污水處理廠臭氧催化氧化系統(tǒng)設(shè)計(jì)要點(diǎn)分析

馮靜嫻，劉晶晶，曹倩倩

（中機(jī)國際工程設(shè)計(jì)研究院有限責(zé)任公司華東區(qū)域中心，南京 210023）

1 引言

為保護(hù)生態(tài)環(huán)境，提升城市周邊水體水環(huán)境質(zhì)量，部分省份針對(duì)所屬地水體特征， 提出地方污水處理廠相關(guān)污染物排放標(biāo)準(zhǔn)。 其中，天津、浙江、江蘇等地污水處理廠污染物排放標(biāo)準(zhǔn)中的A 標(biāo)準(zhǔn)要求出水CODcr≤30 mg/L；巢湖、淮河流域等地污水處理廠污染物排放標(biāo)準(zhǔn)中的A 標(biāo)準(zhǔn)要求出水CODcr≤40 mg/L。 為保證污水廠出水CODcr達(dá)標(biāo)，進(jìn)水混有工業(yè)廢水或者進(jìn)水主要為工業(yè)廢水的污水處理廠一般選擇高級(jí)氧化工藝。 現(xiàn)階段，污水處理廠常用的高級(jí)氧化工藝有臭氧催化氧化法、Fenton 氧化法、光化學(xué)氧化法、電化學(xué)氧化法等[1]。 為了給相關(guān)高級(jí)氧化設(shè)計(jì)提供參考，本文主要對(duì)臭氧催化氧化工藝中涉及的臭氧發(fā)生間和臭氧催化氧化池的相關(guān)設(shè)計(jì)進(jìn)行論述。

2 設(shè)計(jì)參數(shù)

2.1 臭氧投加量的確定

臭氧催化氧化法處理污水的原理是臭氧在催化劑的作用下，生成羥基自由基（·OH），利用OH 的強(qiáng)氧化性去除水中難降解CODcr[2]。確定污水中臭氧投加量需要根據(jù)原水水質(zhì)確定，并結(jié)合小試、中試試驗(yàn)；根據(jù)《給排水設(shè)計(jì)手冊(cè)》，深度處理中O3投加量和CODcr去除量的比值可取2～4[3]；根據(jù)《臭氧催化氧化污水處理技術(shù)規(guī)程（征求意見稿）》，該比值可取0.8～2.0。

2.2 臭氧接觸時(shí)間的確定

為保障臭氧催化作用后與廢水中的難降解CODcr的充分反應(yīng)，臭氧催化氧化池內(nèi)接觸時(shí)間不宜小于30 min；可串聯(lián)分級(jí)設(shè)計(jì)，每級(jí)反應(yīng)池接觸時(shí)間不宜小于30 min。

3 臭氧發(fā)生間設(shè)計(jì)要點(diǎn)

臭氧發(fā)生間一般內(nèi)置臭氧制備系統(tǒng)、循環(huán)冷卻水系統(tǒng)、補(bǔ)氮系統(tǒng)，如圖1 所示。 臭氧制備系統(tǒng)根據(jù)氣源采用空氣源還是氧氣源有不同的布置形式。 除此以外，為方便電氣配電，臭氧發(fā)生間一般配有配電間。

圖1 臭氧發(fā)生間系統(tǒng)圖

3.1 臭氧制備系統(tǒng)設(shè)計(jì)

3.1.1 氣源的選擇

供給臭氧發(fā)生器制備臭氧的氣源主要有空氣源及純氧源?？諝庠匆话悴捎每諌簷C(jī)+制氧機(jī)現(xiàn)場(chǎng)制備；純氧源可采用現(xiàn)場(chǎng)制備和現(xiàn)場(chǎng)儲(chǔ)存兩種形式。 不同氣源的配套基建設(shè)備和運(yùn)行費(fèi)用不同，一般臭氧制備量＞60 kg/h，可選用空氣源，臭氧制備量≤60 kg/h，可選用純氧源[4]。 氣源裝置供氣量及供氣壓力應(yīng)滿足臭氧發(fā)生器最大發(fā)生量時(shí)的要求。

1）空氣源系統(tǒng)配置

空氣源系統(tǒng)包括空壓機(jī)、過濾器、吸附干燥機(jī)、制氧機(jī)、儲(chǔ)氣罐及相關(guān)配套儀表，系統(tǒng)組成如圖2 所示。 原料空氣需滿足無油、干燥、無塵、無水、無有機(jī)物以及無其他氣體污染；空氣源制備氧氣濃度為21%[5]?？諝庠聪到y(tǒng)一般設(shè)置在臭氧發(fā)生間內(nèi)， 并與臭氧發(fā)生系統(tǒng)分開布置。 在進(jìn)行空壓機(jī)等設(shè)備選擇時(shí)，空氣量可按式（1）計(jì)算：

圖2 空氣源系統(tǒng)流程圖

式中，V總為總干空氣量，Nm3/h；QO3為根據(jù)水處理要求計(jì)算出來的臭氧產(chǎn)量，kg/h；C為單位體積空氣產(chǎn)出的臭氧量，根據(jù)發(fā)生器而定，g/m3；α 為系數(shù)，可取0.92。

2）純氧源系統(tǒng)配置

（1）現(xiàn)場(chǎng)制備純氧配置

現(xiàn)場(chǎng)制氧設(shè)備可選擇采用吸附和真空蒸餾兩種形式，制備氧氣濃度≥90%，氧氣設(shè)計(jì)壓力≥0.3 MPa。由于制氧設(shè)備需停機(jī)檢修，現(xiàn)場(chǎng)一般需要儲(chǔ)存不少于2 d 的液氧量。 采用現(xiàn)場(chǎng)制備純氧的工程應(yīng)用較少。

（2）液氧系統(tǒng)配置

液氧系統(tǒng)采用液氧為氣源，一般設(shè)置液氧站，將液氧系統(tǒng)相關(guān)設(shè)備設(shè)置在室外的臭氧發(fā)生間附近。 液氧站主要包括液氧儲(chǔ)罐、蒸發(fā)器、減壓閥組以及相關(guān)儀表閥件[6]，典型占地尺寸為5 m×10 m，系統(tǒng)組成如圖3 所示。 液氧儲(chǔ)罐儲(chǔ)存量可按照不小于3 d 進(jìn)行設(shè)計(jì)，蒸發(fā)器設(shè)置備用[7]。

圖3 液氧站系統(tǒng)流程圖

在液氧儲(chǔ)罐選擇時(shí)，氧氣量可按式（2）計(jì)算：

式中，QO2為氧氣量，Nm3/h；QO3為根據(jù)水處理要求計(jì)算出來的臭氧產(chǎn)量，kg/h；β 為臭氧發(fā)生器出口濃度，%。

液氧儲(chǔ)罐以1 m3液氧折合800 m3標(biāo)準(zhǔn)狀態(tài)氣氧計(jì)算，液氧站采用的氧氣濃度≥99.5%；液氧儲(chǔ)罐工作壓力一般為1.6 MPa，蒸發(fā)器氣化工作壓力應(yīng)與液氧儲(chǔ)罐一致，氣化能力以氧氣的峰值流量確定[8]；減壓閥組后應(yīng)設(shè)露點(diǎn)儀，露點(diǎn)應(yīng)低于-70 ℃。

3.1.2 臭氧發(fā)生器的布置

在確定臭氧投加量后，需乘以安全系數(shù)1.06，最終確定臭氧發(fā)生器規(guī)格。以空氣源為氣源的臭氧發(fā)生器，臭氧化空氣中臭氧濃度一般為25 mg/L，此時(shí)臭氧電耗≤17 kW·h/kgO3，臭氧發(fā)生器需設(shè)置備用；以氧氣為氣源的臭氧發(fā)生器，臭氧化空氣中臭氧濃度一般為150～180 mg/L，此時(shí)臭氧電耗10～12 kW·h/kgO3，臭氧發(fā)生器可設(shè)置硬備用或軟備用。 臭氧發(fā)生器產(chǎn)量具有調(diào)節(jié)性能，一般可在25%～100%區(qū)間調(diào)節(jié)。

臭氧發(fā)生器根據(jù)臭氧發(fā)生室對(duì)氧氣的制取方法不同，可分為管式和板式。 管式臭氧發(fā)生器是臭氧放電管，放電管安裝在不銹鋼管內(nèi)，后期維護(hù)僅需將管體抽出，方便快捷；板式臭氧發(fā)生器的核心部件是短流程放電室，由放電室和對(duì)應(yīng)獨(dú)立電源集成模塊組合，各模塊獨(dú)立，便于檢修保養(yǎng)[9]。 不論是管式還是板式臭氧發(fā)生器，為方便檢修，一般相鄰機(jī)組間距為1.0～1.5 m，設(shè)備模塊或管體更換空間需結(jié)合設(shè)備預(yù)留相應(yīng)空間。

3.2 循環(huán)冷卻水系統(tǒng)設(shè)計(jì)

臭氧發(fā)生器循環(huán)冷卻水溫度不大于35 ℃；氧氣源型產(chǎn)生1 kg/h 臭氧的冷卻水流量不小于1.5 m3/h，空氣源型產(chǎn)生1 kg/h 臭氧的冷卻水流量不小于3 m3/h。循環(huán)冷卻水系統(tǒng)一般設(shè)置間接冷卻，包括內(nèi)循環(huán)冷卻水系統(tǒng)與外循環(huán)冷卻水系統(tǒng)。循環(huán)冷卻水系統(tǒng)以板換為媒介， 將臭氧發(fā)生器產(chǎn)生的熱量由冷水進(jìn)行熱交換，產(chǎn)生的熱量經(jīng)板換換熱，再由外部冷卻系統(tǒng)將熱量帶出整個(gè)臭氧制備系統(tǒng)。 每臺(tái)臭氧發(fā)生器對(duì)應(yīng)配置一套板換系統(tǒng)，設(shè)置于臭氧發(fā)生器附近；外循環(huán)冷卻系統(tǒng)包括冷卻塔及外循環(huán)水泵，一般可置于臭氧發(fā)生間屋頂或室外。 內(nèi)循環(huán)冷卻水采用高濃度去離子水， 一般要求電導(dǎo)率＜5 μS/cm；外循環(huán)冷卻水采用廠區(qū)自來水。

3.3 補(bǔ)氮系統(tǒng)設(shè)計(jì)

液氧氣化后添加少量氮?dú)鈺?huì)提高臭氧制備效率， 一般以氧氣為氣源的臭氧發(fā)生器常備補(bǔ)氮系統(tǒng)， 將少量空氣注入臭氧進(jìn)氣系統(tǒng)。 補(bǔ)氮系統(tǒng)由空壓機(jī)、冷干機(jī)、干燥機(jī)和儲(chǔ)氣罐組成，其中空壓機(jī)設(shè)置備用；整個(gè)系統(tǒng)與臭氧設(shè)備一起設(shè)置在臭氧發(fā)生間內(nèi)[10]。

3.4 消防及通風(fēng)系統(tǒng)設(shè)計(jì)

3.4.1 消防系統(tǒng)設(shè)計(jì)

1）液氧站消防設(shè)計(jì)

液氧儲(chǔ)罐與污水廠建筑物之間的間距應(yīng)滿足建筑防火規(guī)范。 儲(chǔ)罐之間防火間距不應(yīng)小于相鄰較大儲(chǔ)罐直徑的1/2。 液氧儲(chǔ)罐周圍5 m 范圍內(nèi)不應(yīng)有可燃物和瀝青路面，一般做混凝土路面。 液氧儲(chǔ)罐與污水廠主要道路路邊防火間距應(yīng)≥10 m，次要道路路邊防火間距≥5 m。 液氧站周邊宜設(shè)置圍欄，并應(yīng)設(shè)置明顯的禁火標(biāo)志[11]。

2）臭氧發(fā)生間消防設(shè)計(jì)

結(jié)合防火規(guī)范，不同氣源的臭氧發(fā)生間火災(zāi)危險(xiǎn)類別不同，具體見表1。

表1 不同氣源的臭氧發(fā)生間火災(zāi)危險(xiǎn)類別

臭氧發(fā)生間室內(nèi)消防需結(jié)合火災(zāi)危險(xiǎn)類別進(jìn)行布置， 若為丁類建筑，當(dāng)建筑面積≥300 m2時(shí)，宜設(shè)輕便消防水龍或消防軟管卷盤，并以中危險(xiǎn)等級(jí)布設(shè)滅火器，當(dāng)建筑面積＜300 m2時(shí)，以中危險(xiǎn)等級(jí)布設(shè)滅火器即可； 若為乙類建筑， 當(dāng)建筑面積≥300 m2時(shí)，應(yīng)設(shè)室內(nèi)消火栓系統(tǒng)，并以嚴(yán)重危險(xiǎn)等級(jí)布設(shè)滅火器，當(dāng)建筑面積＜300 m2時(shí)，以嚴(yán)重危險(xiǎn)等級(jí)布設(shè)滅火器。 臭氧發(fā)生間室外附近應(yīng)設(shè)置室外消火栓。

3.4.2 通風(fēng)設(shè)計(jì)

由于臭氧分子量大于空氣，因此，臭氧發(fā)生間通氣系統(tǒng)需設(shè)置高位進(jìn)風(fēng)及低位排風(fēng)風(fēng)機(jī)，滿足8～12 次/h 的換氣要求。

3.5 其他設(shè)計(jì)要點(diǎn)

結(jié)合臭氧和氧氣特性，建議臭氧管道、管件、閥件、采用316L 不銹鋼；氧氣管道采用304 不銹鋼，閥門應(yīng)使用氧氣專用閥門，主體材料滿足不氧化、不銹蝕，含碳極少；循環(huán)冷卻水系統(tǒng)管道采用304 不銹鋼或PPR 管材[12]。

采用液氧氣源或者制氧機(jī)氣源的污水廠， 廠內(nèi)道路應(yīng)滿足液氧槽罐車通行，轉(zhuǎn)彎及回車要求。 臭氧發(fā)生間應(yīng)設(shè)置臭氧泄漏檢測(cè)報(bào)警裝置， 房間出入口附近需設(shè)置防護(hù)搶救設(shè)施工具箱，并設(shè)置照明和通風(fēng)的室外開關(guān)。

4 臭氧催化氧化池設(shè)計(jì)要點(diǎn)

臭氧催化氧化池以池內(nèi)裝填催化裝置的不同分為均相催化氧化池和非均相催化氧化池。 均相催化氧化池是以溶液中的金屬離子為催化劑， 非均相催化氧化池是利用固相載體中的金屬離子或金屬氧化物為催化劑[13]；由于非均相催化易回收且穩(wěn)定、成本低等特點(diǎn)，非均相催化池在污水廠應(yīng)用較多[14]。 綜上，本次論述主要針對(duì)非均相催化氧化池相關(guān)設(shè)計(jì)要點(diǎn)進(jìn)行論述。

4.1 臭氧催化氧化系統(tǒng)設(shè)計(jì)

臭氧催化氧化池可單獨(dú)設(shè)置也可串聯(lián)設(shè)置，為減少臭氧投加，一般要求進(jìn)水SS 小于10 mg/L。 結(jié)合污水設(shè)計(jì)相關(guān)規(guī)范，一般將臭氧催化氧化系統(tǒng)分為兩組，每組單級(jí)反應(yīng)池的停留時(shí)間≥30 min。 催化劑裝填于催化池內(nèi)，自上而下分別為非均相催化劑、承托層、布水布?xì)鈱雍投螝怏w混合裝置。其中，催化劑層、承托層厚度不應(yīng)小于0.3 m，當(dāng)采用濾板濾頭布?xì)鈺r(shí)，濾板底部距離池底距離不小于1.5 m。設(shè)計(jì)水深一般為6～9 m，超高0.8～1.0 m；多級(jí)串聯(lián)催化氧化池以豎向倒流隔板形式進(jìn)行分隔，以滿足豎向流進(jìn)水，分隔間距一般取1.0～1.2 m。單格臭氧催化氧化池長寬取值需結(jié)合布水布?xì)獬叽邕M(jìn)行設(shè)計(jì)。

此外，為保障臭氧催化氧化池的運(yùn)行，一般需設(shè)置反沖洗裝置，反沖洗宜采用氣洗，氣洗強(qiáng)度取12～16 L/（m2·s），氣洗頻率結(jié)合水質(zhì)及運(yùn)行情況進(jìn)行選擇。

4.2 臭氧投加系統(tǒng)布置

臭氧投加可采用射流投加或曝氣盤投加， 投加布置如圖4所示。 射流投加裝置主要由臭氧溶氣裝置、射流泵和二次混合裝置組成，一般設(shè)置在臭氧催化氧化池池頂。 由臭氧發(fā)生間制備的臭氧接至臭氧溶氣裝置再經(jīng)二次混合裝置后投加至催化池內(nèi)。 臭氧應(yīng)采用多點(diǎn)投加，一般設(shè)置3 段，第一段投加量不宜小于40%，第二段和三段宜為等比例分配，氣水比一般取2.5∶1。

圖4 不同投加方式的臭氧催化氧化池

曝氣盤投加主要由曝氣盤和曝氣分配器組成， 設(shè)置于催化氧化池內(nèi)。 曝氣盤應(yīng)采用多點(diǎn)投加方式進(jìn)行布置，其中，第一段布?xì)鈪^(qū)的布?xì)饬坎灰诵∮诳偛細(xì)饬康?0%， 水下安裝深度為4～6 m。 臭氧投加系統(tǒng)設(shè)備材質(zhì)及管材閥件等需選用耐臭氧材質(zhì)。

4.3 尾氣破壞系統(tǒng)設(shè)計(jì)

臭氧尾氣破壞系統(tǒng)一般隨臭氧發(fā)生間設(shè)備一同配置，設(shè)備一般設(shè)置在臭氧催化池池頂， 并置于輕質(zhì)房內(nèi)用以防雨及防凍[15]。 臭氧尾氣破壞系統(tǒng)主要由輸送管道、抽氣風(fēng)機(jī)、剩余臭氧消除器及相關(guān)監(jiān)測(cè)儀表組成。 臭氧消除器需設(shè)置備用，可采用電加熱分解、催化劑接觸分解等形式，最大設(shè)計(jì)氣量應(yīng)與臭氧發(fā)生器的最大設(shè)計(jì)氣量一致。

4.4 其他設(shè)計(jì)要點(diǎn)

考慮臭氧特性， 整個(gè)臭氧催化氧化池需按照強(qiáng)腐蝕進(jìn)行設(shè)計(jì)，池體內(nèi)壁混凝土保護(hù)層不宜小于50 mm，混凝土材質(zhì)需滿足耐久性基本要求，池體內(nèi)外裂縫不宜大于0.15 mm。 催化氧化池應(yīng)考慮全密封，池頂需設(shè)置檢修人孔，人孔應(yīng)采用密封型人孔；池頂需設(shè)置自動(dòng)雙向壓力平衡閥；池體內(nèi)部隔墻頂部應(yīng)設(shè)通氣孔，底部應(yīng)設(shè)導(dǎo)流孔。

5 結(jié)語

隨著國家對(duì)污水處理廠出水要求的提高， 臭氧催化氧化工藝應(yīng)用也越來越多。 整個(gè)臭氧催化氧化包括臭氧制備系統(tǒng)及臭氧投加系統(tǒng)，污水廠對(duì)應(yīng)設(shè)計(jì)包括液氧站、臭氧發(fā)生間及臭氧催化氧化池。本文從以上幾個(gè)系統(tǒng)論述相關(guān)設(shè)計(jì)要點(diǎn)及各系統(tǒng)的主要設(shè)備組成，以此為相關(guān)設(shè)計(jì)提供借鑒與參考。