青草沙水源水厂深度处理臭氧投加量及发生器配置分析

邢思初，陈冠浩

(上海市政工程设计研究总院<集团>有限公司，上海 200092)

青草沙水源地有效库容为4.35亿m3，供水能力为719万m3/d，服务人口约为1 300万人，是上海重要的战略水源地之一。但青草沙水源地位于长江下游，水源中存在部分微量有机物指标偏高的问题，常规工艺对微量有机物的去除能力有限。因此，从提高供水品质和供水安全性的角度，对青草沙原水进行臭氧活性炭工艺的深度处理是十分必要的[1]。上海市也提出全面开展全市水厂深度处理改造工程，2025年前完成全市深度处理改造的目标。

上海现状采用臭氧活性炭工艺且运行时间较久的水厂主要为Y、N水厂和L水厂，3座水厂设计臭氧活性炭工艺时为黄浦江水源，臭氧投加量较大，切换成青草沙水源后，原水水质显著提高，臭氧投加量大大降低，造成发生器设备闲置严重。对于臭氧活性炭的深度处理工艺，臭氧投加量选择和发生器配置是设计的关键，直接影响水厂深度处理效果[2]。臭氧设计投加量不足，会造成接触氧化不充分，后续系统的去除效果不佳，影响产水水质；设计投加量过大，则会造成设备闲置，浪费投资和增加运行维护成本。因此，有必要针对青草沙水源的臭氧设计投加量和发生器配置进行分析。

在此背景下，本文调查了Y、N水厂和L水厂切换成青草沙水源后近5年的实际臭氧投加量和发生器的运行情况，并调研了不同厂家臭氧发生器的特性进行分析，以期为青草沙水源水厂臭氧活性炭系统的设计和运行提供参考。

1 调研分析

本文调研了3座采用青草沙水源的水厂臭氧活性炭系统的运行情况，具体为Y水厂，规模为36万m3/d；N水厂设计规模为70万m3/d；L水厂设计规模为60万m3/d。3座水厂的规模及工艺如表1所示。

表1 3座水厂基本情况Tab.1 Basic Information of 3 WTPs

1.1 主要调研内容

主要调研以下内容：(1)各厂近几年的臭氧每日实际投加量，整理分析得出最大、最小和平均投加量；(2)臭氧发生器使用运行情况。

1.2 臭氧投加运行实际情况

实际现场调研发现，目前3座水厂的臭氧投加系统因余臭氧仪不能正常工作，无法实现投加量根据余臭氧量进行反馈调整的功能。因此，水厂臭氧投加采用设定投加量运行，每天的投加量数据基本相同。因此，每天的历史投加数据意义不大，水厂提供每年的最大、最小及平均值作为参考。各厂主要投加量参数和调研情况如下。

(1)Y水厂

Y水厂统计的近7年臭氧投加量数据如图1所示。Y水厂臭氧投加量变化不大，一般预臭氧为0.5～0.6 mg/L，后臭氧为0.5～0.8 mg/L，总投加量为1.0～1.4 mg/L。

图1 Y水厂近7年臭氧投加量分析Fig.1 Ozone Dosages Analysis of WTP Y in Last 7 Years

此外，现场运行反馈，水厂运行臭氧平均总投加量在1.05～1.20 mg/L；高投加量为1.4 mg/L；历史最大投加量曾达1.6 mg/L。

现状发生器按臭氧总投加量为4 mg/L配置，采用3台臭氧发生器，单台规格为31 kg/h。实际运行中，仅使用1台臭氧发生器额定功率的40%左右。

(2)N水厂

N水厂提供的近7年臭氧投加量数据统计如图2所示。N水厂的臭氧投加量有一定的变化，其中预臭氧投加量变化较大，为0.5～1.0 mg/L，后臭氧投加量略小，为0.2～0.5 mg/L，总投加量为0.65～1.40 mg/L。

图2 N水厂近7年臭氧投加量分析Fig.2 Ozone Dosages Analysis of WTP N in Last 7 Years

此外，现场运行反馈，目前水厂正常运行状态下基本按总投加量为1.0 mg/L设定，其中预臭氧为0.5～0.6 mg/L，后臭氧为0.4～0.5 mg/L；在3月—5月的高藻期调整总投加量为1.4 mg/L，其中预臭氧为1.0 mg/L，后臭氧为0.4 mg/L。

N水厂臭氧发生器按总投加量为3.5 mg/L配置，设有3台发生器，单台规格为43.5 kg/h。

因目前水厂总产水量也较小，发生器实际使用单台额定功率的10%～20%。

(3)L水厂

L水厂近7年臭氧投加量数据统计如图3所示。L水厂预臭氧投加量采用0.3～0.5 mg/L，后臭氧投加量采用0.4～0.6 mg/L，总投加量为0.8～1.0 mg/L。

图3 L水厂近7年臭氧投加量分析Fig.3 Ozone Dosages of WTP L in Last 7 Years

此外，现场运行反馈，水厂目前臭氧投加一般设定运行，总投加量为0.8～1.0 mg/L，其中预臭氧为0.3～0.5 mg/L，后臭氧为0.4～0.7 mg/L。

N水厂现状按臭氧总投加量为4 mg/L配置，共有4台臭氧发生器，单台规格为24 kg/h。

现状使用1台发生器额定功率的85%左右。

1.3 调研小结

通过调研3座现状水厂的臭氧系统运行情况，小结如下。

(1)臭氧投加基本采用设定投加量运行，3座水厂的现状余臭氧仪均无法正常工作，不能实现反馈调节。现状投加量的设定主要根据经验判断进行微调，其中N水厂在3月—5月高藻期对投加量会进行明显的增加。

(2)臭氧实际总投加量在0.8～1.6 mg/L，常规运行总投加量一般在1.0～1.2 mg/L。前后投加量的分配各厂略有不同。

(3)3座水厂深度处理工艺设计时为黄浦江水源，臭氧投加量取值较大，在切换成青草沙水源后，臭氧投加量大大降低，实际运行中设备闲置情况较为严重。

2 规范分析

《室外给水设计标准》(GB 50013—2018)已正式实施，关于臭氧投加量的要求如下：臭氧设计投加量宜根据待处理水的水质状况并结合试验结果确定，也可参照相似水质条件下的经验选用，预臭氧宜为0.5～1.0 mg/L，后臭氧宜为1.0～2.0 mg/L。关于臭氧发生器要求如下：采用空气源时臭氧发生器应采用硬备用配置；采用氧气源时，经济技术比较后，可选择采用软备用或硬备用配置；采用软备用配置时，臭氧发生器的配置台数不宜少于3台[3]。

3 相关研究总结

青草沙水库通水运行以来，随季节变化会出现藻类问题，其中冬季主要为硅藻，夏季为蓝藻。青草沙原水存在季节性嗅味问题，主要是夏季蓝藻产生的土霉味。通过连续对原水中土霉味典型致嗅物进行定性、定量分析，发现夏季典型致嗅物为2-甲基异莰醇(2-MIB)，随季节变化明显，最高浓度出现在夏秋季(7月—9月)[4]。2-MIB是青草沙水源深度处理中所需关注的重要关键水质指标。因此，很多相关课题对如何选择合适的臭氧投加量来去除2-MIB进行了相关研究。

王铮等[4]在青草沙水源给水技术与装备验证基地进行了中试试验，中试规模为2.5 m3/h，试验期间原水2-MIB质量浓度最大达到580 ng/L，一般在50 ng/L以下。当原水2-MIB质量浓度低于50 ng/L时，臭氧投加量为0.5～1.0 mg/L(采用曝气头投加)，臭氧活性炭工艺出水2-MIB质量浓度均可低于10 ng/L。当原水2-MIB质量浓度在50～580 ng/L时，只投加后臭氧为0.5 mg/L时，常规沉淀过滤工艺出水2-MIB质量浓度在46～560 ng/L，去除率小于10%；臭氧生物活性炭出水2-MIB质量浓度在6～345 ng/L，去除率达到40%以上。以2-MIB为目标污染物时，建议采用前后臭氧两点投加方式，投加量分别为0.6～0.8 mg/L和0.5～0.8 mg/L。当原水2-MIB质量浓度低于300 ng/L时，臭氧活性炭工艺出水2-MIB质量浓度可达10 ng/L以下。当原水嗅味浓度较高时可以适当提高臭氧投加量。

研究[5]通过在水厂的长期中试试验，建议当原水2-MIB低于50 ng/L时，后臭氧投加量为0.5 mg/L；当原水2-MIB低于100 ng/L时，可适当增加后臭氧投加量至1.0 mg/L。当原水2-MIB质量浓度达到100～400 ng/L时，可考虑采用两点投加，前后臭氧投加量为0.6～1.0 mg/L和0.5～1.0 mg/L。

4 发生器配置分析

臭氧发生器是用于制取臭氧的设备装置，是水厂深度处理工艺的核心设备。水厂设计过程中，配置发生器时除了考虑臭氧投加量外，还需同时关注发生器在不同负荷下的电耗和应对不同水质工况的能力[6-7]。

本文以8 kg/h和20 kg/h两种规格为例，收集了3个主流臭氧发生器在100%、80%、60%、40%工作负荷下其功率、产量、单位电耗等参数，发现其规律基本相同。本次仅选取其中一家的参数进行分析说明。表2和表3为8 kg/h和20 kg/h两种规格的发生器在不同工作负荷下的臭氧产量、总电耗、单位电耗的数据表。图4和图5为8 kg/h和20 kg/h两种规格的发生器在不同工作负荷下功率的变化。

表2 8 kg/h臭氧发生器不同负荷下参数Tab.2 Parameters of 8 kg/h Ozone Generator under Different Loads

表3 20 kg/h臭氧发生器不同负荷下参数Tab.3 Parameters of 20 kg/h Ozone Generator under Different Loads

由表2～表3可知，发生器随工作负荷降低其功率相应降低，且功率的降低百分比略大于工作负荷的降低。如8 kg/h的发生器，100%工作负荷下功率为79.2 kW，80%工作负荷下功率为62.7 kW，工作负荷降低了20%，电耗降低了21%。图4和图5为8 kg/h和20 kg/h两种规格的发生器在不同工作负荷下单位电耗的变化。

图4 8 kg/h发生器在不同负荷下的单位电耗Fig.4 8 kg/h Ozone Generator Power under Different Loads

图5 20 kg/h发生器在不同负荷下的单位电耗Fig.5 Diagram of 20 kg/h Ozone Generator Power under Different Loads

由图4～图5可知，发生器产出每kg臭氧的单位电耗随工作负荷的降低而相应降低。但需特别注意的是该规律会受到变频效率的影响，特别是工作负荷低于50%时，变频效率的降低可能会使单位臭氧电耗上升。此外，工作负荷不宜低于10%～15%，否则会造成产出臭氧浓度的跳动，影响投加效果。

因此，根据以上分析，臭氧发生器不存在“大马拉小车”的问题，负荷率在50%以上时，发生器效率和负荷率成反比，即负荷功率越高，产出臭氧效率越低，臭氧单位电耗越高。

5 青草沙水源臭氧投加量及发生器配置优化建议

5.1 投加量建议

针对青草沙水源的水厂，综合3座现状水厂的调研、相关研究及规范要求，建议臭氧投加量的设计取值如下：最大总投加量为1.7 mg/L，预臭氧投加量为0.5～1.0 mg/L，后臭氧投加量为0.5～1.0 mg/L。

5.2 发生器的配置建议

针对发生器的配置，建议如下：(1)发生器配置应考虑一定余量，可以降低负荷减少电耗，同时对特殊工况有较强应对能力；(2)当发生器硬备用时，可采用总投加量计算确定单台能力；采用软备用时，可在计算基础适当放大发生器能力；(3)发生器配置时需考虑实际运行负荷，建议最小运行负荷不低于50%。

6 臭氧发生器配置案例分析

本文以规模20万m3/d的X水厂深度处理改造工程为例，对发生器进行配置进行选型考虑。

(1)投加量计算

最大总投加量为1.7 mg/L。臭氧投加总量(kg/h)=水厂规模(万m3/d)×自用水系数×臭氧投加量(mg/L)×10/24，则该水厂总投加量为20×1.05×10×1.7/24=14.875 kg/h。

(2)发生器配置方案对比分析

方案一：采用硬备用，共设3台，2用1备，单台计算能力约为7.44 kg/h。方案二：采用软备用，共设3台，单台计算能力约为4.96 kg/h。

(3)考虑因素

①价格：因发生器规格较小，方案一和方案二的价格差异较小。

②常规投量：根据现状水厂的实际投加量调研情况，考虑常规投加量为1.2 mg/L。

③水量：发生器的配置需同时考虑水厂设计规模和经常性实际运行规模，X水厂经常性实际运行水量规模按17万m3/d考虑。

④常规运行分析：在常规水量和臭氧投加量条件下，需要臭氧投加能力17×1.05×10×1.2/24=8.925 kg/h。方案一可选择开启2台，工作负荷约为60%(对应单位电耗约为9.65 kW·h)；方案二需开启3台，工作负荷约为60%(对应单位电耗约9.65 kW·h)，两种方式的工作负荷及单位电耗相同。

⑤特殊工况应对能力：当遇到水质变化或启用就地水源等特殊工况时，需在设计最大投加量基础上进一步提高系统的臭氧投加量。方案一可启用备用，在不用降低臭氧浓度的条件下总投加能力可增加至22.3 kg/h(单位电耗约为9.87 kW·h)，总投加量约合为2.5 mg/L；方案二通过降低臭氧浓度至6%，总投加能力可增加至18～22 kg/h(单位电耗约为9.95 kW·h)。方案一在应急工况下的投加效果和能耗均更好。

⑥维护保养成本差异：因发生器规格较小，两种方案的维保成本几乎相同。

⑦综合一次性价格、常规运行能耗、特殊工况应对能力和维保成本，推荐采用方案一的发生器配置方案。

7 总结

(1)臭氧投加量是深度处理关键参数之一，其投加量和发生器配置既要考虑到实际运行的经验，又要结合相关科研成果，同时还需充分考虑对特殊工况的应对。

(2)根据调研和相关科研成果，建议青草沙水源的最大臭氧投加量按1.7 mg/L考虑，其中前臭氧投加能力为0.5～1.0 mg/L，后臭氧投加能力为0.5～1.0 mg/L。

(3)臭氧发生器的实际运行功率随着工作负荷的降低而相应降低，负荷率在50%以上时，发生器效率和负荷率成反比，即负荷功率越高，产出臭氧效率越低，臭氧单位电耗越高。但负荷低于15%时会影响臭氧浓度，从而影响投加效果。

(4)同一规格臭氧发生器在不同负荷下长期工作的设备寿命、运维成本基本相同。

(5)臭氧发生器的配置应结合每座水厂的设计规模、实际运行水量、具体发生器设备性能、价格、能耗、维保费用等多方面进行软备用和硬备用方案比较，建议设计阶段明确计算投加能力，具体配置方案结合招投标情况最终确定。