瓶裝飲用水臭氧消毒與臭氧溶解度的關(guān)系研究

幾十年前，臭氧作為瓶裝水的殘留消毒劑被引入飲料行業(yè)。它對(duì)水處理的功效促使國際瓶裝水協(xié)會(huì) （IBWA） 要求某些類型的瓶裝水中含有臭氧。臭氧水的使用現(xiàn)已遍及飲料行業(yè)的大部分地區(qū)，用于生產(chǎn)從啤酒和葡萄酒到軟飲料和果汁等各種產(chǎn)品的制造工廠。

但在安裝使用時(shí)，有些廠家和施工單位以及臭氧用戶誤認(rèn)為只要一按電鈕，將臭氧氣吹入水中，消毒即告完成。這個(gè)誤區(qū)使臭氧的應(yīng)用得不到應(yīng)有的效果，甚至致使有些人對(duì)臭氧本身的殺菌能力產(chǎn)生了懷疑。有的廠家使用極簡易的臭氧發(fā)生器處理瓶裝水，對(duì)其產(chǎn)生的臭氧濃度、處理后水溶臭氧濃度都一無所知，殺菌的確實(shí)效果令人無法相信。曾經(jīng)有過一家礦泉水廠，每小時(shí)5噸水量，設(shè)計(jì)單位選用了100g/h的臭氧發(fā)生器，而在接觸吸收裝置內(nèi)水的停留時(shí)間只有幾秒鐘，結(jié)果處理的水不合格，而灌裝間大量臭氧尾氣溢出，工人無法工作。

因而正確認(rèn)識(shí)臭氧在水中的物理、化學(xué)過程與臭氧殺菌的生物化學(xué)過程是極重要的。由于臭氧在水中溶解的機(jī)理以及臭氧對(duì)生物細(xì)胞物質(zhì)交換的影響過程極為復(fù)雜，本文不能詳細(xì)的探討，只就臭氧殺菌做一般性的討論。

1、水溶臭氧濃度與保持時(shí)間是殺菌的必要條件

軍事醫(yī)學(xué)科學(xué)院軍隊(duì)衛(wèi)生研究所馬義倫教授等經(jīng)過對(duì)炭疽桿菌，枯草桿菌黑色變種進(jìn)行臭氧處理試驗(yàn)，總結(jié)出殺菌動(dòng)力學(xué)經(jīng)驗(yàn)公式：dN/dt=-KNtmCn 

其中：N：菌數(shù)t：時(shí)間C：水中臭氧濃度m、nt與c的指數(shù)K：效率常數(shù)，也可表示細(xì)菌抗力。

由以上公式可以看出單位時(shí)間的滅菌量是與水中臭氧濃度及處理時(shí)間的若十次療成止比，可見K與N在不變動(dòng)的情況下要達(dá)到殺菌的目的，必須保證臭氧在水中濃度與一定的接觸時(shí)間。

2、保證水中臭氧濃度的必要性

要保證臭氧在水中的濃度需要很多條件，大致有水溫、氣壓、氣液的相對(duì)運(yùn)動(dòng)速度、臭氧氣作用在液體表面的分壓、臭氧氣的表面積、水的粘度、密度、表面張力等，

其中有些因素，如水溫、氣壓、臭氧氣作用在液體表面的分壓至關(guān)重要。如水的密度、粘滯度、表面張力等，在某一具體條件下是不變的，就可以不予考慮，現(xiàn)將其中關(guān)系簡單介紹如下：

氣液兩相間的傳質(zhì)強(qiáng)度取決于分子與湍流的擴(kuò)散速度，可以用一般傳質(zhì)公式表示：u=dG/dt=KF?△C

其中：u：傳質(zhì)速度，可用在t時(shí)間內(nèi)從氣相傳入液相的臭氧量G確定，即dG/dt。K：傳質(zhì)系數(shù)，F(xiàn)：氣相與液相的接觸表面積，△C傳質(zhì)過程中的動(dòng)力，可用臭氧在實(shí)際情況下與平衡時(shí)的濃度差決定（即水中臭氧濃度與臭氧源中臭氧濃度差別越大，傳質(zhì)速度越大）。分析一般傳質(zhì)方程式可以知道，首先要使臭氧盡多地溶入水中，就要盡量加大臭氧與水的接觸表面積F，而這是接觸裝置決定的。

其次，△C說明臭氧發(fā)生器的濃度越高，越有利于水對(duì)臭氧的吸收。

傳質(zhì)系數(shù)K則與多種因素有關(guān)，K（總傳質(zhì)系數(shù)）為氣相傳質(zhì)系數(shù)K氣與液相傳質(zhì)系數(shù)K液之和，而臭氧屬于低溶解度氣體，K氣可忽略不計(jì)。根據(jù)亨利一道爾頓定律，K液是多種物理參數(shù)的復(fù)合函數(shù)。

K液=f（T，P，u，w，p，ó）

其中臭氧溶解量與氣體壓力P成正比而與水溫T成反比。

隨著兩相相對(duì)線速度的增大，氣液兩相接觸表面積F及其更新速度也增大，但每個(gè)氣泡與液體接觸的時(shí)間會(huì)減小，因此從綜合效果來看，氣體-液體的相對(duì)線速度應(yīng)維持在一個(gè)范圍內(nèi)較好。

液體的粘滯度u，密度p及氣液間介面表面張力。的提高可使相間表面更新速度降低，并相應(yīng)使K液減小，所以Km與u，p，ó成反比，對(duì)于各種飲用水，此項(xiàng)可忽略不計(jì)。在應(yīng)用中，我們應(yīng)關(guān)注溫度、氣壓兩個(gè)參數(shù)，而在設(shè)計(jì)接觸裝置時(shí)則應(yīng)注意到水流、氣流的相對(duì)速度，尤其是其中的溫度，因?yàn)闇囟雀吡瞬坏顾畬?duì)臭氧的吸收效果下降，而且臭氧本身會(huì)因溫度過高而分解。國內(nèi)就曾發(fā)生過試圖用臭氧處理70℃的水溫而沒有取得任何效果的例證。

威諾薩（venosa）與奧帕特金（Opatken）指出，決定臭氧（或任何氣體）在某液體中的溶解度的基本關(guān)系式是亨利定律。即在一定溫度下，任何氣體溶解于已知體積的液體中的重量，將與該氣體作用在液體上的分壓成正比。

而且此定律可推導(dǎo)出結(jié)論：在標(biāo)準(zhǔn)溫度與壓力下，臭氧是氧溶解度的13倍。

從亨利定律可以得出結(jié)論：要提高臭氧在水中的溶解度，必須提高臭氧氣在整個(gè)氣源中分壓，即提高臭氧源的濃度，如果臭氧源的濃度不夠，處理時(shí)間再長，水中臭氧濃度也提不高（因已達(dá)到濃度平衡）。

從以上論述，可以得到結(jié)論：

1、為保證殺菌效果，必須保證水中臭氧的一定濃度與處理時(shí)間；

2、為保證水中臭氧的一定濃度就需保證：

①臭氧源的濃度；

②一定的氣溫；

③水溫不能過高；

④投入水中臭氧氣的比表面積盡量大，使臭氧與水的接觸機(jī)會(huì)更多。

根據(jù)國內(nèi)外應(yīng)用經(jīng)驗(yàn)一般水質(zhì)的飲用水消毒處理參數(shù)推薦為：水溶臭氧濃度0.4mg/L，接觸時(shí)間為4分鐘，即CT值為1.6。臭氧投加量1～2mg/L，水溫在25攝氏度以下。前蘇聯(lián)標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定飲用水中臭氧濃度不低于0.3mg/L。我國瓶裝水行業(yè)推薦灌裝時(shí)瓶內(nèi)水臭氧濃度0.3mg/L。

三、目前常用的三種接觸裝置與其效果前節(jié)已提到接觸裝置的根本目的是保證臭氧在水中有盡量大的溶解度，為此，就需使臭氧氣與水的接觸面盡量大，有足夠的接觸時(shí)間，因而對(duì)接觸裝置的基本要求是：

1、能保證最優(yōu)化的臭氧吸收效果。

2、接觸裝置工作時(shí)，工藝參數(shù)控制容易，工作穩(wěn)定，安全性好。

3、能耗（攪拌或輸送水、氣所需動(dòng)力）最低。

4、最小的體積下有最大的生產(chǎn)能力

5、結(jié)構(gòu)簡單，用料便宜，制造與維修成本低。

一般常用的接觸裝置有三種：曝氣塔或曝氣池、射流器（文丘里管）與固定螺旋混合器（單用或合用）：攪拌器或螺旋泵：也有兩種以上串聯(lián)使用的，簡介如下：

1、曝氣法：大型水處理用曝氣池，小型水處理則常用曝氣塔，它要求曝氣器有?。◣讉€(gè)微米到幾十微米孔徑）的孔徑以增加臭氧的比表面積，而且要求孔徑布?xì)饩鶆颍允顾?、氣全面接觸，尤其是在曝氣池中用多個(gè)曝氣盤時(shí)，同時(shí)一般要求從水面到布?xì)馄鞅砻妫畈恍∮?～5m，以利于氣、水充分接觸。

它的優(yōu)點(diǎn)是：操作方便，可以很容易改變運(yùn)行參數(shù)而不影響投加效果和工作的穩(wěn)定，動(dòng)力消耗少，曝氣塔結(jié)構(gòu)簡單，維修方便。但其體積過于龐大，池式占地面積大，塔式要求較高廠房成本較高。

2、射流器：（文丘里管）是利用高速水流在變徑管道中流動(dòng)造成的負(fù)壓區(qū)吸入臭氧氣，并形成湍流起到混合效果。

而在文丘里管后設(shè)置固定螺旋混合器則可進(jìn)一步起攪拌水、氣作用，在較長的距離內(nèi)保持湍流狀態(tài)以加強(qiáng)吸收。

這種裝置由于混合時(shí)間很短，所以在其輸出管道后常常還需加設(shè)貯水罐，以增加水、氣接觸時(shí)間，并使水流速降低以使尾氣析出。

它的構(gòu)比鼓泡塔大大減小，生產(chǎn)成本低，但需加設(shè)水泵以保證水的噴射速度，而且工藝參數(shù)不易掌握，處理水量不能隨意調(diào)節(jié)，否則將發(fā)生氣、液兩相分離，影響吸收效果。

3、攪拌法：早期生產(chǎn)的攪拌器類似單缸洗衣機(jī)，只是電機(jī)上置、外筒做成多角型，利用攪拌造成的渦流使氣泡打碎，溶入液體。此類攪拌法效果差，動(dòng)力消耗大，比鼓泡法體積小但成本并不低，由于有機(jī)械運(yùn)動(dòng)及臭氧腐蝕，所以機(jī)器壽命低，維修費(fèi)用高。

近年有渦輪泵上市，混合效果很好，而且體積小巧，工藝參數(shù)操作容易，但結(jié)構(gòu)復(fù)雜成本高，動(dòng)力消耗大，維修復(fù)雜，在它的管路后而也需設(shè)置貯水罐。

四、臭氧濃度測(cè)試

檢測(cè)臭氧發(fā)生器出口臭氧濃度，或飲用水用溶解臭氧濃度含量。