臭氧消毒技术在纯化水储存分配系统中的应用

2019-09-04周元胜

生物化工 2019年4期

周元胜

（上海奥星制药技术装备有限公司，上海 201600）

1 臭氧的理化性质和制备技术

1.1 理化性质

臭氧以气体形式存在于自然界中，臭氧是由3个氧原子（O）组成，它是氧气的同素异形体。早在1840年，臭氧作为电解硫酸制备氧气时在阳极出现的附属产物被人们发现。臭氧在常温、常压下分子结构不稳定，迅速自行分解成氧气（O2）和单个氧原子（O），因此具有很强的氧化性，它的氧化还原电位高达2.07eV[1]，是氯的20倍，因此臭氧也是仅次于氟的第二强氧化剂。

1.2 制备技术

人工制取臭氧的方法主要分为电晕放电法、直流电解法、紫外辐射法和PEM电解法[2]。

（1）电晕放电法是将干燥的含氧气体流过电晕放电区产生臭氧。其主要反应被认为是：

高能量电子轰击氧气，其分解成氧原子。紧接着氧原子与氧气分子结构形成臭氧，即

（2）紫外辐射法制备臭氧。基本原理是氧气分子通过紫外光辐射分解并从新聚合成臭氧，大气层上的臭氧层也由此产生的，实践证明波长为185nm的紫外光效率最高，其效率可达到130g O3/kW·h。紫外照射法制备臭氧的反应原理为：

（3）直流电解法制备臭氧。是利用直流电源电解含氧电解质产生臭氧，利用电解质和电解装置在电解过程中阳极产生臭氧。该方法对阳极材料有着极高的要求，电解液在阳极分解过程中产生出极高的界面酸浓度，就大多数金属来说可导致溶解或钝化，同时阳极材料又要求不应催化产生氧气。过去很长时间该方法由于受阳极材料电解过程中稳定性差，和制备效率相比低于电晕放电法的限制很难在实践中应用。

（4）PEM电解法制备臭氧。该方法追溯于20世纪80年代，研究发现，如果集成特定导电膜以二氧化铅作为阳极材料电解纯水制备臭氧，其阳极具有出乎意料的高耐腐蚀性，这种方法即PEM（Proton Exchange Membrane）臭氧制备原理。PEM电解法制备臭氧的臭氧源为纯水，没有像传统电解装置需要引入其他酸盐类电解质，又因PEM电解法制备臭氧时分解产生的气体为氢、氧和臭氧，氢通过阴极直接被排放到空气中，所以经电解所获除氧和臭氧外，不会有任何其他有害物质伴生，从而避免了来自纯水系统内外部的物质污染，因此PEM臭氧制备技术在制药纯化水储存和分配系统的消毒单元中有着广泛应用。

2 臭氧消毒在纯化水储存和分配系统中的典型应用及注意事项

药厂的纯化水制备、储存分配系统的设计都会充分考虑适当的消毒方式来预防和降低系统水污染的风险。各国药典对制药用水的水质提出了明确的要求，其中微生物是一项重要指标。而纯化水系统的消毒是控制纯化水系统微生物负荷的重要方式和手段。很多种消毒方式可应用于制药用水系统中，可归纳为预防性消毒（主动消毒）和纠正性消毒（被动消毒），见表1。预防性消毒（主动消毒）是指水系统正常生产运行期间对制药用水进行消毒，通常是有目的地向水系统加入消毒剂进行的消毒，借此获取长期的系统微生物低负载水平。这类消毒的特征是在消毒期间制药用水可同时投入使用。纠正性消毒（被动消毒）是为控制生物污染或消除微生物滋生定期或不定期的对系统进行消毒，纠正性消毒所使用的消毒剂在消毒程序后期排出系统，经彻底冲洗消除残留后方可恢复水系统使用，所以这类消毒特征是在消毒期间制药用水是不投入生产使用。

表1 制药用水常见消毒方式

由表1可见，臭氧消毒在预防性消毒和纠正性消毒中都有应用。通常，预防性消毒（主动消毒）可以抑制微生物滋生，避免水系统产生更严重的生物膜。然而一旦水系统出现生物膜污染，仅单一投加消毒剂就很难彻底消除，尤其是消毒剂浓度低以及其在系统中停留时间短的情况下，微生物对消毒剂会产生抵抗性。与此相反，在实际应用中臭氧低浓度常规日常投加，和定期高浓度的整体消毒对纯化水系统微生物的控制和抑制均有很好的效果。实践表明，水中臭氧浓度达到8 μg/L时，微生物即停止繁殖；水中臭氧浓度超过50 μg/L时，能有效杀死微生物和细菌[3]。ISPE建议水中臭氧浓度控制在20～200 μg/L。

臭氧消毒纯化水储存分配系统主要配置有纯化水储罐，PEM臭氧发生器及臭氧传感器、UV臭氧分解装置、管阀使用点等。典型的臭氧消毒纯化水储存分配系统如图1所示。

该应用兼具预防性消毒（主动消毒）和纠正性消毒（被动消毒）功能。在正常生产阶段，PEM臭氧发生器和UV装置同时开启，臭氧发生器连续产生臭氧并以臭氧水溶液的形式注入纯化水储罐内并参与循环，通过臭氧传感器1监测臭氧浓度，调节臭氧发生器产量维持纯化水储罐内臭氧含量恒定在10 μg/L左右，从而使纯化水储存系统始终处于臭氧保护状态，起到预防性消毒（主动消毒）的目的。输送至生产使用的纯化水要先经过253.7 nmUV破除分解臭氧，经臭氧传感器2监测臭氧浓度合格确保无臭氧残留后才可以被生产使用。当纯化水储存和分配管网需要整体消毒（被动消毒）时，系统开启PEM臭氧发生器的同时关闭UV装置，由于臭氧具有一定半衰期，系统末端的臭氧传感器3可以监测到整个系统内最低的臭氧含量。当其达到20 μg/L后并保持该浓度循环2h可认为成功完成一次被动消毒。

图1 臭氧消毒纯化水储存分配系统

由于臭氧具有强氧化性，应用于臭氧消毒系统的材料应具备抵抗臭氧氧化的能力，尤其是橡胶类制品应避免在该系统中长时间使用。同时臭氧会刺激人的呼吸系统，应防止系统中出现臭氧泄漏散发到环境中对人体造成不适或伤害[4]。在纯化水储罐的顶部的呼吸过滤器上装配臭氧破除吸收装置和在臭氧发生器所在的室内配备臭氧浓度检测探头用于检测环境臭氧浓度是有必要的。