再生水是指城市污水經(jīng)二級(jí)處理或者深度處理后，達(dá)到國家和本市規(guī)定相關(guān)水質(zhì)標(biāo)準(zhǔn)的非飲用水。對城市污水進(jìn)行處理和再生利用，按照分質(zhì)供水的原則用于一些對水質(zhì)要求較低的用途，從而替代優(yōu)質(zhì)水，作為城市公共設(shè)施景觀環(huán)境用水、市政雜用水等，以緩解城市日益嚴(yán)峻的水資源供需矛盾。

1 工程概況

深圳市橫崗再生水廠及配套管網(wǎng)工程作為2011 年世界大學(xué)生運(yùn)動(dòng)會(huì)的配套項(xiàng)目，又是深圳市一個(gè)中水回用的典型項(xiàng)目，該工程包括1 座5 萬m3/d 的再生水廠廠站以及配套的送水管網(wǎng)，主要供給大運(yùn)中心、信息學(xué)院、龍崗中心城以及寶龍工業(yè)區(qū)的景觀水、市政雜用水等中水用戶。

2 工藝簡介

再生水廠的工藝流程見圖1。

圖1工藝流程

橫崗污水廠二期紫外消毒后的出水5 萬m3/d(一級(jí)A 出水)，重力自流至超濾集水井，通過超濾進(jìn)水泵提升至超濾車間，經(jīng)過全自動(dòng)過濾器、超濾膜后，到達(dá)臭氧接觸池，在臭氧接觸池內(nèi)投加臭氧、次氯酸鈉脫色消毒后到達(dá)清水池，再自流至送水泵房的集水井，經(jīng)過送水泵加壓后，送至外部管網(wǎng)系統(tǒng)供給用戶。水廠設(shè)計(jì)進(jìn)出水水質(zhì)見表1。

表1橫崗再生水廠設(shè)計(jì)進(jìn)出水水質(zhì)  mg/L

注: 設(shè)計(jì)出水色度要求≤10mg/L。

臭氧作為一種良好的氧化劑，不僅消毒作用明顯，還可以去除水中的色、臭味、鐵和錳等一般化學(xué)物質(zhì)，而且用量少、接觸時(shí)間短，能克服氯處理水中殘留致癌鹵代物的問題。

臭氧系統(tǒng)對超濾膜過濾完的出水進(jìn)行脫色以及部分消毒,在整個(gè)水廠處理工藝中扮演極其重要的角色。

3 臭氧系統(tǒng)

3. 1 臭氧投加量的確定

為保證接觸裝置的設(shè)計(jì)合理、可靠，應(yīng)通過模擬試驗(yàn)取得設(shè)計(jì)參數(shù)。但是由于目前沒有原水中的COD 組分的詳細(xì)分析，也沒有臭氧投加量的小試數(shù)據(jù)，因而此處根據(jù)公開發(fā)表的文獻(xiàn)以及臭氧供應(yīng)商的建議來確定臭氧投加量:《城市污水二級(jí)處理水臭氧深度處理初探》的實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，臭氧對色度的去除非常有效，在臭氧消耗量為5mg/L 和反應(yīng)時(shí)間為5min的條件下，出水色度為3 度以下，脫色率高達(dá)80%以上，其結(jié)論指出在臭氧氧化和生物處理組合工藝中，考慮到臭氧氧化的目標(biāo)和經(jīng)濟(jì)運(yùn)行費(fèi)用，臭氧氧化最佳設(shè)計(jì)運(yùn)行參數(shù)建議為臭氧消耗量5mg/L，臭氧接觸氧化時(shí)間5~ 10min; 北京經(jīng)濟(jì)技術(shù)開發(fā)區(qū)經(jīng)開再生水廠(4 萬m3/d) 采用CMF+ O3 工藝，臭氧投加量為5~ 8mg/L，接觸時(shí)間約為34m in; 日本東京有明再生中心臭氧投加量為4. 9mg/L，出水色度小于10。綜合考慮本工程原水為一級(jí)A 出水，又經(jīng)過自清洗過濾器和超濾膜處理，水體中的污染物含量以及色度會(huì)有所降低(西安建筑科技大學(xué)在北京北小河污水處理廠利用二沉池出水直接進(jìn)行超濾膜處理試驗(yàn)，其試驗(yàn)結(jié)論指出總大腸桿菌和糞大腸桿菌的去除率大于99%，對CODcr 的平均去除率為22. 63%，對色度的平均去除率為38. 52%，對氨氮的平均去除率為2. 42%) ，因而此處選用5mg/L 臭氧投加量，臭氧濃度為12%(質(zhì)量比) ，接觸時(shí)間約為20min，純氧需要量為48m3/h。

3. 2 氧源的確定

臭氧發(fā)生器的氧源主要包括空氣、現(xiàn)場制氧。

采用空氣制臭氧，由于其效率低、能耗較高而多用于臭氧量非常小的情況，本工程采用現(xiàn)場制氧再制臭氧的方案，重點(diǎn)對現(xiàn)場制氧的方案進(jìn)行比較。

(1) 常壓解吸變壓吸附制氧PSA(推薦)。由空壓機(jī)增壓,再生時(shí)放到常壓進(jìn)行解吸，利用余壓將產(chǎn)生的氧氣供給用戶。

(2) 真空解吸變壓吸附制氧VPSA。由鼓風(fēng)機(jī)供氣，供氣壓力較低，再生時(shí)需要設(shè)置真空泵抽真空進(jìn)行解吸。

(3) 真空解吸制氧VSA。原理同VPSA，只是原料空氣進(jìn)氣壓力低于VPSA，所以設(shè)備規(guī)模更大。

3 種制氧方案的效果見表2。

表2 3種現(xiàn)場制氧方案的效果比較

根據(jù)本工程48m3/h 的需氧量要求，排除真空解吸變壓吸附制氧及真空解吸制氧2 個(gè)現(xiàn)場制氧模式。

3. 3 現(xiàn)場制氧設(shè)計(jì)

變壓吸附制氧機(jī)是以分子篩為吸附劑，利用加壓吸附、降壓解吸的原理從空氣中吸附氮?dú)?，從而分離出氧氣的設(shè)備。隨著吸附壓力的增加，可使O2、N2 的吸附量同時(shí)增大，且N2 的吸附量增加幅度要大一些。變壓吸附周期短，O2、N2 的吸附遠(yuǎn)沒有達(dá)到平衡，所以O(shè)2、N2 擴(kuò)散速率的差別使N2 的吸附量在短時(shí)間內(nèi)大大超過O2 的吸附量。變壓吸附制氧正是利用分子篩的吸附特性，采用加壓吸附、減壓解吸的循環(huán)周期，使壓縮空氣交替進(jìn)入2 個(gè)吸附塔來實(shí)現(xiàn)空氣分離，從而連續(xù)產(chǎn)出高純度的氧氣。

(1) PSA 現(xiàn)場制氧設(shè)備主要構(gòu)成?？諝鈮嚎s機(jī)、空氣緩沖罐、壓縮空氣預(yù)處理系統(tǒng)、變壓吸附制氧主機(jī)、氧氣緩沖罐、儀器儀表及控制系統(tǒng)。

(2) PSA 制氧工藝流程?？諝鈮嚎s→空氣干燥→除塵除油→變壓吸附制氧→氧氣凈化處理→成品氣，見圖2。

圖2 PSA 制氧工藝流程

(3) PSA 現(xiàn)場制氧流程說明。本設(shè)備由空壓機(jī)、緩沖罐等5 個(gè)主要部分組成(小氣量制氧機(jī)考慮到結(jié)構(gòu)和布局的合理性,會(huì)將空氣緩沖罐、氧氣緩沖罐和2 個(gè)吸附塔集成到一個(gè)撬裝底盤上)。而PSA 制氧主機(jī)由吸附器、切換閥、儀表空氣、儀表控制等主要部分組成，它是利用分子篩對空氣中氧氣的選擇吸附性以及吸附氧氣的能力隨壓力變化而改變的特性，通過改變吸附床的操作壓力，達(dá)到連續(xù)制取氧氣的目的。原料空氣經(jīng)過濾除塵后在空壓機(jī)中壓縮到0. 5~ 0. 7mPa，然后經(jīng)冷凍空氣中的殘余油、水和雜質(zhì)等，從下部進(jìn)入吸附器。空氣經(jīng)過分子篩吸附劑床層時(shí)，空氣中的水分、CO2 和O2 被分子篩吸附，氧氣從吸附器頂部流出，一部分作為產(chǎn)品氣輸出，另一部分用于另一吸附器的解吸再生。吸附塔共2 只，交替成一個(gè)工作周期需經(jīng)歷吸附、逆向降壓、順向降壓、解吸再生和充壓5 個(gè)工況，2 只吸附塔交替使用，使得制氧裝置能夠連續(xù)產(chǎn)氧。

(4) 主要設(shè)計(jì)參數(shù)。設(shè)計(jì)產(chǎn)氧量48m3/h，產(chǎn)氧的氧氣純度要求≥93%，工作壓力0. 6~ 0. 7mPa，主機(jī)變壓吸附，24 h 連續(xù)不間斷工作，一用一備。

3. 4 臭氧發(fā)生器設(shè)計(jì)

臭氧將通過現(xiàn)場制備的氧氣源制備，本臭氧制備原理是電暈放電法。臭氧發(fā)生器罐體本身和內(nèi)部的放電管道為接地極,高壓電加到絕緣體的金屬電極上，金屬電極外部涂上了特殊的絕緣材料，這樣在絕緣材料層和臭氧發(fā)生氣罐體接地極之間形成了高壓電場，氧氣通過時(shí)，通過無聲放電轉(zhuǎn)為臭氧。

臭氧接觸單元主要起脫色作用，使出水色度達(dá)到10 以下,其主要設(shè)計(jì)參數(shù)見表3。

表3 臭氧系統(tǒng)主要工藝參數(shù)

另外，為了應(yīng)對進(jìn)水水質(zhì)惡化的情況，臭氧發(fā)生器通過調(diào)節(jié)，臭氧產(chǎn)量最大能達(dá)到8. 36 kg/h，即投加量加大到8mg/L,臭氧濃度為8. 5%(質(zhì)量比) ，氧氣耗量為69m3/h，冷卻水耗量為11. 1m3/h。

參考文獻(xiàn):

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作者簡介：蔡憬(1986-) , 男, 助理工程師。

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