矿泉水系统中的臭氧水处理器应用分析

陈余浩

（江西省地质矿产勘查开发局九一二大队，江西 鹰潭 335001）

小型矿泉水厂饮用水工水系统经常受经济因素限制，普遍存在规模小、地域分散等特点。由于防护设施差，水厂水源易受污染，威胁人们的身体健康。沿用传统消毒方法不适合水厂特点，随着社会形势发展，改善生活饮用水质量十分迫切。我国瓶装饮用水市场主要有矿泉水与纯净水，水质处理中大部分微生物去除，但采用微滤等方法处理也不能完全去除细菌物质。研究报告改水实践中研制适合矿泉水厂特点的臭氧水处理设备，由于设备研制结合矿泉水系统特点，能够达到提高饮水卫生质量的目的。

1 臭氧水处理的原理

为提高瓶装饮用水质量，国际瓶装水协会建议采用臭氧处理。根据国标《饮料通则》规定，矿物质水是在2008年成为我国饮用水水种，矿物质水具有很大的市场潜力，我国瓶装饮用水市场主要是矿泉水与纯净水，为提高瓶装应用水质量，国际瓶装水协会建议采用抽样处理。臭氧处理前，瓶装水用反渗透去除天然水中99%的有机物。

一般水处理方法不能除尽微生物，为保证消费者健康，制造纯净水及包装不进行二次灭菌果汁饮料，要注意管道等卫生情况。水消毒目的是杀灭水中的致病菌，常用的水消毒方法是紫外线消毒。氯消毒包括漂白粉、次氯酸钠等。消毒原理是氯在水中发生化学反应，Cl2+H2O→HCl+HOCl→2H++Cl-+OCl。反应生成次氯酸具有穿透力，能使微生物失去活力致死。次氯酸性质不稳定，新生态氧与硫化氢、亚硝酸盐物质结合，对水中有机物等起氧化作用，不具有次氯酸穿透微生物细胞膜的能力。

紫外线消毒原理是光谱波长在490 ～140nm 范围内具有杀菌能力，气体内核蛋白质吸收紫外线光谱能量变性。紫外线对澄清水有穿透力可进行消毒。臭氧消毒原理是在水中发生氧化还原反应，产生羟基，分解水中的有机物质。羟基对各种致病菌微生物有很强的灭杀作用，单原子氧对顽强的微生物有强大的杀伤力。

臭氧在水中时刻发生还原反应，产生单原子氧瞬间分解水中有机物质，羟基是强氧化剂，使有机物发生连锁反应。单原子氧与羟基对致病微生物有很强的灭杀作用。羟的氧化还原与氟的氧化能力相当。臭氧可对水中的硫化物进行降解，有毒的硫化物通过与臭氧反应产生无毒N2等物质。取天然矿泉水暴露于空气中，在水样通入不同浓度臭氧气体，接触5min 密闭放置24h 后测定细菌浓度，矿泉水汇总臭氧浓度达到0.5mg/L。我国饮用天然矿泉水主要化学类型是含锶，矿泉水经臭氧处理后偏硅酸，总碱度浓度未改变，说明臭氧消毒对指标影响不大。矿泉水臭氧溶解在0.4 ～0.5mg/L时满足杀菌保质要求，臭氧在水中的溶解度随温度降低提高，保证臭氧气体浓度在10mg/L，气水融合接触好时即可达到要求。

2 臭氧水处理技术的发展

臭氧用作杀菌剂最早实验在法国进行，梅里坦斯指出在稀薄的臭氧化空气能时污染水达到灭菌效果。菲罗里克根据其建设半生产性实验厂进行臭氧杀菌特性实验，阿姆斯特丹的巴伦·亨利·延德尔开发臭氧消毒工艺，装有施内勒尔发明的非介电臭氧发生器，发生器出来的臭氧经加压后供入鼓泡塔，每隔一定高度装穿孔板。1893年消毒装置在荷兰奥茨胡恩首次投运，后来，在1896年在巴黎举行卫生展览会上展出。

1902 ～1903年德国西门斯在帕德博恩建设其具有生产规模的水处理厂，矿泉水经过装有细小卵石的出滤池预处理，吸收臭氧在碎燧石作填料塔进行，加臭氧大部分留在尾气中，氢氧化铁黏着在燧石上易堵塞气水通道。但出水每毫升细菌数令人满意。1898年，奥托等在法国实验新型板式臭氧发生器，在法国尼斯建立臭氧处理水厂运行每分钟处理13m3水，采用新型奥托板式臭氧发生器。1906年，在尼斯建成邦·沃亚阁水厂保持连续运行的世界纪录。自1906 ～1970年随着尼斯市的发展，在其他地点建成臭氧处理自来水厂。水厂建筑物被保留作为博物馆。

自1906年投运尼斯帮·沃亚阁水厂后，一些国家出现了采用臭氧消毒生产性水厂。1977年有1036 座应用臭氧处理水厂，美国1900 ～1905年在费城建立首座臭氧处理水厂，最大能处理取斯库尔基尔河。沃斯麦伊尔采用长45.7cm 的玻璃管装成接触塔，柱高为10m,每层穿孔板下气液层分离，穿孔板阻碍臭氧向水中传递，于是，拆掉孔板，臭氧向上流动，溶解度提高。1905年，建立了直径61cm 的大容量钢接触塔，表明处理水中细菌去除率为270800mol/L。臭氧化中有机物减少40%,亚硝酸盐去除率为79.5%。

目前，我国饮用水普遍使用氯剂消毒，使用氯消毒方法有二次污染问题。1973年，荷兰等国家发现氯消毒后自来水产生卤代有机物，氯消毒受温度影响。影响饮用水口感，使碳酸饮料等制品产生氯的臭味，使饮料中色素发生氧化。采用紫外消毒时不同对象致死所需照射能量差异大，原水水质对杀菌效果有影响，因在水中穿透力有限难以达到理想效果。臭氧消毒具有更强的氧化消毒能力，可以降解水中含有害成分，去除多种有机物等杂质。如硫化物、有机磷等，可使水除臭脱色。臭氧适应能力强，pH 值影响较小，不受菌种限制。可自行分解为氧气，处理后水无色无臭。

3 矿泉水系统中臭氧水处理器的应用

天久矿泉水水厂规模小，在供水系统约15min 达到管网末端，不宜使用运营费用较高的消毒设备。水厂管水员较难接受操作复杂的设备，水厂消毒设备必须具备作用迅速、自动化程度的优点。臭氧水处理器技术核心是产生高浓度臭氧，以变压吸附分子筛制氧机旨趣高浓度氧气，经气液混合装置掺混，使罐中水与臭氧混合，羟基自由臭氧水为消毒液，根据水量变化投加到供水管路。

消毒系统中臭氧发生器工作状态，供水泵启停时间由程序自动完成。从干燥筒出来的干燥空气被氧气发生器从进口吸入空气，在高频放电作用下，氧分被电离，与未电离氧原子结合为臭氧，与空气通过薄层空间，流经电极管，与进入射流喷雾器雾化水结合进行消毒。技术采用臭氧消毒为主、高频高压消毒为辅的设计原理。臭氧灭菌中与水混合消毒，由于灭菌消毒水净化室具有空间，除臭氧对水消毒，被处理水受到高压放电紫外线消毒，对紫外线阻挡小，适应玻璃管口提高穿透量，水受紫外线作用时间延长。由于在金属管与容器外壳形成高频电场，增加消毒效果。依据技术装置可使臭氧杀菌速度快，穿透力强。

臭氧发生器量在5 ～7g/L，工作压力0.03MPa，末梢水臭氧浓度0.1mg/L，臭氧与水混合率70%以上。细菌指标符合国家饮用水水质卫生规范。实验室细菌加标实验表明，3min 接触时间可杀灭水中细菌。现场实验结果表明，在采集21 件水样中，W10900 消毒后污染指标升高，经核查发现有管路破损，其他20个水样细菌数符合生活饮用水水质卫生规范。说明处理器对细菌灭杀作用有效。

以往资料证明，臭氧具有广谱杀灭病毒能力，如臭氧在浓度1mg/L 作用时间为5min 下对微小隐孢子虫卵囊灭活率为90%。矿泉水厂使用基本为含氯制剂，按要求作用时间在30min 以上，水厂特点是水在管网停留十几分钟，工作中常见到末梢水检测出微生物超标，证明水厂不适宜氯制剂消毒，加标实验证实细菌103个/L,接触时间在30s 开始杀菌，5min 内各种细菌全部杀灭。

臭氧水处理器运行中消耗原料是空气，运行成本低，适合于农村地区，处理器进行中加入少量二次整流水即可，二氧化氯消毒器运行需使用氯酸钠，处理每吨水0.008 元，高纯型每吨16000 元，臭氧水处理器工作中气液掺混为程序控制完成，根据水厂管水员特点设计。

4 结语

根据矿泉水厂用水时间集中，间段定时供水特点，消毒系统设储液罐，直取高浓度臭氧液，由于设置储液罐用水地缝可将设备产生臭氧存于罐内，备用水高峰时使用，优势是利用水厂间段供水特点降低投资，采用高压涡流阀，掺混效率提高，超过臭氧和水的掺混率。系统采用程序控制，储液罐掺混装置循环时间根据工作状态气田设定，根据水量变化按比例投加。利用臭氧技术杀灭微生物在国内外早有报道，但用于矿泉水系统尚无研究，研究创新点是研制新型掺混技术，利用供水系统间歇性特点设置储液罐，达到使用小功率设备消毒的目的。