水产养殖中新型臭氧杀菌消毒装置的开发

赵建宝 张晓青 张 斌 相 恺

0 引言

臭氧被应用于水的杀菌净化已有一百多年的历史，它是迄今为止被人们发现的最好的水中杀菌净化剂。我国于70年代后期开始进行臭氧水处理技术研究，目前该技术主要用于高科技领域用水的处理，在国防科研、航空航天、环境保护、医疗卫生、食品加工、微电子技术等领域，发挥着越来越重要的作用。使用臭氧净化水质，最大的优点就是臭氧处理后的分解产物是氧气，不会产生二次污染，这是任何消毒药物无法与之比拟的。随着国际水产品质量要求不断提高，对水产品的卫生标准要求越来越严格，开发臭氧水处理装置对无公害、绿色食品的生产具有十分重要的意义。运用臭氧净化水质甚至解毒是切实可行的。目前国内已有许多生产臭氧发生器的厂家，臭氧在饮用水和食品加工方面的运用已得到较快的发展，但在水产养殖方面的运用比较缓慢，原因在于臭氧用于水产养殖不仅对处理装置的结构有一定的要求，使用方法也因养殖对象的不同而有所变化。

1 臭氧的性质及功效

臭氧（O3）是氧气(O2)的同素异形体，它是一种具有特殊气味的淡蓝色气体。其密度是氧气的1.5倍，在水中的溶解度是氧气的10倍。臭氧是一种强氧化剂，在水中的氧化还原电位为2.07V，仅次于氟（2.5V），其氧化能力高于氯（1.36V）和二氧化氯（1.5V），能分解破坏细菌的细胞壁，快速地扩散透进细胞内，氧化分解细菌内部氧化葡萄糖所必须的葡萄糖氧化酶等，也可以直接与细菌、病毒发生作用，破坏细胞、核糖核酸（RNA），分解脱氧核糖核酸（DNA）、RNA、蛋白质、脂质类和多糖等大分子聚合物，使细菌的代谢和繁殖过程遭到破坏。与次氯酸类消毒剂不同，臭氧的杀菌能力不受pH值变化和氨的影响，其杀菌能力比氯大600～3 000倍，它的灭菌、消毒作用几乎是瞬时发生的，在水中臭氧浓度0.3～2 mg/L时，0.5～1 min内就可以致死细菌。达到相同灭菌效果（如使大肠杆菌杀灭率达99%），所需臭氧水药剂量仅是氯的0.0048%。臭氧对酵母和寄生生物等也有活性，臭氧还可以氧化、分解水中的污染物，在水处理中对除嗅味、脱色、杀菌，去除酚、氰、铁、锰和降低化学需氧量（COD）、生化需氧量（BOD）等都具有显著的效果。

2 目前水产养殖中臭氧水处理装置存在的问题

对于臭氧在水产养殖中的应用，国内许多人尚不熟悉，加之目前臭氧水处理装置设计不完善或不正确的使用，达不到应有的效果，使人们对臭氧的杀菌能力产生了怀疑。目前开发的这方面产品及应用主要存在以下几方面的问题：

（1）臭氧水处理装置不设氧化塔，直接将臭氧打入水中，杀菌效果很低。

（2）有些厂家生产的臭氧发生器的臭氧量不足，在水处理中达不到很好的效果。

（3）气水混合装置的配置不合理，水压没有达到要求。

（4）没有考虑温度对臭氧水处理过程的影响。

（5）处理海水时没有去除溴化物这道工序。

（6）存在认识上的误区，认为该装置在淡水处理方面效果非常理想，用于海水效果不行。

3 新型臭氧杀菌消毒装置的开发

现有的臭氧杀菌消毒装置主要用于工厂化水产养殖的水处理，装置结构复杂，造价高，运行成本大，一般养殖用户无法使用，需要开发一种小型化、造价低，能够满足渔塘杀菌用的臭氧杀菌消毒装置。

3.1 高浓度臭氧的制取及臭氧水浓度的确定

制取高浓度臭氧应采取以下几个措施：提高气相中臭氧的分压，降低溶解液体的温度，扩大气液接触面积，提高气相臭氧浓度。臭氧的制作方法可分为光化学法、电化学法、紫外线法和电晕放电法等几种，其中电晕放电法是目前工业上唯一经济实用的生产方法。电晕放电法制取臭氧，是在高压电场的强电离作用下，把氧气转化为臭氧。气源可选空气。臭氧发生器由臭氧管、高频电源、风机、控制系统四部分组成。这种臭氧发生器体积小，重量轻，结构简单紧凑，产生的臭氧浓度高，运行稳定、可靠，实现了机器的小型化。

水中残余臭氧浓度在0.1～0.5 mg/L，作用5～10 min即可达到消毒的目的。对于鱼来说，0.5 mg/L的臭氧总残余量显然是有毒性的，一般选取残余臭氧浓度在0.1～0.3 mg/L。

3.2 新型臭氧杀菌消毒装置结构的确定

目前研发的臭氧杀菌消毒装置大都配置一个文丘里管或一个气泡石、布气器等，有的还加入一些螺旋混合器。通过臭氧溶解率实验表明：涡流叶轮泵与Mazzei射流器结构，臭氧溶解率达96.7%。如以水质消毒为主，外加去除水中腐殖酸及部分铁、锰等过多无机离子，要求有高效快速的接触反应，使用喷射器或文丘里管就比较适合。因此确定新型臭氧杀菌消毒装置结构主要由臭氧发生器、涡流叶轮泵和射流器（或文丘里管）三部分组成（见图 1）。

为达到养殖用臭氧水浓度0.1～0.3 mg/L，要选配合适的臭氧发生量及涡流叶轮泵的流量。初定臭氧发生量为20 g/h，涡流叶轮泵的流量为60 L/min，由新型装置结构的臭氧溶解率达96.7%，计算得出臭氧水浓度的理论数值为0.32 mg/L，加上气液混合及喷射过程中的损耗，保证臭氧水浓度在0.1～0.3 mg/L范围内是可行的。当然还可根据实际需要臭氧水浓度选配臭氧发生量及涡流叶轮泵的流量。

图 1 新型臭氧杀菌消毒装置工作图

温度在臭氧水处理过程中非常关键，长期高温环境下使用，会使臭氧发生器中高源电子元器件产生损坏。为了使高压放电过程中产生的热量随臭氧一起被高压水流带走，设计中充分运用射流器（或文丘里管）的特性，在高压水从管中喷出的同时，产生的负压将臭氧及热量与水混合后喷射到池塘中，保证了臭氧发生器的稳定运行。

在水处理过程中，臭氧从气相到液相的传递过程需要气水很好地接触，要使气相的臭氧形成最小的气泡，使之与被处理的水高效混合，必须有足够的压力，气泡愈小接触时间越长，混合就越充分，溶解就越高。因此，要选配压力合适的涡流叶轮泵。为了扩大气液接触面积，设计中采用多管混合喷射的方法。

4 应用前景

随着无公害养殖技术的发展，臭氧的高效水体净化能力及绿色安全环保特性，将在水产养殖生产中发挥重要的作用。小型化、高效化的臭氧杀菌消毒装置的开发，必将在水产养殖应用中取得良好的经济效益，有十分广阔的市场前景。

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