2 臭氧應用的概況
　　臭氧處理在凈水工藝中的應用歷史悠久，幾乎與最常用的氯消毒同時開始被采用，但由于臭氧處理系統(tǒng)設備復雜、投資大、電耗高，所以過去在凈水工藝中未能普遍應用。
　　自20世紀90年代起，由于懷疑水中的某些有機物和天然物質與氯發(fā)生反應后形成的三鹵甲烷具有至癌性，越來越多國家和地區(qū)對臭氧在水處理中的應用產生了興趣，逐步在飲用水系統(tǒng)中采用了臭氧處理工藝，如美國、瑞士、法國、德國等。在我國，隨著人民生活水平的提高，對飲用水水質提出了更高的要求，目前我國已有北京、上海、深圳、昆明等城市的自來水廠采用了臭氧處理工藝。
　　與氯相比，臭氧在水處理中有許多氯無法比擬的優(yōu)勢。由于臭氧的氧化還原電勢（+2.076V）比氯的氧化電位（+1.36V）高出50%以上，因此比氯具有更強的氧化能力，幾乎能夠氧化所有金屬以及有機、無機的物質(除金、鉑、不銹鋼、玻璃、陶瓷等外)，因而具有更強的殺菌作用，對細菌的殺滅作用也比氯快，且在很大程度上不受PH值的影響。在投加量為2~4mg/L時，水幾乎可以完全被消毒。在消毒的同時還能氧化水中的色、嗅、味和酚等，改善水的性質。較少產生附加的化學物質污染，不會產生如氯酚那樣的臭味，也不會產生三鹵甲烷等氯消毒的副產物。同時臭氧只需要電能就可以就地制造。
3 南洲水廠臭氧處理系統(tǒng)主要工藝參數(shù)的確定
　　對于臭氧處理系統(tǒng)來說，臭氧投加濃度、臭氧投加量、臭氧與水的接觸反應時間以及臭氧在水中的轉移效率這四個工藝參數(shù)十分關鍵，它們不僅關系到系統(tǒng)設計的先進合理與否，還與工程投資密切相關。為了獲得這些關鍵參數(shù)，在進行南洲水廠臭氧投加系統(tǒng)設計之前，廣州市自來水公司進行了時間長達一年的中試試驗，通過試驗確定了南洲水廠臭氧處理系統(tǒng)的主要工藝參數(shù)：臭氧投加濃度7~10wt%（正常情況下10wt%,其中一臺臭氧設備故障停機時7wt%，wt%——重量百分比，臭氧濃度7~10wt%相當于臭氧在混合氣體中的含量為103~148g/m3。）；預臭氧投加量0.5~1.5mg/l，臭氧與水接觸反應時間≥4min；主臭氧投加量1.0~2.5mg/l，臭氧與水接觸反應時間≥10min，主臭氧接觸池出水含有水中余臭氧0.2~0.4mg/l；預/主臭氧在水中的轉移效率都要求≥95%。
4 臭氧處理系統(tǒng)的組成
　　南洲水廠臭氧處理系統(tǒng)主要由氣源制備、臭氧發(fā)生、接觸反應和尾氣破壞四部分的組成，系統(tǒng)的組成及工藝流程如圖2所示：

4.1 氣源系統(tǒng)
　　根據(jù)臭氧處理系統(tǒng)的運行特點，氣源制備部分是臭氧處理系統(tǒng)中的前置系統(tǒng)，它的作用是為臭氧發(fā)生器提供所需的質量適宜和數(shù)量足夠的原料氣體。氣源制備系統(tǒng)主要有三種形式可供選擇：
①利用空氣干燥后制臭氧；
②現(xiàn)場利用空氣通過VPSA系統(tǒng)制成高純度氧氣后制臭氧；
③利用液氧制臭氧。
采用不同形式氣源的臭氧發(fā)生器對比表
氣源形式 氧氣含量（%） 臭氧發(fā)生濃度（wt%） 單機最大發(fā)生量（kg/h）
①干燥空氣 21 2~4 ≤15
②VPSA現(xiàn)場制氧 90~94 7~18 ≥250
③液氧（LOX） ≥99.6 7~18 ≥250

　　南洲水廠臭氧投加濃度為10wt%，臭氧最大需求量約為183.3kg/h，氧氣需求量為1309.57~2618.57kg/h，因此氣源采用②、③形式。
　　南洲水廠臭氧制備的氣源形式選用VPSA現(xiàn)場制氧為主要形式，同時配置液氧儲備系統(tǒng)作為VPSA設備檢修停產或滿負荷峰值時產量不足的備用。VPSA（Vacuum Pressure Swing Adsorption的簡稱，中文含義是真空變壓吸附技術）的基本原理是：利用固體吸附劑對氣體組分吸附的明顯選擇性和擴散性的差異，通過氣源在接近常壓下在不同吸附劑中的循環(huán)變化，其解吸（或再生）采用真空抽吸的方式來實現(xiàn)氣體的分離過程。它以空氣為原料，利用專用的制氧分子篩（即吸附劑）對空氣中氧、氮、二氧化碳等氣體組分的吸附選擇性，在常溫狀態(tài)下將空氣中的氧氣分離出來。
　　南洲水廠的現(xiàn)場制氧設備由美國AIRSEP公司提供。該VPSA現(xiàn)場制氧系統(tǒng)的規(guī)格折算成100%的純氧時產量為1200Nm3/h（Nm3——標準立方米，標準狀態(tài)下（0℃，1.013bar）的體積），產品氣體中氧氣含量為90~95%。液氧儲備設備主要包括三個體積為50m3的液氧儲罐，兩個蒸發(fā)能力為1500Nm3/h的空溫式液氧汽化器。
4.2 臭氧發(fā)生系統(tǒng)
　　臭氧發(fā)生系統(tǒng)是臭氧處理系統(tǒng)中的設備核心，其作用是生產消毒工藝所需的數(shù)量足夠的臭氧氣體。
　　南洲水廠臭氧發(fā)生車間配備四臺臭氧發(fā)生器，選用的是瑞士OZONIA公司的產品，總臭氧發(fā)生量為190kg/h，每臺設備的發(fā)生量為47.5kg/h，正常情況下臭氧發(fā)生濃度為10wt%。
　　臭氧發(fā)生系統(tǒng)主要由以下部分組成：臭氧發(fā)生器、發(fā)生器供電單元（簡稱PSU，含變頻、變壓、冷卻系統(tǒng)）、供配電系統(tǒng)（簡稱PDB）、PLC控制系統(tǒng)、儀表空氣和氮氣投加系統(tǒng)、相關儀表閥門、管道等。
 
 
臭氧產生在臭氧發(fā)生器放電管內，圖3是臭氧發(fā)生示意圖。

　　在臭氧生成的過程中，開始時氧分子吸收能量分解，分解后的氧原子與未分解的氧分子結合生成臭氧分子。臭氧的產生發(fā)生在放電管的兩個電極之間，兩個電極被絕緣介質隔開，并留有一個很小的間隙。約3700V、1000z的電壓施加在電極上，含氧氣體流過間隙，臭氧則在放電區(qū)域內產生。
4.3 臭氧接觸反應系統(tǒng)
　　接觸反應是臭氧處理系統(tǒng)中生產運行的核心，它的作用是將臭氧發(fā)生器產生的臭氧氣體迅速有效地擴散到處理水中，并穩(wěn)定可靠地完成預定工藝所要求的反應。
　　南洲水廠接觸、反應系統(tǒng)中設置前、主臭氧接觸池。從取水泵站輸送來的原水到達南洲水廠廠區(qū)后，先進入預臭氧接觸池，隨后經過常規(guī)處理，再被提升泵房抽取送進主臭氧接觸池。
4.3.1 預臭氧接觸反應系統(tǒng)
4.3.1.1 南洲水廠預臭氧的主要目的：
l         初步氧化去除高濃度有機物（DOC）、鐵、錳；
l         改善絮凝和過濾效果，減少絮凝劑投加量和反沖濾池用水量
l         減少三致物質的母體，避免THM的形成；
l         控制藻類；
l         氧化無機物質如氰化物、碳化物、硝化物。
4.3.1.2 南洲水廠預臭氧系統(tǒng)主要設計參數(shù)：
l         投加量：0.5~1.5mg/l；
l         接觸池數(shù)量：4座；
l         接觸池有效水深：6m；
l         射流投加線：1線/池（共4線并聯(lián)運行）；
l         文丘里射流器數(shù)量：4套；
l         射流器動力水泵：5臺（4運1備）；
l         臭氧轉移效率：≥95%；
4.3.1.3 預臭氧接觸反應系統(tǒng)
 
　　臭氧擴散通常采用微孔曝氣或射流曝氣兩種形式，南洲水廠預臭氧接觸反應系統(tǒng)采用文丘里射流曝氣的形式。
　　在預臭氧接觸池中建有加壓水泵房，利用水泵向文丘里射流器提供壓力水，通過射流器使臭氧進入接觸池。使用射流曝氣。
　　在預臭氧接觸池四條進水管處各安裝一個電磁流量計，提供4~20mA的電流信號供臭氧發(fā)生器的PLC系統(tǒng)根據(jù)處理水量進行臭氧投加量控制。