循環(huán)水處理設備中的臭氧發(fā)生器主要通過高壓放電式、紫外線照射式或電解式等方法來產(chǎn)生臭氧,其中高壓放電式最為常用。
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高壓放電式
利用一定頻率的高壓電流制造高壓電暈電場,當空氣或氧氣通過這個電場時,電場內(nèi)或電場周圍的氧分子會發(fā)生電化學反應,氧分子被分解并重新組合生成臭氧(O?)。具體來說,在發(fā)生器的放電間隙中,高能量的電子撞擊氧分子,使其變成活性氧原子,這些活性氧原子再與其他氧分子結(jié)合就形成了臭氧。按照高壓電頻率,可分為工頻(50 - 60Hz)、中頻(400 - 1000Hz)和高頻(>1000Hz)三種類型,目前中頻和高頻發(fā)生器因具有體積小、功耗低、臭氧產(chǎn)量大等優(yōu)點應用更為廣泛。根據(jù)所使用的氣體原料不同,又可分為氧氣型和空氣型,氧氣型以高純度氧氣為氣源,產(chǎn)生的臭氧濃度相對更高,常用于對水質(zhì)要求較高、處理規(guī)模較大的循環(huán)水系統(tǒng);空氣型則以經(jīng)過過濾、干燥處理后的潔凈空氣為氣源,成本相對較低,但臭氧產(chǎn)量和濃度也會稍低一些。
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紫外線照射式
運用特定波長(通常為 185nm 左右)的紫外線照射氧分子,促使氧分子分解產(chǎn)生臭氧。不過,這種方式的紫外線燈管體積較大,且臭氧產(chǎn)量較低、使用壽命有限,所以在循環(huán)水處理領(lǐng)域應用相對較少,一般多應用于一些小型、對臭氧產(chǎn)量需求不高的設備中,比如小型水族箱循環(huán)水系統(tǒng)等。
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電解式
通過電解純凈水產(chǎn)生臭氧,能制取高濃度的臭氧水,其制造成本較低,使用和維修相對簡單。但它存在臭氧產(chǎn)量小、電極使用壽命短以及臭氧不容易收集等缺點,主要適用于對臭氧產(chǎn)量要求不大、處理水量較小的特定循環(huán)水場景,比如小型的實驗室循環(huán)水裝置等。
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臭氧發(fā)生單元
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電極:是產(chǎn)生臭氧的關(guān)鍵部件之一,包括內(nèi)電極和外電極,在高壓放電式臭氧發(fā)生器中,它們之間形成放電間隙,高壓電通過電極施加到這個間隙中,促使氧分子發(fā)生反應生成臭氧。電極材料通常選用具有良好導電性和耐腐蝕性的金屬,如不銹鋼等。
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介電材料:放置在電極之間,起到隔離和穩(wěn)定電場的作用,防止電極之間直接短路,同時有助于提高臭氧產(chǎn)生效率。常見的介電材料有石英管、陶瓷板、搪瓷管等,不同的介電材料在介電常數(shù)、機械強度、耐高溫性能等方面各有特點,例如石英管具有較高的介電強度和化學穩(wěn)定性,能夠承受較高的電壓和溫度,在許多大型臭氧發(fā)生器中廣泛應用。
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放電室:為臭氧的產(chǎn)生提供一個相對封閉的空間環(huán)境,確保氧分子在特定的電場條件下能夠高效地轉(zhuǎn)化為臭氧。放電室的結(jié)構(gòu)設計會影響臭氧的產(chǎn)量和濃度,常見的有管式放電室和板式放電室,管式放電室電極和介電材料呈管狀排列,結(jié)構(gòu)緊湊、臭氧產(chǎn)生效率高,適用于中大型臭氧發(fā)生器;板式放電室則電極和介電材料呈平板狀排列,多用于小型臭氧發(fā)生器。
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氣源系統(tǒng)
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空氣源組件(針對空氣型臭氧發(fā)生器):主要由空氣壓縮機、空氣過濾器、干燥器等組成。空氣壓縮機負責將外界空氣吸入并進行壓縮,以提供足夠的空氣流量進入臭氧發(fā)生器;空氣過濾器用于去除空氣中的灰塵、雜質(zhì)等顆粒物,避免這些雜質(zhì)進入發(fā)生器影響臭氧產(chǎn)生和設備正常運行;干燥器則是為了降低空氣濕度,因為水分過多會降低臭氧產(chǎn)生效率,甚至可能導致設備故障,經(jīng)過干燥、潔凈處理后的空氣才能作為氣源用于生成臭氧。
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氧氣源組件(針對氧氣型臭氧發(fā)生器):可以配備氧氣瓶、制氧機或者液氧儲罐等作為氧氣供應來源,同時搭配減壓裝置、氣體流量調(diào)節(jié)閥等部件。氧氣瓶可直接提供高純度氧氣;制氧機通過空氣分離等技術(shù)制取氧氣,能夠持續(xù)穩(wěn)定地為發(fā)生器提供氧氣;液氧儲罐儲存量較大,適合大型循環(huán)水處理系統(tǒng),但需要相應的氣化和減壓設備將液氧轉(zhuǎn)化為氣態(tài)氧,并調(diào)節(jié)到合適的壓力輸送給臭氧發(fā)生器。氣體流量調(diào)節(jié)閥能精確控制進入臭氧發(fā)生單元的氧氣流量,進而調(diào)節(jié)臭氧的產(chǎn)量,以滿足循環(huán)水處理不同階段和不同水質(zhì)狀況下的需求。
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冷卻系統(tǒng)
由于臭氧發(fā)生器在工作過程中會產(chǎn)生大量的熱量,若熱量不能及時散發(fā)出去,可能會導致設備溫度過高,影響臭氧產(chǎn)生效率,甚至損壞設備部件。冷卻系統(tǒng)常見有水冷型和風冷型兩種。水冷型冷卻效果好,通過循環(huán)冷卻水帶走設備產(chǎn)生的熱量,工作穩(wěn)定,臭氧無衰減,可長時間連續(xù)工作,但結(jié)構(gòu)相對復雜,成本稍高,需要配套的冷卻塔、水泵、冷卻水管路等設施;風冷型則是利用風扇產(chǎn)生的空氣流動來冷卻設備,結(jié)構(gòu)簡單,成本較低,但冷卻效果相對有限,臭氧產(chǎn)量可能會隨著設備溫度升高而有所衰減,一般適用于臭氧產(chǎn)量較小的中低檔臭氧發(fā)生器或小型循環(huán)水系統(tǒng)。
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控制系統(tǒng)
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參數(shù)調(diào)節(jié)模塊:操作人員可通過該模塊設定臭氧發(fā)生器的關(guān)鍵參數(shù),如臭氧產(chǎn)量、運行時間、啟??刂频龋€能根據(jù)循環(huán)水的流量、水質(zhì)變化情況等靈活調(diào)整這些參數(shù)。例如,在循環(huán)水水質(zhì)較差、污染物含量較高時,可以適當提高臭氧產(chǎn)量,增加消毒和凈化的強度;而在水質(zhì)穩(wěn)定良好的情況下,則可以降低產(chǎn)量,節(jié)約能源和運行成本。
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監(jiān)測與報警功能:實時監(jiān)測臭氧發(fā)生器的運行狀態(tài),包括設備溫度、壓力、臭氧濃度、氣源流量等關(guān)鍵參數(shù),一旦某個參數(shù)超出正常設定范圍,系統(tǒng)會立即發(fā)出聲光報警信號,提醒操作人員及時采取措施進行處理,同時還可能自動執(zhí)行一些保護操作,如當溫度過高時自動停止設備運行,防止設備損壞,保障設備的安全穩(wěn)定運行。
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氣液混合裝置(用于將臭氧融入循環(huán)水)
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曝氣裝置:通過在循環(huán)水的水池或水箱底部等位置安裝曝氣頭、布氣板等部件,將臭氧發(fā)生器產(chǎn)生的臭氧氣體以微小氣泡的形式分散到水中,增大臭氧與水的接觸面積,使臭氧能夠更好地溶解在水中,實現(xiàn)對循環(huán)水的消毒、殺菌、氧化有機物等處理。這種方式簡單易行,成本較低,但氣液混合效果相對一般,可能需要較長的接觸時間和較多的曝氣點來保證較好的混合效果,常用于小型或?qū)λ|(zhì)要求不是特別高的循環(huán)水系統(tǒng)。
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文丘里射流混合器:利用文丘里管的原理,當循環(huán)水高速流過文丘里管的喉部時,此處形成低壓區(qū),將臭氧氣體吸入并與水在高速流動且壓力變化的大環(huán)境下充分混合,混合效率較高,能在較短時間內(nèi)使臭氧較好地溶解到水中,但對水流速度和壓力有一定要求,設備安裝和調(diào)試相對復雜一些,在許多中大型循環(huán)水系統(tǒng)中應用較多。
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氣液混合泵:把臭氧氣體引入到泵的吸入端,借助泵葉輪的高速旋轉(zhuǎn),對臭氧和水進行加壓混合,使臭氧在水中的溶解度大大提高,并且可以直接將混合好的臭氧水輸送到循環(huán)水系統(tǒng)的相應部位,操作相對簡便,但氣液混合泵的流量和揚程有一定限制,適用于處理水量適中的循環(huán)水系統(tǒng)。
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殺菌消毒
循環(huán)水中往往容易滋生細菌、病毒、真菌、藻類等各種微生物,臭氧憑借其強大的氧化性,能夠迅速破壞這些微生物的細胞壁、細胞膜等結(jié)構(gòu),使其內(nèi)部的蛋白質(zhì)、核酸等生物大分子發(fā)生變性,從而失去活性,達到高效殺菌消毒的目的。相較于傳統(tǒng)的消毒劑,如氯制劑,臭氧殺菌速度更快,能在短時間內(nèi)將循環(huán)水中的微生物數(shù)量降低到很低的水平,而且對一些耐藥性較強的微生物同樣具有良好的殺滅效果,可有效防止因微生物大量繁殖導致的循環(huán)水系統(tǒng)堵塞、腐蝕以及水質(zhì)惡化等問題。
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氧化分解有機物
循環(huán)水中會存在各種有機物,例如工業(yè)循環(huán)水中的油污、化工原料殘留,生活循環(huán)水中的洗滌劑殘留、人體分泌物等。臭氧可以與這些有機物發(fā)生氧化反應,將復雜的大分子有機物逐步分解為小分子有機物,甚至最終礦化為二氧化碳和水,從而降低循環(huán)水中的化學需氧量(COD)、生化需氧量(BOD)等指標,減少有機物對循環(huán)水水質(zhì)的影響,使水更加清澈透明,同時也減輕了后續(xù)其他水處理工藝(如過濾、吸附等)的負擔。
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去除異味和顏色
一些循環(huán)水由于含有特定的污染物,可能會產(chǎn)生難聞的氣味,如污水循環(huán)處理中的硫化氫等惡臭氣體,或者呈現(xiàn)出不正常的顏色,像印染行業(yè)循環(huán)水的染色問題。臭氧能夠與這些產(chǎn)生異味和顏色的物質(zhì)發(fā)生化學反應,將其轉(zhuǎn)化為無臭、無色的物質(zhì),起到去除異味和脫色的作用,改善循環(huán)水的感官性狀,使其符合相應的使用或排放標準。
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抑制藻類生長
在循環(huán)水系統(tǒng)中,特別是一些敞開式的循環(huán)水系統(tǒng)(如景觀水池循環(huán)水等),藻類容易大量繁殖,不僅影響水質(zhì)美觀,還可能造成水質(zhì)惡化、堵塞管道等問題。臭氧可通過破壞藻類的光合色素、細胞壁等結(jié)構(gòu),抑制藻類的光合作用和生長繁殖,控制藻類在循環(huán)水中的生長數(shù)量,保持循環(huán)水系統(tǒng)的正常運行和良好水質(zhì)。
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高效性:臭氧具有很強的氧化能力,在循環(huán)水處理中能快速實現(xiàn)殺菌、氧化有機物等多種功能,處理效率高,可以在較短時間內(nèi)顯著改善循環(huán)水的水質(zhì)狀況,滿足循環(huán)水系統(tǒng)連續(xù)穩(wěn)定運行的要求。
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無殘留污染:與使用含氯消毒劑等傳統(tǒng)方法不同,臭氧消毒處理后會自行分解為氧氣,不會在循環(huán)水中留下有害的化學殘留物,避免了因化學殘留對循環(huán)水系統(tǒng)設備造成腐蝕,也不會對后續(xù)用水環(huán)節(jié)產(chǎn)生不良影響,更加環(huán)保健康。
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廣譜性:對循環(huán)水中常見的各種細菌、病毒、真菌、藻類以及不同類型的有機物等都有良好的處理效果,適用范圍廣泛,無論是工業(yè)循環(huán)水、生活循環(huán)水還是景觀循環(huán)水等不同領(lǐng)域的循環(huán)水處理,都能發(fā)揮重要作用。
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可改善水質(zhì)整體性能:除了殺菌消毒和去除有機物外,還能同步去除異味、脫色、抑制藻類生長等,從多個方面提升循環(huán)水的整體水質(zhì),使循環(huán)水不僅在微生物指標上達標,而且在感官性狀、化學指標等方面都能滿足相應的使用或排放要求。
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工業(yè)循環(huán)水系統(tǒng)(以某化工企業(yè)為例)
某化工企業(yè)有一套用于冷卻生產(chǎn)設備的循環(huán)水系統(tǒng),循環(huán)水量約為 1000 立方米 / 小時。由于化工生產(chǎn)過程中,循環(huán)水中會混入各種化工原料、油污以及微生物等污染物,水質(zhì)容易惡化,影響設備冷卻效果并增加設備腐蝕風險。企業(yè)采用了氧氣型高壓放電式臭氧發(fā)生器,配合文丘里射流混合器進行氣液混合處理循環(huán)水。通過控制系統(tǒng)設定,每天定時定量投加臭氧,臭氧發(fā)生器的臭氧產(chǎn)量根據(jù)循環(huán)水水質(zhì)監(jiān)測情況動態(tài)調(diào)整,維持循環(huán)水中臭氧濃度在 0.3 - 0.5mg/L 左右。經(jīng)過臭氧處理后,循環(huán)水中的細菌總數(shù)從原來的每毫升數(shù)千個降低到每毫升幾十個以內(nèi),化學需氧量(COD)降低了約 30%,同時有效地去除了水中因化工原料帶來的異味和顏色,設備的冷卻效率明顯提高,因水質(zhì)問題導致的設備維修次數(shù)大幅減少,保障了企業(yè)生產(chǎn)的正常進行。
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生活小區(qū)生活用水二次循環(huán)系統(tǒng)
在一個大型生活小區(qū),為了保證居民用水的穩(wěn)定供應,設有生活用水二次循環(huán)系統(tǒng),循環(huán)水量約為 500 立方米 / 小時。為確保水質(zhì)安全衛(wèi)生,防止微生物滋生和異味產(chǎn)生,采用了空氣型高壓放電式臭氧發(fā)生器與曝氣裝置相結(jié)合的方式對循環(huán)水進行處理。每天分時段(如凌晨 2 - 5 點、下午 13 - 16 點)進行臭氧消毒,將循環(huán)水中臭氧濃度控制在 0.1 - 0.2mg/L 左右,有效地殺滅了水中的大腸桿菌、金黃色葡萄球菌等常見病菌,去除了因管道老化等原因產(chǎn)生的異味,保障了居民生活用水的水質(zhì),提高了居民的生活滿意度。
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景觀水循環(huán)系統(tǒng)(以城市公園湖泊為例)
某城市公園內(nèi)的湖泊設有景觀水循環(huán)系統(tǒng),循環(huán)水量約為 200 立方米 / 小時,主要目的是保持湖水的清澈和美觀,防止藻類大量繁殖以及去除水中的異味。采用了小型的紫外線照射式臭氧發(fā)生器與氣液混合泵配合的方式進行水處理。在春夏藻類容易滋生的季節(jié),增加臭氧發(fā)生器的運行時間,使湖水中臭氧濃度維持在 0.2 - 0.3mg/L 左右,有效抑制了藻類生長,湖水保持了良好的透明度和外觀,同時異味問題也得到了解決,為公園游客營造了優(yōu)美的景觀環(huán)境。