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用臭氧技術(shù)處理空調(diào)冷卻水的機理及設(shè)計方法

更新時間：2010-05-12 點擊次數(shù)：4045

在空調(diào)系統(tǒng)設(shè)計中，對制冷機、換熱設(shè)備、末端裝置等有著足夠的重視，但對空調(diào)水系統(tǒng)中水的處理問題認(rèn)識不足。一般來講，空調(diào)冷凍水系統(tǒng)中在閉式系統(tǒng)中循環(huán)，并經(jīng)過軟化處理，不會存在太多問題。而空調(diào)冷卻水系統(tǒng)中，由于冷卻塔中的水暴露于空氣中，并且由于為了降低運行成本而采用自來水補水，存在腐蝕、結(jié)構(gòu)、菌藻滋生等問題。這些問題的存在將嚴(yán)重縮短設(shè)備的使用壽命，導(dǎo)致設(shè)備換熱效率明顯下降，造成能源浪費，并且增加管道阻力，使管道輸送能力下降35％～55％。另外，產(chǎn)生的菌類隨水分蒸發(fā)傳播在空氣中，這將嚴(yán)重危害人們的健康。因此，對冷卻水進行防腐、阻垢、殺菌滅藻處理是十分必要的。通常采用的冷卻水處理方法由軟化法、磁化法、靜電及電子法、藥劑法。從上世紀(jì)80年代起，臭氧法處理冷卻水技術(shù)在歐美等一些發(fā)達國家興起，大量應(yīng)用于實際工程中，下面就其機理及工程設(shè)計方法加以詳細(xì)闡述。

1．處理機理

1.l 臭氧的理化性質(zhì)

　　臭氧是由3個氧原子組成的氧的同素異構(gòu)體。在常態(tài)下是淡藍(lán)色氣體，具有特殊氣味。臭氧具有*的氧化能力且又不穩(wěn)定，在水溶液中，臭氧仍保持著氧化性。臭氧在水中的溶解度很高，大約是氧氣的10倍。

1.2 臭氧的殺菌滅藻機理及影響因素

　　臭氧殺菌主要是靠其分解后產(chǎn)生的新生氧的氧化能力。臭氧首先與細(xì)胞壁的脂類的雙鍵起反應(yīng)，穿破胞壁進入細(xì)胞內(nèi)部，作用于外殼脂蛋白和內(nèi)面的脂多糖，使細(xì)胞的通透性發(fā)生改變，zui后導(dǎo)致細(xì)胞融解、死亡。

　　臭氧殺菌滅藻能力受臭氧濃度、水溫、pH值、水的濁度等因素的影響。一般來說，臭氧濃度越高，殺菌作用越強。隨著水溫的增加，臭氧的殺菌效果也加強，但和其他消毒劑相比，臭氧的消毒效果受溫度影響較小。若水溫在4～6℃時臭氧的殺菌效果作用為1，則在8～21℃時為1.6，在36～38℃時為3.2，當(dāng)水的pH值高時，殺菌效果不好，應(yīng)增加臭氧的投放量，水的濁度隨臭氧殺菌有一定的影響，濁度在5ml/L以下，則影響不大。

1.3 臭氧在冷卻水中緩蝕與阻垢機理

　　臭氧作為單一使用的水處理藥劑，具有操作簡單，排污量少，既能節(jié)水節(jié)能，又不用調(diào)節(jié)水的PH值，不存在二次污染等諸多優(yōu)點，對循環(huán)冷卻水的緩蝕、阻垢效果均有良好的效果。

1.3.l 臭氧防腐機理

　　冷卻水系統(tǒng)腐蝕，主要是由于水中存在的溶解氧與金屬反應(yīng)形成的化學(xué)和電化學(xué)腐蝕。實踐表明，臭氧是一種強氧化劑，其抑制腐蝕的機理與鉻酸鹽緩蝕劑的作用大致相似，主要原因是由于冷卻水中活潑的氧原子與亞鐵離子反應(yīng)后，在陽極表面形成一層含γ—Fe2O3的氧化物鈍化膜。這種膜薄、密實且與金屬結(jié)合牢固，能阻礙水中的溶解氧擴散到金屬表面，從而抑制腐蝕反應(yīng)進行。同時，由于這種氧化膜的產(chǎn)生，使金屬的腐蝕電位向正方向移動，迅速降低了腐蝕速率。

　　另一方面，臭氧法水處理不需向水中投加藥劑，使排污量減少，鹽分的濃縮倍數(shù)高，循環(huán)水的pH值維持在8—9之間，屬于弱堿性，減輕了腐蝕的作用。

1.3.2 臭氧阻垢機理

　　臭氧于水分子接觸后，會立即發(fā)生還原反應(yīng)，產(chǎn)生了原子氧（O）和羥基（OH）：
　　　　O3→O2 +（O）
　　　（O）+ H2O→ 2OH
　　羥基（OH）是一種催化劑，能使有機物發(fā)生連鎖反應(yīng)：
　　　　OH + RH→ R·+ H2O
　　　　R· + O2→ R O2·
　　　　R O2·+ RH→ R OOH + R
　　　　R OOH→ CO2

　　因此，臭氧的強氧化性有效地控制了循環(huán)水中微生物的生長，減輕了生物污垢及其引起垢下腐蝕。臭氧不能直接氧化鈣、鎂鹽類的水垢成分，只能氧化垢層基質(zhì)中有機物成分，使垢層變松脫落，從而引起阻垢的作用。

2．臭氧處理空調(diào)冷卻水的試驗研究

　　用單一臭氧進行冷卻水處理的試驗研究首先是在美國佛羅里達州*宇航中心（KSC）進行的。試驗選擇了該處的一個空調(diào)冷卻水系統(tǒng)，過程持續(xù)了14個月。冷卻水循環(huán)量約為400m3/h，補水為當(dāng)?shù)刈詠硭?，其水質(zhì)如表1所示。

試驗過程及結(jié)果如下。

2.l 試驗開始后，停止加入除臭氧以外的一切水處理劑，用補充水置換原來的循環(huán)水并通入臭氧。3周后，水中的細(xì)菌總數(shù)從2.1×104～6×107個/ml降低到（2.0～3.0×102個/ml）加冷卻塔上的粘泥從綠色變?yōu)榛疑㈤_始松軟脫落。冷卻水的濁度于3～4周內(nèi)從30～60JTU逐步下降到5～10JTU，水質(zhì)變清。塔池下積聚數(shù)英寸的松垢和粘泥。2.2臭氧處理方式的經(jīng)濟性：采用傳統(tǒng)的化學(xué)處理，一年的操作和維修費用為12045美元，而采用臭氧處理一年的費用僅為2565美元。臭氧系統(tǒng)設(shè)備及安裝的一次性投資為16057美元。因此，第三年臭氧系統(tǒng)的投資即可收回。

3．臭氧處理空調(diào)冷卻水的設(shè)計方法

　　空調(diào)冷卻水系統(tǒng)一般連續(xù)投加臭氧，臭氧發(fā)生器可與循環(huán)水泵聯(lián)動。連續(xù)投加臭氧量非常小，lm3/h的冷卻水中投入0.1lg/h的臭氧即可。由于空調(diào)冷卻水在循環(huán)回路中每循環(huán)一次，一般為幾分鐘，不會超過60min，根據(jù)經(jīng)驗可只有一個臭氧注入點。投加點可設(shè)在循環(huán)水泵的出口或冷卻塔盤中。

3.l 投加點設(shè)在循環(huán)水泵出口（見圖1）

臭氧發(fā)生器設(shè)在機房內(nèi)，不需要特別保護，但由于設(shè)置了引射水泵，增加了水泵耗電量。引射水泵及文丘里臭氧注射器的選擇需要進行計算。一般情況下，引射水泵及文丘里臭氧注射器由臭氧發(fā)生器制造商配套供應(yīng)，設(shè)計人員只需按循環(huán)水流量選擇臭氧發(fā)生器的產(chǎn)氣量即可。臭氧需要量為0.1Qg/h（Q為循環(huán)水流量，m3/h）。

3.2 投加點設(shè)在冷卻塔水盤中（見圖2）

　　這種投加方式設(shè)計、安裝十分簡便，運行費用低，不需要設(shè)引射水泵及文丘里臭氧注射器，但臭氧發(fā)生器需要靠近冷卻塔設(shè)置，需要加設(shè)防雨措施。臭氧發(fā)生器的產(chǎn)氣量也按0.1Q（g/h）選取，Q為循環(huán)水流量（m3/h）。

4．結(jié)論

　　經(jīng)試驗證明，單一使用臭氧處理空調(diào)冷卻水，具有良好的殺菌、防腐、阻垢功能，它既能減輕由于腐蝕、污垢等造成的能源浪費，又能消除軍團病菌對人體健康的威脅。因此，在空調(diào)冷卻水系統(tǒng)中，具有很好的應(yīng)用前景