隨著國家對廢水排放標準的不斷提高，目前臭氧高級氧化技術已被廣泛應用于市政污水處理廠提標改造、高濃度難降解工業(yè)廢水的深度處理。該技術的本質是產(chǎn)生氧化性更強、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構穩(wěn)定、可生化性差的污染物。
目前，臭氧高級氧化技術在設計階段存在幾個重點問題：一是如何根據(jù)具體的應用環(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)；四是如何高效地設置自動化監(jiān)測儀表。為此，針對這四個方面問題對臭氧高級氧化技術進行分析并總結相應經(jīng)驗，以期為同類型工程的設計和建設提供參考。
1、臭氧發(fā)生器氣源對比分析與選擇
“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。空氣源采用現(xiàn)場空氣凈化系統(tǒng)對空氣進行處理，獲得潔凈干燥的空氣作為臭氧發(fā)生器的氣源；富氧源即制氧機氣源采用現(xiàn)場制氧系統(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)品的高效率和質量穩(wěn)定。臭氧發(fā)生器各種氣源特點見表1。
表1中富氧源臭氧發(fā)生器的氣源電耗是按現(xiàn)場變壓吸附制氧設備PSA（≤20kg/h）制氧考慮，當采用真空變壓吸附制氧設備VPSA（>20kg/h）制氧時，臭氧產(chǎn)量越大氣源耗電越低，且不涉及購買液氧相關費用，因此臭氧產(chǎn)量越大，其年總運行成本與液氧源相比更具有優(yōu)勢。
參照《室外給水設計標準》（GB50013—2018），同時結合工程實踐，采用何種氣源類型應綜合表1中多方面的因素并通過技術經(jīng)濟比較后確定。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）及對臭氧濃度要求不高的場合，實際工程中應用較少；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)氧購買不便、液氧站安裝受限但臭氧濃度要求較高的場合，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)生器常用設計參數(shù)
在臭氧高級氧化技術工程應用中，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)轉換，靈活掌握各參數(shù)的經(jīng)驗數(shù)據(jù)與轉換關系，可以更高效、出色地完成工程項目不同階段的設計任務。
2.1 電耗及成本參數(shù)
“電”為臭氧制備的三要素之一，對于空氣源、液氧源、富氧源，不同氣源對應的臭氧發(fā)生器電耗情況不同。參照《水處理用臭氧發(fā)生器技術要求》（GB/T37894—2019）、《環(huán)境保護產(chǎn)品技術要求臭氧發(fā)生器》（HJ/T264—2006）、《水處理用臭氧發(fā)生器》（CJ/T322—2010）相關標準，同時結合各發(fā)生器供貨商資料，對三種氣源發(fā)生器電耗及各項成本情況進行統(tǒng)計，結果見表2。在項目前期，可參照表2數(shù)據(jù)進行耗電量及成本指標的估算。
2.2 濃度參數(shù)
對于空氣源、液氧源、富氧源，不同氣源對應的臭氧發(fā)生器出口臭氧濃度不同，參照上述臭氧發(fā)生器相關標準，并結合各發(fā)生器供貨商資料，對三種氣源發(fā)生器出口臭氧濃度進行總結，結果見表3。在項目前期，可參照表3數(shù)據(jù)進行臭氧投加等指標的估算。
2.3 參數(shù)轉換
臭氧高級氧化技術單元存在液氧、氧氣、臭氧之間的參數(shù)轉換，以及不同計量單位的臭氧濃度轉換，在工程應用中容易混淆不清，現(xiàn)根據(jù)設計經(jīng)驗總結歸納如下：
①對于液氧源臭氧發(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，對應發(fā)生器出口混合氣體也為35m3/h左右；對于氧氣源臭氧發(fā)生器，一般7m3/h氧氣可以產(chǎn)生1kg/h左右的臭氧，對應發(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對于臭氧發(fā)生器而言，因放電室內(nèi)轉化率受限，無論氧氣源還是空氣源，目前由氧氣轉化為臭氧的質量比一般均按10%考慮。
④對于氧氣源臭氧發(fā)生器，出口臭氧質量分數(shù)為1%時，臭氧含量相當于14.3g/m3，折合臭氧體積分數(shù)為0.670%；對于空氣源臭氧發(fā)生器，出口臭氧質量分數(shù)為1%時，臭氧含量相當于12.93g/m3，折合臭氧體積分數(shù)為0.605%。以此比例計算不同臭氧發(fā)生器的出口臭氧體積分數(shù)。
具體轉換時將氧氣源臭氧發(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)生器工作時會產(chǎn)生大量的熱能，需要冷卻，否則臭氧會因高溫邊產(chǎn)生邊分解。按冷卻方式劃分，臭氧發(fā)生器有水冷型和風冷型兩種。水冷型發(fā)生器冷卻效果好，工作穩(wěn)定，臭氧無衰減，并能長時間連續(xù)工作，但結構復雜，成本高，大型發(fā)生器或重要場所使用的發(fā)生器通常為水冷型。風冷型發(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)量較小或對發(fā)生器性能要求不嚴格的場所。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)特點見表4。
外循環(huán)冷卻水水源的選用原則：①對于工業(yè)項目，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、煤焦化廢水項目一般均由業(yè)主提供；②對于廠內(nèi)不能提供循環(huán)冷卻水的市政或工業(yè)園區(qū)項目，先核實污水廠處理出水是否滿足外循環(huán)水質要求，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，可考慮采用廠內(nèi)自來水等，升溫后進入廠區(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，還可以考慮自備冷卻塔或冷水機等。通常根據(jù)項目實際情況，選擇經(jīng)濟可行的外循環(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、臭氧高級氧化單元儀表設置
臭氧是一種無色、有魚腥味、有毒的氣體，如果出現(xiàn)泄漏可能會對周圍環(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對人體造成危險，嚴重時導致中毒或死亡，還可能引起火災或爆炸。因此，監(jiān)測臭氧和氧氣泄漏，及時發(fā)現(xiàn)并消除隱患，是保障安全生產(chǎn)的重要一環(huán)。此外，臭氧的濃度和水質的關系并不直觀，也需要儀器的幫助來準確監(jiān)測和調控。目前，臭氧催化氧化單元可能配備的儀表類型主要有露點儀、臭氧泄漏報警儀、氧氣泄漏報警儀、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露點儀通常設置于空氣源和富氧源臭氧發(fā)生器的進口，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。露點溫度是表征氣源絕對濕度的參數(shù)，露點超標會導致氣體中水蒸氣的含量過多，從而降低臭氧的純度。通過露點儀對露點溫度的監(jiān)測，可判斷制氧系統(tǒng)的運行狀態(tài)并參與聯(lián)鎖報警停機。
②臭氧泄漏報警儀通常設置于臭氧發(fā)生器間，用以監(jiān)測室內(nèi)環(huán)境空氣中可能泄漏的臭氧濃度，并對臭氧泄漏狀況做出指示和報警。如果將尾氣破壞間作為設備用房，也需要設置臭氧泄漏報警儀。
③氧氣泄漏報警儀通常設置于氧氣源臭氧發(fā)生器制備間，用以監(jiān)測室內(nèi)環(huán)境空氣中可能泄漏的氧氣濃度，并對泄漏狀況做出指示和報警。
④臭氧濃度儀通常設置于臭氧發(fā)生器出口管道上，用于監(jiān)測發(fā)生器制備的臭氧濃度，從而判斷是否在預期的合理范圍。
⑤水中臭氧濃度儀一般設置于給水消毒后的出水中，用于監(jiān)測水中的剩余臭氧濃度，以確保在水處理過程中達到足夠的消毒效果，同時又不超過安全濃度。如果用于污水處理系統(tǒng)，一般設置于臭氧接觸池，以確保在接觸池中維持適當?shù)某粞跛剑畲蟪潭鹊靥岣呶鬯膬艋Ч�。若用于工業(yè)廢水，因水中干擾物質較雜，容易影響儀表測量的準確性。
⑥尾氣臭氧濃度儀一般設置于進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，從而調整臭氧的投加量。但因價格較高，在工程應用中一般根據(jù)需要進行設置。另外，尾氣中除了臭氧，水汽含量也會比較高，在接入尾氣臭氧濃度儀之前應先降低尾氣中的水汽含量。
⑦排氣臭氧濃度儀一般設置于尾氣破壞器之后，用于監(jiān)測經(jīng)尾氣破壞器處理后排放的臭氧濃度是否達標，也因價格較高在工程應用中一般根據(jù)需要進行設置。
上述監(jiān)測儀表中露點儀、臭氧泄漏報警儀、氧氣泄漏報警儀、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)具體項目需要及投資情況進行選擇性配置。
5、結語
①臭氧發(fā)生器氣源類型的選擇應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且對臭氧濃度要求不高的場合；液氧源發(fā)生器適合臭氧發(fā)生量≤20kg/h及液氧容易購買的區(qū)域；制氧機氣源（富氧源氣源）發(fā)生器適合各種規(guī)模或液氧購買不便、液氧站安裝受限但臭氧濃度要求較高的場合。
②對于空氣源臭氧發(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，電耗及液氧費用占比相當；富氧源臭氧發(fā)生器與液氧源臭氧發(fā)生器總成本相當，當臭氧發(fā)生量>20kg/h時，富氧源臭氧發(fā)生器更有優(yōu)勢。
③對于內(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)水水質要求高于外循環(huán)水水質要求，有條件時優(yōu)先選用冷卻塔供給外循環(huán)冷卻水。
④對于臭氧高級氧化單元的儀表設置，露點儀、臭氧泄漏報警儀、氧氣泄漏報警儀和臭氧濃度儀在工程項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)項目需求和投資進行選擇性配置。（來源：北京北排水務設計研究院有限公司，中冶京誠工程技術有限公司，北京亦莊環(huán)境科技集團有限公司）
