隨著國(guó)家對(duì)廢水排放標(biāo)準(zhǔn)的不斷提高，目前臭氧高級(jí)氧化技術(shù)已被廣泛應(yīng)用于市政污水處理廠提標(biāo)改造、高濃度難降解工業(yè)廢水的深度處理。該技術(shù)的本質(zhì)是產(chǎn)生氧化性更強(qiáng)、選擇性較低的羥基自由基（·OH），其氧化還原電位（2.80V）比臭氧高35%，因此能降解各類廢水中結(jié)構(gòu)穩(wěn)定、可生化性差的污染物。
目前，臭氧高級(jí)氧化技術(shù)在設(shè)計(jì)階段存在幾個(gè)重點(diǎn)問題：一是如何根據(jù)具體的應(yīng)用環(huán)境和需求來選擇合適的氣源；二是如何靈活掌握臭氧發(fā)生器的電耗及成本參數(shù)、濃度參數(shù)及參數(shù)轉(zhuǎn)換；三是如何妥善地配套適宜的循環(huán)冷卻水系統(tǒng)；四是如何高效地設(shè)置自動(dòng)化監(jiān)測(cè)儀表。為此，針對(duì)這四個(gè)方面問題對(duì)臭氧高級(jí)氧化技術(shù)進(jìn)行分析并總結(jié)相應(yīng)經(jīng)驗(yàn)，以期為同類型工程的設(shè)計(jì)和建設(shè)提供參考。
1、臭氧發(fā)生器氣源對(duì)比分析與選擇
“氣”為臭氧制備的三要素之一，臭氧發(fā)生器產(chǎn)生臭氧氣體的氣源主要有空氣源、富氧源、液氧源三種�？諝庠床捎矛F(xiàn)場(chǎng)空氣凈化系統(tǒng)對(duì)空氣進(jìn)行處理，獲得潔凈干燥的空氣作為臭氧發(fā)生器的氣源；富氧源即制氧機(jī)氣源采用現(xiàn)場(chǎng)制氧系統(tǒng)制備氧氣，作為臭氧發(fā)生器的氣源；液氧源是將液態(tài)氧氣氣化為氣態(tài)氧氣，作為臭氧發(fā)生器的氣源。其中，富氧源與液氧源統(tǒng)稱為氧氣源。在臭氧發(fā)生器的使用中，選擇合適的氣源可以保證產(chǎn)品的高效率和質(zhì)量穩(wěn)定。臭氧發(fā)生器各種氣源特點(diǎn)見表1。
表1中富氧源臭氧發(fā)生器的氣源電耗是按現(xiàn)場(chǎng)變壓吸附制氧設(shè)備PSA（≤20kg/h）制氧考慮，當(dāng)采用真空變壓吸附制氧設(shè)備VPSA（>20kg/h）制氧時(shí)，臭氧產(chǎn)量越大氣源耗電越低，且不涉及購(gòu)買液氧相關(guān)費(fèi)用，因此臭氧產(chǎn)量越大，其年總運(yùn)行成本與液氧源相比更具有優(yōu)勢(shì)。
參照《室外給水設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)》（GB50013—2018），同時(shí)結(jié)合工程實(shí)踐，采用何種氣源類型應(yīng)綜合表1中多方面的因素并通過技術(shù)經(jīng)濟(jì)比較后確定。一般情況下，空氣源發(fā)生器適合于較小規(guī)模的臭氧發(fā)生量（≤10kg/h）及對(duì)臭氧濃度要求不高的場(chǎng)合，實(shí)際工程中應(yīng)用較少；液氧源發(fā)生器適合于中、小規(guī)模的臭氧發(fā)生量（≤20kg/h）及液態(tài)氧容易購(gòu)買的區(qū)域；富氧源發(fā)生器適合于各種規(guī)�；蛞簯B(tài)氧購(gòu)買不便、液氧站安裝受限但臭氧濃度要求較高的場(chǎng)合，其中PSA制氧常用于中、小規(guī)模的臭氧發(fā)生量（≤20kg/h），VPSA制氧常用于較大規(guī)模的臭氧發(fā)生量（>20kg/h）。
2、臭氧發(fā)生器常用設(shè)計(jì)參數(shù)
在臭氧高級(jí)氧化技術(shù)工程應(yīng)用中，臭氧發(fā)生器常用參數(shù)主要涉及臭氧發(fā)生量、電耗及成本、臭氧濃度以及參數(shù)轉(zhuǎn)換，靈活掌握各參數(shù)的經(jīng)驗(yàn)數(shù)據(jù)與轉(zhuǎn)換關(guān)系，可以更高效、出色地完成工程項(xiàng)目不同階段的設(shè)計(jì)任務(wù)。
2.1 電耗及成本參數(shù)
“電”為臭氧制備的三要素之一，對(duì)于空氣源、液氧源、富氧源，不同氣源對(duì)應(yīng)的臭氧發(fā)生器電耗情況不同。參照《水處理用臭氧發(fā)生器技術(shù)要求》（GB/T37894—2019）、《環(huán)境保護(hù)產(chǎn)品技術(shù)要求臭氧發(fā)生器》（HJ/T264—2006）、《水處理用臭氧發(fā)生器》（CJ/T322—2010）相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)，同時(shí)結(jié)合各發(fā)生器供貨商資料，對(duì)三種氣源發(fā)生器電耗及各項(xiàng)成本情況進(jìn)行統(tǒng)計(jì)，結(jié)果見表2。在項(xiàng)目前期，可參照表2數(shù)據(jù)進(jìn)行耗電量及成本指標(biāo)的估算。
2.2 濃度參數(shù)
對(duì)于空氣源、液氧源、富氧源，不同氣源對(duì)應(yīng)的臭氧發(fā)生器出口臭氧濃度不同，參照上述臭氧發(fā)生器相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)，并結(jié)合各發(fā)生器供貨商資料，對(duì)三種氣源發(fā)生器出口臭氧濃度進(jìn)行總結(jié)，結(jié)果見表3。在項(xiàng)目前期，可參照表3數(shù)據(jù)進(jìn)行臭氧投加等指標(biāo)的估算。
2.3 參數(shù)轉(zhuǎn)換
臭氧高級(jí)氧化技術(shù)單元存在液氧、氧氣、臭氧之間的參數(shù)轉(zhuǎn)換，以及不同計(jì)量單位的臭氧濃度轉(zhuǎn)換，在工程應(yīng)用中容易混淆不清，現(xiàn)根據(jù)設(shè)計(jì)經(jīng)驗(yàn)總結(jié)歸納如下：
①對(duì)于液氧源臭氧發(fā)生器，液氧與氧氣密度不同，1m³液態(tài)氧可換算為800m³氣態(tài)氧，1t液態(tài)氧可換算為700m³氣態(tài)氧。
②對(duì)于空氣源臭氧發(fā)生器，一般35m3/h的空氣可以產(chǎn)生1kg/h左右的臭氧，對(duì)應(yīng)發(fā)生器出口混合氣體也為35m3/h左右；對(duì)于氧氣源臭氧發(fā)生器，一般7m3/h氧氣可以產(chǎn)生1kg/h左右的臭氧，對(duì)應(yīng)發(fā)生器出口混合氣體也為7m3/h左右，不同供貨商數(shù)據(jù)略有出入。
③對(duì)于臭氧發(fā)生器而言，因放電室內(nèi)轉(zhuǎn)化率受限，無(wú)論氧氣源還是空氣源，目前由氧氣轉(zhuǎn)化為臭氧的質(zhì)量比一般均按10%考慮。
④對(duì)于氧氣源臭氧發(fā)生器，出口臭氧質(zhì)量分?jǐn)?shù)為1%時(shí)，臭氧含量相當(dāng)于14.3g/m3，折合臭氧體積分?jǐn)?shù)為0.670%；對(duì)于空氣源臭氧發(fā)生器，出口臭氧質(zhì)量分?jǐn)?shù)為1%時(shí)，臭氧含量相當(dāng)于12.93g/m3，折合臭氧體積分?jǐn)?shù)為0.605%。以此比例計(jì)算不同臭氧發(fā)生器的出口臭氧體積分?jǐn)?shù)。
具體轉(zhuǎn)換時(shí)將氧氣源臭氧發(fā)生器出口混合氣體密度近似按氧氣考慮，空氣源臭氧發(fā)生器出口混合氣體密度近似按空氣考慮。
3、內(nèi)、外循環(huán)冷卻水系統(tǒng)
臭氧發(fā)生器工作時(shí)會(huì)產(chǎn)生大量的熱能，需要冷卻，否則臭氧會(huì)因高溫邊產(chǎn)生邊分解。按冷卻方式劃分，臭氧發(fā)生器有水冷型和風(fēng)冷型兩種。水冷型發(fā)生器冷卻效果好，工作穩(wěn)定，臭氧無(wú)衰減，并能長(zhǎng)時(shí)間連續(xù)工作，但結(jié)構(gòu)復(fù)雜，成本高，大型發(fā)生器或重要場(chǎng)所使用的發(fā)生器通常為水冷型。風(fēng)冷型發(fā)生器冷卻效果不夠理想，臭氧衰減明顯，一般只用于臭氧產(chǎn)量較小或?qū)Πl(fā)生器性能要求不嚴(yán)格的場(chǎng)所。在水處理工程中常選用水冷型發(fā)生器，配套適宜的冷卻水系統(tǒng)，既可以保障臭氧的產(chǎn)量和效率，也可以延長(zhǎng)發(fā)生器的使用壽命和穩(wěn)定性。
“水”為臭氧制備的三要素之一，水冷型臭氧發(fā)生器最常用的是閉式循環(huán)冷卻水系統(tǒng)，即分為內(nèi)、外循環(huán)系統(tǒng)，內(nèi)循環(huán)主要是發(fā)生器廠家配套板式換熱器、循環(huán)水泵、緩沖水罐和附件，用于發(fā)生器放電腔體的降溫；外循環(huán)系統(tǒng)用于換熱器降溫。內(nèi)、外循環(huán)冷卻水系統(tǒng)特點(diǎn)見表4。
外循環(huán)冷卻水水源的選用原則：①對(duì)于工業(yè)項(xiàng)目，優(yōu)先選用廠內(nèi)冷卻塔提供的外循環(huán)冷卻水，如鋼鐵廢水、煤焦化廢水項(xiàng)目一般均由業(yè)主提供；②對(duì)于廠內(nèi)不能提供循環(huán)冷卻水的市政或工業(yè)園區(qū)項(xiàng)目，先核實(shí)污水廠處理出水是否滿足外循環(huán)水質(zhì)要求，若符合可以優(yōu)先采用，升溫后仍返回污水廠排水系統(tǒng)，如山東某工業(yè)園區(qū)污水廠在末端水池設(shè)泵將出水提升至臭氧發(fā)生器間作為外循環(huán)冷卻水；③當(dāng)臭氧發(fā)生器發(fā)生量較�。ㄈ�5kg/h以下）且沒有其他符合要求的冷卻水源時(shí)，可考慮采用廠內(nèi)自來水等，升溫后進(jìn)入廠區(qū)排水管道，如四川某凈水工程臭氧發(fā)生量為2kg/h，即采用廠內(nèi)自產(chǎn)水作外循環(huán)冷卻水；④在沒有其他符合要求的冷卻水源時(shí)，還可以考慮自備冷卻塔或冷水機(jī)等。通常根據(jù)項(xiàng)目實(shí)際情況，選擇經(jīng)濟(jì)可行的外循環(huán)冷卻水水源。
內(nèi)、外循環(huán)冷卻水系統(tǒng)具體配置見圖1。
4、臭氧高級(jí)氧化單元儀表設(shè)置
臭氧是一種無(wú)色、有魚腥味、有毒的氣體，如果出現(xiàn)泄漏可能會(huì)對(duì)周圍環(huán)境和人體造成危害。氧氣作為制備臭氧的氣源之一，如果泄漏到空氣中的濃度過高也會(huì)對(duì)人體造成危險(xiǎn)，嚴(yán)重時(shí)導(dǎo)致中毒或死亡，還可能引起火災(zāi)或爆炸。因此，監(jiān)測(cè)臭氧和氧氣泄漏，及時(shí)發(fā)現(xiàn)并消除隱患，是保障安全生產(chǎn)的重要一環(huán)。此外，臭氧的濃度和水質(zhì)的關(guān)系并不直觀，也需要儀器的幫助來準(zhǔn)確監(jiān)測(cè)和調(diào)控。目前，臭氧催化氧化單元可能配備的儀表類型主要有露點(diǎn)儀、臭氧泄漏報(bào)警儀、氧氣泄漏報(bào)警儀、臭氧濃度儀、水中臭氧濃度儀、尾氣臭氧濃度儀、排氣臭氧濃度儀，具體位置見圖2。
①露點(diǎn)儀通常設(shè)置于空氣源和富氧源臭氧發(fā)生器的進(jìn)口，即制氧系統(tǒng)出口的氧氣管路上，液氧源可以根據(jù)需要選擇配置。露點(diǎn)溫度是表征氣源絕對(duì)濕度的參數(shù)，露點(diǎn)超標(biāo)會(huì)導(dǎo)致氣體中水蒸氣的含量過多，從而降低臭氧的純度。通過露點(diǎn)儀對(duì)露點(diǎn)溫度的監(jiān)測(cè)，可判斷制氧系統(tǒng)的運(yùn)行狀態(tài)并參與聯(lián)鎖報(bào)警停機(jī)。
②臭氧泄漏報(bào)警儀通常設(shè)置于臭氧發(fā)生器間，用以監(jiān)測(cè)室內(nèi)環(huán)境空氣中可能泄漏的臭氧濃度，并對(duì)臭氧泄漏狀況做出指示和報(bào)警。如果將尾氣破壞間作為設(shè)備用房，也需要設(shè)置臭氧泄漏報(bào)警儀。
③氧氣泄漏報(bào)警儀通常設(shè)置于氧氣源臭氧發(fā)生器制備間，用以監(jiān)測(cè)室內(nèi)環(huán)境空氣中可能泄漏的氧氣濃度，并對(duì)泄漏狀況做出指示和報(bào)警。
④臭氧濃度儀通常設(shè)置于臭氧發(fā)生器出口管道上，用于監(jiān)測(cè)發(fā)生器制備的臭氧濃度，從而判斷是否在預(yù)期的合理范圍。
⑤水中臭氧濃度儀一般設(shè)置于給水消毒后的出水中，用于監(jiān)測(cè)水中的剩余臭氧濃度，以確保在水處理過程中達(dá)到足夠的消毒效果，同時(shí)又不超過安全濃度。如果用于污水處理系統(tǒng)，一般設(shè)置于臭氧接觸池，以確保在接觸池中維持適當(dāng)?shù)某粞跛�，最大程度地提高污水的凈化效果。若用于工業(yè)廢水，因水中干擾物質(zhì)較雜，容易影響儀表測(cè)量的準(zhǔn)確性。
⑥尾氣臭氧濃度儀一般設(shè)置于進(jìn)尾氣破壞器前的管道或者封閉臭氧氧化池上部的超高空間，用于監(jiān)測(cè)尾氣未經(jīng)破壞前的臭氧濃度，據(jù)此判斷臭氧投加量的過量程度，從而調(diào)整臭氧的投加量。但因價(jià)格較高，在工程應(yīng)用中一般根據(jù)需要進(jìn)行設(shè)置。另外，尾氣中除了臭氧，水汽含量也會(huì)比較高，在接入尾氣臭氧濃度儀之前應(yīng)先降低尾氣中的水汽含量。
⑦排氣臭氧濃度儀一般設(shè)置于尾氣破壞器之后，用于監(jiān)測(cè)經(jīng)尾氣破壞器處理后排放的臭氧濃度是否達(dá)標(biāo)，也因價(jià)格較高在工程應(yīng)用中一般根據(jù)需要進(jìn)行設(shè)置。
上述監(jiān)測(cè)儀表中露點(diǎn)儀、臭氧泄漏報(bào)警儀、氧氣泄漏報(bào)警儀、臭氧濃度儀均需配置，水中臭氧濃度儀、尾氣臭氧濃度儀、排氣臭氧濃度儀可以根據(jù)具體項(xiàng)目需要及投資情況進(jìn)行選擇性配置。
5、結(jié)語(yǔ)
①臭氧發(fā)生器氣源類型的選擇應(yīng)綜合多方面因素來確定，一般情況下，空氣源發(fā)生器適合臭氧發(fā)生量≤10kg/h且對(duì)臭氧濃度要求不高的場(chǎng)合；液氧源發(fā)生器適合臭氧發(fā)生量≤20kg/h及液氧容易購(gòu)買的區(qū)域；制氧機(jī)氣源（富氧源氣源）發(fā)生器適合各種規(guī)�；蛞貉踬�(gòu)買不便、液氧站安裝受限但臭氧濃度要求較高的場(chǎng)合。
②對(duì)于空氣源臭氧發(fā)生器，一般35m3/h空氣約可以產(chǎn)生1kg/h的臭氧，總成本約為22元/kgO3，電耗占比最大；對(duì)于氧氣源臭氧發(fā)生器，一般7m3/h氧氣大約可以產(chǎn)生1kg/h臭氧。富氧源臭氧發(fā)生器總成本約為14～18元/kgO3，電耗占比最大；液氧源臭氧發(fā)生器總成本約為15～17元/kgO3，電耗及液氧費(fèi)用占比相當(dāng)；富氧源臭氧發(fā)生器與液氧源臭氧發(fā)生器總成本相當(dāng)，當(dāng)臭氧發(fā)生量>20kg/h時(shí)，富氧源臭氧發(fā)生器更有優(yōu)勢(shì)。
③對(duì)于內(nèi)、外循環(huán)冷卻水系統(tǒng)配置，空氣源臭氧發(fā)生器內(nèi)循環(huán)水用量約是氧氣源臭氧發(fā)生器內(nèi)循環(huán)水用量的2倍，內(nèi)循環(huán)水水質(zhì)要求高于外循環(huán)水水質(zhì)要求，有條件時(shí)優(yōu)先選用冷卻塔供給外循環(huán)冷卻水。
④對(duì)于臭氧高級(jí)氧化單元的儀表設(shè)置，露點(diǎn)儀、臭氧泄漏報(bào)警儀、氧氣泄漏報(bào)警儀和臭氧濃度儀在工程項(xiàng)目中一般均需要配備，水中臭氧濃度儀、尾氣臭氧濃度儀和排氣臭氧濃度儀可根據(jù)項(xiàng)目需求和投資進(jìn)行選擇性配置。（來源：北京北排水務(wù)設(shè)計(jì)研究院有限公司，中冶京誠(chéng)工程技術(shù)有限公司，北京亦莊環(huán)境科技集團(tuán)有限公司）
