前言

自上世紀90年代開始，在我國經濟發(fā)達、水源污染嚴重的地區(qū)紛紛采用臭氧—活性炭工藝，效果明顯，處理后水質大幅提高。由于90年代國內還不能生產2kg/h以上規(guī)格臭氧發(fā)生器，只能選擇進口并一直影響至今，目前我國市政給水行業(yè)所用的臭氧設備基本被國外廠家壟斷。但進口設備昂貴的價格，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，并通過了國家建設部的鑒定。以上成果填補了國產大型臭氧發(fā)生器的技術空白，技術指標也逐步提高，目前臭氧濃度可達120-160mg/L（質量比8.3%-10.9%）。  

由于近年來國內臭氧技術快速發(fā)展，以及進口設備價格、售后服務方面的問題，國產大型臭氧設備越來越受到國內供水公司及行業(yè)專家的關注。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月安裝調試完畢并投入運行，系統(tǒng)運行3年來來穩(wěn)定可靠，受到業(yè)主的好評。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)進行公開招標，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(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，超高的性價比、可靠的運行穩(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)生標準》（GB5749-2006）頒布實施，相信國產臭氧系統(tǒng)隨著技術指標和設備性能的提高，將會更廣泛的應用于我國市政供水領域。

1 項目簡介

該項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，由于河網水質污染和湖泊富營養(yǎng)化嚴重，供水水源為Ⅲ-Ⅳ類水體，2006年昆山自來水公司實施了水質深度處理。第三水廠現有供水規(guī)模40萬m3/d，采用進口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：

臭氧投加分兩個階段——前臭氧和后臭氧。前臭氧接觸池的接觸時間為4min，通過射流器投加，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個投加點，投加比例為6:2:2，有效水深為6.0m，接觸時間約10min，采用微孔陶瓷盤布氣，臭氧設計投加量為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、設備運行狀況，實現工藝參數設定等，可以根據預先設定在臭氧系統(tǒng)發(fā)生的故障的性質，決定在某一故障出現時報警或同時自動停機；或根據故障的性質，分級報警，提示操作員根據故障性質輸入指令來決定處理方式。

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

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

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

3 臭氧系統(tǒng)設計概述

 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)、儀表空氣及液氧補加空氣系統(tǒng)。

現場提供氧氣濃度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。氣源經除塵過濾，去除大于0.01um的粉塵。進氣端管路配置切斷閥門、安全閥、露點檢測、壓力傳感器、壓力表等。氧氣經臭氧放電室轉化成臭氧，經臭氧濃度檢測、流量檢測及調節(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轉化為O3。臭氧電源裝置自帶PLC控制系統(tǒng)，能實現本地自動控制并可與總控PLC通訊。

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

前臭氧接觸池設計分兩條投加線并聯投加運行，每條線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、電動調節(jié)閥、氣動切斷閥、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，根據設定的供水流量及投加比例由前投加控制柜自動調節(jié)臭氧的投加量。增壓泵設計為兩用一備，兩條投加線同時投加臭氧到前臭氧接觸池內。臭氧投加單元的氣動切斷閥根據壓力實現自動關斷，可有效防止水倒灌進臭氧輸送管路。

后臭氧接觸池設計分兩格運行，每格設計一條臭氧投加線，每條線設3個投加點，3個點臭氧的投加比例順水流方向依次為投加量的60%（調節(jié)范圍為40-80%）、20%（調節(jié)范圍為10-30%）、20%（調節(jié)范圍為10-30%），采用微孔曝氣盤投加臭氧。每條臭氧投加線設計一套臭氧投加控制單元，由流量計、電動調節(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，根據設定的供水流量及投加比例由后投加控制柜自動調節(jié)臭氧的投加量。臭氧投加控制在總控PLC柜統(tǒng)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，臭氧氣體通過微孔曝氣盤均勻地投加到水體中。

后臭氧接觸池還設置多個取樣口，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節(jié)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(tǒng)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(jiān)測儀，進氣口設置了取樣口，通過便攜式臭氧濃度監(jiān)測儀監(jiān)測尾氣濃度，當尾氣濃度較高時，可通過調節(jié)系統(tǒng)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 主要技術參數

本次設備的技術參數安裝招標文件的要求設計：臭氧產量≥ 20kgO3/h ；臭氧濃度≥ 8.0wt%；功耗7.8-10kWh/kgO3。

我國目前的臭氧技術已達到臭氧濃度≥ 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，由整流、逆變和升壓回路組成的。

由于國內電網電壓波動較大，諧波干擾各不相同，使國外臭氧設備在國內運行中經常出現電源故障。針對以上問題，我們對臭氧電源進行了優(yōu)化改進，增加了電源諧波濾除裝置，隔離電網諧波和消除系統(tǒng)正常工作時產生的諧波；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，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，做到了臭氧運行過程中能恒電流、恒電壓、恒功率運行，更加適應我國電網電源的實際情況，使臭氧系統(tǒng)能夠穩(wěn)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，電源工作產生的熱量完全通過冷卻水帶走，不會對周圍的環(huán)境造成溫度升高等影響，更不會依賴周圍環(huán)境條件，在夏季高溫季節(jié)采用強制通風，避免了進口設備的電源裝置采用風冷空調散熱的弊端。

臭氧電源裝置自帶PLC控制系統(tǒng)，即就地PLC系統(tǒng)，實現就地手動/自動監(jiān)控臭氧發(fā)生器的運行并與臭氧系統(tǒng)的總控PLC進行通訊，實現遠距離控制監(jiān)測的功能。臭氧放電室組件配置的自控儀器、自控儀表、自動閥門等，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自動監(jiān)控。就地PLC系統(tǒng)對臭氧發(fā)生器采用恒濃度控制，即根據自動調節(jié)后的流量及檢測到的臭氧濃度信號，自動調節(jié)電源投加功率，使臭氧發(fā)生器工作在一個相對恒定的濃度上。

4.3臭氧放電室

在常規(guī)20kg/h臭氧發(fā)生器放電室結構和技術的基礎上，改進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，放電體進行了嚴格地篩選，每個放電單元的電容值接近相同，更有利于高濃度臭氧的產出。

改進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)明專利已授理），采用新型自動化恒溫控制燒結爐，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，配置產品氣體臭氧濃度檢測儀、臭氧流量計、電動調節(jié)閥、氣動切斷閥、進氣過濾器、露點傳感器、壓力傳感器、溫度傳感器、就地儀表及手動閥門等，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)設計增壓泵3臺（2用1備），設計2套臭氧投加控制單元并聯工作，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。投加控制柜通過設定自動調節(jié)臭氧的投加量和相關設備的工作/備用狀態(tài)，并與總控PLC進行通訊。

3臺增壓泵設置手動切換閥門，切換閥門帶有閥門位置開關，控制柜可根據閥門的位置判斷，確定開啟某一臺水泵。

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）、電動角座調節(jié)閥 1只、氣動切斷閥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，根據曝氣量和服務面積共設計曝氣頭96只。曝氣微孔孔徑為10-15μm，產生1-2mm大小的微氣泡。因每格設計一條臭氧投加線，每條線設3個投加點，每段臭氧的投加比例按順水流方向依次為60%、20%、20%，3個投加點配用的曝氣盤數量依次為26只、11只、11只。

每格設計雙向安全閥1只，共2只。每條臭氧投加線設計臭氧投加控制單元1套。

后臭氧接觸系統(tǒng)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

臭氧氣體通過管道通至臭氧接觸池頂端并分為兩路進入每條臭氧投加線，各配置一套臭氧投加單元。每套臭氧投加單元經臭氧流量計及電動調節(jié)閥檢測、調節(jié)流量，再分為三個分支管路，各經過一臺分支管道流量計檢測各自流量后分別進入三個投加點。每個支路除設有流量計外還設有手動調節(jié)閥、壓力表，進行氣量控制和壓力檢測，控制每個點的臭氧投加量。

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）、電動角座調節(jié)閥1只、分支臭氧流量計3只、壓力表4只、手動閥門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，以達到環(huán)境允許的臭氧濃度標準。前臭氧系統(tǒng)和后臭氧系統(tǒng)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、離心風機、檢測儀、控制系統(tǒng)等部件組成，除現場手動控制外，還可由PLC實現遠程自動控制。

尾氣在進入催化反應槽之前先經過預加熱，防止其在工藝過程中由于冷凝產生液態(tài)水。加熱器通過溫控器，可保證系統(tǒng)按設定的溫度范圍工作。在催化反應槽內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機從催化床抽出排入大氣。

尾氣臭氧分解器由現場PLC控制自動運行，實現就地手動/自動監(jiān)控臭氧尾氣破壞器的運行，并與臭氧系統(tǒng)的主控制PLC進行通訊，實現遠距離監(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 運行狀況

該套系統(tǒng)于08年12月投入使用，臭氧主機與3套同規(guī)格進口設備在同一車間運行，運行狀態(tài)穩(wěn)定正常，無故障發(fā)生，總結如下。

a、產量、濃度、電耗穩(wěn)定正常，達到招標文件要求的技術指標。

b、電源裝置與進口設備相比，對電網的適應性更好，未出現因電網電壓波動而停機的現象。

c、自控系統(tǒng)靈敏可靠，實現了對臭氧發(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、可靠實現了臭氧發(fā)生量根據水量以“恒定臭氧濃度，調節(jié)氧氣流量和功率投加量”的控制方式。

9 結束語

這是國內市政供水行業(yè)第一次所采用國產最大規(guī)格的臭氧系統(tǒng)，該系統(tǒng)的設計吸取了國內外市政給水行業(yè)臭氧系統(tǒng)的先進經驗，重點保證系統(tǒng)運行的穩(wěn)定性和控制的可靠性。我們會通過不斷努力、總結經驗，逐漸縮小與國外先進臭氧系統(tǒng)的差距，為我國供水事業(yè)做出更大的貢獻。