前言

自上世紀(jì)90年代開始，在我國經(jīng)濟(jì)發(fā)達(dá)、水源污染嚴(yán)重的地區(qū)紛紛采用臭氧—活性炭工藝，效果明顯，處理后水質(zhì)大幅提高。由于90年代國內(nèi)還不能生產(chǎn)2kg/h以上規(guī)格臭氧發(fā)生器，只能選擇進(jìn)口并一直影響至今，目前我國市政給水行業(yè)所用的臭氧設(shè)備基本被國外廠家壟斷。但進(jìn)口設(shè)備昂貴的價(jià)格，使我國部分地區(qū)的自來水公司難以承受，從而影響了臭氧—活性炭工藝的普及應(yīng)用。

    我國某公司自2002年起，先后研制成功空氣源3kg/h、5kg/h、10kg/h 的臭氧發(fā)生器，并于2004年研制出氧氣源20kg/h臭氧發(fā)生器、2008年又成功開發(fā)了氧氣源50kg/h大型臭氧發(fā)生器，并通過了國家建設(shè)部的鑒定。以上成果填補(bǔ)了國產(chǎn)大型臭氧發(fā)生器的技術(shù)空白，技術(shù)指標(biāo)也逐步提高，目前臭氧濃度可達(dá)120-160mg/L（質(zhì)量比8.3%-10.9%）。  

由于近年來國內(nèi)臭氧技術(shù)快速發(fā)展，以及進(jìn)口設(shè)備價(jià)格、售后服務(wù)方面的問題，國產(chǎn)大型臭氧設(shè)備越來越受到國內(nèi)供水公司及行業(yè)專家的關(guān)注。我國某公司繼2004年起，先后為利津自來水廠、神華生活區(qū)自來水廠、華聯(lián)三鑫自來水廠先后提供了2-12kg/h的臭氧系統(tǒng)。2008年7月中標(biāo)昆山自來水公司第三水廠20萬噸/天自來水處理的20kg/h臭氧制備系統(tǒng)，于12月安裝調(diào)試完畢并投入運(yùn)行，系統(tǒng)運(yùn)行3年來來穩(wěn)定可靠，受到業(yè)主的好評(píng)。于2009年7月，昆山自來水公司第四水廠一期30萬噸/天自來水處理的所用2套20kg/h臭氧制備系統(tǒng)進(jìn)行公開招標(biāo)，在與國外臭氧設(shè)備的競爭中，我國的公司再次中標(biāo)。

至此，臭氧系統(tǒng)在自來水深度處理上還有上海松江自來水廠（20萬噸）、小昆山水廠（20萬噸）、濟(jì)南鵲華自來水廠（20萬噸）、江蘇建湖自來水廠（10萬噸）、興化自來水廠（5萬噸）、秦山核電站水廠（3.6萬噸）等，超高的性價(jià)比、可靠的運(yùn)行穩(wěn)定性和良好的處理效果，受到用戶普遍好批。

隨著國家新的《生活飲用水衛(wèi)生標(biāo)準(zhǔn)》（GB5749-2006）頒布實(shí)施，相信國產(chǎn)臭氧系統(tǒng)隨著技術(shù)指標(biāo)和設(shè)備性能的提高，將會(huì)更廣泛的應(yīng)用于我國市政供水領(lǐng)域。

1 項(xiàng)目簡介

該項(xiàng)目為昆山自來水公司第三水廠的二期工程，采用太湖流域傀儡湖水源，由于河網(wǎng)水質(zhì)污染和湖泊富營養(yǎng)化嚴(yán)重，供水水源為Ⅲ-Ⅳ類水體，2006年昆山自來水公司實(shí)施了水質(zhì)深度處理。第三水廠現(xiàn)有供水規(guī)模40萬m3/d，采用進(jìn)口20kg/h臭氧系統(tǒng)3套（兩用一備），二期工程再增加規(guī)模20萬m3/d，采用20kg/h臭氧系統(tǒng)1套。

水廠采用O3+常規(guī)處理+O3-BAC工藝。如下圖示：

臭氧投加分兩個(gè)階段——前臭氧和后臭氧。前臭氧接觸池的接觸時(shí)間為4min，通過射流器投加，臭氧設(shè)計(jì)投加量為0.5mg/L-1.0mg/L，有效水深為6.0m。后臭氧接觸池分為2格，每格3個(gè)投加點(diǎn)，投加比例為6:2:2，有效水深為6.0m，接觸時(shí)間約10min，采用微孔陶瓷盤布?xì)?，臭氧設(shè)計(jì)投加量為1.5mg/L-2.5mg/L。

2 系統(tǒng)總體控制方式及要求

總體控制系統(tǒng)能夠顯示臭氧系統(tǒng)的工藝流程、設(shè)備運(yùn)行狀況，實(shí)現(xiàn)工藝參數(shù)設(shè)定等，可以根據(jù)預(yù)先設(shè)定在臭氧系統(tǒng)發(fā)生的故障的性質(zhì)，決定在某一故障出現(xiàn)時(shí)報(bào)警或同時(shí)自動(dòng)停機(jī)；或根據(jù)故障的性質(zhì)，分級(jí)報(bào)警，提示操作員根據(jù)故障性質(zhì)輸入指令來決定處理方式。

臭氧發(fā)生控制方式：臭氧發(fā)生量根據(jù)需要以“恒定臭氧濃度，調(diào)節(jié)氧氣流量和功率投加量”進(jìn)行控制。

前臭氧投加控制：根據(jù)前臭氧接觸池進(jìn)水流量以及投加比率設(shè)定值的變化自動(dòng)調(diào)節(jié)投加量。

后臭氧投加控制：根據(jù)后臭氧接觸池進(jìn)水流量以及投加比率設(shè)定值的變化自動(dòng)調(diào)節(jié)投加量，保證出水達(dá)到設(shè)定的余臭氧值。

3 臭氧系統(tǒng)設(shè)計(jì)概述

 20kg/h氧氣源臭氧系統(tǒng)主要包含20kg/h臭氧發(fā)生器、前臭氧投加系統(tǒng)、后臭氧投加系統(tǒng)、尾氣臭氧破壞系統(tǒng)、檢測及PLC監(jiān)控系統(tǒng)、儀表空氣及液氧補(bǔ)加空氣系統(tǒng)。

現(xiàn)場提供氧氣濃度90%以上的富氧氣源，純氧氣源作為備用，使用時(shí)添加5%左右的壓縮空氣作為氮?dú)庋a(bǔ)充，使氧氣濃度為95%左右。氣源經(jīng)除塵過濾，去除大于0.01um的粉塵。進(jìn)氣端管路配置切斷閥門、安全閥、露點(diǎn)檢測、壓力傳感器、壓力表等。氧氣經(jīng)臭氧放電室轉(zhuǎn)化成臭氧，經(jīng)臭氧濃度檢測、流量檢測及調(diào)節(jié)等輸送到臭氧傳輸管道。出氣口管路還配置溫度傳感器及壓力表等。

臭氧電源裝置向臭氧放電室輸出電壓4kV左右、頻率800Hz左右的電源，在放電單元中形成中頻高壓電場使O2轉(zhuǎn)化為O3。臭氧電源裝置自帶PLC控制系統(tǒng)，能實(shí)現(xiàn)本地自動(dòng)控制并可與總控PLC通訊。

臭氧車間安裝臭氧泄漏報(bào)警儀及氧氣泄漏報(bào)警儀，車間內(nèi)環(huán)境中臭氧或氧氣泄露超標(biāo)，報(bào)警儀檢測發(fā)出信號(hào)報(bào)警，并可同時(shí)啟動(dòng)車間排氣裝置。

前臭氧接觸池設(shè)計(jì)分兩條投加線并聯(lián)投加運(yùn)行，每條線設(shè)計(jì)一套臭氧投加單元，采用射流投加，由增壓泵、射流器、流量計(jì)、電動(dòng)調(diào)節(jié)閥、氣動(dòng)切斷閥、壓力傳感器、壓力表等組成。兩套臭氧投加單元由前投加控制柜的PLC統(tǒng)一控制，根據(jù)設(shè)定的供水流量及投加比例由前投加控制柜自動(dòng)調(diào)節(jié)臭氧的投加量。增壓泵設(shè)計(jì)為兩用一備，兩條投加線同時(shí)投加臭氧到前臭氧接觸池內(nèi)。臭氧投加單元的氣動(dòng)切斷閥根據(jù)壓力實(shí)現(xiàn)自動(dòng)關(guān)斷，可有效防止水倒灌進(jìn)臭氧輸送管路。

后臭氧接觸池設(shè)計(jì)分兩格運(yùn)行，每格設(shè)計(jì)一條臭氧投加線，每條線設(shè)3個(gè)投加點(diǎn)，3個(gè)點(diǎn)臭氧的投加比例順?biāo)鞣较蛞来螢橥都恿康?/span>60%（調(diào)節(jié)范圍為40-80%）、20%（調(diào)節(jié)范圍為10-30%）、20%（調(diào)節(jié)范圍為10-30%），采用微孔曝氣盤投加臭氧。每條臭氧投加線設(shè)計(jì)一套臭氧投加控制單元，由流量計(jì)、電動(dòng)調(diào)節(jié)閥、壓力表等組成。兩套臭氧投加單元由后投加控制柜的PLC統(tǒng)一控制，根據(jù)設(shè)定的供水流量及投加比例由后投加控制柜自動(dòng)調(diào)節(jié)臭氧的投加量。臭氧投加控制在總控PLC柜統(tǒng)一設(shè)定，總控PLC將控制指令發(fā)送到后投加控制柜。后臭氧接觸池內(nèi)部均勻分布微孔曝氣盤，臭氧氣體通過微孔曝氣盤均勻地投加到水體中。

后臭氧接觸池還設(shè)置多個(gè)取樣口，可通過取樣口檢測水中剩余臭氧濃度?？刂葡到y(tǒng)還可通過檢測水中臭氧濃度自控調(diào)節(jié)后臭氧投加量。

為保證前、后臭氧接觸池內(nèi)外的壓力平衡，在頂部均安裝雙向安全閥。

前、后臭氧預(yù)投加系統(tǒng)各設(shè)計(jì)了兩臺(tái)尾氣臭氧破壞器，一用一備，確保排入環(huán)境大氣中的臭氧濃度低于0.1ppm。尾氣臭氧破壞器出氣口有排氣臭氧濃度監(jiān)測儀，進(jìn)氣口設(shè)置了取樣口，通過便攜式臭氧濃度監(jiān)測儀監(jiān)測尾氣濃度，當(dāng)尾氣濃度較高時(shí)，可通過調(diào)節(jié)系統(tǒng)設(shè)定降低臭氧投加量。

4 氧氣源20kg/h臭氧發(fā)生器

臭氧發(fā)生器采用國林公司自主研發(fā)的20kg/h大型中頻臭氧發(fā)生器，主要部分由臭氧放電室組件和臭氧電源裝置構(gòu)成。

4.1 主要技術(shù)參數(shù)

本次設(shè)備的技術(shù)參數(shù)安裝招標(biāo)文件的要求設(shè)計(jì)：臭氧產(chǎn)量≥ 20kgO3/h ；臭氧濃度≥ 8.0wt%；功耗7.8-10kWh/kgO3。

我國目前的臭氧技術(shù)已達(dá)到臭氧濃度≥ 10wt%條件下，功耗≤10kWh/kgO3。

4.2臭氧電源裝置

臭氧電源裝置設(shè)計(jì)為中頻電源，與國外大功率臭氧電源一樣，采用全控整流逆變式大功率電源技術(shù)，由整流、逆變和升壓回路組成的。

由于國內(nèi)電網(wǎng)電壓波動(dòng)較大，諧波干擾各不相同，使國外臭氧設(shè)備在國內(nèi)運(yùn)行中經(jīng)常出現(xiàn)電源故障。針對(duì)以上問題，我們對(duì)臭氧電源進(jìn)行了優(yōu)化改進(jìn)，增加了電源諧波濾除裝置，隔離電網(wǎng)諧波和消除系統(tǒng)正常工作時(shí)產(chǎn)生的諧波；采用非阻容吸收式可控硅逆變電路和LCM1200C大規(guī)?？删幊踢壿嬈骷﨏PLD控制技術(shù)，使臭氧電源的控制速度更快、穩(wěn)定性更高，更有利于主電路的工作和控制，做到了臭氧運(yùn)行過程中能恒電流、恒電壓、恒功率運(yùn)行，更加適應(yīng)我國電網(wǎng)電源的實(shí)際情況，使臭氧系統(tǒng)能夠穩(wěn)定運(yùn)行。

針對(duì)南方夏季的高溫環(huán)境，臭氧電源裝置配置水冷空調(diào)，電源工作產(chǎn)生的熱量完全通過冷卻水帶走，不會(huì)對(duì)周圍的環(huán)境造成溫度升高等影響，更不會(huì)依賴周圍環(huán)境條件，在夏季高溫季節(jié)采用強(qiáng)制通風(fēng)，避免了進(jìn)口設(shè)備的電源裝置采用風(fēng)冷空調(diào)散熱的弊端。

臭氧電源裝置自帶PLC控制系統(tǒng)，即就地PLC系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)就地手動(dòng)/自動(dòng)監(jiān)控臭氧發(fā)生器的運(yùn)行并與臭氧系統(tǒng)的總控PLC進(jìn)行通訊，實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)距離控制監(jiān)測的功能。臭氧放電室組件配置的自控儀器、自控儀表、自動(dòng)閥門等，臭氧電源裝置的逆變器、整流器、變壓器、空調(diào)及其附屬設(shè)備的運(yùn)行狀況、電源柜溫度等，均由就地PLC自動(dòng)監(jiān)控。就地PLC系統(tǒng)對(duì)臭氧發(fā)生器采用恒濃度控制，即根據(jù)自動(dòng)調(diào)節(jié)后的流量及檢測到的臭氧濃度信號(hào)，自動(dòng)調(diào)節(jié)電源投加功率，使臭氧發(fā)生器工作在一個(gè)相對(duì)恒定的濃度上。

4.3臭氧放電室

在常規(guī)20kg/h臭氧發(fā)生器放電室結(jié)構(gòu)和技術(shù)的基礎(chǔ)上，改進(jìn)了放電室的冷卻工藝和放電體的裝配工藝，提高了放電室的冷卻效率，放電體進(jìn)行了嚴(yán)格地篩選，每個(gè)放電單元的電容值接近相同，更有利于高濃度臭氧的產(chǎn)出。

改進(jìn)了放電體的材料和燒結(jié)工藝，采用第三代放電體釉料和SPCC材料的放電體基體（發(fā)明專利已授理），采用新型自動(dòng)化恒溫控制燒結(jié)爐，提高了放電體的放電效率為30%。

臭氧放電室組件帶一體化安裝底座及支架，配置產(chǎn)品氣體臭氧濃度檢測儀、臭氧流量計(jì)、電動(dòng)調(diào)節(jié)閥、氣動(dòng)切斷閥、進(jìn)氣過濾器、露點(diǎn)傳感器、壓力傳感器、溫度傳感器、就地儀表及手動(dòng)閥門等，主要儀表采用ABB等國際知名品牌，最大限度地保證系統(tǒng)工作的穩(wěn)定性。臭氧放電室組件帶一體化安裝底座及支架，所有儀表、閥門及連接管路等一體化安裝完畢，整體調(diào)試出廠。

臭氧放電室組件配置原理如下圖：

5 前臭氧投加系統(tǒng)

前臭氧投加系統(tǒng)設(shè)計(jì)增壓泵3臺(tái)（2用1備），設(shè)計(jì)2套臭氧投加控制單元并聯(lián)工作，2臺(tái)尾氣臭氧分解器（1用1備），2臺(tái)雙向安全閥，1臺(tái)投加控制柜。投加控制柜通過設(shè)定自動(dòng)調(diào)節(jié)臭氧的投加量和相關(guān)設(shè)備的工作/備用狀態(tài)，并與總控PLC進(jìn)行通訊。

3臺(tái)增壓泵設(shè)置手動(dòng)切換閥門，切換閥門帶有閥門位置開關(guān)，控制柜可根據(jù)閥門的位置判斷，確定開啟某一臺(tái)水泵。

每套臭氧投加單元包括：射流器1臺(tái)、臭氧流量計(jì)1只（帶信號(hào)輸出）、電動(dòng)角座調(diào)節(jié)閥 1只、氣動(dòng)切斷閥1只、壓力傳感器1只、Y型過濾器1只、壓力表3只、手動(dòng)閥門1套，組成配置原理如下圖：

6 后臭氧投加系統(tǒng)

6.1 后臭氧接觸池

后臭氧接觸池設(shè)計(jì)分兩格運(yùn)行，每格處理水量為4167m3/h，臭氧投加裝置采用剛玉曝氣頭，根據(jù)曝氣量和服務(wù)面積共設(shè)計(jì)曝氣頭96只。曝氣微孔孔徑為10-15μm，產(chǎn)生1-2mm大小的微氣泡。因每格設(shè)計(jì)一條臭氧投加線，每條線設(shè)3個(gè)投加點(diǎn)，每段臭氧的投加比例按順?biāo)鞣较蛞来螢?/span>60%、20%、20%，3個(gè)投加點(diǎn)配用的曝氣盤數(shù)量依次為26只、11只、11只。

每格設(shè)計(jì)雙向安全閥1只，共2只。每條臭氧投加線設(shè)計(jì)臭氧投加控制單元1套。

后臭氧接觸系統(tǒng)設(shè)計(jì)2臺(tái)尾氣臭氧分解器，1用1備；2臺(tái)除霧器。

6.2后臭氧投加控制單元

臭氧氣體通過管道通至臭氧接觸池頂端并分為兩路進(jìn)入每條臭氧投加線，各配置一套臭氧投加單元。每套臭氧投加單元經(jīng)臭氧流量計(jì)及電動(dòng)調(diào)節(jié)閥檢測、調(diào)節(jié)流量，再分為三個(gè)分支管路，各經(jīng)過一臺(tái)分支管道流量計(jì)檢測各自流量后分別進(jìn)入三個(gè)投加點(diǎn)。每個(gè)支路除設(shè)有流量計(jì)外還設(shè)有手動(dòng)調(diào)節(jié)閥、壓力表，進(jìn)行氣量控制和壓力檢測，控制每個(gè)點(diǎn)的臭氧投加量。

每套臭氧投加控制單元包括：總管臭氧流量計(jì)1只（帶信號(hào)輸出）、電動(dòng)角座調(diào)節(jié)閥1只、分支臭氧流量計(jì)3只、壓力表4只、手動(dòng)閥門1套，組成配置原理如下圖：

7 尾氣臭氧分解器

因臭氧屬有害氣體，尾氣中未被溶解的臭氧需去除掉，以達(dá)到環(huán)境允許的臭氧濃度標(biāo)準(zhǔn)。前臭氧系統(tǒng)和后臭氧系統(tǒng)各設(shè)置2臺(tái)尾氣破壞器，1用1備。

臭氧尾氣破壞采用加熱-催化混合型尾氣臭氧分解方式，主要通過催化分解作用分解尾氣中的多余臭氧，由催化反應(yīng)槽、加熱器、溫控器、離心風(fēng)機(jī)、檢測儀、控制系統(tǒng)等部件組成，除現(xiàn)場手動(dòng)控制外，還可由PLC實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程自動(dòng)控制。

尾氣在進(jìn)入催化反應(yīng)槽之前先經(jīng)過預(yù)加熱，防止其在工藝過程中由于冷凝產(chǎn)生液態(tài)水。加熱器通過溫控器，可保證系統(tǒng)按設(shè)定的溫度范圍工作。在催化反應(yīng)槽內(nèi)臭氧分子在通過催化劑得以分解，去除臭氧的尾氣被離心風(fēng)機(jī)從催化床抽出排入大氣。

尾氣臭氧分解器由現(xiàn)場PLC控制自動(dòng)運(yùn)行，實(shí)現(xiàn)就地手動(dòng)/自動(dòng)監(jiān)控臭氧尾氣破壞器的運(yùn)行，并與臭氧系統(tǒng)的主控制PLC進(jìn)行通訊，實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)距離監(jiān)控的功能。

后臭氧系統(tǒng)尾氣臭氧分解器組成配置原理如下圖：

8 運(yùn)行狀況

該套系統(tǒng)于08年12月投入使用，臭氧主機(jī)與3套同規(guī)格進(jìn)口設(shè)備在同一車間運(yùn)行，運(yùn)行狀態(tài)穩(wěn)定正常，無故障發(fā)生，總結(jié)如下。

a、產(chǎn)量、濃度、電耗穩(wěn)定正常，達(dá)到招標(biāo)文件要求的技術(shù)指標(biāo)。

b、電源裝置與進(jìn)口設(shè)備相比，對(duì)電網(wǎng)的適應(yīng)性更好，未出現(xiàn)因電網(wǎng)電壓波動(dòng)而停機(jī)的現(xiàn)象。

c、自控系統(tǒng)靈敏可靠，實(shí)現(xiàn)了對(duì)臭氧發(fā)生器、冷卻系統(tǒng)、前后投加系統(tǒng)及尾氣破壞系統(tǒng)的良好控制。

d、可靠實(shí)現(xiàn)了臭氧發(fā)生量根據(jù)水量以“恒定臭氧濃度，調(diào)節(jié)氧氣流量和功率投加量”的控制方式。

9 結(jié)束語

這是國內(nèi)市政供水行業(yè)第一次所采用國產(chǎn)最大規(guī)格的臭氧系統(tǒng)，該系統(tǒng)的設(shè)計(jì)吸取了國內(nèi)外市政給水行業(yè)臭氧系統(tǒng)的先進(jìn)經(jīng)驗(yàn)，重點(diǎn)保證系統(tǒng)運(yùn)行的穩(wěn)定性和控制的可靠性。我們會(huì)通過不斷努力、總結(jié)經(jīng)驗(yàn)，逐漸縮小與國外先進(jìn)臭氧系統(tǒng)的差距，為我國供水事業(yè)做出更大的貢獻(xiàn)。