【摘要】随着城市污水的排放量和污染物浓度的增加，需要更高效的深度处理技术来提高出水水质。某城市污水处理厂采用臭氧深度处理工艺，利用臭氧来分解部分难降解大分子有机物，提高污染物去除率，增强脱色消毒能力。介绍臭氧工艺主要流程及设计参数说明，并对运行效果进行分析。最终COD、SS、氨氮等污染物排放浓度均稳定达到《城镇污水处理厂污染物排放标准》（GB18918—2002）的一级A标准。
【关键词】污水厂；臭氧；深度处理；设计应用
当前，人们生活水平的提高、工业的不断发展，环境污染问题也日益明显，尤其是生活污水、工业废水的排放，对水体及周围环境造成了严重的污染。同时，随着污水排放标准越来越严格，多数污水厂的处理工艺已经不能满足污染物的排放要求，因此人们迫切需要高效的污水深度处理技术来处理日益增加的污水[1]。臭氧具有很强的氧化性，其氧化还原电位仅次于氟，比氯气、高锰酸钾等常用的氧化剂高很多，而且反应效率高，生成物是氧气，没有有害残留物，一直以来，臭氧就被作为氧化剂和消毒剂应用在各行各业中[2，3]。从20世纪初臭氧已经在饮用水中得到应用，主要以消毒为主，而随着技术的不断发展，臭氧已经由早期的消毒逐步开始应用于水体氧化[4]，并且逐渐应用于污水深度处理中。如今在污水处理中，主要的深度处理工艺为臭氧-活性炭、臭氧-膜生物反应器（MBR）以及臭氧-生物处理技术等[5，6]，臭氧可以将污水中的悬浮物、有机物等难降解物质分解，再联合活性炭、MBR膜等处理工艺可以显著的提高出水水质，由此可见，臭氧是污水深度处理的重要组成部分；而随着臭氧技术的进一步发展，臭氧也必定会在污水处理领域得到更为广泛地应用。
1设计规模及水质
某城市污水处理厂，主要是处理该市北部主干线道路周边居民生活污水以及开发区的工业废水，污水设计处理量为15000m³/d，总变化系数Kz=1.52，常规处理采用水解酸化+A2/O生物脱氮除磷工艺，同时设计臭氧+活性炭过滤深度处理工艺，污水经过深度处理后，出水水质达到《城镇污水处理厂污染物排放标准》（GB18918—2002）的一级A标准，主要进水水质如表1所示。
2臭氧系统设计
2.1臭氧工艺流程。臭氧工艺系统主要包括臭氧发生器、气源系统、冷却循环系统、臭氧投加系统、尾气破坏器及PLC控制系统，本工程臭氧主要工艺流程如下图1所示。
2.2臭氧发生器。臭氧发生器工作主要是基于无声放电的原理，即含有氧气的气体通过发生器罐体内的电介质与接地极之间的放电间隙时，部分氧气被高压电离形成臭氧。本工程臭氧系统设计水量为15000m³/d，臭氧发生器在冷却水温度20℃，臭氧浓度10%的情况下，产量可达25kg/h，放电管单位时间臭氧产量可达220～250g/h，臭氧发生器配置两台，正常2台同时运行，当其中一台发生故障或者检修时另外一台可降低臭氧浓度，臭氧产量可达28.5kg/h。臭氧发生器的功率因素正常不低于0.99，可保证臭氧发生器24h连续运行，臭氧发生器能臭氧浓度在6~14%之间，臭氧产量在10~100%之间可调节，工作压力在120kPa左右；同时臭氧发生器配备必要的仪表及安全阀等装置，确保整个系统能安全可靠的运行。
2.3气源系统。原料气的质量对臭氧产量、制备效率及成本有着很大的影响。臭氧发生器的气源主要是空气和氧气，氧气可以由液氧经过蒸发器产生，气源品质高，氧气纯度可达99%以上，产臭氧浓度可达10%以上，且投资较低；氧气还可通过制氧机来获得，氧气纯度在90%左右，投资较高，制备系统及运行也较复杂；空气则是采用压缩机来制备，得到的氧气纯度最低，产臭氧浓度也较低，一般在3%左右，而且设备投资也较大。本工程臭氧发生器气源采用液氧制备，液氧经蒸发器后产生的氧气经过氧气颗粒过滤器及减压阀后，进入臭氧发生器，氧气露点温度需达到-65℃，气体压力在120kPa左右，满足臭氧发生器正常所需气源条件。同时系统配置一套氮气投加系统，氮气由压缩机产生经过滤净化后投加到氧气管道中，氮气作为催化剂，可以提高臭氧制备效率，节约氧气的消耗，正常运行时向氧气源加入很少的氮气即可满足需求，约为氧气量的1%，氮气量的投加量越低，放电管壁就越不易生成氮氧化物，这样能确保臭氧发生器高效、稳定的运行。
2.4冷却循环系统。臭氧发生器在运行的过程中，事实上施加在电极上的电能只有一部分用于制备臭氧，大约只有20%，其余的电能均转化为热量散发出来，这样气体的温度将会越来越高，将会直接导致臭氧产量降低，因此需要冷却水来有效冷却臭氧发生模块。为保证臭氧发生器的连续、正常工作，循环冷却水系统由内循环冷却水泵、热交换器、外循环冷却水三个组分构成。外循环采用厂区自用水，外循环水的温度一般在5~35℃，氯离子含量小于20mg/L，超过工作温度便会触发系统保护，经过热交换后回流至生产工艺中，水质除温度发生变化外无其他任何变化；内循环系统为闭路循环，内循环水采用纯净水，同时管路上配有在线离子交换器，进一步软化循环水，使全密闭循环冷却水维持低导电率，有效的减少水中离子对电极放电的阻碍作用；换热器的核心部件为换热片，换热片的2个流道分别为外循环冷却水以及从臭氧发生器输送过来的需换热的内循环水，换热后外循环水将内循环产生的热量带走，实现臭氧发生器系统持续安全、稳定、高效的运行。
2.5臭氧投加系统。从臭氧发生器出来的臭氧进入接触池等设施，在污水中充分接触氧化分解污染物。本工程新建一座臭氧接触池来处理污水，臭氧投加采用微孔扩散器曝气的方式。臭氧接触池设计规模为单格0.75万m3/d，共设2格，分别导入接触池3个室内，接触池有效水深为6m。臭氧接触池平均投加量为81mg/L，其中臭氧接触池臭氧最小投加量为54mg/L，最大投加量108mg/L，前两格池中水中余臭氧含量为0.2~0.4mg/L，接触池最后出水中余臭氧含量为0.1~0.2mg/L。每格接触池设3个投加点，3个点臭氧的投加比例顺水流方向依次为投加量的60%（调节范围为40~80%）、20%（调节范围为10~30%）、20%（调节范围为10~30%），每格池总接触时间在10~15min，确保臭氧与污水充分接触，使得臭氧在每格池中都有充足的停留时间，臭氧吸收率不低于95%。同时在每格池顶设置双向安全阀，保持臭氧投加过程中内外压力平衡，确保臭氧接触池整体结构在曝气过程中的安全稳定。臭氧系统运行过程中，臭氧投加根据接触池进水量的变化以及设定的臭氧浓度、投加比率控制，自动调整臭氧发生器的产量，控制流程如图2所示。
2.6尾气破坏器。臭氧在接触池中被充分吸收后，仍然会有少部分的臭氧逸出，因此必须采取合理的措施对臭氧尾气进行处理。本工程采用触媒催化尾气破坏器装置来处理尾气，共设置两台，其中单台设备能完全满足两格池的尾气处理量要求，当其中一台故障时，通过控制系统启动备用设备。臭氧尾气破坏器主要包括一个加热器、带有催化剂的反应器、风扇和控制盘柜。考虑到催化剂对于湿度非常敏感，冷却尾气在尾气破坏器入口处被加热至60℃左右，风扇将臭氧气体抽送至尾气破坏器，同时为了防止池内的水气被吸入尾气破坏器，在风扇入口处安装除雾器。尾气被加热后再通过催化破坏方式将臭氧破坏排放至空气中，当存在二氧化锰等催化剂时，即便在大气温度下，臭氧也能在顷刻间分解，出口臭氧排气浓度不大于0.1ppm。
3运行效果与分析
污水厂整体投入运行后，污水经过常规生化工艺处理后，COD浓度基本在55mg/L左右，BOD浓度在15~20mg/L之间，SS浓度在10~15mg/L之间，氨氮浓度在8mg/L左右，色度维持在30倍左右。常规处理后的污水进入臭氧接触池，在接触池出水口取样单独测污染物的含量，如图3所示，随着臭氧投加量的增加，污水中COD、BOD、SS以及色度的处理效果比较理想，当臭氧投加60mg/L时，此时COD、SS浓度分别最低可以达到38mg/L、6.6mg/L，色度最低到3倍。运行168小时后，COD的平均去除率也能稳定在22%左右，SS的去除率平均在30%左右，色度基本能保持在5倍以下，同时粪大肠菌落数平均在200个/L左右。但是在污水处理量及污染物初始浓度基本稳定的情况下，臭氧投加到60mg/L以后，继续增加臭氧投加量，COD的去除率变化很小，而且臭氧接触池出水氨氮浓度变化很小，去除率大约在2%左右，效果并不理想，这也说明了单一的臭氧工艺并不能完全去除污水中的污染物质。此时臭氧接触池出水再经过活性炭过滤后，增加臭氧投加量，如图4所示，COD的出水浓度又开始进一步降低，去除率最高可达68%，稳定后平均在54%左右，最终出水COD浓度平均在27mg/L，说明臭氧的氧化性极强，臭氧在接触池中将污水中大分子难降解的有机物分解成易于被活性炭吸附的小分子物质，提高了对有机物的处理效果；而且氨氮的去除效果也很明显，氨氮去除率可达70%以上，出水浓度平均在2.4mg/L，说明臭氧能提高活性炭的吸附再生能力，促进活性炭吸附效果。同时这也表明深度处理后的出水水质能稳定达到《城镇污水处理厂污染物排放标准》（GB18918—2002）的一级A标准。
4结语
臭氧在污水处理中具有很好地杀菌消毒效果，还可以有效地分解一些难降解的有机物质，很好地去除污水中的污染物，反应过程无二次污染产生，已经成为污水深度处理工艺的重要选择。同时臭氧工艺也有自己的一些局限性，但是结合一些其它水处理工艺可以取长补短，充分利用臭氧的特性，极大地提升出水水质，而随着臭氧技术的发展，臭氧以及臭氧与其它技术联用必将成为今后污水处理设计应用的热点。
作者:颜丙乾 单位:上海康洁机电设备工程有限公司