水廠臭氧發(fā)生器的經(jīng)濟(jì)運(yùn)行分析

劉佩青，姚 青，沈 華，皇甫新星

(蘇州工業(yè)園區(qū)清源華衍水務(wù)有限公司，江蘇蘇州 215000)

目前，很多水廠的水源污染較嚴(yán)重，原水中有機(jī)物濃度和藻類密度較高。常規(guī)的混凝-沉淀-砂濾-加氯消毒工藝不能滿足出廠水水質(zhì)安全，因此，臭氧-生物活性炭深度處理工藝開始廣泛應(yīng)用到水廠。

水廠運(yùn)行水質(zhì)安全是第一要素，其次，能耗和運(yùn)行成本控制也很關(guān)鍵，深度處理工藝在運(yùn)行過(guò)程中實(shí)現(xiàn)精細(xì)化管理有待提升[1]。在制水過(guò)程中，臭氧投加不足，會(huì)導(dǎo)致出廠水高錳酸鹽指數(shù)(CODMn)和嗅味物質(zhì)(2-甲基異莰醇)超標(biāo)，水質(zhì)有異味，影響感官。投加過(guò)量易產(chǎn)生溴酸鹽等致癌性消毒副產(chǎn)物問(wèn)題，還會(huì)導(dǎo)致能耗和運(yùn)行成本的增加[2]。以蘇州某水廠的臭氧發(fā)生器為例，研究其經(jīng)濟(jì)運(yùn)行，進(jìn)一步降低深度處理工藝能耗。

1 臭氧發(fā)生系統(tǒng)

1.1 臭氧系統(tǒng)組成

該試驗(yàn)研究時(shí)間為2019年5月—10月，預(yù)臭氧投加量為0.6 mg/L，后臭氧投加量為0.8 mg/L，試驗(yàn)期間日均供水量變化平穩(wěn)。本文考察內(nèi)容包括：①不同臭氧發(fā)生濃度下，CODMn的去除率；②確定不同臭氧發(fā)生濃度下臭氧發(fā)生器的能耗，即電能消耗和液氧消耗之和。

該水廠設(shè)計(jì)規(guī)模為20萬(wàn)m3/d，于2014年7月投產(chǎn)運(yùn)行。工藝為混凝沉淀、過(guò)濾、臭氧-生物活性炭濾池、消毒。深度處理工藝具有物理化學(xué)吸附、臭氧化學(xué)氧化、生物氧化降解和臭氧滅菌消毒的功能，其中，臭氧氧化水中2-甲基異莰醇(2-MIB)的效果明顯優(yōu)于KMnO4、NaClO等氧化劑[3]。同時(shí)，臭氧還能氧化水中的鐵、錳等無(wú)機(jī)物，使用臭氧消毒產(chǎn)生的化學(xué)物質(zhì)污染較少，不會(huì)產(chǎn)生三鹵甲烷等消毒副產(chǎn)物[4]。

生物活性炭濾池采用向下流工藝，預(yù)臭氧接觸池臭氧曝氣采用射流擴(kuò)散器，不易堵塞，預(yù)臭氧設(shè)計(jì)投加量為0.5 mg/L，最大投加能力為1.0 mg/L。后臭氧投加采用微孔曝氣器投加，設(shè)計(jì)投加量為1.5 mg/L，最大投加能力為2.0 mg/L，接觸時(shí)間13 min，后臭氧為3點(diǎn)投加，各級(jí)投加比例為2∶1∶1。

臭氧發(fā)生系統(tǒng)由氣源系統(tǒng)、冷卻系統(tǒng)、補(bǔ)氮系統(tǒng)、臭氧發(fā)生器、擴(kuò)散系統(tǒng)以及尾氣破壞系統(tǒng)裝置組成[5]，工藝流程如圖1所示。氣源系統(tǒng)主要由液氧儲(chǔ)罐和氣化器組成，液氧儲(chǔ)罐和氣化器采用租賃方式。補(bǔ)氮系統(tǒng)由空壓機(jī)、冷干機(jī)等組成，臭氧發(fā)生器進(jìn)氣時(shí)會(huì)投加0.1%～1%濃度的空氣，空氣中的氮?dú)饽芷鸬酱呋磻?yīng)的作用，可降低電耗[6]。冷卻水系統(tǒng)主要是帶走臭氧發(fā)生器高壓放電產(chǎn)生的熱量，要求冷卻水溫控制在35 ℃以下。尾氣破壞裝置采用加熱觸媒催化分解法，經(jīng)尾氣破壞器分解后的氣體其臭氧濃度應(yīng)該小于0.1 mg/L。

圖1 臭氧發(fā)生系統(tǒng)工藝流程圖Fig.1 Process Flow Diagram of Ozone Generation System

1.2 臭氧發(fā)生器工作原理

該水廠臭氧發(fā)生器選用某進(jìn)口品牌CFV20型號(hào)，放電室裝有288個(gè)電介質(zhì)單元，制備臭氧質(zhì)量濃度可達(dá)6%～12%，額定臭氧產(chǎn)量15.8 kg/h，額定進(jìn)氣壓力0.12 MPa，裝機(jī)功率151 kW。臭氧發(fā)生器的工作原理基于無(wú)聲放電，當(dāng)高壓電極上帶有變化的高電壓時(shí)，電極之間的放電間隙處會(huì)產(chǎn)生微放電，氧氣分子被分解為自由態(tài)的氧原子，部分自由態(tài)的氧原子與未分解的氧氣分子重新結(jié)合生產(chǎn)臭氧[7-8]，即O + O2=O3。

2 臭氧發(fā)生器能耗分析

2.1 水量概況

圖2為2017年—2019年水廠供水量的年日均值變化情況，2018年和2019年2月為春節(jié)假期，供水量較低，7月—9月為夏季高峰供水，日均供水量為18萬(wàn)m3左右。由圖2可知，2019年5月—9月日均供水量在17.75萬(wàn)～18.07萬(wàn)m3，水量較平穩(wěn)。

圖2 2017年—2019年水廠日均供水量變化情況Fig.2 Variation of Average Daily Water Supply Capacity in WTP during 2017—2019

2.2 冷卻水系統(tǒng)

冷卻水系統(tǒng)是臭氧發(fā)生系統(tǒng)的輔助系統(tǒng)，它在提高臭氧的產(chǎn)量及節(jié)省電耗方面起到至關(guān)重要的作用[9]。該冷卻水系統(tǒng)內(nèi)循環(huán)采用純水，在臭氧發(fā)生器、循環(huán)水泵及熱交換器之間流動(dòng)，外循環(huán)采用自用水，通過(guò)熱交換器帶走內(nèi)循環(huán)水產(chǎn)生的熱量，使臭氧發(fā)生器在一個(gè)恒定的溫度范圍內(nèi)工作。有研究表明，16 ℃為最佳冷卻水進(jìn)口溫度，進(jìn)口溫度在8～16 ℃時(shí)，電耗隨冷卻水進(jìn)口溫度升高而降低[10]。該水廠臭氧發(fā)生器間安裝了兩臺(tái)功率為5 kW的空調(diào)，夏季室內(nèi)溫度保持在26 ℃，試驗(yàn)期間冷卻水進(jìn)口溫度為12.2～16.5 ℃。

2.3 原水水質(zhì)概況

結(jié)合臭氧-活性炭濾池深度處理工藝實(shí)際運(yùn)行功能，選擇原水CODMn、藻類、2-MIB 3項(xiàng)水質(zhì)指標(biāo)作為研究對(duì)象。圖3(a)為2017年—2019年原水CODMn月均值的變化，由圖3(a)可知，2019年原水CODMn平均濃度低于前兩年，逐年呈遞減趨勢(shì)。2017年—2019年原水CODMn最低值為3.81 mg/L，最高值為7.22 mg/L，每年CODMn的月均值變化趨勢(shì)具有相似性，從每年5月開始濃度逐漸升高，8月達(dá)到最高。

由圖3(b)可知，2019年原水藻類數(shù)量比前兩年有大幅上升，2019年最高值1 790萬(wàn)個(gè)/L比2018年最高值1 064萬(wàn)個(gè)/L上漲68.2%，比2017年最高值3 367萬(wàn)個(gè)/L下降46.8%。藻類月均值變化趨勢(shì)跟CODMn具有相似性，從每年5月開始藻類數(shù)量逐漸明顯升高，夏季高峰供水期間，藻類數(shù)量明顯大幅升高，8月、9月達(dá)到最高值。

由圖3(c)可知，2-MIB峰值的時(shí)間與CODMn、藻類并不同步，每年4月—6月2-MIB濃度明顯升高，6月開始下降。根據(jù)數(shù)據(jù)記錄，2017年5月原水2-MIB全年最高為0.711 μg/L，2018年5月原水2-MIB最高為0.160 μg/L，2019年4月原水2-MIB最高為0.330 μg/L，原水2-MIB峰值呈提前趨勢(shì)。

圖3 2017年—2019年原水中3項(xiàng)水質(zhì)指標(biāo)變化 (a) CODMn; (b) 藻類; (c) 2-MIBFig.3 Variation of Three Water Quality Indexes of Raw Water during 2017—2019 (a) CODMn; (b) Algae; (c) 2-MIB

2.4 CODMn去除率

研究表明，水廠常規(guī)工藝對(duì)CODMn的去除率平均值為20%～38.13%[11-12]。由圖4(a)可知，2017年—2019年CODMn的月平均去除率為62%～77%，出廠水CODMn控制在1.31～1.82 mg/L，遠(yuǎn)低于內(nèi)控的3 mg/L限值，深度處理工藝對(duì)水體中的有機(jī)物去除效果遠(yuǎn)優(yōu)于常規(guī)工藝。

2019年該水廠出廠水CODMn比2017年、2018年低，可能跟原水CODMn逐年降低有關(guān)。CODMn的去除率還跟原水的CODMn有關(guān)，原水CODMn高，去除率也高，并呈現(xiàn)每年5月去除率逐漸升高，9月逐漸下降的規(guī)律。

由圖4(b)可知，試驗(yàn)期間，投加不同發(fā)生濃度臭氧情況下，原水CODMn經(jīng)過(guò)臭氧-生物活性炭濾池工藝去除率在64%～70%，比較穩(wěn)定。

圖4 (a) 2017年—2019年出廠水CODMn月平均值及其去除率； (b) CODMn的去除率隨不同臭氧投加濃度的變化Fig.4 (a) Monthly Average Values and Removal Efficiency of CODMn in Finished Water during 2017—2019； (b)Variation of CODMn Removal Efficiency with Different Ozone Dosages

2.5 電耗與氧耗

試驗(yàn)期間該水廠供水量穩(wěn)定，后臭氧接觸池中余臭氧的濃度控制在0.2 mg/L以內(nèi)。臭氧發(fā)生器的臭氧產(chǎn)率從6%調(diào)到12%，臭氧投加量不變，預(yù)臭氧投加量為0.6 mg/L，后臭氧投加量為0.8 mg/L。液氧費(fèi)用為900元/t，電費(fèi)為0.635 8元/(kW·h)。一般情況下，適當(dāng)提高臭氧發(fā)生濃度可降低氧耗，降低臭氧發(fā)生濃度可降低電耗，因此，以電能消耗和液氧消耗之和最小為目標(biāo)。試驗(yàn)結(jié)果表明，臭氧發(fā)生濃度<10 wt%時(shí)，液氧消耗占生產(chǎn)成本的比重更大。隨著臭氧發(fā)生濃度的上升，液氧消耗與電能消耗的差值逐漸縮小，到12 wt%時(shí)，差值基本持平。

研究表明，臭氧發(fā)生器設(shè)備的電氣運(yùn)行工況點(diǎn)，臭氧濃度應(yīng)≤10%。由圖5可知，供水量變化趨勢(shì)比較平穩(wěn)的情況下，9%臭氧發(fā)生濃度下液氧消耗和電能消耗的之和最小，運(yùn)行成本最低為11.3 × 10-3元/m3，此時(shí)氧耗為7.44 g/m3，電耗為7.26 × 10-3kW·h/m3，因此，臭氧發(fā)生濃度9%是臭氧發(fā)生器的能耗最低點(diǎn)。

圖5 不同臭氧發(fā)生濃度與氧耗和電耗的變化關(guān)系Fig.5 Relationship between Different Ozone Concentrations and Oxygen and Electricity Consumption in Generator

3 結(jié)論

在供水量較平穩(wěn)狀態(tài)下，臭氧投加量恒定，預(yù)臭氧投加0.6 mg/L，后臭氧投加0.8 mg/L的情況下，水廠的臭氧發(fā)生器的臭氧發(fā)生濃度依次調(diào)整為6%、7%、8%、9%、10%、11%、12%，后臭氧接觸池內(nèi)余臭氧濃度小于0.2 mg/L。試驗(yàn)表明，不同臭氧發(fā)生濃度，臭氧-生物活性炭濾池工藝對(duì)CODMn的去除率較穩(wěn)定，控制在64%～70%，深度處理工藝對(duì)水體中有機(jī)物的去除效果遠(yuǎn)優(yōu)于常規(guī)工藝。

根據(jù)試驗(yàn)結(jié)果，臭氧發(fā)生濃度9%是水廠臭氧發(fā)生器液氧消耗與電能消耗之和的最低點(diǎn)，氧耗為7.44 g/m3，電耗為7.26 × 10-3kW·h/m3，運(yùn)行成本最低為11.3 × 10-3元/m3。發(fā)生濃度為6%時(shí)，成本單價(jià)最高為15.86 × 10-3元/m3，以該水廠供水量18萬(wàn)m3/d運(yùn)行為例，運(yùn)行年費(fèi)可節(jié)約29.89萬(wàn)元。該水廠實(shí)際生產(chǎn)中以臭氧發(fā)生濃度7%進(jìn)行投加，若調(diào)整為臭氧發(fā)生濃度9%，則運(yùn)行年費(fèi)可節(jié)約5.85萬(wàn)元。