臭氧在循環(huán)冷卻水的應用

江湖遠人 2009-10-21

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臭氧在循環(huán)冷卻水的應用

臭氧的壽命一般在空氣中存在有4～12小時；在水中有1～30分鐘（一般只有20分鐘，當處理污水、污物或負荷較大時，只有1～4分鐘）。事實是壓力、溫度、露點、PH值對其壽命都有很大的影響。例如45℃以上，使用臭氧的效果不是很好。

臭氧O3是公認的一種強氧化劑、消毒劑。

臭氧被正式應用在循環(huán)冷卻水處理技術上，是1991年的美國。

美國能源部、戰(zhàn)略環(huán)境研究和發(fā)展計劃、聯(lián)邦技術警示局、新技術示范項目等國家單位長期追蹤，并從54個節(jié)能新技術的市場實踐研究結果中篩選出來。美國能源部對此項技術的總體評價：用臭氧對冷卻塔進行維護處理在節(jié)省操作和維護費用方面都具有很大的潛力，原因是：

殺生劑的殺菌效果比較

名稱漂白劑氯溴季銨臭氧

水藻好好好極好極好

普通病菌極好極好好好極好

軍團病菌好好好一般極好

4.1 殺生作用：少量的臭氧就可起到強力的殺生劑作用，從而可減少或幾乎不需要排放為降低冷卻塔系統(tǒng)有機和無機物濃度的冷卻水，同時還可以減少冷卻水中的化學藥品添加量；表3是殺生劑的殺菌效果比較。

4.2 消除生物膜，提高熱交換效率：在正確安裝和操作的系統(tǒng)中，細菌數(shù)減少，從而熱交換器表面的生物膜積結可減少到最低程度。結果，所使用的能量減少，冷卻塔工作效率提高，所需維護減少，有利于環(huán)保，排放的廢水也能達到排放標準；

4.3 一定的阻蝕作用：臭氧是一種腐蝕促進劑，不是一種阻蝕劑。然而，在清潔的系統(tǒng)（不是受生物或化學污染的系統(tǒng)）中臭氧容易起到阻蝕劑的作用。

5.臭氧技術在循環(huán)冷卻水中的應用

5.1 高級氧化技術

高級氧化技術，簡稱AOP（Advanced Oxidation Process）,是一種非常有效處理難降解有機物的專有技術。主要是利用紫外線（UV）、過氧化氫（H2O2）、臭氧（O3）等，在一定條件下可產(chǎn)生羥基游離基等強氧化劑，能強力分解有機物、微生物，來處理冷卻水。

各種強氧化劑的氧化性能。

氧化劑 OH O O3 H2O2 HOCl Cl2 Cl02 O2

氧化性能（V） 2.80 2.42 2.07 1.78 1.49 1.36 1.27 1.23

高級氧化技術處理循環(huán)冷卻水有許多特點：

⑴ 幾乎能與冷卻水中大部分的有機污染物起反應，使之斷裂為小分子或者徹底氧化為二氧化碳、水、無機鹽、氧氣等，一般不產(chǎn)生新的污染；

⑵ 以很低的濃度就能高效殺滅微生物，且不產(chǎn)生抗藥性；

⑶ 容易實現(xiàn)自動控制等。

5.2 臭氧是強大的微生物殺滅劑

冷卻水中含有0.1毫克/升的臭氧存在，3小時后可破壞70～80%生物膜；當水中殘留0.4毫克/升的臭氧時，2～3分鐘即可100%地殺滅制造生物膜細菌。維持這一條件可阻止其再生長。

臭氧殺滅細菌的速度比氯高3200倍，其能效強50倍。

由于臭氧是直接破壞細胞壁，完全殺滅細菌而不會產(chǎn)生免疫抗藥性。

經(jīng)臭氧處理后的冷卻塔循環(huán)水總菌落數(shù)為100～1000cfu/ml，比化學法處理后的1000000 cfu/ml低了1千至1萬倍。

5.3 臭氧為何能防腐蝕

在低濃度含臭氧的水中PH值為8～9，這一條件不利于化學腐蝕的發(fā)生；其次，由于臭氧分解產(chǎn)生的氧原子能與鐵離子反應，使鐵管表面形成致密的γ-氧化鐵鈍化膜，對系統(tǒng)產(chǎn)生保護作用；第三，臭氧能有效殺滅噬硫噬鐵等微生物，切斷了腐蝕源。

只要把臭氧控制在一定濃度范圍，就能夠達到防腐蝕的目的。實驗表明：經(jīng)臭氧處理的水質控制總堿度大于240毫克/升，ORP為550以下時，有最佳的防腐蝕效果。

表五是常用材料的腐蝕率。

使用臭氧在循環(huán)冷卻水系統(tǒng)運行條件下常用材料的腐蝕率

材料銅鎳合金（70：30）黃銅灰鑄鐵軟鋼鋁

腐蝕率mpy 0.01～0.02 0.01～0.02 1.3～1.8 0.7～0.8 0.01～0.02

注：mpy為密耳/年，1密耳=2.54mm

5.4 臭氧為什么能阻垢

臭氧不能直接攻擊垢的主要成分如碳酸鈣，但臭氧在氧化過程中會生成（OH）、（HO2）、（O3-）、（H2O2）等自由基中間產(chǎn)物，氧化垢基質中的有機物，使垢變松并脫落。

脫落的垢基需人工的方法去除。

6.冷卻塔臭氧處理系統(tǒng)的基本構成

冷卻塔臭氧處理系統(tǒng)大多數(shù)由空氣預制裝置（空氣干燥器、空氣壓縮機）、臭氧發(fā)生器、臭氧與水接觸裝置（文丘里混合器）、自動控制儀器等組成，參見圖五。

臭氧可用氣泡擴散法、正壓注入法、逆流氣泡接觸法、渦輪混合法等溶解于水中，但更合適地冷卻塔循環(huán)水系統(tǒng)的臭氧融合裝置，還是文丘里管加靜態(tài)混合器、噴射器加靜態(tài)混合器。

空氣經(jīng)壓縮干燥后（純氧制臭氧效果更佳，氧氣濃度提高6%，臭氧的得率會提高16%），在臭氧發(fā)生器中電離產(chǎn)生臭氧；臭氧一般通過冷卻塔循環(huán)水的側流加入，此處的水溫最低（實驗表明：臭氧宜在40℃以下工作，此時臭氧在循環(huán)水中的溶解度小于3毫克/升；最好能低于37.7℃以下），能將最大量的臭氧溶入水中。

臭氧量在工程應用上，已成功的經(jīng)驗：

⑴ 瓶裝水 0.7ppm

⑵ 廢水 5.0～8.0ppm

⑶ 冷卻塔 0.1～0.4ppm

7.臭氧應用于循環(huán)冷卻水的案例

20世紀70年代末期，臭氧技術被首次應用于冷卻塔的水處理。

7.1 NASA（美國航空航天局）

1984～1985年對一個600噸的冷卻塔進行了試驗，采用固態(tài)臭氧發(fā)生器（電耗比變壓器/玻璃-電極式發(fā)生器要小60%）。

試驗結果是冷卻塔上水垢變松，脫落；細菌數(shù)要減少4個數(shù)量級，濁度要降低8倍；冷凝器管道清潔如新。

問題是臭氧對鍍鋅鋼管、銅制件、尼龍制件等材料有腐蝕，最后換上PVC、不銹鋼制件。

7.2 肯尼迪航空航天中心

4臺陶瓷充填的水泥冷卻塔，用于溫濕度控制的空調系統(tǒng)，每臺容量為2500噸（8750KW）。