青草沙水源水廠深度處理臭氧投加量及發(fā)生器配置分析

邢思初，陳冠浩

(上海市政工程設(shè)計研究總院<集團(tuán)>有限公司，上海 200092)

青草沙水源地有效庫容為4.35億m3，供水能力為719萬m3/d，服務(wù)人口約為1 300萬人，是上海重要的戰(zhàn)略水源地之一。但青草沙水源地位于長江下游，水源中存在部分微量有機(jī)物指標(biāo)偏高的問題，常規(guī)工藝對微量有機(jī)物的去除能力有限。因此，從提高供水品質(zhì)和供水安全性的角度，對青草沙原水進(jìn)行臭氧活性炭工藝的深度處理是十分必要的[1]。上海市也提出全面開展全市水廠深度處理改造工程，2025年前完成全市深度處理改造的目標(biāo)。

上?，F(xiàn)狀采用臭氧活性炭工藝且運行時間較久的水廠主要為Y、N水廠和L水廠，3座水廠設(shè)計臭氧活性炭工藝時為黃浦江水源，臭氧投加量較大，切換成青草沙水源后，原水水質(zhì)顯著提高，臭氧投加量大大降低，造成發(fā)生器設(shè)備閑置嚴(yán)重。對于臭氧活性炭的深度處理工藝，臭氧投加量選擇和發(fā)生器配置是設(shè)計的關(guān)鍵，直接影響水廠深度處理效果[2]。臭氧設(shè)計投加量不足，會造成接觸氧化不充分，后續(xù)系統(tǒng)的去除效果不佳，影響產(chǎn)水水質(zhì)；設(shè)計投加量過大，則會造成設(shè)備閑置，浪費投資和增加運行維護(hù)成本。因此，有必要針對青草沙水源的臭氧設(shè)計投加量和發(fā)生器配置進(jìn)行分析。

在此背景下，本文調(diào)查了Y、N水廠和L水廠切換成青草沙水源后近5年的實際臭氧投加量和發(fā)生器的運行情況，并調(diào)研了不同廠家臭氧發(fā)生器的特性進(jìn)行分析，以期為青草沙水源水廠臭氧活性炭系統(tǒng)的設(shè)計和運行提供參考。

1 調(diào)研分析

本文調(diào)研了3座采用青草沙水源的水廠臭氧活性炭系統(tǒng)的運行情況，具體為Y水廠，規(guī)模為36萬m3/d；N水廠設(shè)計規(guī)模為70萬m3/d；L水廠設(shè)計規(guī)模為60萬m3/d。3座水廠的規(guī)模及工藝如表1所示。

表1 3座水廠基本情況Tab.1 Basic Information of 3 WTPs

1.1 主要調(diào)研內(nèi)容

主要調(diào)研以下內(nèi)容：(1)各廠近幾年的臭氧每日實際投加量，整理分析得出最大、最小和平均投加量；(2)臭氧發(fā)生器使用運行情況。

1.2 臭氧投加運行實際情況

實際現(xiàn)場調(diào)研發(fā)現(xiàn)，目前3座水廠的臭氧投加系統(tǒng)因余臭氧儀不能正常工作，無法實現(xiàn)投加量根據(jù)余臭氧量進(jìn)行反饋調(diào)整的功能。因此，水廠臭氧投加采用設(shè)定投加量運行，每天的投加量數(shù)據(jù)基本相同。因此，每天的歷史投加數(shù)據(jù)意義不大，水廠提供每年的最大、最小及平均值作為參考。各廠主要投加量參數(shù)和調(diào)研情況如下。

(1)Y水廠

Y水廠統(tǒng)計的近7年臭氧投加量數(shù)據(jù)如圖1所示。Y水廠臭氧投加量變化不大，一般預(yù)臭氧為0.5～0.6 mg/L，后臭氧為0.5～0.8 mg/L，總投加量為1.0～1.4 mg/L。

圖1 Y水廠近7年臭氧投加量分析Fig.1 Ozone Dosages Analysis of WTP Y in Last 7 Years

此外，現(xiàn)場運行反饋，水廠運行臭氧平均總投加量在1.05～1.20 mg/L；高投加量為1.4 mg/L；歷史最大投加量曾達(dá)1.6 mg/L。

現(xiàn)狀發(fā)生器按臭氧總投加量為4 mg/L配置，采用3臺臭氧發(fā)生器，單臺規(guī)格為31 kg/h。實際運行中，僅使用1臺臭氧發(fā)生器額定功率的40%左右。

(2)N水廠

N水廠提供的近7年臭氧投加量數(shù)據(jù)統(tǒng)計如圖2所示。N水廠的臭氧投加量有一定的變化，其中預(yù)臭氧投加量變化較大，為0.5～1.0 mg/L，后臭氧投加量略小，為0.2～0.5 mg/L，總投加量為0.65～1.40 mg/L。

圖2 N水廠近7年臭氧投加量分析Fig.2 Ozone Dosages Analysis of WTP N in Last 7 Years

此外，現(xiàn)場運行反饋，目前水廠正常運行狀態(tài)下基本按總投加量為1.0 mg/L設(shè)定，其中預(yù)臭氧為0.5～0.6 mg/L，后臭氧為0.4～0.5 mg/L；在3月—5月的高藻期調(diào)整總投加量為1.4 mg/L，其中預(yù)臭氧為1.0 mg/L，后臭氧為0.4 mg/L。

N水廠臭氧發(fā)生器按總投加量為3.5 mg/L配置，設(shè)有3臺發(fā)生器，單臺規(guī)格為43.5 kg/h。

因目前水廠總產(chǎn)水量也較小，發(fā)生器實際使用單臺額定功率的10%～20%。

(3)L水廠

L水廠近7年臭氧投加量數(shù)據(jù)統(tǒng)計如圖3所示。L水廠預(yù)臭氧投加量采用0.3～0.5 mg/L，后臭氧投加量采用0.4～0.6 mg/L，總投加量為0.8～1.0 mg/L。

圖3 L水廠近7年臭氧投加量分析Fig.3 Ozone Dosages of WTP L in Last 7 Years

此外，現(xiàn)場運行反饋，水廠目前臭氧投加一般設(shè)定運行，總投加量為0.8～1.0 mg/L，其中預(yù)臭氧為0.3～0.5 mg/L，后臭氧為0.4～0.7 mg/L。

N水廠現(xiàn)狀按臭氧總投加量為4 mg/L配置，共有4臺臭氧發(fā)生器，單臺規(guī)格為24 kg/h。

現(xiàn)狀使用1臺發(fā)生器額定功率的85%左右。

1.3 調(diào)研小結(jié)

通過調(diào)研3座現(xiàn)狀水廠的臭氧系統(tǒng)運行情況，小結(jié)如下。

(1)臭氧投加基本采用設(shè)定投加量運行，3座水廠的現(xiàn)狀余臭氧儀均無法正常工作，不能實現(xiàn)反饋調(diào)節(jié)?，F(xiàn)狀投加量的設(shè)定主要根據(jù)經(jīng)驗判斷進(jìn)行微調(diào)，其中N水廠在3月—5月高藻期對投加量會進(jìn)行明顯的增加。

(2)臭氧實際總投加量在0.8～1.6 mg/L，常規(guī)運行總投加量一般在1.0～1.2 mg/L。前后投加量的分配各廠略有不同。

(3)3座水廠深度處理工藝設(shè)計時為黃浦江水源，臭氧投加量取值較大，在切換成青草沙水源后，臭氧投加量大大降低，實際運行中設(shè)備閑置情況較為嚴(yán)重。

2 規(guī)范分析

《室外給水設(shè)計標(biāo)準(zhǔn)》(GB 50013—2018)已正式實施，關(guān)于臭氧投加量的要求如下：臭氧設(shè)計投加量宜根據(jù)待處理水的水質(zhì)狀況并結(jié)合試驗結(jié)果確定，也可參照相似水質(zhì)條件下的經(jīng)驗選用，預(yù)臭氧宜為0.5～1.0 mg/L，后臭氧宜為1.0～2.0 mg/L。關(guān)于臭氧發(fā)生器要求如下：采用空氣源時臭氧發(fā)生器應(yīng)采用硬備用配置；采用氧氣源時，經(jīng)濟(jì)技術(shù)比較后，可選擇采用軟備用或硬備用配置；采用軟備用配置時，臭氧發(fā)生器的配置臺數(shù)不宜少于3臺[3]。

3 相關(guān)研究總結(jié)

青草沙水庫通水運行以來，隨季節(jié)變化會出現(xiàn)藻類問題，其中冬季主要為硅藻，夏季為藍(lán)藻。青草沙原水存在季節(jié)性嗅味問題，主要是夏季藍(lán)藻產(chǎn)生的土霉味。通過連續(xù)對原水中土霉味典型致嗅物進(jìn)行定性、定量分析，發(fā)現(xiàn)夏季典型致嗅物為2-甲基異莰醇(2-MIB)，隨季節(jié)變化明顯，最高濃度出現(xiàn)在夏秋季(7月—9月)[4]。2-MIB是青草沙水源深度處理中所需關(guān)注的重要關(guān)鍵水質(zhì)指標(biāo)。因此，很多相關(guān)課題對如何選擇合適的臭氧投加量來去除2-MIB進(jìn)行了相關(guān)研究。

王錚等[4]在青草沙水源給水技術(shù)與裝備驗證基地進(jìn)行了中試試驗，中試規(guī)模為2.5 m3/h，試驗期間原水2-MIB質(zhì)量濃度最大達(dá)到580 ng/L，一般在50 ng/L以下。當(dāng)原水2-MIB質(zhì)量濃度低于50 ng/L時，臭氧投加量為0.5～1.0 mg/L(采用曝氣頭投加)，臭氧活性炭工藝出水2-MIB質(zhì)量濃度均可低于10 ng/L。當(dāng)原水2-MIB質(zhì)量濃度在50～580 ng/L時，只投加后臭氧為0.5 mg/L時，常規(guī)沉淀過濾工藝出水2-MIB質(zhì)量濃度在46～560 ng/L，去除率小于10%；臭氧生物活性炭出水2-MIB質(zhì)量濃度在6～345 ng/L，去除率達(dá)到40%以上。以2-MIB為目標(biāo)污染物時，建議采用前后臭氧兩點投加方式，投加量分別為0.6～0.8 mg/L和0.5～0.8 mg/L。當(dāng)原水2-MIB質(zhì)量濃度低于300 ng/L時，臭氧活性炭工藝出水2-MIB質(zhì)量濃度可達(dá)10 ng/L以下。當(dāng)原水嗅味濃度較高時可以適當(dāng)提高臭氧投加量。

研究[5]通過在水廠的長期中試試驗，建議當(dāng)原水2-MIB低于50 ng/L時，后臭氧投加量為0.5 mg/L；當(dāng)原水2-MIB低于100 ng/L時，可適當(dāng)增加后臭氧投加量至1.0 mg/L。當(dāng)原水2-MIB質(zhì)量濃度達(dá)到100～400 ng/L時，可考慮采用兩點投加，前后臭氧投加量為0.6～1.0 mg/L和0.5～1.0 mg/L。

4 發(fā)生器配置分析

臭氧發(fā)生器是用于制取臭氧的設(shè)備裝置，是水廠深度處理工藝的核心設(shè)備。水廠設(shè)計過程中，配置發(fā)生器時除了考慮臭氧投加量外，還需同時關(guān)注發(fā)生器在不同負(fù)荷下的電耗和應(yīng)對不同水質(zhì)工況的能力[6-7]。

本文以8 kg/h和20 kg/h兩種規(guī)格為例，收集了3個主流臭氧發(fā)生器在100%、80%、60%、40%工作負(fù)荷下其功率、產(chǎn)量、單位電耗等參數(shù)，發(fā)現(xiàn)其規(guī)律基本相同。本次僅選取其中一家的參數(shù)進(jìn)行分析說明。表2和表3為8 kg/h和20 kg/h兩種規(guī)格的發(fā)生器在不同工作負(fù)荷下的臭氧產(chǎn)量、總電耗、單位電耗的數(shù)據(jù)表。圖4和圖5為8 kg/h和20 kg/h兩種規(guī)格的發(fā)生器在不同工作負(fù)荷下功率的變化。

表2 8 kg/h臭氧發(fā)生器不同負(fù)荷下參數(shù)Tab.2 Parameters of 8 kg/h Ozone Generator under Different Loads

表3 20 kg/h臭氧發(fā)生器不同負(fù)荷下參數(shù)Tab.3 Parameters of 20 kg/h Ozone Generator under Different Loads

由表2～表3可知，發(fā)生器隨工作負(fù)荷降低其功率相應(yīng)降低，且功率的降低百分比略大于工作負(fù)荷的降低。如8 kg/h的發(fā)生器，100%工作負(fù)荷下功率為79.2 kW，80%工作負(fù)荷下功率為62.7 kW，工作負(fù)荷降低了20%，電耗降低了21%。圖4和圖5為8 kg/h和20 kg/h兩種規(guī)格的發(fā)生器在不同工作負(fù)荷下單位電耗的變化。

圖4 8 kg/h發(fā)生器在不同負(fù)荷下的單位電耗Fig.4 8 kg/h Ozone Generator Power under Different Loads

圖5 20 kg/h發(fā)生器在不同負(fù)荷下的單位電耗Fig.5 Diagram of 20 kg/h Ozone Generator Power under Different Loads

由圖4～圖5可知，發(fā)生器產(chǎn)出每kg臭氧的單位電耗隨工作負(fù)荷的降低而相應(yīng)降低。但需特別注意的是該規(guī)律會受到變頻效率的影響，特別是工作負(fù)荷低于50%時，變頻效率的降低可能會使單位臭氧電耗上升。此外，工作負(fù)荷不宜低于10%～15%，否則會造成產(chǎn)出臭氧濃度的跳動，影響投加效果。

因此，根據(jù)以上分析，臭氧發(fā)生器不存在“大馬拉小車”的問題，負(fù)荷率在50%以上時，發(fā)生器效率和負(fù)荷率成反比，即負(fù)荷功率越高，產(chǎn)出臭氧效率越低，臭氧單位電耗越高。

5 青草沙水源臭氧投加量及發(fā)生器配置優(yōu)化建議

5.1 投加量建議

針對青草沙水源的水廠，綜合3座現(xiàn)狀水廠的調(diào)研、相關(guān)研究及規(guī)范要求，建議臭氧投加量的設(shè)計取值如下：最大總投加量為1.7 mg/L，預(yù)臭氧投加量為0.5～1.0 mg/L，后臭氧投加量為0.5～1.0 mg/L。

5.2 發(fā)生器的配置建議

針對發(fā)生器的配置，建議如下：(1)發(fā)生器配置應(yīng)考慮一定余量，可以降低負(fù)荷減少電耗，同時對特殊工況有較強應(yīng)對能力；(2)當(dāng)發(fā)生器硬備用時，可采用總投加量計算確定單臺能力；采用軟備用時，可在計算基礎(chǔ)適當(dāng)放大發(fā)生器能力；(3)發(fā)生器配置時需考慮實際運行負(fù)荷，建議最小運行負(fù)荷不低于50%。

6 臭氧發(fā)生器配置案例分析

本文以規(guī)模20萬m3/d的X水廠深度處理改造工程為例，對發(fā)生器進(jìn)行配置進(jìn)行選型考慮。

(1)投加量計算

最大總投加量為1.7 mg/L。臭氧投加總量(kg/h)=水廠規(guī)模(萬m3/d)×自用水系數(shù)×臭氧投加量(mg/L)×10/24，則該水廠總投加量為20×1.05×10×1.7/24=14.875 kg/h。

(2)發(fā)生器配置方案對比分析

方案一：采用硬備用，共設(shè)3臺，2用1備，單臺計算能力約為7.44 kg/h。方案二：采用軟備用，共設(shè)3臺，單臺計算能力約為4.96 kg/h。

(3)考慮因素

①價格：因發(fā)生器規(guī)格較小，方案一和方案二的價格差異較小。

②常規(guī)投量：根據(jù)現(xiàn)狀水廠的實際投加量調(diào)研情況，考慮常規(guī)投加量為1.2 mg/L。

③水量：發(fā)生器的配置需同時考慮水廠設(shè)計規(guī)模和經(jīng)常性實際運行規(guī)模，X水廠經(jīng)常性實際運行水量規(guī)模按17萬m3/d考慮。

④常規(guī)運行分析：在常規(guī)水量和臭氧投加量條件下，需要臭氧投加能力17×1.05×10×1.2/24=8.925 kg/h。方案一可選擇開啟2臺，工作負(fù)荷約為60%(對應(yīng)單位電耗約為9.65 kW·h)；方案二需開啟3臺，工作負(fù)荷約為60%(對應(yīng)單位電耗約9.65 kW·h)，兩種方式的工作負(fù)荷及單位電耗相同。

⑤特殊工況應(yīng)對能力：當(dāng)遇到水質(zhì)變化或啟用就地水源等特殊工況時，需在設(shè)計最大投加量基礎(chǔ)上進(jìn)一步提高系統(tǒng)的臭氧投加量。方案一可啟用備用，在不用降低臭氧濃度的條件下總投加能力可增加至22.3 kg/h(單位電耗約為9.87 kW·h)，總投加量約合為2.5 mg/L；方案二通過降低臭氧濃度至6%，總投加能力可增加至18～22 kg/h(單位電耗約為9.95 kW·h)。方案一在應(yīng)急工況下的投加效果和能耗均更好。

⑥維護(hù)保養(yǎng)成本差異：因發(fā)生器規(guī)格較小，兩種方案的維保成本幾乎相同。

⑦綜合一次性價格、常規(guī)運行能耗、特殊工況應(yīng)對能力和維保成本，推薦采用方案一的發(fā)生器配置方案。

7 總結(jié)

(1)臭氧投加量是深度處理關(guān)鍵參數(shù)之一，其投加量和發(fā)生器配置既要考慮到實際運行的經(jīng)驗，又要結(jié)合相關(guān)科研成果，同時還需充分考慮對特殊工況的應(yīng)對。

(2)根據(jù)調(diào)研和相關(guān)科研成果，建議青草沙水源的最大臭氧投加量按1.7 mg/L考慮，其中前臭氧投加能力為0.5～1.0 mg/L，后臭氧投加能力為0.5～1.0 mg/L。

(3)臭氧發(fā)生器的實際運行功率隨著工作負(fù)荷的降低而相應(yīng)降低，負(fù)荷率在50%以上時，發(fā)生器效率和負(fù)荷率成反比，即負(fù)荷功率越高，產(chǎn)出臭氧效率越低，臭氧單位電耗越高。但負(fù)荷低于15%時會影響臭氧濃度，從而影響投加效果。

(4)同一規(guī)格臭氧發(fā)生器在不同負(fù)荷下長期工作的設(shè)備壽命、運維成本基本相同。

(5)臭氧發(fā)生器的配置應(yīng)結(jié)合每座水廠的設(shè)計規(guī)模、實際運行水量、具體發(fā)生器設(shè)備性能、價格、能耗、維保費用等多方面進(jìn)行軟備用和硬備用方案比較，建議設(shè)計階段明確計算投加能力，具體配置方案結(jié)合招投標(biāo)情況最終確定。