臭氧工藝在再生水處理中的應用

再生水是指城市污水經二級處理或者深度處理后，達到國家和本市規定相關水質標準的非飲用水。對城市污水進行處理和再生利用，按照分質供水的原則用于一些對水質要求較低的用途，從而替代優質水，作為城市公共設施景觀環境用水、市政雜用水等，以緩解城市日益嚴峻的水資源供需矛盾。

1 工程概況

深圳市橫崗再生水廠及配套管網工程作為2011 年世界大學生運動會的配套項目，又是深圳市一個中水回用的典型項目，該工程包括1 座5 萬m3/d 的再生水廠廠站以及配套的送水管網，主要供給大運中心、信息學院、龍崗中心城以及寶龍工業區的景觀水、市政雜用水等中水用戶。

2 工藝簡介

再生水廠的工藝流程見圖1。

圖1工藝流程

橫崗污水廠二期紫外消毒后的出水5 萬m3/d(一級A 出水)，重力自流至超濾集水井，通過超濾進水泵提升至超濾車間，經過全自動過濾器、超濾膜后，到達臭氧接觸池，在臭氧接觸池內投加臭氧、次氯酸鈉脫色消毒后到達清水池，再自流至送水泵房的集水井，經過送水泵加壓后，送至外部管網系統供給用戶。水廠設計進出水水質見表1。

表1橫崗再生水廠設計進出水水質  mg/L

注: 設計出水色度要求≤10mg/L。

臭氧作為一種良好的氧化劑，不僅消毒作用明顯，還可以去除水中的色、臭味、鐵和錳等一般化學物質，而且用量少、接觸時間短，能克服氯處理水中殘留致癌鹵代物的問題。

臭氧系統對超濾膜過濾完的出水進行脫色以及部分消毒,在整個水廠處理工藝中扮演極其重要的角色。

3 臭氧系統

3. 1 臭氧投加量的確定

為保證接觸裝置的設計合理、可靠，應通過模擬試驗取得設計參數。但是由于目前沒有原水中的COD 組分的詳細分析，也沒有臭氧投加量的小試數據，因而此處根據公開發表的文獻以及臭氧供應商的建議來確定臭氧投加量:《城市污水二級處理水臭氧深度處理初探》的實驗結果表明，臭氧對色度的去除非常有效，在臭氧消耗量為5mg/L 和反應時間為5min的條件下，出水色度為3 度以下，脫色率高達80%以上，其結論指出在臭氧氧化和生物處理組合工藝中，考慮到臭氧氧化的目標和經濟運行費用，臭氧氧化最佳設計運行參數建議為臭氧消耗量5mg/L，臭氧接觸氧化時間5~ 10min; 北京經濟技術開發區經開再生水廠(4 萬m3/d) 采用CMF+ O3 工藝，臭氧投加量為5~ 8mg/L，接觸時間約為34m in; 日本東京有明再生中心臭氧投加量為4. 9mg/L，出水色度小于10。綜合考慮本工程原水為一級A 出水，又經過自清洗過濾器和超濾膜處理，水體中的污染物含量以及色度會有所降低(西安建筑科技大學在北京北小河污水處理廠利用二沉池出水直接進行超濾膜處理試驗，其試驗結論指出總大腸桿菌和糞大腸桿菌的去除率大于99%，對CODcr 的平均去除率為22. 63%，對色度的平均去除率為38. 52%，對氨氮的平均去除率為2. 42%) ，因而此處選用5mg/L 臭氧投加量，臭氧濃度為12%(質量比) ，接觸時間約為20min，純氧需要量為48m3/h。

3. 2 氧源的確定

臭氧發生器的氧源主要包括空氣、現場制氧。

采用空氣制臭氧，由于其效率低、能耗較高而多用于臭氧量非常小的情況，本工程采用現場制氧再制臭氧的方案，重點對現場制氧的方案進行比較。

(1) 常壓解吸變壓吸附制氧PSA(推薦)。由空壓機增壓,再生時放到常壓進行解吸，利用余壓將產生的氧氣供給用戶。

(2) 真空解吸變壓吸附制氧VPSA。由鼓風機供氣，供氣壓力較低，再生時需要設置真空泵抽真空進行解吸。

(3) 真空解吸制氧VSA。原理同VPSA，只是原料空氣進氣壓力低于VPSA，所以設備規模更大。

3 種制氧方案的效果見表2。

表2 3種現場制氧方案的效果比較

根據本工程48m3/h 的需氧量要求，排除真空解吸變壓吸附制氧及真空解吸制氧2 個現場制氧模式。

3. 3 現場制氧設計

變壓吸附制氧機是以分子篩為吸附劑，利用加壓吸附、降壓解吸的原理從空氣中吸附氮氣，從而分離出氧氣的設備。隨著吸附壓力的增加，可使O2、N2 的吸附量同時增大，且N2 的吸附量增加幅度要大一些。變壓吸附周期短，O2、N2 的吸附遠沒有達到平衡，所以O2、N2 擴散速率的差別使N2 的吸附量在短時間內大大超過O2 的吸附量。變壓吸附制氧正是利用分子篩的吸附特性，采用加壓吸附、減壓解吸的循環周期，使壓縮空氣交替進入2 個吸附塔來實現空氣分離，從而連續產出高純度的氧氣。

(1) PSA 現場制氧設備主要構成。空氣壓縮機、空氣緩沖罐、壓縮空氣預處理系統、變壓吸附制氧主機、氧氣緩沖罐、儀器儀表及控制系統。

(2) PSA 制氧工藝流程。空氣壓縮→空氣干燥→除塵除油→變壓吸附制氧→氧氣凈化處理→成品氣，見圖2。

圖2 PSA 制氧工藝流程

(3) PSA 現場制氧流程說明。本設備由空壓機、緩沖罐等5 個主要部分組成(小氣量制氧機考慮到結構和布局的合理性,會將空氣緩沖罐、氧氣緩沖罐和2 個吸附塔集成到一個撬裝底盤上)。而PSA 制氧主機由吸附器、切換閥、儀表空氣、儀表控制等主要部分組成，它是利用分子篩對空氣中氧氣的選擇吸附性以及吸附氧氣的能力隨壓力變化而改變的特性，通過改變吸附床的操作壓力，達到連續制取氧氣的目的。原料空氣經過濾除塵后在空壓機中壓縮到0. 5~ 0. 7mPa，然后經冷凍空氣中的殘余油、水和雜質等，從下部進入吸附器。空氣經過分子篩吸附劑床層時，空氣中的水分、CO2 和O2 被分子篩吸附，氧氣從吸附器頂部流出，一部分作為產品氣輸出，另一部分用于另一吸附器的解吸再生。吸附塔共2 只，交替成一個工作周期需經歷吸附、逆向降壓、順向降壓、解吸再生和充壓5 個工況，2 只吸附塔交替使用，使得制氧裝置能夠連續產氧。

(4) 主要設計參數。設計產氧量48m3/h，產氧的氧氣純度要求≥93%，工作壓力0. 6~ 0. 7mPa，主機變壓吸附，24 h 連續不間斷工作，一用一備。具體參見http://www.manhuagui.cn更多相關技術文檔。

3. 4 臭氧發生器設計

臭氧將通過現場制備的氧氣源制備，本臭氧制備原理是電暈放電法。臭氧發生器罐體本身和內部的放電管道為接地極,高壓電加到絕緣體的金屬電極上，金屬電極外部涂上了特殊的絕緣材料，這樣在絕緣材料層和臭氧發生氣罐體接地極之間形成了高壓電場，氧氣通過時，通過無聲放電轉為臭氧。

臭氧接觸單元主要起脫色作用，使出水色度達到10 以下,其主要設計參數見表3。

表3 臭氧系統主要工藝參數

另外，為了應對進水水質惡化的情況，臭氧發生器通過調節，臭氧產量最大能達到8. 36 kg/h，即投加量加大到8mg/L,臭氧濃度為8. 5%(質量比) ，氧氣耗量為69m3/h，冷卻水耗量為11. 1m3/h。（中國農村水利水電）