎ　ｂｉｄｄｉｎｇｗｏｒｋ．Ｔｈｅ　ｋｅｙ　ｆａｃｔｏｒｓ　ｔｏ　ｔｈｅ　ｐｒｅｖｅｎｔｉｏｎ　ｏｆ　ｆｉｒｅ　ａｎｄ　ｅｘｐｌｏｓｉｏｎ　ｏｆ　ｏｚｏｎｅ　ａｃｔｉｖａｔｅｄ　ｃａｒｂｏｎ　ｓｙｓｔｅｍ　ｍｅｅｔｔｈｅ　ｓａｆｅｔｙ　ａｎｄ　ｔｈｅ　ｒｅｑｕｉｒｅｍｅｎｔｓ　ｏｆ　ｔｈｅ　ｆｉｒｅ　ｄｅｐａｒｔｍｅｎｔ，ｔｈｅ　ｔｙｐｅ　ｏｆ　ａｃｔｉｖａｔｅｄ　ｃａｒｂｏｎ　ａｄｓｏｒｐｔｉｏｎ　ｔａｎｋｉｎｆｌｕｅｎｃｅ　ｏｎ　ｔｈｅ　ｅｆｆｅｃｔ　ｏｆ　ｂａｃｋｗａｓｈ，ｐｉｐｉｎｇ　ａｎｄ　ａｃｃｅｓｓｏｒｉｅｓ　ａｎｄ　ｏｚｏｎｅ　ｃｏｎｔａｃｔ　ｔａｎｋ　ａｎｔｉｃｏｒｒｏｓｉｏｎｍｅａｓｕｒｅｓ　ｅａｓｉｌｙ　ｏｖｅｒｌｏｏｋｅｄ　ｉｎ　ｔｈｅ　ｄｅｓｉｇｎ　ｐｒｏｃｅｓｓ．Ｂａｓｅｄ　ｏｎ　ｔｈｅ　ａｄｖａｎｃｅｄ　ｗａｔｅｒ　ｔｒｅａｔｍｅｎｔ　ｔｅｃｈｎｏｌｏ－ｇｙ　ｒｅｌａｔｅｄ　ｌｉｔｅｒａｔｕｒｅ　ｐｕｂｌｉｓｈｅｄ　ｉｎ　ｒｅｃｅｎｔ　ｙｅａｒｓ　ａｒｅ　ｓｕｍｍｅｄ　ｕｐ　ａｎｄ　ａｎａｌｙｚｅｄ，ｃｏｍｂｉｎｅｄ　ｗｉｔｈ　ｔｈｅ　ｒｅ－ｃｅｎｔ　ｗａｔｅｒｗｏｒｋｓ　ａｄｖａｎｃｅｄ　ｔｒｅａｔｍｅｎｔ　ｐｒｏｊｅｃｔ　ｄｅｓｉｇｎ　ｅｘｐｅｒｉｅｎｃｅ　ａｎｄ　ｅｘｐｅｒｉｅｎｃｅ，ｔｈｅ　ｏｚｏｎｅ　ａｃｔｉｖａｔｅｄｃａｒｂｏｎ　ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ　ｉｎ　ｔｈｅ　ｄｅｓｉｇｎ　ａｎｄ　ａｐｐｌｉｃａｔｉｏｎ　ｉｎ　ｗａｔｅｒ　ｔｒｅａｔｍｅｎｔ　ｐｌａｎｔ　ｅａｓｉｌｙ　ｎｅｇｌｅｃｔｅｄ　ｐｒｏｂｌｅｍｓｗｅｒｅ　ｐｕｔ　ｆｏｒｗａｒｄ，ａｎｄ　ａｐｐｒｏｐｒｉａｔｅ　ｓｏｌｕｔｉｏｎｓ　ｗｅｒｅ　ｄｉｓｃｕｓｓｅｄ．Ｋｅｙｗｏｒｄｓ：Ｗａｔｅｒ　ｔｒｅａｔｍｅｎｔ　ｐｌａｎｔ　ｄｅｓｉｇｎ；Ａｄｖａｎｃｅｄ　ｔｒｅａｔｍｅｎｔ；Ｏｚｏｎｅ；Ａｃｔｉｖａｔｅｄ　ｃａｒｂｏｎ１４　　　给水排水　Ｖｏｌ．４０　Ｎｏ．９　２０１４０　引言《生活饮用水卫生标准》（ＧＢ　５７４９—２００６）［１］的颁布实施对净水厂出水水质提出了更高要求：当原水耗氧量小于６ｍｇ／Ｌ时，要求出水的ＣＯＤＭｎ不得大于３ｍｇ／Ｌ。传统地表水处理工艺对有机污染物的去除效果有限，为满足出水要求，在水源水质达不到Ⅱ类水体要求时，应考虑采用深度处理工艺［２～４］。臭氧氧化活性炭吸附工艺是目前常用的深度处理技术，可有效去除原水中的有机污染物质，改善色臭味等感官指标，降低管网内可同化有机碳（ＡＯＣ）的生物风险和加氯产生的消毒副产物风险［５～８］，为提高工艺处理效果，在臭氧—活性炭工艺的基础上一般还采用臭氧预氧化和粉末活性炭投加等措施。臭氧—活性炭吸附技术从原理上并不复杂，但相对于净水设计中的常规工艺来说，其中的很多细节稍有忽视，就会对整个深度处理工程的效果产生较大的影响［９，１０］。本文把需要重视和容易忽视的一些问题归纳总结出来，并对问题的解决方案进行了探讨。１　臭氧发生器招标条件１．１　设备台数与臭氧量调节臭氧设备台数应考虑最大投加量、各生产厂家臭氧发生器的单台能力以及运行中可能的最小投加量后综合确定。设备不考虑硬备用，当其中一台设备事故时其余臭氧发生器通过降低臭氧浓度的方式加大臭氧产生量，满足臭氧投加量的需求。臭氧发生量控制方式（减少臭氧发生量）一般分为：减少臭氧运行台数、恒定氧气流量；降低臭氧浓度和恒定臭氧浓度；降低氧气流量等３种方式。第１种方式受限于设备台数限制，在实际运行中一般不采用；第２种方式可节省电能浪费氧气；相对于第２种方式，第３种方式节省氧气浪费电能。为节省氧源减少运行成本，某水厂在生产中拟采用第３种方式，但在运行中发现：当原水水质较好时，臭氧的投加量只需单台设备能力的一部分，采用降低氧气流量的措施，运行中氧气的实际节省量比理想值相差甚远。经调查，由于放电管间隙量等关键参数不同，不同生产厂家的臭氧发生器对放电管内氧气通量的最低限值存在很大差异，氧气通量最低限值要求较高的臭氧发生器，其运行中氧气流量无法降低到实际需要值。南方部分水厂由于原水水质常年变化小，臭氧投加量变化可能不大，而北方地区大多数水厂由于原水水质的季节性差别较大，夏冬两季的臭氧需要量相差较大，在臭氧设备选型时可以考虑采用大小规格的臭氧发生器搭配，并在招标书中将降低臭氧产生量必须达到一定的氧气消耗量作为重要指标，成为设备能耗优劣的评判依据。１．２　氧源系统氧源品质是臭氧设备供应商所提供的各种设备附件能否满足当地可供氧源的重要条件。一般应在臭氧设备招标文件中明确氧源的氧气露点（－６８℃）、液氧系统氧气供气压力、供气温度和氧气中颗粒尺寸等关键指标。其中液氧的露点关系着臭氧发生器的安全和效率，是最重要的指标。某水厂臭氧设备招标书中明确：“臭氧制备的气源为液态纯氧。液氧系统设备及液氧原料拟采用与ＰＲＡＸ　ＡＩＲ或ＡＩＲ　ＰＲＯＤＵＣＴＳ公司提供的产品品质相当或不低于其质量标准的产品”。而某工程在招标文件中未明确氧源条件，曾发生臭氧设备供货中未含氧气过滤器，却对氧源中的颗粒物等指标提出要求，工程周边的液氧厂产品无法满足其要求的情况。由于外方合同的更改和供货均需要一定的手续，虽最终经协商解决，但对工程的顺利进展还是产生了影响。１．３　环境温度臭氧发生器设有冷却水系统，一般不会向外界放出热量，臭氧发生器的供电设备（ＰＳＵ）要发出大量热，致使构筑物内室温升高，不利于管理运行。某泵站臭氧标书中规定：“环境温度：５～４０℃”、“臭氧设备各配电单元应设置合理的冷却方式，以适应现场工作环境的要求”，但没有明确指出设备供货商是否应负责设备工作时室温不得超过４０℃这个含义，因此供货商在设备成套供货时没有考虑采用发热少的设备或增加排放风机等辅助设备。在设计联络工作中供货商的补充资料中显示：若在夏季臭氧发生器满负荷运转，ＰＳＵ放出的热量会使室内温度超过４０℃，为解决此遗留问题，业主需自行购置排风设备，增设排风管排除热量，已建成的构筑物需重新凿洞吊管，对工程进度和投资控制产生一定影响。给水排水　Ｖｏｌ．４０　Ｎｏ．９　２０１４１５　　　１．４　冷却水冷却水用来交换臭氧发生器放电管散发的热量。冷却水的水温和水质决定着臭氧发生器的效率、臭氧冷却系统形式和冷却水取水点的位置。冷却水温度越高，臭氧系统耗电量越大。冷却水系统分为闭路循环和开路循环两种，开路循环对水质要求较高，一般对氯离子含量有所要求；闭路循环采用纯水（补充量很小）冷却放电管，外部冷却水通过板式换热片冷却纯水，因此对冷却水水质要求不高。某水厂、泵站设备招标书中均明确：“臭氧制备系统所用的冷却水为厂区自用水，卖方应根据自身设备的要求提出最优的详细配置方案”、“水温：０～３０℃”。标书要求臭氧设备在最高冷却水温时应达到最大生产能力，同时要求供货商报出２５℃冷却水温时的耗电量作为耗能指标高低的评判。某工程臭氧发生器冷却水原采用开路循环方式，由于臭氧设备对余氯有严格要求，需在进入清水池前取未加氯的水通过加压泵向臭氧系统提供冷却水。为滤池运行安全考虑，业主提出增加滤前加氯的可能，因此冷却水水质很难达到臭氧设备的要求，另外冷却水加压泵和臭氧设备分置两地，供水管路长，能耗高，也不便于运行管理。为安全起见，后改为闭路循环，在臭氧发生器间内增加纯水补充和换热装置。１．５　供电臭氧发生器工作时候需将工频５０Ｈｚ调频到几千Ｈｚ，有可能产生谐波，对上级电网造成影响，需在招标书中提出相关要求。某水厂、泵站招标文件要求：每台臭氧发生器成套配电装置应采取抑制谐波的措施，保证运行时，总谐波畸变率＜５％，总奇次谐波＜４％。中标的供货商均能满足上述要求，其中有的设备供货商还承诺：每台臭氧发生器成套配电装置都采取抑制谐波的措施，卖方的ＰＷＭ电网谐波对策装置的结果，总谐波畸变率为０，总奇次谐波为０。２　液氧系统设计２．１　氧源形式选择臭氧气源有两种方式即空气制氧和液氧，空气制氧有ＶＰＳＡ和ＰＳＡ制备两种方式。具体采用哪种方式应根据近远期氧气需要量、当地液氧供应价格、制氧站的运行电费和人工管理费用以及场地条件等因素，通过技术经济的综合比较后确定。同时规范要求：“考虑到制氧机定期停运维护保养和设备故障，采用空气制氧方式时必须配备备用液氧储罐及其蒸发器，氧气储存量按不小于２ｄ考虑”。某水厂、泵站工程设计中，对空气制氧和液氧两种方式的初期投资和运行费用进行折现值的经济比较，得出初步结论：每日需纯氧量＜５ｔ／ｄ（相当臭氧投加量２０ｋｇ／ｈ）时，宜采用液氧制氧的方式。每日需纯氧量＞１０ｔ／ｄ（相当臭氧投加量４０ｋｇ／ｈ）时，采用现场空气制氧方式。经对国内水厂的臭氧系统的现场考察和征询业主意见，空气制氧系统设