臭氧工艺在再生水处理中的应用
再生水是指城市污水经二级处理或者深度处理后，达到国家和本市规定相关水质标准的非饮用水。对城市污水进行处理和再生利用，按照分质供水的原则用于一些对水质要求较低的用途，从而替代优质水，作为城市公共设施景观环境用水、市政杂用水等，以缓解城市日益严峻的水资源供需矛盾。
1 工程概况
深圳市横岗再生水厂及配套管网工程作为2011 年世界大学生运动会的配套项目，又是深圳市一个中水回用的典型项目，该工程包括1 座5 万m3/d 的再生水厂厂站以及配套的送水管网，主要供给大运中心、信息学院、龙岗中心城以及宝龙工业区的景观水、市政杂用水等中水用户。
2 工艺简介
再生水厂的工艺流程见图1。
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图1工艺流程
横岗污水厂二期紫外消毒后的出水5 万m3/d(一级A 出水)，重力自流至超滤集水井，通过超滤进水泵提升至超滤车间，经过全自动过滤器、超滤膜后，到达臭氧接触池，在臭氧接触池内投加臭氧、次氯酸钠脱色消毒后到达清水池，再自流至送水泵房的集水井，经过送水泵加压后，送至外部管网系统供给用户。水厂设计进出水水质见表1。
表1横岗再生水厂设计进出水水质 mg/L
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注: 设计出水色度要求≤10mg/L。
臭氧作为一种良好的氧化剂，不仅消毒作用明显，还可以去除水中的色、臭味、铁和锰等一般化学物质，而且用量少、接触时间短，能克服氯处理水中残留致癌卤代物的问题。
臭氧系统对超滤膜过滤完的出水进行脱色以及部分消毒,在整个水厂处理工艺中扮演极其重要的角色。
3 臭氧系统
3. 1 臭氧投加量的确定
为保证接触装置的设计合理、可靠，应通过模拟试验取得设计参数。但是由于目前没有原水中的COD 组分的详细分析，也没有臭氧投加量的小试数据，因而此处根据公开发表的文献以及臭氧供应商的建议来确定臭氧投加量:《城市污水二级处理水臭氧深度处理初探》的实验结果表明，臭氧对色度的去除非常有效，在臭氧消耗量为5mg/L 和反应时间为5min的条件下，出水色度为3 度以下，脱色率高达80%以上，其结论指出在臭氧氧化和生物处理组合工艺中，考虑到臭氧氧化的目标和经济运行费用，臭氧氧化最佳设计运行参数建议为臭氧消耗量5mg/L，臭氧接触氧化时间5~ 10min; 北京经济技术开发区经开再生水厂(4 万m3/d) 采用CMF+ O3 工艺，臭氧投加量为5~ 8mg/L，接触时间约为34m in; 日本东京有明再生中心臭氧投加量为4. 9mg/L，出水色度小于10。综合考虑本工程原水为一级A 出水，又经过自清洗过滤器和超滤膜处理，水体中的污染物含量以及色度会有所降低(西安建筑科技大学在北京北小河污水处理厂利用二沉池出水直接进行超滤膜处理试验，其试验结论指出总大肠杆菌和粪大肠杆菌的去除率大于99%，对CODcr 的平均去除率为22. 63%，对色度的平均去除率为38. 52%，对氨氮的平均去除率为2. 42%) ，因而此处选用5mg/L 臭氧投加量，臭氧浓度为12%(质量比) ，接触时间约为20min，纯氧需要量为48m3/h。
3. 2 氧源的确定
臭氧发生器的氧源主要包括空气、现场制氧。
采用空气制臭氧，由于其效率低、能耗较高而多用于臭氧量非常小的情况，本工程采用现场制氧再制臭氧的方案，重点对现场制氧的方案进行比较。
(1) 常压解吸变压吸附制氧PSA(推荐)。由空压机增压,再生时放到常压进行解吸，利用余压将产生的氧气供给用户。
(2) 真空解吸变压吸附制氧VPSA。由鼓风机供气，供气压力较低，再生时需要设置真空泵抽真空进行解吸。
(3) 真空解吸制氧VSA。原理同VPSA，只是原料空气进气压力低于VPSA，所以设备规模更大。
3 种制氧方案的效果见表2。
表2 3种现场制氧方案的效果比较
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根据本工程48m3/h 的需氧量要求，排除真空解吸变压吸附制氧及真空解吸制氧2 个现场制氧模式。
3. 3 现场制氧设计
变压吸附制氧机是以分子筛为吸附剂，利用加压吸附、降压解吸的原理从空气中吸附氮气，从而分离出氧气的设备。随着吸附压力的增加，可使O2、N2 的吸附量同时增大，且N2 的吸附量增加幅度要大一些。变压吸附周期短，O2、N2 的吸附远没有达到平衡，所以O2、N2 扩散速率的差别使N2 的吸附量在短时间内大大超过O2 的吸附量。变压吸附制氧正是利用分子筛的吸附特性，采用加压吸附、减压解吸的循环周期，使压缩空气交替进入2 个吸附塔来实现空气分离，从而连续产出高纯度的氧气。
(1) PSA 现场制氧设备主要构成。空气压缩机、空气缓冲罐、压缩空气预处理系统、变压吸附制氧主机、氧气缓冲罐、仪器仪表及控制系统。
(2) PSA 制氧工艺流程。空气压缩→空气干燥→除尘除油→变压吸附制氧→氧气净化处理→成品气，见图2。
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图2 PSA 制氧工艺流程
(3) PSA 现场制氧流程说明。本设备由空压机、缓冲罐等5 个主要部分组成(小气量制氧机考虑到结构和布局的合理性,会将空气缓冲罐、氧气缓冲罐和2 个吸附塔集成到一个撬装底盘上)。而PSA 制氧主机由吸附器、切换阀、仪表空气、仪表控制等主要部分组成，它是利用分子筛对空气中氧气的选择吸附性以及吸附氧气的能力随压力变化而改变的特性，通过改变吸附床的操作压力，达到连续制取氧气的目的。原料空气经过滤除尘后在空压机中压缩到0. 5~ 0. 7mPa，然后经冷冻空气中的残余油、水和杂质等，从下部进入吸附器。空气经过分子筛吸附剂床层时，空气中的水分、CO2 和O2 被分子筛吸附，氧气从吸附器顶部流出，一部分作为产品气输出，另一部分用于另一吸附器的解吸再生。吸附塔共2 只，交替成一个工作周期需经历吸附、逆向降压、顺向降压、解吸再生和充压5 个工况，2 只吸附塔交替使用，使得制氧装置能够连续产氧。
(4) 主要设计参数。设计产氧量48m3/h，产氧的氧气纯度要求≥93%，工作压力0. 6~ 0. 7mPa，主机变压吸附，24 h 连续不间断工作，一用一备。
3. 4 臭氧发生器设计
臭氧将通过现场制备的氧气源制备，本臭氧制备原理是电晕放电法。臭氧发生器罐体本身和内部的放电管道为接地极,高压电加到绝缘体的金属电极上，金属电极外部涂上了特殊的绝缘材料，这样在绝缘材料层和臭氧发生气罐体接地极之间形成了高压电场，氧气通过时，通过无声放电转为臭氧。
臭氧接触单元主要起脱色作用，使出水色度达到10 以下,其主要设计参数见表3。
表3 臭氧系统主要工艺参数
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另外，为了应对进水水质恶化的情况，臭氧发生器通过调节，臭氧产量最大能达到8. 36 kg/h，即投加量加大到8mg/L,臭氧浓度为8. 5%(质量比) ，氧气耗量为69m3/h，冷却水耗量为11. 1m3/h。
参考文献:
[1] 深圳市人民政府，中国城市规划设计研究院. 深圳市城市总体规划(1996-2010) [Z] . 1997.
[2] GB/T 18920-2002，城市污水再生利用城市杂用水水质标准[S] .
[3] GB/T 18921-2002，城市污水再生利用景观环境用水水质标准[S] .
[4] GB/T 50035-2002，污水再生利用工程设计规范[S] .
[5] 姚远. 深圳市横岗污水再生利用工程[J] . 中国农村水利水电,2009，(8) : 44- 45.
作者简介：蔡憬(1986-) , 男, 助理工程师。
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