前言

自上世紀90年代開(kāi)始，在我國經(jīng)濟發(fā)達、水源污染嚴重的地區紛紛采用臭氧—活性炭工藝，效果明顯，處理后水質(zhì)大幅提高。由于90年代國內還不能生產(chǎn)2kg/h以上規格臭氧發(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)所用的臭氧設備基本被國外廠(chǎng)家壟斷。但進(jìn)口設備昂貴的價(jià)格，使我國部分地區的自來(lái)水公司難以承受，從而影響了臭氧—活性炭工藝的普及應用。

    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(kāi)發(fā)了氧氣源50kg/h大型臭氧發(fā)生器，并通過(guò)了國家建設部的鑒定。以上成果填補了國產(chǎn)大型臭氧發(fā)生器的技術(shù)空白，技術(shù)指標也逐步提高，目前臭氧濃度可達120-160mg/L（質(zhì)量比8.3%-10.9%）。  

由于近年來(lái)國內臭氧技術(shù)快速發(fā)展，以及進(jìn)口設備價(jià)格、售后服務(wù)方面的問(wèn)題，國產(chǎn)大型臭氧設備越來(lái)越受到國內供水公司及行業(yè)專(zhuān)家的關(guān)注。我國某公司繼2004年起，先后為利津自來(lái)水廠(chǎng)、神華生活區自來(lái)水廠(chǎng)、華聯(lián)三鑫自來(lái)水廠(chǎng)先后提供了2-12kg/h的臭氧系統。2008年7月中標昆山自來(lái)水公司第三水廠(chǎng)20萬(wàn)噸/天自來(lái)水處理的20kg/h臭氧制備系統，于12月安裝調試完畢并投入運行，系統運行3年來(lái)來(lái)穩定可靠，受到業(yè)主的好評。于2009年7月，昆山自來(lái)水公司第四水廠(chǎng)一期30萬(wàn)噸/天自來(lái)水處理的所用2套20kg/h臭氧制備系統進(jìn)行公開(kāi)招標，在與國外臭氧設備的競爭中，我國的公司再次中標。

至此，臭氧系統在自來(lái)水深度處理上還有上海松江自來(lái)水廠(chǎng)（20萬(wàn)噸）、小昆山水廠(chǎng)（20萬(wàn)噸）、濟南鵲華自來(lái)水廠(chǎng)（20萬(wàn)噸）、江蘇建湖自來(lái)水廠(chǎng)（10萬(wàn)噸）、興化自來(lái)水廠(chǎng)（5萬(wàn)噸）、秦山核電站水廠(chǎng)（3.6萬(wàn)噸）等，超高的性?xún)r(jià)比、可靠的運行穩定性和良好的處理效果，受到用戶(hù)普遍好批。

隨著(zhù)國家新的《生活飲用水衛生標準》（GB5749-2006）頒布實(shí)施，相信國產(chǎn)臭氧系統隨著(zhù)技術(shù)指標和設備性能的提高，將會(huì )更廣泛的應用于我國市政供水領(lǐng)域。

1 項目簡(jiǎn)介

該項目為昆山自來(lái)水公司第三水廠(chǎng)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(yíng)養化嚴重，供水水源為Ⅲ-Ⅳ類(lèi)水體，2006年昆山自來(lái)水公司實(shí)施了水質(zhì)深度處理。第三水廠(chǎng)現有供水規模40萬(wàn)m3/d，采用進(jìn)口20kg/h臭氧系統3套（兩用一備），二期工程再增加規模20萬(wàn)m3/d，采用20kg/h臭氧系統1套。

水廠(chǎng)采用O3+常規處理+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(guò)射流器投加，臭氧設計投加量為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(pán)布氣，臭氧設計投加量為1.5mg/L-2.5mg/L。

2 系統總體控制方式及要求

總體控制系統能夠顯示臭氧系統的工藝流程、設備運行狀況，實(shí)現工藝參數設定等，可以根據預先設定在臭氧系統發(fā)生的故障的性質(zhì)，決定在某一故障出現時(shí)報警或同時(shí)自動(dòng)停機；或根據故障的性質(zhì)，分級報警，提示操作員根據故障性質(zhì)輸入指令來(lái)決定處理方式。

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

前臭氧投加控制：根據前臭氧接觸池進(jìn)水流量以及投加比率設定值的變化自動(dòng)調節投加量。

后臭氧投加控制：根據后臭氧接觸池進(jìn)水流量以及投加比率設定值的變化自動(dòng)調節投加量，保證出水達到設定的余臭氧值。

3 臭氧系統設計概述

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

現場(chǎng)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氣補充，使氧氣濃度為95%左右。氣源經(jīng)除塵過(guò)濾，去除大于0.01um的粉塵。進(jìn)氣端管路配置切斷閥門(mén)、安全閥、露點(diǎn)檢測、壓力傳感器、壓力表等。氧氣經(jīng)臭氧放電室轉化成臭氧，經(jīng)臭氧濃度檢測、流量檢測及調節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(chǎng)使O2轉化為O3。臭氧電源裝置自帶PLC控制系統，能實(shí)現本地自動(dòng)控制并可與總控PLC通訊。

臭氧車(chē)間安裝臭氧泄漏報警儀及氧氣泄漏報警儀，車(chē)間內環(huán)境中臭氧或氧氣泄露超標，報警儀檢測發(fā)出信號報警，并可同時(shí)啟動(dòng)車(chē)間排氣裝置。

前臭氧接觸池設計分兩條投加線(xiàn)并聯(lián)投加運行，每條線(xiàn)設計一套臭氧投加單元，采用射流投加，由增壓泵、射流器、流量計、電動(dòng)調節閥、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統一控制，根據設定的供水流量及投加比例由前投加控制柜自動(dòng)調節臭氧的投加量。增壓泵設計為兩用一備，兩條投加線(xiàn)同時(shí)投加臭氧到前臭氧接觸池內。臭氧投加單元的氣動(dòng)切斷閥根據壓力實(shí)現自動(dòng)關(guān)斷，可有效防止水倒灌進(jìn)臭氧輸送管路。

后臭氧接觸池設計分兩格運行，每格設計一條臭氧投加線(xiàn)，每條線(xiàn)設3個(gè)投加點(diǎn)，3個(gè)點(diǎn)臭氧的投加比例順水流方向依次為投加量的60%（調節范圍為40-80%）、20%（調節范圍為10-30%）、20%（調節范圍為10-30%），采用微孔曝氣盤(pán)投加臭氧。每條臭氧投加線(xiàn)設計一套臭氧投加控制單元，由流量計、電動(dòng)調節閥、壓力表等組成。兩套臭氧投加單元由后投加控制柜的PLC統一控制，根據設定的供水流量及投加比例由后投加控制柜自動(dòng)調節臭氧的投加量。臭氧投加控制在總控PLC柜統一設定，總控PLC將控制指令發(fā)送到后投加控制柜。后臭氧接觸池內部均勻分布微孔曝氣盤(pán)，臭氧氣體通過(guò)微孔曝氣盤(pán)均勻地投加到水體中。

后臭氧接觸池還設置多個(gè)取樣口，可通過(guò)取樣口檢測水中剩余臭氧濃度?？刂葡到y還可通過(guò)檢測水中臭氧濃度自控調節后臭氧投加量。

為保證前、后臭氧接觸池內外的壓力平衡，在頂部均安裝雙向安全閥。

前、后臭氧預投加系統各設計了兩臺尾氣臭氧破壞器，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測儀，進(jìn)氣口設置了取樣口，通過(guò)便攜式臭氧濃度監測儀監測尾氣濃度，當尾氣濃度較高時(shí)，可通過(guò)調節系統設定降低臭氧投加量。

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成。

4.1 主要技術(shù)參數

本次設備的技術(shù)參數安裝招標文件的要求設計：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

臭氧電源裝置設計為中頻電源，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。

由于國內電網(wǎng)電壓波動(dòng)較大，諧波干擾各不相同，使國外臭氧設備在國內運行中經(jīng)常出現電源故障。針對以上問(wèn)題，我們對臭氧電源進(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?？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、穩定性更高，更有利于主電路的工作和控制，做到了臭氧運行過(guò)程中能恒電流、恒電壓、恒功率運行，更加適應我國電網(wǎng)電源的實(shí)際情況，使臭氧系統能夠穩定運行。

針對南方夏季的高溫環(huán)境，臭氧電源裝置配置水冷空調，電源工作產(chǎn)生的熱量完全通過(guò)冷卻水帶走，不會(huì )對周?chē)沫h(huán)境造成溫度升高等影響，更不會(huì )依賴(lài)周?chē)h(huán)境條件，在夏季高溫季節采用強制通風(fēng)，避免了進(jìn)口設備的電源裝置采用風(fēng)冷空調散熱的弊端。

臭氧電源裝置自帶PLC控制系統，即就地PLC系統，實(shí)現就地手動(dòng)/自動(dòng)監控臭氧發(fā)生器的運行并與臭氧系統的總控PLC進(jìn)行通訊，實(shí)現遠距離控制監測的功能。臭氧放電室組件配置的自控儀器、自控儀表、自動(dòng)閥門(mén)等，臭氧電源裝置的逆變器、整流器、變壓器、空調及其附屬設備的運行狀況、電源柜溫度等，均由就地PLC自動(dòng)監控。就地PLC系統對臭氧發(fā)生器采用恒濃度控制，即根據自動(dòng)調節后的流量及檢測到的臭氧濃度信號，自動(dòng)調節電源投加功率，使臭氧發(fā)生器工作在一個(gè)相對恒定的濃度上。

4.3臭氧放電室

在常規20kg/h臭氧發(fā)生器放電室結構和技術(shù)的基礎上，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(zhuān)利已授理），采用新型自動(dòng)化恒溫控制燒結爐，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、電動(dòng)調節閥、氣動(dòng)切斷閥、進(jìn)氣過(guò)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(mén)等，主要儀表采用ABB等國際知名品牌，最大限度地保證系統工作的穩定性。臭氧放電室組件帶一體化安裝底座及支架，所有儀表、閥門(mén)及連接管路等一體化安裝完畢，整體調試出廠(chǎng)。

臭氧放電室組件配置原理如下圖：

5 前臭氧投加系統

前臭氧投加系統設計增壓泵3臺（2用1備），設計2套臭氧投加控制單元并聯(lián)工作，2臺尾氣臭氧分解器（1用1備），2臺雙向安全閥，1臺投加控制柜。投加控制柜通過(guò)設定自動(dòng)調節臭氧的投加量和相關(guān)設備的工作/備用狀態(tài)，并與總控PLC進(jìn)行通訊。

3臺增壓泵設置手動(dòng)切換閥門(mén)，切換閥門(mén)帶有閥門(mén)位置開(kāi)關(guān)，控制柜可根據閥門(mén)的位置判斷，確定開(kāi)啟某一臺水泵。

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

6 后臭氧投加系統

6.1 后臭氧接觸池

后臭氧接觸池設計分兩格運行，每格處理水量為4167m3/h，臭氧投加裝置采用剛玉曝氣頭，根據曝氣量和服務(wù)面積共設計曝氣頭96只。曝氣微孔孔徑為10-15μm，產(chǎn)生1-2mm大小的微氣泡。因每格設計一條臭氧投加線(xiàn)，每條線(xiàn)設3個(gè)投加點(diǎn)，每段臭氧的投加比例按順水流方向依次為60%、20%、20%，3個(gè)投加點(diǎn)配用的曝氣盤(pán)數量依次為26只、11只、11只。

每格設計雙向安全閥1只，共2只。每條臭氧投加線(xiàn)設計臭氧投加控制單元1套。

后臭氧接觸系統設計2臺尾氣臭氧分解器，1用1備；2臺除霧器。

6.2后臭氧投加控制單元

臭氧氣體通過(guò)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(xiàn)，各配置一套臭氧投加單元。每套臭氧投加單元經(jīng)臭氧流量計及電動(dòng)調節閥檢測、調節流量，再分為三個(gè)分支管路，各經(jīng)過(guò)一臺分支管道流量計檢測各自流量后分別進(jìn)入三個(gè)投加點(diǎn)。每個(gè)支路除設有流量計外還設有手動(dòng)調節閥、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1只（帶信號輸出）、電動(dòng)角座調節閥1只、分支臭氧流量計3只、壓力表4只、手動(dòng)閥門(mén)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，以達到環(huán)境允許的臭氧濃度標準。前臭氧系統和后臭氧系統各設置2臺尾氣破壞器，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(guò)催化分解作用分解尾氣中的多余臭氧，由催化反應槽、加熱器、溫控器、離心風(fēng)機、檢測儀、控制系統等部件組成，除現場(chǎng)手動(dòng)控制外，還可由PLC實(shí)現遠程自動(dòng)控制。

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

尾氣臭氧分解器由現場(chǎng)PLC控制自動(dòng)運行，實(shí)現就地手動(dòng)/自動(dòng)監控臭氧尾氣破壞器的運行，并與臭氧系統的主控制PLC進(jìn)行通訊，實(shí)現遠距離監控的功能。

后臭氧系統尾氣臭氧分解器組成配置原理如下圖：

8 運行狀況

該套系統于08年12月投入使用，臭氧主機與3套同規格進(jìn)口設備在同一車(chē)間運行，運行狀態(tài)穩定正常，無(wú)故障發(fā)生，總結如下。

a、產(chǎn)量、濃度、電耗穩定正常，達到招標文件要求的技術(shù)指標。

b、電源裝置與進(jìn)口設備相比，對電網(wǎng)的適應性更好，未出現因電網(wǎng)電壓波動(dòng)而停機的現象。

c、自控系統靈敏可靠，實(shí)現了對臭氧發(fā)生器、冷卻系統、前后投加系統及尾氣破壞系統的良好控制。

d、可靠實(shí)現了臭氧發(fā)生量根據水量以“恒定臭氧濃度，調節氧氣流量和功率投加量”的控制方式。

9 結束語(yǔ)

這是國內市政供水行業(yè)第一次所采用國產(chǎn)最大規格的臭氧系統，該系統的設計吸取了國內外市政給水行業(yè)臭氧系統的先進(jìn)經(jīng)驗，重點(diǎn)保證系統運行的穩定性和控制的可靠性。我們會(huì )通過(guò)不斷努力、總結經(jīng)驗，逐漸縮小與國外先進(jìn)臭氧系統的差距，為我國供水事業(yè)做出更大的貢獻。