深圳市東湖水廠臭氧系統凈水的實踐
隨著經濟的發展，人們生活水平的不斷提高，對飲用水水質的要求越來越嚴格。另一方面當前我國水源污染加劇趨勢尚未得到遏止，在污染治理的同時，各種飲用水凈化技術的應用和發展已勢在必行。臭氧（O3）由于其強氧化能力而獲得了廣泛應用。1906年法國尼斯市市政府對維蘇比亞Voyage水廠創先進行O3處理。隨后O3技術的應用發展迅速，到80年代初，世界上已有1000多家水廠使用O3及其聯合工藝，尤其在歐洲水廠應用廣泛。目前，世界上以空氣制O3規模最大的是莫斯科東部水廠（Q=120萬m3/d），O3產量為200kg/h。而以純氧制O3規模最大的水廠在美國拉斯維加斯，O3產量為480kg/h。在我國也已經開始了運用O3及其聯合技術對生活飲用水進行深度處理。深圳市特區內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物污染加重。以"混凝沉淀→砂濾→加氯消毒"為代表的水廠常規處理工藝一般只能去除水中有機物的20%～30%。當前，對微污染水，常規工藝普遍應用前加氯工藝，增加了三鹵甲烷（THMs）和其它鹵化副產物。這些鹵化有機化合物中，有許多是致癌物或誘變劑。近年來在歐美等國爆發了大規模的由隱孢子蟲引發的水傳染疾病。在水源受污染情況下，常規工藝處理后的生活飲用水水質安全性引起了供水界的關注。飲用水處理中O3的投加方式包括預氧化、中間氧化、最后消毒，在凈水處理中可以起到如下作用：（1）去除無機物（2）輔助混凝－絮凝工藝（3）除藻（4）氧化天然有機物（5）氧化微量污染物（6）消毒。公司在東湖水廠（Q=35萬m3/d）改造擴建工程中采用了O3預處理工藝。
一、 臭氧的基本性能及在凈水處理中的機理
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具有很強的氧化能力（僅次于氟），能氧化大部分有機物，能腐蝕金屬。O3在水中的溶解度大于氧，采用一定的擴散方式，O3對水的傳質系數可達90%以上。
O3極不穩定，會分解成O2，同時放出大量的熱量。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，常溫常壓下，其半衰期僅為5～10min。
由于O3極不穩定，且無法儲存，只能現場制備直接使用。O3可通過O2制得，其熱化學方程式如下：3O2→2O3-288.9KJ。工業用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，在放電間隙將產生大量熱量，它會加速O3的分解而影響產量，必須采取適當的冷卻措施。
2、臭氧在凈水處理中的機理
O3氧化有機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。其中主要有兩個反應機理：（1）O3直接與有機物反應，它是緩慢且有明顯選擇性的反應。（2）O3通過OH與有機物反應，這一反應相當快，且沒有選擇性。通過這兩個反應，O3最終將有機物氧化成無機物（H2O,CO2等）或將大分子有機物分解成可生物降解的小分子有機物。此外,由于O3的強氧化性和易于通過微生物細胞膜擴散,所以O3有強大的殺藻和滅菌能力，能殺死水中細菌、大腸菌群、隱孢子蟲、賈第蟲孢囊、病毒。
二、 水廠臭氧系統
1．臭氧系統的組成
O3工藝的運用主要有如下三種形式：（1）O3預處理。（2）O3與顆粒活性碳過濾相結合的O3生物活性炭處理（3）O3消毒。無論采用何種O3工藝，水廠O3系統都由以下四個基本部分組成：（1）氣源（2）O3發生系統（3）O3接觸池（4）尾氣破壞系統。
氣源主要有三種，一是使用成品純液態氧，二是現場用空氣制備純氣態氧，三是直接利用空氣。為了提高O3的濃度，同時節省能耗，降低設備及管道尺寸，目前較先進的O3發生器多采用前兩種方式制備O3。第三種方式適用于O3產量較小的場合。
O3的發生則是由O3發生器完成，目前使用最廣的是管式發生器。影響O3發生器O3產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發生器的O3產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。經實踐證明，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氣體擴散到液體中并使之與液體全面接觸和完成預期反應的過程。這一過程是通過O3接觸池來完成。不同的工藝目標和相應的反應決定了接觸池中接觸器的形式和接觸時間。接觸器的形式主要包括微氣泡擴散接觸、渦輪擴散接觸、水射器擴散接觸以及接觸填料擴散接觸等形式。目前對原水使用較多的是水射器擴散接觸，對清水則采用微氣泡擴散接觸方式較為普遍。
尾氣破壞系統是收集接觸器內排出的剩余O3氣體并人為地分解成對環境無害的O2。尾氣破壞主要有兩種方法，一是化學觸媒法，二是加熱分解法。目前使用較普遍的是加熱分解法。
2．東湖水廠的預臭氧系統
東湖水廠在深圳特區內，以深圳水庫水為原水，原規模30萬m3/d,改造擴建后規模為35萬m3/d。東湖水廠改造主要是完善常規處理工藝和以預O3化取代預氯化。其O3系統是完整的，具有一定代表性。現東湖水廠改造擴建工程已全部竣工，改造后水廠的工藝流程如下：
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東湖水廠O3系統氣源部分建有一座液態氧儲罐（V=31.58m3），采用液態氧，利用蒸發器進行氣化。
O3發生器三臺，產氣量24kg/h，采用Ozonia公司產品，型號：ZF06/60。O3發生器正常情況下三臺同時運行，此時單臺O3產量8kg/h，重量濃度比11%。特殊情況（如檢修）可運行兩臺，此時單臺O3產量12kg/h,濃度8%。
預O3接觸池一座，分兩個流道。采用水射器擴散接觸，O3投加量為1.0～1.5mg/L，接觸時間T=4分鐘。
尾氣破壞器兩臺，一用一備，采用加熱分解法，型號RB20，處理氣量正常時200kg/h，工作溫度380οC。
東湖水廠O3系統還配備了完善的檢測系統。（1）檢測O3濃度，包括發生器出氣中O3重量百分比濃度、接觸池進出口處剩余O3濃度、O3車間和尾氣車間的環境監測濃度。（2）檢測壓力，有進氣壓力、發生器壓力、尾氣壓力、冷卻水壓力、加壓泵壓力、水射器前后壓力。（3）檢測溫度，包括進氣溫度、尾氣破壞溫度、冷卻水的進出水溫度。（4）檢測流量，包括進氣量、O3氣流量、各分配管的O3氣流量、預臭氧加壓泵流量。另外，測定進氣露點、電功率等。
水廠的O3系統在生產中要能正常運行，施工、安裝是一個非常重要的環節，在東湖水廠的施工過程中我們初步總結出了如下應該注意的問題。
三、水廠臭氧系統在施工中應注意的問題
水廠O3系統的施工首先必須遵守各項常規構（建）筑物的施工原則。但是由于Ｏ3系統中原料O2作為一種活躍的助燃劑，存在爆炸的危險，產物O3具有強腐蝕性和對人的生理毒性，所以O3系統在施工安裝中有許多不同于常規構（建）筑物施工之處，需引起注意。以下僅就此不同之處進行說明。
1、水廠臭氧系統的土建施工
水廠O3系統土建施工的重點在于O3接觸池。由于O3的強腐蝕性和毒性，在澆注、養護砼時應特別注意防止形成空鼓和出現裂縫，以防O3泄漏和腐蝕鋼筋。出于同樣原因，普通構（建）筑物鋼筋保護層厚度為25mm，而O3接觸池則要求50mm。
O3接觸池所有預埋件均要采用316L不銹鋼。為滿足安裝的密封要求，預埋件安裝的水平度和垂直度要嚴格按設計要求執行。所有預埋件均要帶有翼環，以防在預埋件處氣、水滲漏。由于預埋件為不銹鋼材質，固定時要注意材質不同而形成的電化學腐蝕問題。接觸池人孔預埋件安裝不同于普通構筑物，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，應采用機械加工，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，除應按常規構筑物進行滿水試驗外，還要進行氣體密封性試驗。由于國內目前沒有專門針對臭氧接觸池的氣密性試驗標準，我們在施工中參照了GBJ141-90《給水排水構筑物施工及驗收規范》中消化池的氣密性試驗標準執行。
2、臭氧系統管道、設備的安裝
O3系統的管道、設備都采用奧氏體不銹鋼，所接觸的介質是空氣、O2、O3，屬于要求較高的工業管道、設備，應按相應的標準、規范來施工和驗收。O3系統中由于O2和O3的危險性，在生產運行中要求管道和設備既不能有任何泄漏，也不能含有任何顆粒、纖維、油脂，所以臭氧系統管道、設備安裝的最基本要求就是嚴格的密封和清潔。而要達到這一目的就必須在管道的焊接、清洗、吹掃、檢查上嚴格把關。
2.1焊接
O3系統管道的連接最好采用焊接。在施工中發現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，出現了普遍的漏氣現象，要經過反復調整才能解決這一問題。
O3系統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手工鎢極氬弧焊。由于O3系統的管道工作壓力大于0.1Mpa，且輸送的介質為易爆、有毒、氧化性很強的氣體，故管道的施工必須嚴格遵照《壓力管道安全管理與監察規定》、GB50236-98《現場設備、工業管道焊接工程施工及驗收規范》中的相關條款進行。
施工安裝單位必須持有勞動行政部門頒發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目，沒有上述兩證的不得進行操作。
在焊接過程中要注意如下兩個容易忽視的問題。（1）焊絲應符合GB4242《焊接用不銹鋼》，對不同材質的不銹鋼應采用相應的不銹鋼焊絲。一般說來，不銹鋼焊絲比母體不銹鋼要高一個等級。（2）焊接過程中要求不斷向管內充氬氣保護，所采用的氬氣應符合GB4842《氬氣》的規定，純度不低于99.96%，并要保證有一定的通氣量，否則會出現焊縫表面發黑，內部則發生晶間腐蝕。
對焊縫的檢查，設計說明要求的是10%X射線探傷。考慮到實際情況，在施工中我們要求對所有焊縫（100%）實行X射線探傷。由具有資質的檢測部門出具焊縫探傷報告，對Ⅲ級、Ⅳ級焊縫必須返工，任何焊縫的返工不得超過兩次。
2.2清洗、吹掃
管道清洗、吹掃往往在同一個工序中進行，但要注意在整個系統安裝完成后還要分單元進行一次吹掃。
在安裝過程中，管道內所有污物，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。因為如果管道中油脂沒有清洗干凈，任何細小顆粒在高速氣流帶動下與管壁摩擦所產生的能量足以點燃管內的油脂殘留物，導致管道爆炸。因此，清洗、吹掃工作必須引起高度重視。
管道的清洗、吹掃工作應在干凈、通風的室內場地中進行。清潔劑要采用99.8%的乙醇，不能使用氯化物清洗，因為氯化物的殘留物將影響發生器的工作。管道所有部分均要清洗、吹掃，不能留有任何死區。
在施工中我們總結出清洗、吹掃工作按如下程序執行效果良好。
（1）對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，反復擦拭管壁直至干凈為止。
（3）使用無油壓縮機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320-380nm）進行檢查，不能出現碳氫化合物熒光。
（5）將已清洗的管道兩端封住，做好標記，擺放在清潔、干燥的房間里。
為便于管道的清洗，管道上應留有一定的預留口，必須特別注意在焊接預留口時，不能對已清洗的管道造成污染。
2.3檢查
管道、設備安裝完成后，必須做壓力試驗和密封性試驗進行檢查。壓力試驗又稱之為強度試驗。
壓力試驗時，用空壓機壓入無油空氣（或惰性氣體），緩慢增加壓力至設計壓力的1.15倍，然后用發泡劑檢查所有接口，不泄漏為合格。
根據設計要求，密封性試驗按如下進行。壓入無油空氣（或惰性氣體） 至系統操作壓力，穩壓30分鐘，記下管道中的壓力p1和溫度t1,12小時后記下此時的p2和t2。分別換算成絕對壓力P1、P2和絕對溫度T1、T2。因為試驗所用儀表精確度為±1%，所以P1/T1與P2/T2之間的差值在1%以內為合格。
2.4需注意的其它事項
(1)不銹鋼和碳鋼必須分開作業，嚴禁在放有不銹鋼管道和設備的地方加工、焊接碳鋼構件；所使用的工具也要嚴格區分。
(2)管道中由不銹鋼和碳鋼制作的構件之間，以及不同材質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)搬運已清洗干凈的管道時只能觸摸管子外壁，若需接觸內壁時，則必須戴上干凈的手套。
(5)預O3加壓泵的進出水管不宜采用水泥砂漿內防腐，以防水泥砂漿脫落。水廠所有構筑物和管道設備施工完成后，要特別注意做好清渣工作，以防堵塞擴散器。
四、臭氧系統的性能測試和工藝驗證
1、性能測試
東湖水廠O3系統安裝、調試工作已全部結束，并在供貨商的參與下進行了性能測試，主要測試指標是O3發生器的O3產量和單位能耗。測試結果如下：在O3重量濃度比為11%的情況下，單臺O3發生器的O3產量≥8kg/h，O3的單位能耗≤9.8Kwh/kgO3，符合供貨合同技術性能要求。
2、工藝驗證
采用預O3工藝后，為證明預O3工藝作用和對水質的改善程度以及O3產生的副產物，確立針對深圳水源的合適預O3化技術參數和預O3化后的常規處理工藝參數，盡可能以較低的生產成本，最大限度地保證優質、高效、安全供水，必須對東湖水廠的預O3工藝進行驗證。工藝驗證的主要內容如下：
(1)水質感官性指標。采用預O3工藝后，濁度、色度、嗅、味與前加氯時的變化。
(2)三氮（NH3、NO3―、NO2―）的變化。
(3)O3助凝效果。
(4)對隱孢子蟲和賈第蟲的滅活效果。
(5)除藻效果。
(6)TOC、DOC等水質指標的變化。
(7)出廠水中三鹵甲烷（THMS）、總有機鹵（TOX）的變化。
(8)投加 O3后產生的有害副產物醛類（甲醛、乙醛）和溴酸鹽的檢測和評價。
(9)驗證投加 O3后，由于水中溶解氧含量增加，是否會造成生物安全性指標AOC（生物可同化有機碳）、細菌量和大腸菌群量升高。
此外，還要確定O3的利用率、運行成本以及管理的難易程度，驗證原水變化、O3投加量和處理效果的關系。
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