给水排水 Ｖｏｌ
．４０ Ｎｏ．９ ２０１４１３
臭氧—活性炭在净水厂设计中若干问题的探讨
邵世云１ 刘 平１ 崔孝光２
（１中国环境科学学会，北京 １００
０８２；２北京市市政工程设计研究总院有限公司，北京 １０００８２） 摘要 臭氧—活性炭吸附工艺是目前常用的深度处理技术，
臭氧预氧化和粉末活性炭投加措施也是应对微污染原水的有效处理措施。臭氧发生器作为深度处理技术的核心设备，如何合理经济选择氧源系统，科学确定臭氧发生器设备台数，明确设备的各种技术参数，使臭氧系统能够灵活适应各种运行工况和环境条件，是招标工作中需要密切关注的问题。臭氧—活性炭系统的防火防爆措施如何满足安全和消防部门的要求、活性炭吸附池池型对反冲洗效果的影响、系统管道及附件和臭氧接触池的防腐措施等关键因素在设计过程中容易被忽视。通过对近年来相关给水深度处理技术文献资料的归纳整理和综合分析，并结合近年来净水厂深度处理工程的设计体会和经验，提出了臭氧—活性炭技术在水厂设计应用中容易忽视的问题，并对适宜的解决方案进行了探讨。
关键词 净水厂设计 深度处理 臭氧 活性炭
Ｐｒｏｂｅ ｉｎｔｏ ｓｏｍｅ ｐ
ｒｏｂｌｅｍｓ ｏｆ ｔｈｅ ｐｒｏｃｅｓｓ ｏｆ ｏｚｏｎｅ?ａｃｔｉｖａｔｅｄｃａｒｂｏｎ ｉｎ ｗａｔｅｒ ｔｒｅａｔｍｅｎｔ ｐｌａｎｔ ｄｅｓｉｇ
ｎＳｈａｏ Ｓｈｉｙｕｎ１，Ｌｉｕ Ｐｉｎｇ１，Ｃｕｉ Ｘｉａｏｇｕａｎｇ
２
（１．Ｃｈｉｎｅｓｅ Ｓｏｃｉｅｔｙ ｆｏｒ Ｅｎｖｉｒｏｎｍｅｎｔａｌ Ｓｃｉｅｎｃｅｓ，Ｂｅｉｊｉｎｇ
１０００８２，Ｃｈｉｎａ；２．Ｂｅｉｊｉｎｇ ＧｅｎｅｒａｌＭｕｎｉｃｉｐａｌ Ｅｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇ Ｄｅｓｉｇｎ ａｎｄ Ｒｅｓｅａｒｃｈ Ｉｎｓｔｉｔｕｔｅ Ｃｏ．，Ｌｔｄ．，Ｂｅｉｊｉｎｇ １０００８２，Ｃｈｉｎａ）Ａｂｓｔｒａｃｔ：Ｏｚｏｎｅ ｏｘｉｄａｔｉｏｎ ａｎｄ ａｃｔｉｖａｔｅｄ ｃａｒｂｏｎ ａｄｓｏｒｐｔｉｏｎ ｐｒｏｃｅｓｓ ｉｓ ｃｕｒｒｅｎｔｌｙ
ｕｓｅｄ ａｄｖａｎｃｅｄｔｒｅａｔｍｅｎｔ ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ，ｅｆｆｅｃｔｉｖｅ ｔｒｅａｔｍｅｎｔ ｍｅａｓｕｒｅｓ ｏｆ ｏｚｏｎｅ ｐｒｅｏｘｉｄａｔｉｏｎ ａｎｄ ｐｏｗｄｅｒｅｄ ａｃｔｉｖａｔｅｄｃａｒｂｏｎ ｄｏｓｉｎｇ
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ｒｉａｔｅ ｓｏｌｕｔｉｏｎｓ ｗｅｒｅ ｄｉｓｃｕｓｓｅｄ．Ｋｅｙ
ｗｏｒｄｓ：Ｗａｔｅｒ ｔｒｅａｔｍｅｎｔ ｐｌａｎｔ ｄｅｓｉｇｎ；Ａｄｖａｎｃｅｄ ｔｒｅａｔｍｅｎｔ；Ｏｚｏｎｅ；Ａｃｔｉｖａｔｅｄ ｃａｒｂｏ
ｎDOI:10.13789/https://www.doczj.com/doc/971903250.html,ki.wwe1964.2014.0221
０ 引言
《生活饮用水卫生标准》（ＧＢ ５７４９—２００６）［１］的颁布实施对净水厂出水水质提出了更高要求：当原水耗氧量小于６ｍｇ／Ｌ时，要求出水的ＣＯＤＭｎ不得大于３ｍｇ／Ｌ。传统地表水处理工艺对有机污染物的去除效果有限，为满足出水要求，在水源水质达不到Ⅱ类水体要求时，应考虑采用深度处理工艺［２～４］。臭氧氧化活性炭吸附工艺是目前常用的深度处理技术，可有效去除原水中的有机污染物质，改善色臭味等感官指标，降低管网内可同化有机碳（ＡＯＣ）的生物风险和加氯产生的消毒副产物风险［５～８］，为提高工艺处理效果，在臭氧—活性炭工艺的基础上一般还采用臭氧预氧化和粉末活性炭投加等措施。
臭氧—活性炭吸附技术从原理上并不复杂，但相对于净水设计中的常规工艺来说，其中的很多细节稍有忽视，就会对整个深度处理工程的效果产生较大的影响［９，１０］。本文把需要重视和容易忽视的一些问题归纳总结出来，并对问题的解决方案进行了探讨。
１ 臭氧发生器招标条件
１．１ 设备台数与臭氧量调节
臭氧设备台数应考虑最大投加量、各生产厂家臭氧发生器的单台能力以及运行中可能的最小投加量后综合确定。设备不考虑硬备用，当其中一台设备事故时其余臭氧发生器通过降低臭氧浓度的方式加大臭氧产生量，满足臭氧投加量的需求。
臭氧发生量控制方式（减少臭氧发生量）一般分为：减少臭氧运行台数、恒定氧气流量；降低臭氧浓度和恒定臭氧浓度；降低氧气流量等３种方式。第１种方式受限于设备台数限制，在实际运行中一般不采用；第２种方式可节省电能浪费氧气；相对于第２种方式，第３种方式节省氧气浪费电能。
为节省氧源减少运行成本，某水厂在生产中拟采用第３种方式，但在运行中发现：当原水水质较好时，臭氧的投加量只需单台设备能力的一部分，采用降低氧气流量的措施，运行中氧气的实际节省量比理想值相差甚远。经调查，由于放电管间隙量等关键参数不同，不同生产厂家的臭氧发生器对放电管内氧气通量的最低限值存在很大差异，氧气通量最低限值要求较高的臭氧发生器，其运行中氧气流量无法降低到实际需要值。
南方部分水厂由于原水水质常年变化小，臭氧投加量变化可能不大，而北方地区大多数水厂由于原水水质的季节性差别较大，夏冬两季的臭氧需要量相差较大，在臭氧设备选型时可以考虑采用大小规格的臭氧发生器搭配，并在招标书中将降低臭氧产生量必须达到一定的氧气消耗量作为重要指标，成为设备能耗优劣的评判依据。
１．２ 氧源系统
氧源品质是臭氧设备供应商所提供的各种设备附件能否满足当地可供氧源的重要条件。一般应在臭氧设备招标文件中明确氧源的氧气露点（－６８℃）、液氧系统氧气供气压力、供气温度和氧气中颗粒尺寸等关键指标。其中液氧的露点关系着臭氧发生器的安全和效率，是最重要的指标。
某水厂臭氧设备招标书中明确：“臭氧制备的气源为液态纯氧。液氧系统设备及液氧原料拟采用与ＰＲＡＸ ＡＩＲ或ＡＩＲ ＰＲＯＤＵＣＴＳ公司提供的产品品质相当或不低于其质量标准的产品”。
而某工程在招标文件中未明确氧源条件，曾发生臭氧设备供货中未含氧气过滤器，却对氧源中的颗粒物等指标提出要求，工程周边的液氧厂产品无法满足其要求的情况。由于外方合同的更改和供货均需要一定的手续，虽最终经协商解决，但对工程的顺利进展还是产生了影响。
１．３ 环境温度
臭氧发生器设有冷却水系统，一般不会向外界放出热量，臭氧发生器的供电设备（ＰＳＵ）要发出大量热，致使构筑物内室温升高，不利于管理运行。
某泵站臭氧标书中规定：“环境温度：５～４０℃”、“臭氧设备各配电单元应设置合理的冷却方式，以适应现场工作环境的要求”，但没有明确指出设备供货商是否应负责设备工作时室温不得超过４０℃这个含义，因此供货商在设备成套供货时没有考虑采用发热少的设备或增加排放风机等辅助设备。在设计联络工作中供货商的补充资料中显示：若在夏季臭氧发生器满负荷运转，ＰＳＵ放出的热量会使室内温度超过４０℃，为解决此遗留问题，业主需自行购置排风设备，增设排风管排除热量，已建成的构筑物需重新凿洞吊管，对工程进度和投资控制产生一定影响
。
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１．４ 冷却水
冷却水用来交换臭氧发生器放电管散发的热量。冷却水的水温和水质决定着臭氧发生器的效率、臭氧冷却系统形式和冷却水取水点的位置。冷却水温度越高，臭氧系统耗电量越大。冷却水系统分为闭路循环和开路循环两种，开路循环对水质要求较高，一般对氯离子含量有所要求；闭路循环采用纯水（补充量很小）冷却放电管，外部冷却水通过板式换热片冷却纯水，因此对冷却水水质要求不高。
某水厂、泵站设备招标书中均明确：“臭氧制备系统所用的冷却水为厂区自用水，卖方应根据自身设备的要求提出最优的详细配置方案”、“水温：０～３０℃”。标书要求臭氧设备在最高冷却水温时应达到最大生产能力，同时要求供货商报出２５℃冷却水温时的耗电量作为耗能指标高低的评判。
某工程臭氧发生器冷却水原采用开路循环方式，由于臭氧设备对余氯有严格要求，需在进入清水池前取未加氯的水通过加压泵向臭氧系统提供冷却水。为滤池运行安全考虑，业主提出增加滤前加氯的可能，因此冷却水水质很难达到臭氧设备的要求，另外冷却水加压泵和臭氧设备分置两地，供水管路长，能耗高，也不便于运行管理。为安全起见，后改为闭路循环，在臭氧发生器间内增加纯水补充和换热装置。
１．５ 供电
臭氧发生器工作时候需将工频５０Ｈｚ调频到几千Ｈｚ，有可能产生谐波，对上级电网造成影响，需在招标书中提出相关要求。
某水厂、泵站招标文件要求：每台臭氧发生器成套配电装置应采取抑制谐波的措施，保证运行时，总谐波畸变率＜５％，总奇次谐波＜４％。中标的供货商均能满足上述要求，其中有的设备供货商还承诺：每台臭氧发生器成套配电装置都采取抑制谐波的措施，卖方的ＰＷＭ电网谐波对策装置的结果，总谐波畸变率为０，总奇次谐波为０。
２ 液氧系统设计
２．１ 氧源形式选择
臭氧气源有两种方式即空气制氧和液氧，空气制氧有ＶＰＳＡ和ＰＳＡ制备两种方式。具体采用哪种方式应根据近远期氧气需要量、当地液氧供应价格、制氧站的运行电费和人工管理费用以及场地条件等因素，通过技术经济的综合比较后确定。
同时规范要求：“考虑到制氧机定期停运维护保养和设备故障，采用空气制氧方式时必须配备备用液氧储罐及其蒸发器，氧气储存量按不小于２ｄ考虑”。
某水厂、泵站工程设计中，对空气制氧和液氧两种方式的初期投资和运行费用进行折现值的经济比较，得出初步结论：每日需纯氧量＜５ｔ／ｄ（相当臭氧投加量２０ｋｇ／ｈ）时，宜采用液氧制氧的方式。每日需纯氧量＞１０ｔ／ｄ（相当臭氧投加量４０ｋｇ／ｈ）时，采用现场空气制氧方式。
经对国内水厂的臭氧系统的现场考察和征询业主意见，空气制氧系统设备繁杂，占地大，噪声大，水厂现有人员运行管理较为困难，须外聘专业人员协助运行，某泵站工程尽管在经济上考虑采用空气制氧较为合适，但考虑到目前原水水质较好，近期臭氧投加量不可能达到远期设计值的因素，最终采取了近期利用液氧，留有空气制氧用地的方案。
２．２ 蒸发器
液氧蒸发器的蒸发能力应考虑以下两种不利情况：
（１）环境温度。设计应考虑环境低温时的蒸发器蒸发能力，或当环境温度低于蒸发器的额定能力时采用电加热增大蒸发量时，设计中应预留电加热的电负荷和装置。
（２）最大气量。水厂内设有两台以上臭氧发生器，当一台臭氧发生器发生故障时，其他发生器应能保证原有臭氧发生量，但此时臭氧浓度低，需要的氧气量大，蒸发器规格和氧气输水管路的能力应以此时的氧气量核算。
２．３ 液氧区周边道路
液氧区周边道路和液氧运输的槽车规格有关，设计时应尽早联系可能的液氧供货商，获取液氧槽车的吨位和转弯半径等参数，以便布置液氧区周边道路。
按防火规范要求，液氧罐周围５ｍ范围内应避免绿化防止冬季干草火灾隐患，不得设置易燃的沥青路面。
２．４ 厂区布置
《建筑设计防火规范》中规定了液氧储罐和其他相邻建筑物的防火间距，某水厂液氧储罐容积是１５ｍ３，折合标准状态下气态氧总容积１２ ０００ｍ３，
液氧
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罐和民用建筑物的距离应大于２０ｍ，和其他建筑的间距按建筑物耐火等级考虑分别为１２～１６ｍ。由于受场地占地面积的条件限制，该厂提高了相邻建筑物的耐火等级，减少了防火间距，满足消防要求。３ 臭氧发生器间和粉末活性炭储存车间设计３．１ 建筑设计
臭氧发生器以氧气为原料制作臭氧，氧气和臭氧均为助燃气体，《室外给水设计规范》中规定：“臭氧发生器间宜按氧气站和空分厂房设计”。按《建筑设计防火规范》中生产的火灾危险性分类，臭氧发生器间属于乙类，工艺专业应提出要求，建筑专业按乙类要求进行构筑物的防火设计及确定臭氧发生器间和其他构筑物的防火间距。
按《建筑设计防火规范》规定：“粉末活性炭、高锰酸钾以及臭氧（氧气）分别属于易爆炸粉尘、非强氧化剂和助燃气体，上述３种物质的投加车间均应按火灾危险性乙类设计”；“散发较空气重的可燃气体、可燃蒸汽的甲类厂房以及有粉尘、纤维爆炸危险的乙类厂房，应采用不发火花的地面”；“有爆炸危险的甲、乙类厂房应设置泄压设施”。
如按防火规范理解，只有粉末活性炭具有爆炸危险可能，粉末活性炭储存车间应采用不发火地面并设置泄压设施。氧气只属于助燃气体，不存在爆炸危险，臭氧发生器车间是否只属于乙类危险性，而不必采用不发火地面，有待进一步研讨。
３．２ 设备选型
《室外给水设计规范》明确规定：“在设有臭氧发生器的建筑内，用电设备必须采用防爆型”。供货商提供的臭氧设备一般均能满足要求，但业主自行采购的配套设备包括电气柜照明等设备选型，以及在房间布置中也应考虑这个因素。
粉末活性炭投加车间的吊车等设备的防爆问题往往容易被忽视，应引起足够重视。
４ 臭氧投加系统
４．１ 臭氧投加方式
对于预臭氧，由于原水中还原物质等杂质较多，加之臭氧氧化能力远远大于氧气，因此不宜采用污水生物池采用的直接曝气的方式，而应采用孔径较大的射流曝气方式，防止孔口被氧化后的杂质堵塞。后臭氧投加于滤后水，水质较好，可采用微孔曝气器方式。
预臭氧一般采用水射器射流曝气形式，系统包括水射器、射流扩散器、加压水泵等。
４．２ 预臭氧加压水
某水厂招标书中已明确了加压水水源（水源取自配水井）并要求“曝气设备能防止被原水中的杂质堵塞”。某泵站标书更明确要求：“水射器用水为原水，水中固体颗粒物≤５ｍｍ，卖方应设置过滤装置，防止曝气设备被原水中的杂质堵塞”。
供货商在供货中仅提供了普通Ｙ型过滤器，尽管水厂在配水井处增加了５～８ｍｍ的格栅，但该水厂在运行初期水射器经常堵塞，预臭氧无法加入，后来利用停水检修设备时机，调整加压水吸水管布置方式并在吸水管头部增加网罩加以解决。该泵站在设计中吸取了上述经验，在加压泵的吸水管上增加带有自动清洗功能的过滤器。
某工程设计中预臭氧加压水从配水井吸水，经过近一年的运行，堵塞情况也严重，业主也不得不采取措施加以解决。
预臭氧加压水应尽量按照《室外给水设计规范》要求：“抽吸臭氧气体水射器的动力水不宜采用原水”，应采用沉淀（澄清）或滤池出水，必须采用原水时应采用相应措施。
４．３ 臭氧系统防腐设计
《室外给水设计规范》指出：“一般橡胶、大多数塑料、普通钢和铁以及铝的功能材料均不能用于臭氧处理系统”。适用的材料主要包括３１６号和３０５号不锈钢、玻璃、氯磺烯化聚乙烯合成橡胶、聚四氟乙烯（ＰＴＦＥ）以及混凝土等。
（１）管路。某水厂工程在标书中明确要求：液氧、干燥氧气、干燥臭氧、冷却水采用３０４不锈钢管，仪表空气（包括气动阀门）采用３１６不锈钢管，潮湿臭氧和臭氧水采用３１６Ｌ／３１６Ｔｉ不锈钢管。
（２）附件。臭氧接触池人孔盖、接触池内闸板、后臭氧后面的活性炭吸附池滤板紧固件以及炭吸附池内检修格栅等设备材料，一般不包括在臭氧系统的招标范围内，为业主自行采购，应考虑臭氧腐蚀因素。
（３）接触池。尽管臭氧对于混凝土没有腐蚀作用，考虑到混凝土池壁按裂缝设计，为防止臭氧浸入裂缝会对钢筋形成腐蚀，视原水中臭氧浓度高低，臭氧池池壁应采用一定的防腐措施。
目前常用的防腐
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措施有结构设计要求和涂层防腐。
某水厂主臭氧接触池设计条件单中根据某臭氧厂家的要求对接触池结构提出：水泥质量应均一，无孔，适于容水结构，覆盖钢筋的水泥厚度最小为４０ｍｍ（大于钢筋保护层，一般为３０～３５ｍｍ），裂缝宽度不得超过０．１ｍｍ（小于一般的裂缝宽度０．２５ｍｍ）。
混凝土池防腐问题容易被忽视，设计中应加以重视，防腐型式的选择应根据工程投资和工期因素综合考虑比较。
４．４ 接触池观察窗
预臭氧池设置观察窗可以观察臭氧扩散器工作状况，了解其是否堵塞，也作为水厂深度处理技术亮点的展示平台，业主较为重视。
观察窗宜设在扩散器高度以下３０ｃｍ范围内，墙壁内预埋锥形管，池外管端镶嵌玻璃，玻璃具有自动除污功能，需预装照明设施。为工程顺利进行，观察窗是否设置应及早与业主商定，作为配套设备和臭氧设备一起招标。
５ 活性炭吸附池设计
目前国内水厂设计中活性炭吸附池一般采用气水反冲Ｖ型滤池池型。待处理水在Ｖ型槽内的流速较大，冲击吸附池对面池壁，存在返流现象。由于和石英砂滤料相比，颗粒活性炭密度较低，吸附池末端的表面活性炭被水流带离原来的位置，造成吸附池末端的炭面呈现波浪状态，局部炭层减薄，影响了炭吸附效果。
某水厂６格活性炭池均不同程度地出现了上述现象，后来在Ｖ型槽沿程设置了１～２处整流挡板，降低了炭层表面的凹凸程度。
今后设计中应适当降低Ｖ型槽内水流速度或采用有效措施，以维持炭面水平度保障炭吸附效果。６ 结语
臭氧发生器作为深度处理技术的核心设备，目前，一般通过招投标形式购买国外产品，设备招标供货周期较长，对工期影响较大，因此臭氧系统的设计和招标条件的确定显得非常重要。在招标工作前期的系统设计时应根据水厂近、远期规模；原水水质变化和环境条件选择氧源系统形式；臭氧发生器设备台数以及设备的技术参数，使得臭氧各个系统能够灵活适应水厂运行的各种工况和条件并呈现一定的经济性。臭氧活性炭系统在设计时要满足相关标准规范的要求，厂平面和构筑物要采用相应的防火防爆措施以满足安全和消防部门的验收要求。颗粒活性炭和石英砂物理性质不同，活性炭吸附池若采用一般砂滤池的布置形式，反冲洗对其会产生一定影响，在设计时应采取相应的措施使其影响尽量降低。臭氧系统管道及附件的材料选择和臭氧接触池的防腐工艺也会影响到整个工程的工期、投资以及系统的正常运行和寿命，这些看似简单的细枝末节更容易被忽视。
结合近年来本人在给水厂深度处理工程的设计体会和经验，把设计中需要重视和容易忽视的一些内容总结归纳出来加以分析，并对问题的解决方案进行了探讨，希望能引起设计同行在今后设计中的重视，其中的解决方案可以起到一定的参考和借鉴作用。
参考文献
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○通讯处：１０００８２北京市海淀区红联南村５４号
电话：１３５０１１７０３１８
Ｅ－ｍａｉｌ：ｓｈｉｙｕｎｓｈａｏ＠１６３．ｃｏｍ
收稿日期：２０１４ ０５ ２０
修回日期：２０１４ ０６ ０
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