紫外线臭氧组合工艺的应用研究

朱　峰江兴龙*曾祥波（1.集美大学水产学院　福建厦门　361021）（2.鳗鲡现代产业技术教育部工程研究中心　福建厦门　361021）

紫外线臭氧组合工艺的应用研究

朱峰1,2江兴龙1,2*曾祥波1,2
（1.集美大学水产学院福建厦门361021）
（2.鳗鲡现代产业技术教育部工程研究中心福建厦门361021）

摘要：开展了臭氧在养殖海水水体中的吸收和分解浓度变化、紫外线照射强度对海水臭氧浓度的分解速度影响及大黄鱼幼苗对臭氧浓度的耐受性等研究。结果表明，单位立方米海水以4g/h的臭氧输入量，约20min可使水体达到臭氧灭菌消毒浓度0.6mg/L；自然条件下，臭氧灭菌浓度0.6 mg/L在海水中完全降解至浓度为0耗时约120min；从节约能源和降低成本考虑，应用紫外线降解海水养殖水体中臭氧浓度残余，适宜的紫外线照射强度为160W/m3；在紫外线照射强度为160W/m3时，臭氧灭菌浓度0.6mg/L在海水中完全降解至浓度为0耗时15min，仅为自然状态下臭氧降解所需耗时的八分之一，缩短了7倍的时间；大黄鱼苗的海水臭氧安全浓度应不高于0.16mg/L，臭氧浓度如果超过0.16mg/L，将导致大黄鱼苗产生应激甚至死亡。

关键词：大黄鱼臭氧紫外线海水养殖

*国家海洋局海洋经济创新发展区域示范专项，2012FJ03号；鳗鲡现代产业技术教育部工程研究中心开放基金，ZK2013004号。江兴龙，博士，教授，E-mail：xinlongjiang@jmu.edu.cn

臭氧是一种极强的氧化消毒剂，是我国目前主要杀菌消毒的方法之一。近年来，在水产养殖中应用臭氧进行深度氧化降解有机物、净化水质、杀毒灭菌等方面的研究有了新的进展。宋奔奔等在大菱鲆半封闭循环水养殖系统中应用了臭氧技术，成功将系统总悬浮物浓度控制在8mg/L以下，并且对氨氮去除率达到了18%，亚硝酸盐去除率约8%，杀菌率约为94%。近些年来，各类病害严重限制了大黄鱼养殖业的发展，特别是由于淀粉卵涡鞭虫和刺激隐核虫等寄生虫病害的频频爆发，使渔民经济损失惨重。工厂化循环水养殖养殖密度大、水体利用率高，养殖过程中补充新水少，很大程度上降低了污染源。但由于系统是封闭的，一旦感染了病原体，病原体会在循环水系统中大量繁殖，造成大规模病害的发生。在循环水养殖系统中应用臭氧技术进行杀毒灭菌是一种较为理想的方法，但由于臭氧浓度太低会达不到理想处理效果，浓度过高不仅造成浪费，而且对养殖对象甚至人体都会造成伤害，臭氧在水体中浓度达到0.6mg/L维持40~50min即可以氧化分解部分有机污染物、杀灭几乎全部病原菌和大部分虫卵。水体中的臭氧在紫外线照射下可以分解产生羟基化合物，羟基化合物因其极强的氧化性，会迅速和水体中可被氧化的物质发生反应，从而达到去除水体中臭氧浓度残余的目的。因此，为了探索在大黄鱼工厂化循环水养殖中，应用紫外线高效安全降解臭氧浓度残余的技术，确保在海水养殖中应用臭氧既达到杀毒灭菌的目的，又实现操作简便和养殖安全。本试验开展了臭氧在养殖海水水体中的吸收和分解浓度变化、紫外线照射强度对海水臭氧浓度的分解速度影响及大黄鱼幼苗对臭氧浓度的耐受性等研究。

1材料和方法

1.1试验材料

试验在集美大学海水试验场大黄鱼循环水养殖车间内进行。应用养殖塑料桶作为臭氧消毒试验桶，每个桶的有效水体为1m3；臭氧发生器的型号为QJ-8001Y及配套的橡胶管、精细曝气石等；紫外线灯管均使用输出功率为40W的同型浸没式紫外线灯管；玻璃水族箱规格为40mm×20mm× 30mm；试验用的大黄鱼规格为全长（12.24±1.25）cm。试验用水来自大黄鱼循环水养殖系统中的养殖水（t=25.3℃pH=8.15盐度=21.5）。

1.2试验方法

1.2.1臭氧在海水养殖水体中的吸收和分解浓度变化试验方法

将臭氧消毒试验桶装满来自循环水养殖系统中的养殖水体，然后通入臭氧，通入量设定为4g/h，每隔5min对桶中的臭氧浓度进行测定。当臭氧浓度达到杀毒灭菌浓度0.6mg/L时停止通入臭氧，定时对消毒试验桶中的臭氧浓度进行测定。

1.2.2紫外线照射强度对海水臭氧浓度的分解速度影响试验方法

设计针对臭氧浓度达到杀毒灭菌浓度0.6mg/L时，通过打开均匀设置在臭氧消毒试验桶中的1~6根紫外灯管，以达到不同的紫外线照射强度梯度：紫外线灯管输出功率40W/m3、80W/m3、120W/m3、160W/m3、200W/m3、240W/m3，每5min对消毒试验桶中的臭氧浓度进行测定，当臭氧浓度降至较低时，每1～2min对消毒试验桶中的臭氧浓度进行测定，记录降解所需要的时间。

1.2.3大黄鱼苗对水体臭氧浓度耐受性试验方法

将臭氧消毒试验桶中经过紫外线照射处理后，达到不同臭氧浓度的水体注入到玻璃水族箱内。第一阶段试验，水族箱水体中设置的试验臭氧浓度梯度为0.1mg/L、0.2mg/L、0.3mg/L、0.4mg/L、0.5mg/L，随机选取20条大黄鱼苗放入并观察记录大黄鱼的活动情况以及存活率，每个浓度梯度设置三个平行组，耐受观察时限为72h。根据第一阶段试验的结果，为探索获得更加精准的耐受浓度，开展第二阶段试验，水族箱水体中设置的试验臭氧浓度梯度为0.12mg/L、0.14mg/L、0.16mg/L、0.18mg/L四个浓度梯度。

1.3检测方法

碘量法是最常用的水中臭氧浓度测定的方法，我国和许多国家均把此法作为测定水中臭氧浓度的标准方法，本试验采用碘量法来检测养殖水体中的臭氧浓度。由于臭氧不稳定极容易分解，故采样后在现场立即检测。

2　结果

2.1臭氧在海水养殖水体中的吸收和降解浓度变化

2.1.1臭氧在海水中的吸收浓度变化

向臭氧消毒桶中输入臭氧进行曝气，水体中臭氧浓度随时间变化的结果如图1所示。可以很明显的看出0~10min时，臭氧浓度上升较为缓慢，5min时消毒桶中的臭氧浓度仅为0.0474mg/L，10min时臭氧浓度达到了0.1778mg/L。10min以后臭氧浓度随时间呈线性增长关系，20min时消毒池中的臭氧浓度达到了0.64mg/L。可以通过臭氧输入量4g/h计算得知海水中的臭氧利用率约50%。表明，单位立方米海水以4g/h的臭氧输入量，约需要20min可使水体达到臭氧灭菌消毒浓度0.6mg/L。

2.1.2臭氧在海水中的自然降解浓度变化

臭氧在海水中的自然分解结果如图2所示，可以看出0~30min时臭氧分解速率比较快，臭氧浓度从最初始0.60mg/L下降到了0.232mg/L。当臭氧溶度降到0.2mg/L以下时，臭氧的分解速率大大减缓，直到120min后才完全分解，浓度为0。表明，自然条件下，臭氧灭菌浓度0.60mg/L在海水中的完全降解需要约120min。

2.2紫外线照射强度对海水臭氧浓度的分解速度影响

在臭氧消毒中1~6根灯管单位体积的紫外线输出功率分别为40W/m3、80W/m3、120W/m3、160W/m3、200W/m3、240W/m3。

图3和图4展示了试验桶海水中的臭氧浓度在不同强度紫外线照射下随时间的降解效果情况。在开启一根紫外线灯管（紫外线照射强度40W/m3）的情况下，臭氧浓度从初始浓度约0.60mg/L到完全降解至浓度为0约耗时50min；开启两根灯管（紫外线照射强度80W/m3）时，臭氧从初始浓度0.60mg/L到完全降解至浓度为0约耗时30min。开启三根灯管（紫外线照射强度120W/m3）时，臭氧从初始浓度0.60mg/L到完全降解至浓度为0约耗时23min。开启四根灯管（紫外线照射强度160W/m3）时，臭氧从初始浓度0.60mg/L到完全降解至浓度为0约耗时15min。开启五根灯管（紫外线照射强度200W/m3）或六根灯管（紫外线照射强度240W/m3）时，臭氧完全降解至浓度为0的时间与开启四根灯管（紫外线照射强度160W/m3）所消耗的时间相差不大。表明，应用紫外线降解海水臭氧浓度残余是高效可行的，在紫外线照射强度为160W/m3海水时，臭氧灭菌浓度0.60mg/L在海水中的完全降解至浓度为0仅耗时约15min，仅为自然状态下臭氧降解所需耗时的八分之一，缩短了7倍的时间。从节约能源和降低成本考虑，适宜的紫外线照射强度为160W/m3。

2.3大黄鱼苗对水体臭氧浓度耐受性试验

表1不同臭氧浓度对大黄鱼的影响（T=23.4℃，72h）Tab.1 The influence of different ozone concentration on the Pseudosciaena crocea（T=23.4℃，72h）

0.30　48.3±6.7　半数死亡0.40　17.8±5.1　大部分死亡0.50　0　全部死亡

据表1可知，在臭氧浓度0.10mg/L时，大黄鱼苗活动正常；当臭氧浓度达到0.20mg/L时，大黄鱼苗受到强烈应激，出现游泳缓慢，约20%个体出现死亡。表明大黄鱼苗因臭氧浓度高导致应激性死亡的阙值在0.10mg/L~0.20mg/L之间。为了更加精准的获得大黄鱼苗的安全臭氧浓度临界值，开展第二阶段试验，设置0.12mg/L、0.14mg/L、0.16mg/L和0.18mg/L四个臭氧浓度梯度。

表2不同臭氧浓度对大黄鱼的影响（T=23.4℃）Tab.2 The influence of different ozone concentration on the Pseudosciaena crocea（T=23.4℃）

据表2可知，海水中臭氧浓度在0.16mg/L以下时，大黄鱼苗活动与成活正常；当臭氧浓度达到0.18mg/L时，大黄鱼苗出现行动缓慢、浮头等应激症状。表明，大黄鱼苗的海水臭氧安全浓度应不高于0.16mg/L，臭氧浓度如果超过0.16mg/L，将导致大黄鱼苗产生应激甚至死亡。

3　讨论

从图1可知，海水中输入臭氧后的前几分钟，水体臭氧浓度上升较为缓慢，认为可能是养殖水体中存在的易被氧化的物质与臭氧发生了反应，造成了水体中臭氧的消耗。从图2可知，海水中的臭氧浓度在前30min降解迅速，而后变得极为缓慢，臭氧杀毒灭菌浓度0.6mg/L在自然条件下完全降解至浓度为0所耗时间约120min，这与方敏等对臭氧水稳定性研究得到的结果相似。从表2可知，海水中臭氧浓度在0.16mg/L以下时，大黄鱼苗活动与成活正常；当臭氧浓度达到0.18mg/L时，大黄鱼苗出现行动缓慢、浮头等应激症状。表明大黄鱼苗对臭氧耐受性不高，在养殖系统中，必须严格控制好水体中的臭氧浓度，如果臭氧浓度过高将导致大黄鱼苗因臭氧中毒而应激甚至死亡。本试验结果表明，在自然状态下，海水中臭氧浓度的自然降解耗时长，而应用紫外线降解海水臭氧浓度残余具有高效可行特点，仅为自然状态下臭氧降解所需耗时的八分之一，缩短了7倍的时间。因此，在海水养殖系统中，为了避免臭氧浓度残余对养殖鱼类造成负面影响，可以采用紫外线-臭氧技术相结合的工艺，一方面可以加强对养殖水体的杀菌消毒能力，同时可以加速臭氧浓度残余的分解，确保养殖水体中的臭氧浓度在安全浓度范围内。从图3可知，紫外线可以显著促进臭氧的分解，因为水体中的臭氧在紫外线的照射下，可生成氧化性更强的羟基自由基，羟基自由基会迅速和水中可被氧化的物质发生反应从而加速臭氧的分解，由于羟基自由基比臭氧具有更强的氧化性，可以深度氧化去除水体中臭氧难以氧化的有机物和病原微生物。如图3、4所示，随着紫外线照射强度的上

升，臭氧的分解速率明显提升，而当紫外线照射强度超过160W/m3以上，继续提升到200W/m3或240W/m3时，臭氧浓度降解速率并没有获得明显的提升，原因可能是臭氧浓度降解的速率已经达到了一个阈值，再通过提高紫外线照射强度对其降解速率的提高已经影响很小。臭氧在海水中的分解速率与温度、pH和初始浓度都有着紧密的关联。羟基自由基由于其极强的氧化性会对生物体造成毒害，但羟基自由基非常活泼，极容易和其他物质发生反应而生成稳定的分子而不会长时间稳定停留在水体中。在工厂化养殖系统中，根据本试验臭氧在紫外线照射下分解速率的研究结果，可以估算出臭氧浓度完全降解至浓度为0的所需耗时，从而通过完善水处理消毒单元的水力停留时间设计，确保水处理系统出水口的臭氧浓度完全分解，提高养殖系统的安全性。

中图分类号：S969

文献标志码:A

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