瓶装饮用水臭氧消毒与臭氧溶解度的关系研究

瓶装饮用水臭氧消毒与臭氧溶解度的关系研究

几十年前，臭氧作为瓶装水的残留消毒剂被引入饮料行业。它对水处理的功效促使国际瓶装水协会 （IBWA） 要求某些类型的瓶装水中含有臭氧。臭氧水的使用现已遍及饮料行业的大部分地区，用于生产从啤酒和葡萄酒到软饮料和果汁等各种产品的制造工厂。

但在安装使用时，有些厂家和施工单位以及臭氧用户误认为只要一按电钮，将臭氧气吹入水中，消毒即告完成。这个误区使臭氧的应用得不到应有的效果，甚至致使有些人对臭氧本身的杀菌能力产生了怀疑。有的厂家使用极简易的臭氧发生器处理瓶装水，对其产生的臭氧浓度、处理后水溶臭氧浓度都一无所知，杀菌的确实效果令人无法相信。曾经有过一家矿泉水厂，每小时5吨水量，设计单位选用了100g/h的臭氧发生器，而在接触吸收装置内水的停留时间只有几秒钟，结果处理的水不合格，而灌装间大量臭氧尾气溢出，工人无法工作。

因而正确认识臭氧在水中的物理、化学过程与臭氧杀菌的生物化学过程是极重要的。由于臭氧在水中溶解的机理以及臭氧对生物细胞物质交换的影响过程极为复杂，本文不能详细的探讨，只就臭氧杀菌做一般性的讨论。

1、水溶臭氧浓度与保持时间是杀菌的必要条件

军事医学科学院军队卫生研究所马义伦教授等经过对炭疽杆菌，枯草杆菌黑色变种进行臭氧处理试验，总结出杀菌动力学经验公式：dN/dt=-KNtmCn 

其中：N：菌数t：时间C：水中臭氧浓度m、nt与c的指数K：效率常数，也可表示细菌抗力。

由以上公式可以看出单位时间的灭菌量是与水中臭氧浓度及处理时间的若十次疗成止比，可见K与N在不变动的情况下要达到杀菌的目的，必须保证臭氧在水中浓度与一定的接触时间。

2、保证水中臭氧浓度的必要性

要保证臭氧在水中的浓度需要很多条件，大致有水温、气压、气液的相对运动速度、臭氧气作用在液体表面的分压、臭氧气的表面积、水的粘度、密度、表面张力等，

其中有些因素，如水温、气压、臭氧气作用在液体表面的分压至关重要。如水的密度、粘滞度、表面张力等，在某一具体条件下是不变的，就可以不予考虑，现将其中关系简单介绍如下：

气液两相间的传质强度取决于分子与湍流的扩散速度，可以用一般传质公式表示：u=dG/dt=KF?△C

其中：u：传质速度，可用在t时间内从气相传入液相的臭氧量G确定，即dG/dt。K：传质系数，F：气相与液相的接触表面积，△C传质过程中的动力，可用臭氧在实际情况下与平衡时的浓度差决定（即水中臭氧浓度与臭氧源中臭氧浓度差别越大，传质速度越大）。分析一般传质方程式可以知道，首先要使臭氧尽多地溶入水中，就要尽量加大臭氧与水的接触表面积F，而这是接触装置决定的。

其次，△C说明臭氧发生器的浓度越高，越有利于水对臭氧的吸收。

传质系数K则与多种因素有关，K（总传质系数）为气相传质系数K气与液相传质系数K液之和，而臭氧属于低溶解度气体，K气可忽略不计。根据亨利一道尔顿定律，K液是多种物理参数的复合函数。

K液=f（T，P，u，w，p，ó）

其中臭氧溶解量与气体压力P成正比而与水温T成反比。

随着两相相对线速度的增大，气液两相接触表面积F及其更新速度也增大，但每个气泡与液体接触的时间会减小，因此从综合效果来看，气体-液体的相对线速度应维持在一个范围内较好。

液体的粘滞度u，密度p及气液间介面表面张力。的提高可使相间表面更新速度降低，并相应使K液减小，所以Km与u，p，ó成反比，对于各种饮用水，此项可忽略不计。在应用中，我们应关注温度、气压两个参数，而在设计接触装置时则应注意到水流、气流的相对速度，尤其是其中的温度，因为温度高了不但使水对臭氧的吸收效果下降，而且臭氧本身会因温度过高而分解。国内就曾发生过试图用臭氧处理70℃的水温而没有取得任何效果的例证。

威诺萨（venosa）与奥帕特金（Opatken）指出，决定臭氧（或任何气体）在某液体中的溶解度的基本关系式是亨利定律。即在一定温度下，任何气体溶解于已知体积的液体中的重量，将与该气体作用在液体上的分压成正比。

而且此定律可推导出结论：在标准温度与压力下，臭氧是氧溶解度的13倍。

从亨利定律可以得出结论：要提高臭氧在水中的溶解度，必须提高臭氧气在整个气源中分压，即提高臭氧源的浓度，如果臭氧源的浓度不够，处理时间再长，水中臭氧浓度也提不高（因已达到浓度平衡）。

从以上论述，可以得到结论：

1、为保证杀菌效果，必须保证水中臭氧的一定浓度与处理时间；

2、为保证水中臭氧的一定浓度就需保证：

①臭氧源的浓度；

②一定的气温；

③水温不能过高；

④投入水中臭氧气的比表面积尽量大，使臭氧与水的接触机会更多。

根据国内外应用经验一般水质的饮用水消毒处理参数推荐为：水溶臭氧浓度0.4mg/L，接触时间为4分钟，即CT值为1.6。臭氧投加量1～2mg/L，水温在25摄氏度以下。前苏联标准规定饮用水中臭氧浓度不低于0.3mg/L。我国瓶装水行业推荐灌装时瓶内水臭氧浓度0.3mg/L。

三、目前常用的三种接触装置与其效果前节已提到接触装置的根本目的是保证臭氧在水中有尽量大的溶解度，为此，就需使臭氧气与水的接触面尽量大，有足够的接触时间，因而对接触装置的基本要求是：

1、能保证最优化的臭氧吸收效果。

2、接触装置工作时，工艺参数控制容易，工作稳定，安全性好。

3、能耗（搅拌或输送水、气所需动力）最低。

4、最小的体积下有最大的生产能力

5、结构简单，用料便宜，制造与维修成本低。

一般常用的接触装置有三种：曝气塔或曝气池、射流器（文丘里管）与固定螺旋混合器（单用或合用）：搅拌器或螺旋泵：也有两种以上串联使用的，简介如下：

1、曝气法：大型水处理用曝气池，小型水处理则常用曝气塔，它要求曝气器有小（几个微米到几十微米孔径）的孔径以增加臭氧的比表面积，而且要求孔径布气均匀，以使水、气全面接触，尤其是在曝气池中用多个曝气盘时，同时一般要求从水面到布气器表面，水深不小于4～5m，以利于气、水充分接触。

它的优点是：操作方便，可以很容易改变运行参数而不影响投加效果和工作的稳定，动力消耗少，曝气塔结构简单，维修方便。但其体积过于庞大，池式占地面积大，塔式要求较高厂房成本较高。

2、射流器：（文丘里管）是利用高速水流在变径管道中流动造成的负压区吸入臭氧气，并形成湍流起到混合效果。

而在文丘里管后设置固定螺旋混合器则可进一步起搅拌水、气作用，在较长的距离内保持湍流状态以加强吸收。

这种装置由于混合时间很短，所以在其输出管道后常常还需加设贮水罐，以增加水、气接触时间，并使水流速降低以使尾气析出。

它的构比鼓泡塔大大减小，生产成本低，但需加设水泵以保证水的喷射速度，而且工艺参数不易掌握，处理水量不能随意调节，否则将发生气、液两相分离，影响吸收效果。

3、搅拌法：早期生产的搅拌器类似单缸洗衣机，只是电机上置、外筒做成多角型，利用搅拌造成的涡流使气泡打碎，溶入液体。此类搅拌法效果差，动力消耗大，比鼓泡法体积小但成本并不低，由于有机械运动及臭氧腐蚀，所以机器寿命低，维修费用高。

近年有涡轮泵上市，混合效果很好，而且体积小巧，工艺参数操作容易，但结构复杂成本高，动力消耗大，维修复杂，在它的管路后而也需设置贮水罐。

四、臭氧浓度测试

检测臭氧发生器出口臭氧浓度，或饮用水用溶解臭氧浓度含量。