解析臭氧发生器在自来水处理中的应用

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[摘 要]叙述了臭氧发生器的构成及工作原理，介绍了臭氧发生器在自来水厂中的运行特色及臭氧投加的控制系统。

[关键词]臭氧发生器；原理 ；结构；自动控制 ；运行投加

中图分类号：V313 文献标识码：A 文章编号：1009-914X（2017）10-0023-01

概述

随着我国经济建设的快速发展，人们对饮水质量的要求越来越高 ，自来水厂采用臭氧―活性炭技术对水进行深度处理已成为主要技术手段。水厂选用臭氧发生器主要是用于对水质进行消毒，它的杀菌消毒效果极佳，现已成为了饮用水处理过程中最为重要的应用技术。臭氧发生器是用于制取臭氧的设备装置，滨江水厂二期工程中采用的WEDECO EFFIZON EVO臭氧发生器不仅具有杀菌消毒性能而且可以去除水中异味，去除水中含有的铁、锰、有机物质，它与其他消毒技术相比最大优势在于它能够消灭水中一切对人体有害物质，而且不会产生任何其他有害物质，不会发生再次污染现象，保证饮用水质健康安全。

一、臭氧发生器工作原理

本臭氧制备原理是高压放电法，供电单元提供高压电场而使流过发生器的氧气在此电场中通过。臭氧发生器罐体本身和内部的发生室为接地极，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器罐体接地极之间形成了高压电场，氧气通过时通过高压电晕放电转化为臭氧。合格气源经减压稳压后进入臭氧发生室，在臭氧发生室内部分氧气通过中频高压放电变成臭氧，产品气体经温度、压力、流量监测调节后由臭氧出气口产出。通过在每台臭氧发生器配备的臭氧浓度检测仪在线监控臭氧发生器的出气浓度，通过控制系统计算出臭氧产量。

二、臭氧发生器的构成

（一）臭氧的气体原料

臭氧发生器的原料有两种，分别是空气和氧气，氧气又分现场制氧和外购液氧。一般认为：空气制臭氧方式获得的臭氧浓度较低，一般质量分数为3%（氧气制臭氧方式获得的臭氧质量分数为10%），若要生产等量的臭氧所需的臭氧发生器设备要增加，设备投资大，电耗高，就目前滨江水厂对设备投资、深度处理中臭氧需求量、运行经济性及运行管理等综合考虑，现阶段采用外购液氧作为臭氧系统气源的方式比较经济。

（二）臭氧的产生

臭氧处理系统的核心部分是WEDECO EFFIZON EVO臭氧发生器。 臭氧发生器被设计成带有水冷管式换热装置的形式，能够有效地取走臭氧产生时放出的热量。臭氧发生器内的管子作为气体放电管，根据“无声放电原理” 在此处产生臭氧。电极排列在气体放电管内，并被玻璃制成的绝缘介质管隔开，并分别留有一个很小的间隙。一个中频高压电源用来给电极供电，并可以调节电源参数以适应不同的产量需求。 臭氧的产生发生在两个电极之间，高压、中频并且单边接地的电压施加在两个电极上。含氧气体流过间隙，臭氧则在放电区域内产生。

（三）臭氧电源装置

臭氧发生器产生臭氧的电能是由臭氧系统的电源柜提供的。臭氧发生器的电源柜转换常规电压和频率成为生成臭氧所需的频率和电压。电源柜输出的高压电源通过特殊的高压电缆和特制的高压接头连接到臭氧发生器气源入口室的高压电极上。

1、可控硅全控整流桥电路

用于控制调节整流器的输出电压，实现高压输出电压与臭氧产量的平滑调节。

2、中频逆变

包括可控硅关断电路，臭氧发生室这一负载在起辉、正常工作、瞬时跳火或局部跳火时负载特性变化很大，为此专门研制了相应的数字电路，保证了可控硅的关断。

3、控制电路

由同步脉冲触发电路、电流电压反馈电路、比较器等组成PID控制回路，使工作频率和输出电压可调，从而实现主电路的协调稳定工作。电源控制核心为高可靠CPU，O置自动软启动功能，并设置多重保护装置保证整机的可靠性和稳定性，产量和浓度还可根据实际需要实现平滑调节。

4、高压变压器

用于传递功率和使电子功率电路的输出与发生室匹配，对其参数的要求与普通变压器有所区别。要求变压器有一定的漏感来平衡负载变化，保护电子元器件。

（四）冷却水系统

在臭氧产生的过程中，臭氧发生器有一个很高的温升。需要一个将进水温度控制在15～25℃的良好的冷却系统。冷却系统设计成冷却水与发生器气流流动方向逆流。冷却水通过臭氧发生器冷却空间内的导流板，能够在管束之间达到一个很好的冷却效果。一旦冷却水的温度超过50℃，设备自动停止运行。另外，供电部分（变频器）也需冷却水冷却。

（五）扩散系统

1.在前臭氧接触系统中，利用水泵启动并在管中制造真空。气流量由流量表和电力控制阀控制，臭氧通过注射器在水中混合。

2.在主臭氧接触系统中，采用接触池曝气的方式，此系统的主要器件为微孔曝气盘，产生的臭氧通过扩散器扩散到接触池内部。气流量可以通过阀来调节并由流量计显示出来。一般臭氧接触池采用密封的方式，为保证臭氧接触池内外的压力平衡，池子需加装双向安装呼吸阀。

（六）臭氧尾气破坏系统

为了确保安全，需要臭氧尾气分解破坏装置来取走未溶解的臭氧气体并将其转化为氧气，这由臭氧催化破坏装置来实现。滨江水厂主臭氧尾气破坏间设在主臭氧接触池池顶上，配备用2台加热型臭氧尾气破坏器（1用1备）。溶解的臭氧在接触池的出口被收集并在催化破坏器中被分解破坏。来自接触池的尾气通过除雾器以及抽气扇进入臭氧破坏器。尾气在破坏器入口处通过预加热来防止其在催化器中发生冷凝。进入反应室后，臭氧分子在通过催化器时得以分解。随后，尾气被离心风机从催化床排出。

三、臭氧的控制系统

臭氧发生器均自带本地PLC及触摸屏，包括开关机、功率投加控制等在内的臭氧发生器的所有操作均可以在本地完成。上述功能也可由远端的总控PLC（上位机）来实现。针对包括多台臭氧发生器及气源系统、水冷却系统等在内的整个臭氧系统，配置专门的总控PLC来实现对整个系统的控制。系统包括露点仪、臭氧浓度检测仪、臭氧/氧气泄露报警仪、尾气浓度检测仪、排气浓度检测仪、水溶浓度检测仪、流量计、压力变送器、温度变送器、调节阀门等，同自控系统联机工作。子站中的模拟量信号都通过PLC的A/D转换模块，将模拟量信号转换为数字信号送至PLC；所有的开关量信号直接送入PLC数字量端子或数字量模块，再进入PLC。作为高度集成与自动化的臭氧发生器系统，PLC应对所测数据进行运算与处理，通过Siemens 触摸屏显示所测数据，臭氧系统运行数据以以太网通讯方式传送至DCS。

四、臭氧的投加及运行

滨江水厂二期规模为15万m3/d。采用预氧化―混凝―平流沉淀池―砂滤池―臭氧―生物活性炭池―加氯消毒的净水工艺流程，为减少消毒副产物，以预臭氧取代前加氯，深度处理采用臭氧-活性炭工艺。臭氧投加总量最大3.5mg/l计，其中预臭氧0.5～1mg/l，后臭氧为2～3mg/l，臭氧发生器为WEDEO EFFIZON EVO共3台，每台产量≥8kg/h，每台臭氧发生器功率约100kw。预臭氧投加量为0.5～1mg/l，采用管道混合器投加方式，达到臭氧和原水的充分混合，投加点设在水厂DN1400进水总管上。后臭氧投加量常在2～3mg/L之间，臭氧接触水力停留时间10～15min左右，接触后余臭氧控制在0.1mg/L以下。臭氧接触池为全封闭钢筋混凝土结构分2组，每组可单独运行。每组接触池分三段，采用密闭对流接触方式，在接触池下部采用微孔曝气，臭氧上向流，水流下向流，以达到充分反应。目前滨江水厂臭氧系统24小时连续运行，WEDEO臭氧发生器选用的运行参数为冷却水温度为15-25℃、进气压力1.2bar、臭氧浓度设定为 10% wt、前臭氧投加量为0.5～1mg/l，主臭氧投加量为在2～3mg/L，根据原水流量及水质情况来决定臭氧的投加量。

五、结束语

臭氧发生器的正常运行才能有效控制水体中的微量有机物、消毒副产物和改善饮用水口感，达到优质供水目标。只有全面了解掌握臭氧发生器的结构、原理、系统设置、安全操作、维护保养等各个方面，才能更好的使其融入于水厂生产工艺中，并在此基础上，不断总结经验，为水厂创造更大的社会效益和经济效益。

参考文献

[1] 侯艳君.臭氧发生器生产技术及其制备工艺.黑龙江大学出版社.2014.

[2] 储金宇.吴春笃等.臭氧技术及应用.北京.化学工业出版社.2002.