净水厂臭氧处理系统的设计要点与分析
mengyan197206
2010年12月19日 12:07:17
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净水厂臭氧处理系统的设计要点与分析梁萍(邯郸巾自来水公司.河北邯郸056003)摘要:在给水深度处理工艺中臭氧系统得到越来越多的应用.结夸轶西水厂臭氧处理系统的设计与建设.详细介绍了臭氧系统中臭氧气源制备、臭氧发生系统、接触反应、尾气破环系统等的设计方法厦建设经验。实际运行中.该水厂臭氧系统运行稳定、出水选标。关键词:净水厂;臭氧处理系统;设计;接触反应;尾气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,有必要在现在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.其配置直接影响着净水效果与运行成本。

净水厂臭氧处理系统的设计要点与分析
梁萍
(邯郸巾自来水公司.河北邯郸056003)
摘要:在给水深度处理工艺中臭氧系统得到越来越多的应用.结夸轶西水厂臭氧处理系统的设计与建设.详细介绍了臭氧系统中臭氧气源制备、臭氧发生系统、接触反应、尾气破环系统等的设计方法厦建设经验。实际运行中.该水厂臭氧系统运行稳定、出水选标。
关键词:净水厂;臭氧处理系统;设计;接触反应;尾气
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,有必要在现在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.其配置直接影响着净水效果与运行成本。
邯郸市铁西水厂二期工程2004年建成投产.设计供水规模为300万m3、d,采用的处理工艺为:臭氧预处理+常规处理+臭氧一生物活性炭滤池。
工艺流程如图l。

1臭氧的作用
臭氧在给水净化工艺中的主要作用有:前(预)氧化和主氧化。
在前氧化工艺中,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。
主氧化工艺中,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、清洁荆、苯酚等;去除DOC;氧化分解螯合物.如EDTA和NTA等。
2主要工艺参数
对于臭氧处理系统来说,臭氧的投加量、投加浓度、接触反应时I刨以及在水中的转移效率这4个工艺参数十分关键。前臭氧接触时间一般为2~4min.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.水中剩余臭氧的质量浓度为0.2~0.4 mg/L:转移效率均应大于95%。
3臭氧系统的设计
在给水净化工艺中,臭氧系统一般由臭氧气源制备、臭氧发生、接触反应、尾气破坏系统等儿部分组成。
3.1臭氧的气源制备
臭氧发生器的气源可以是:干燥空气、液态氧、气态氧。
空气制臭氧,臭氧发生设备投资高,运行电耗高.臭氧产量与含量低,臭氧的质量分数一般在3%一4%,生产1 kg03耗电量在10~13 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l kg 03耗电量在lO~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,臭氧发生没备的投资比空气制臭氧低,但比液态氧制臭氧要高。臭氧质量分数也可达到18%甚至更高,生产1 kg03耗电量在1l~14 kw•h。气态氧•般是VPSA(Vacuum PressureSwing Adsorption,真空变压吸附技术)现场制般,它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,从而达到空气分离的目的。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%一93%,生产l kg 03能耗一般在0.3~0.4 kW•h。用液态氧制臭氧,过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。
经分析比较.铁西水厂采用了VPSA现场制氧气的气源形式,另外配置一套液氧备用设备系统。
VPSA现场制氧系统的生产规模折合成100%纯氧后为400 Nm3/h(Nm3/h——标准立方米,O℃、1.013 x 105Pa时的体积),产品气体中氧气的体积分数不小于90%。
3.2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03。
臭氧发生器是整个臭氧处理系统的设备核心,臭氧发生器的臭氧产量与质虽分数,随着供气压力的增高而降低,其最佳工作压力一般为O.12~0.13MPa.
目前国内水厂使用的臭氧发生器大都是由国外进口,能够生产高浓度、高产量臭氧发生器的厂家全世界也就几家。可以通过招标形式来采购设备。
臭氧系统的管道绝人部分是采用不锈钢材质,所接触的介质是空气、氧气、臭氧等,属于要求较高的工业管道,可参考化工行业的相关标准、规范束设计、施工及验收。由于氧气和臭氧的危险性,在生产运行中要求管道既不能有任何泄,也不能有任何颗粒、纤维、油脂,所以对系统管道最基本的要求就是密封和清洁。要达到这一目的就必须在管道的连接、清洗、吹扫、试压等方面严格把关。
铁西水厂共配备3台臭氧发生器,总发生量为140 kg/h.臭氧的质量分数不低于10%。冷却水水温不超过32℃。管道绝犬部分采用焊接的连接形式.并对焊缝进行x光无损探伤,在安装前用99.8%的乙醇浸泡管道不少于15 min。以求达到脱脂效果。
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,
3.3接触反应
接触反应是臭氧处理系统中生产运行的核心,它的作用是将臭氧发生器产生的臭氧气体迅速有效地扩散到被处理水中,并稳定可靠地完成反应。
为了保证臭氧与水的反应效果,臭氧扩散通常采用微孔曝气或射流曝气两种形式,由于臭氧的氧化性极强,会与水中的铁、锰离子发生氧化反应,生成的铁、锰离子淀物质会堵塞曝气头微孔。另外,如果预接触池的进水含有藻类,则藻类含量较高时也会影响曝气头出气。如果预曼氧系统采用微孔曝气的形式则会增大曝气系统的维护工作量,臭氧又属于有毒气体,设备维护难度大,并需要停池才能检修,影响正常供水,所以不宜采用微孔曝气的形式。铁西水厂预臭氧接触反应系统采用文丘里射流曝气的形式,其基本原理类似于水射器。加压水泵提供的高速水流通过射流器在管道上形成负压,吸入臭氧气体,并同时进行气水混合,达到臭氧扩散的目的。
主要氧接触池的进水已经过常规处理,水中的藻类含量较少,故适宜采用微孔曝气的形式,这样既减少了能耗,又保证了曝气的均匀。由于主臭氧池出水含有一定的余臭氧,如冉水管采用一般水泥沙浆内衬的碳钢管则管道有被腐蚀的危险;如采用不锈钢管则工程投资较大;另外,这部分输水管道上的阀门必须考虑抗臭氧腐蚀的问题。根据国内外水厂的经验。建议水厂主臭氧接触池至炭滤池采用密闭混凝土集水渠取代管道作为输水渠道,且每条出水廊道均不设出水闸板,而采用薄壁堰跌落出水的形式.既保证了每条线的出水均匀,又减免了采
用闸板造成的维护困难等问题。有一点需注意,主臭氧出水至炭滤池这段输水距离应有一定的长度或炭滤池(包含池面和管廊)通风条件良好,否则当水流至敞开的炭滤池面时由于臭氧的聚集其气味会令人不适,严重的会发生人员中毒事故。
为了保证整个臭氧系统能根据水厂处理水量的变化而自动控制臭氧的投加量.应在臭氧接触池的每条接触反应线配备进水电磁流量计,并将水流量转化成4~20mA的电流信号提供给臭氧系统的主控,根据需要处理的水量自动调整臭氧投加量。
无论是预臭氧还是主臭氧接触池.在正常运行的池内都是略带正压的,虽然压力并不高,但由于是长期带压运行.为了保证臭氧气体不外漏.必须保证池体的气密性能。需要注意的是,在接触池运行前应对池内进行彻底清洁,将所有施工垃圾清理掉.还需防止池体水泥砂浆掉落,因为这些都有可能堵塞曝气头和射流扩散器。
3.4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。臭氧在空气中的质量浓度为0.15 mg/m3,时能嗅出.环保允许排放限值为0.12—0.20 mg/m3。臭氧在常温下分解消失的半衰期为20min。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l.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:它是利用催化剃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。
铁西水厂预/主臭氧尾气破坏间分别设在预/主臭氧接触池池顶上,各配备用2台加热型臭氧尾气破坏器(1用1备)。最大尾气处理量为770 m3/h,排放到大气中的臭氧的质量浓度小于0.1 mg/L。由于预臭氧处理的是原水,水质较差,投加臭氧有可能在池内水面上形成泡沫,所以在预臭氧尾气收集口安装一个消泡器,避免了泡沫对尾气破坏器性能和寿命的影响。
4结语
通过总结铁两水厂建殴经验.认为建设一个合格的臭氧系统.应本着水厂实际,总结国内外设计经验,结合具体T程进行设计。无论是可行性研究、图纸设计、设备选型,还是现场施工,都需要有科学严谨的态度。
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mengyan197206
2010年12月20日 05:29:45
2楼
.2介质阻挡放电及等效模型
臭氧的工业化生产方法主要有紫外照射法、电解法、放射化学法和介质阻挡放电法。前两种方法产量低、能耗离,不能用于规模生产。放射化学法效果最好,但比较复杂,投资大,原料难得,且不安全。介质阻挡放电法(DielectricBarrierDischarg卜DBD法),又称为无声放电臭氧合成法,通过交变高压电场在气体中产生电晕,电晕中的自由高能电子离解氧气分子,经碰撞聚合为臭氧分子,具有能耗相对较低、单机臭氧产量大,气源可用干燥空气、氧气或含氧浓度较高的富氧气体等优点,成为了工业应用最为广泛的一种方法。
臭氧发生管现多采用陶瓷材料替代玻璃材料作为绝缘介质层,称为陶瓷发生管,当气隙上所加的高频正弦交流电压大于临界放电电压时,在陶瓷介质表面上产生沿面放电。陶瓷介质层在整个工作过程中表现为阻容特性:在未放电时表现为电容性质,而在产生放电时,气隙表现为一个反电势性质。介质表面面积越大,等效电容越大。陶瓷阻挡放电有以下两个特点:
(1)供电频率相同时,陶瓷发生管的放电能量随两端电压峰峰值(Vpp)的增大而增加,即Vpp,越大,臭氧产量越高。但是,因陶瓷发生管放电时能量密度较高,放电越强烈,温升越高,温度的升高反过来会降低臭氧产量。另外,Vpp太高有可能使陶瓷介质层击穿损坏。所以,必须将Vpp控制在一定的范围内。
(2)陶瓷发生管的临界放电电压是供电频率的函数,供电频率越高,临界值越低。所以,在高频条件下陶瓷发生管具有更低的起始工作电压,有利于臭氧产率的提高。
陶瓷旋生管的上述两个特性要求与其匹配的供电电源必须具备较高的工作频率和能产生适当的Vpp,这样才能保证陶瓷发生管高效、可靠地工作。同时,对于给定的臭氧产量输出,还要求供电电源的输出功率在该条件下应保持恒定。发生器等效电路如图1.4所示,图1.4(a)为工频与中频等效电路,图1.4(b)为高频等效电路(FiEpppov等效电路)。受功率开关器件和变压器铁芯材料的限制,大功率臭氧设备采用中频供电,图1.4(a)是最常用的等效电路。

图1.4(a)中,e表示发生器的端电压,Cd表示介质层的等效电容,cg表示未放电时气隙的等效电容。当气隙未放电时,发生器等效为Cd与cg的串联;当气隙电压超过放电起始电压后,气隙被击穿开始放电,在外加电压达到最大值时结束放电。放电过程中,气隙电压基本上维持不变,称为放电维持电压,用uz表示。Cd、Cg和Uz称为发生器的结构参数,与发生器内的温度和气隙中的气体参数(流量、压力、露点、含量)有关,当温度和气体参数不变时,Cd Cg和Uz可认为是常数。文献于1943年就给出了基于李莎茹图形(Lissajousfigure)测试方法的上述结论。发生器在放电与不放电两种工作状态下表现出一类非线性动态变化的容性负载特性。
许多文献也采用图1,5所示等效电路将气隙等效为可变电容Gg和可变电阻R的并联,文献则采用图1.6所示等效电路将气隙等效为固定电阻R与可变电容Cg的串联。图1.5和图1.6从结构上体现了气隙的动态特性。反映了有功消耗。

1.2.3气源和冷却系统
气源和冷却是大功率介质阻挡放电产生臭氧、系统稳定运行的必备条件与基础,其参数影响发生器的结构参数,但只要在系统运行中控制气源和冷却装置稳定,就可假设发生器的结构参数不变,实现供电电源的独立控制。大功率圆柱型发生器的冷却常采用两种水冷方式:一是自来水单冷系统冷却地电极,二是去离子循环双水冷系统同时冷却地电极和高压电极。气水混合装置实现臭氧气体与被处理水的良好混合,提高臭氧的水溶率和水气接触面积,达到臭氧的高效利用。臭氧发生装置的气源按含氧量来分可分为空气型、富氧型和氧气型。空气型通过空压机将外界空气压入干燥机得到干燥空气作为气源;富氧型和氧气型主要是通过空压机将外界空气压入制氧机得到高纯度氧气或直接采用氧气作为气源。在外界条件一致的情况下,臭氧浓度随着气源中氧气纯度的增加而增加,以臭氧产量均为lkg的空气型和氧气型为例,空气型臭氧浓度>18g/m3,发生器耗电量≤1 8kW•h;而氧气型臭氧浓度>50g/m3,发生器耗电量<10kW•h。显然,同等条件下,氧气型臭氧发生装置臭氧浓度输出较空气型要高很多。
另一方面,空气型臭氧发生装置的气源中含有大量的N2和C02等气体,在气体产生高压放电时,会产生大量的NO、N02及CO等有害产物,不仅增加了能耗和降低了臭氧浓度,而且对臭氧发生装置也有很强的腐蚀作用,增加了不安全隐患。
因此,采用氧气型臭氧发生装置产生臭氧对于提高臭氧浓度、降低能耗和减少有害副产物以及延长装置使用寿命有着极其重要的意义。采用高纯度干燥氧气作为气源是产生高浓度臭氧重要而简洁的途径。因此,本文研究的一个重点就是研究如何产生高纯度干燥氧气,即制氧机控制系统的研究。
1.2.4供电电源
供电电源的电压、频率和波形是影响臭氧发生效率的重要因素。一旦发生器结构和气源系统、冷却系统确定,供电电源的性能与品质就成为了发生装置的关键。因此,供电电源技术的发展事实上代表着臭氧生产技术的发展,供电电源的技术水平标志着臭氧发生技术的水平。
臭氧的供电电源经历了固定低频(50~60HZ)可变正弦电压电源,固定中频(400~600HZ)可变电压电源、高频高压电源到高频快上升沿的方波或脉冲波形的高压电源几个阶段。
现代电力电子技术的发展给中高频电源的生产带来了革命,许多新型臭氧发生器及应用装置都采用1KHz~100KHz之间的中高频电源供电。中高频供电电源能显著地提高臭氧生产效率,能够在不改变发生器产率的情况下大幅度地减小电源设备的体积和金属用量,扩大电路工作频率的范围、提高系统的可靠性以及延长系统的工作寿命。
因此,中高频逆变电源成为了近二十年来工业化生产中被广泛应用的中大功率臭氧发生供电电源。随着臭氧应用领域的日益扩大,一大批科技工作者都投入到了臭氧发生电源的研究中。对DBD型中高频臭氧电源的研究主要体现在对发生器负载特性及模型的研究、电源整体方案的选择、输出功率控制方案的研究、软开关的研究和提高电源频率等。
不论介质阻挡放电电路是否处于放电阶段还是处于未放电阶段,电路总是呈现容性,即如果不对电路拓扑结构进行必要的改进,介质阻挡放电装置的应用范围将大大地受到限制。为了解决电路的谐波问题、提高装置的功率因数和保证电路仍然工作在中高频下,人们提出了需要在主回路接入串联或并联补偿电感的方法,使电源可工作于谐振及感性准谐振状态,从而减少功耗。输出功率控制方案的研究和电源中软开关技术的研究是近几年来DBD型臭氡发生器电源研究的热点。从PWM调功到PDM调功,最后到各种调功方式的混合调功,人们一直在不断的探索和研究,力求找到更适合介质阻挡放电产生臭氧的功率控制方法。为实现可靠的软开关条件,电源控制电路中都采用了频率跟踪技术。
1、2.5检测与控制系统
自动检测用于在线检测臭氧生产浓度与产量或处理水的相应指标,进一步实现系统的闭环调节,满足水处理臭氧含量精确控制的需要,检测环境中臭氧浓度,控制由尾气净化与通风装置构成的安防系统,确保人身和设备安全。自动控制常采用微机或PLC控制系统,完成整个发生系统的过程控制、参数设置、数据采集、处理与显示,对多台系统进行群控和遥控,构建无人值守臭氧生产车间。
1.3臭氧发生装置研究现状
目前,国内外许多科研院校和生产厂家不断进行介质阻挡放电装置的研究,主要体现在下面几个方面:
1.介质阻挡放电装置的结构和材料的研究
介质阻挡放电臭氧发生技术的基础理论与方法研究以气体放电学、等离子体物理学、等离子体化学、高电压工程学、材料学为基础,从介质阻挡放电的物理过程出发,研究形成臭氧的微观过程。近期,各国学者采用窄间隙、高介电常数和高电阻率的超微细电介质材料及冷等离子体加工工艺等新技术、新工艺、逐步建立起强电场电离放电理论与方法。
对电极的研究主要集中在电极材料和形状对装置效率的影响上,为了研究材料形状对臭氧发生器效率的影
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mengyan197206
2011年10月03日 09:06:02
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mengyan197206
2011年10月03日 09:07:46
4楼
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zxtony
2012年07月04日 23:15:10
5楼
这么好的资料,正在学习。
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mengyan197206
2012年07月15日 11:46:20
6楼

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zuobing
2012年08月04日 13:11:32
7楼
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mirvama
2013年09月15日 19:52:31
8楼
好帖,得顶顶
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like9630
2013年09月20日 10:25:49
9楼
这个资料不错,顶一下
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wok1982
2013年09月22日 14:47:32
10楼
臭氧在净水厂中的消毒及污水厂脱色等均为相对成熟的工艺了,其实并不是多么复杂
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一生为水
2016年11月11日 14:54:00
11楼
好资料,下载了。。。。。。。。。。

yj蓝天:学习啦,谢谢分享

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