水厂臭氧发生器的经济运行分析

刘佩青，姚 青，沈 华，皇甫新星

(苏州工业园区清源华衍水务有限公司，江苏苏州 215000)

目前，很多水厂的水源污染较严重，原水中有机物浓度和藻类密度较高。常规的混凝-沉淀-砂滤-加氯消毒工艺不能满足出厂水水质安全，因此，臭氧-生物活性炭深度处理工艺开始广泛应用到水厂。

水厂运行水质安全是第一要素，其次，能耗和运行成本控制也很关键，深度处理工艺在运行过程中实现精细化管理有待提升[1]。在制水过程中，臭氧投加不足，会导致出厂水高锰酸盐指数(CODMn)和嗅味物质(2-甲基异莰醇)超标，水质有异味，影响感官。投加过量易产生溴酸盐等致癌性消毒副产物问题，还会导致能耗和运行成本的增加[2]。以苏州某水厂的臭氧发生器为例，研究其经济运行，进一步降低深度处理工艺能耗。

1 臭氧发生系统

1.1 臭氧系统组成

该试验研究时间为2019年5月—10月，预臭氧投加量为0.6 mg/L，后臭氧投加量为0.8 mg/L，试验期间日均供水量变化平稳。本文考察内容包括：①不同臭氧发生浓度下，CODMn的去除率；②确定不同臭氧发生浓度下臭氧发生器的能耗，即电能消耗和液氧消耗之和。

该水厂设计规模为20万m3/d，于2014年7月投产运行。工艺为混凝沉淀、过滤、臭氧-生物活性炭滤池、消毒。深度处理工艺具有物理化学吸附、臭氧化学氧化、生物氧化降解和臭氧灭菌消毒的功能，其中，臭氧氧化水中2-甲基异莰醇(2-MIB)的效果明显优于KMnO4、NaClO等氧化剂[3]。同时，臭氧还能氧化水中的铁、锰等无机物，使用臭氧消毒产生的化学物质污染较少，不会产生三卤甲烷等消毒副产物[4]。

生物活性炭滤池采用向下流工艺，预臭氧接触池臭氧曝气采用射流扩散器，不易堵塞，预臭氧设计投加量为0.5 mg/L，最大投加能力为1.0 mg/L。后臭氧投加采用微孔曝气器投加，设计投加量为1.5 mg/L，最大投加能力为2.0 mg/L，接触时间13 min，后臭氧为3点投加，各级投加比例为2∶1∶1。

臭氧发生系统由气源系统、冷却系统、补氮系统、臭氧发生器、扩散系统以及尾气破坏系统装置组成[5]，工艺流程如图1所示。气源系统主要由液氧储罐和气化器组成，液氧储罐和气化器采用租赁方式。补氮系统由空压机、冷干机等组成，臭氧发生器进气时会投加0.1%～1%浓度的空气，空气中的氮气能起到催化反应的作用，可降低电耗[6]。冷却水系统主要是带走臭氧发生器高压放电产生的热量，要求冷却水温控制在35 ℃以下。尾气破坏装置采用加热触媒催化分解法，经尾气破坏器分解后的气体其臭氧浓度应该小于0.1 mg/L。

图1 臭氧发生系统工艺流程图Fig.1 Process Flow Diagram of Ozone Generation System

1.2 臭氧发生器工作原理

该水厂臭氧发生器选用某进口品牌CFV20型号，放电室装有288个电介质单元，制备臭氧质量浓度可达6%～12%，额定臭氧产量15.8 kg/h，额定进气压力0.12 MPa，装机功率151 kW。臭氧发生器的工作原理基于无声放电，当高压电极上带有变化的高电压时，电极之间的放电间隙处会产生微放电，氧气分子被分解为自由态的氧原子，部分自由态的氧原子与未分解的氧气分子重新结合生产臭氧[7-8]，即O + O2=O3。

2 臭氧发生器能耗分析

2.1 水量概况

图2为2017年—2019年水厂供水量的年日均值变化情况，2018年和2019年2月为春节假期，供水量较低，7月—9月为夏季高峰供水，日均供水量为18万m3左右。由图2可知，2019年5月—9月日均供水量在17.75万～18.07万m3，水量较平稳。

图2 2017年—2019年水厂日均供水量变化情况Fig.2 Variation of Average Daily Water Supply Capacity in WTP during 2017—2019

2.2 冷却水系统

冷却水系统是臭氧发生系统的辅助系统，它在提高臭氧的产量及节省电耗方面起到至关重要的作用[9]。该冷却水系统内循环采用纯水，在臭氧发生器、循环水泵及热交换器之间流动，外循环采用自用水，通过热交换器带走内循环水产生的热量，使臭氧发生器在一个恒定的温度范围内工作。有研究表明，16 ℃为最佳冷却水进口温度，进口温度在8～16 ℃时，电耗随冷却水进口温度升高而降低[10]。该水厂臭氧发生器间安装了两台功率为5 kW的空调，夏季室内温度保持在26 ℃，试验期间冷却水进口温度为12.2～16.5 ℃。

2.3 原水水质概况

结合臭氧-活性炭滤池深度处理工艺实际运行功能，选择原水CODMn、藻类、2-MIB 3项水质指标作为研究对象。图3(a)为2017年—2019年原水CODMn月均值的变化，由图3(a)可知，2019年原水CODMn平均浓度低于前两年，逐年呈递减趋势。2017年—2019年原水CODMn最低值为3.81 mg/L，最高值为7.22 mg/L，每年CODMn的月均值变化趋势具有相似性，从每年5月开始浓度逐渐升高，8月达到最高。

由图3(b)可知，2019年原水藻类数量比前两年有大幅上升，2019年最高值1 790万个/L比2018年最高值1 064万个/L上涨68.2%，比2017年最高值3 367万个/L下降46.8%。藻类月均值变化趋势跟CODMn具有相似性，从每年5月开始藻类数量逐渐明显升高，夏季高峰供水期间，藻类数量明显大幅升高，8月、9月达到最高值。

由图3(c)可知，2-MIB峰值的时间与CODMn、藻类并不同步，每年4月—6月2-MIB浓度明显升高，6月开始下降。根据数据记录，2017年5月原水2-MIB全年最高为0.711 μg/L，2018年5月原水2-MIB最高为0.160 μg/L，2019年4月原水2-MIB最高为0.330 μg/L，原水2-MIB峰值呈提前趋势。

图3 2017年—2019年原水中3项水质指标变化 (a) CODMn; (b) 藻类; (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，水厂常规工艺对CODMn的去除率平均值为20%～38.13%[11-12]。由图4(a)可知，2017年—2019年CODMn的月平均去除率为62%～77%，出厂水CODMn控制在1.31～1.82 mg/L，远低于内控的3 mg/L限值，深度处理工艺对水体中的有机物去除效果远优于常规工艺。

2019年该水厂出厂水CODMn比2017年、2018年低，可能跟原水CODMn逐年降低有关。CODMn的去除率还跟原水的CODMn有关，原水CODMn高，去除率也高，并呈现每年5月去除率逐渐升高，9月逐渐下降的规律。

由图4(b)可知，试验期间，投加不同发生浓度臭氧情况下，原水CODMn经过臭氧-生物活性炭滤池工艺去除率在64%～70%，比较稳定。

图4 (a) 2017年—2019年出厂水CODMn月平均值及其去除率； (b) CODMn的去除率随不同臭氧投加浓度的变化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 电耗与氧耗

试验期间该水厂供水量稳定，后臭氧接触池中余臭氧的浓度控制在0.2 mg/L以内。臭氧发生器的臭氧产率从6%调到12%，臭氧投加量不变，预臭氧投加量为0.6 mg/L，后臭氧投加量为0.8 mg/L。液氧费用为900元/t，电费为0.635 8元/(kW·h)。一般情况下，适当提高臭氧发生浓度可降低氧耗，降低臭氧发生浓度可降低电耗，因此，以电能消耗和液氧消耗之和最小为目标。试验结果表明，臭氧发生浓度<10 wt%时，液氧消耗占生产成本的比重更大。随着臭氧发生浓度的上升，液氧消耗与电能消耗的差值逐渐缩小，到12 wt%时，差值基本持平。

研究表明，臭氧发生器设备的电气运行工况点，臭氧浓度应≤10%。由图5可知，供水量变化趋势比较平稳的情况下，9%臭氧发生浓度下液氧消耗和电能消耗的之和最小，运行成本最低为11.3 × 10-3元/m3，此时氧耗为7.44 g/m3，电耗为7.26 × 10-3kW·h/m3，因此，臭氧发生浓度9%是臭氧发生器的能耗最低点。

图5 不同臭氧发生浓度与氧耗和电耗的变化关系Fig.5 Relationship between Different Ozone Concentrations and Oxygen and Electricity Consumption in Generator

3 结论

在供水量较平稳状态下，臭氧投加量恒定，预臭氧投加0.6 mg/L，后臭氧投加0.8 mg/L的情况下，水厂的臭氧发生器的臭氧发生浓度依次调整为6%、7%、8%、9%、10%、11%、12%，后臭氧接触池内余臭氧浓度小于0.2 mg/L。试验表明，不同臭氧发生浓度，臭氧-生物活性炭滤池工艺对CODMn的去除率较稳定，控制在64%～70%，深度处理工艺对水体中有机物的去除效果远优于常规工艺。

根据试验结果，臭氧发生浓度9%是水厂臭氧发生器液氧消耗与电能消耗之和的最低点，氧耗为7.44 g/m3，电耗为7.26 × 10-3kW·h/m3，运行成本最低为11.3 × 10-3元/m3。发生浓度为6%时，成本单价最高为15.86 × 10-3元/m3，以该水厂供水量18万m3/d运行为例，运行年费可节约29.89万元。该水厂实际生产中以臭氧发生浓度7%进行投加，若调整为臭氧发生浓度9%，则运行年费可节约5.85万元。