瓶裝飲用水臭氧消毒與臭氧溶解度的關系研究

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)。它對水處理的功效促使國際瓶裝水協(xié)會 （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，有些廠家和施工單位以及臭氧用戶誤認為只要一按電鈕，將臭氧氣吹入水中，消毒即告完成。這個誤區(qū)使臭氧的應用得不到應有的效果，甚至致使有些人對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，殺菌的確實效果令人無法相信。曾經(jīng)有過一家礦泉水廠，每小時5噸水量，設計單位選用了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。

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

1、水溶臭氧濃度與保持時間是殺菌的必要條件

軍事醫(yī)學科學院軍隊衛(wèi)生研究所馬義倫教授等經(jīng)過對炭疽桿菌，枯草桿菌黑色變種進行臭氧處理試驗，總結(jié)出殺菌動力學經(jīng)驗公式：dN/dt=-KNtmCn 

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

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

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、氣液的相對運動速度、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)將其中關系簡單介紹如下：

氣液兩相間的傳質(zhì)強度取決于分子與湍流的擴散速度，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)過程中的動力，可用臭氧在實際情況下與平衡時的濃度差決定（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，越有利于水對臭氧的吸收。

傳質(zhì)系數(shù)K則與多種因素有關，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。根據(jù)亨利一道爾頓定律，K液是多種物理參數(shù)的復合函數(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，但每個氣泡與液體接觸的時間會減小，因此從綜合效果來看，氣體-液體的相對線速度應維持在一個范圍內(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，并相應使K液減小，所以Km與u，p，ó成反比，對于各種飲用水，此項可忽略不計。在應用中，我們應關注溫度、氣壓兩個參數(shù)，而在設計接觸裝置時則應注意到水流、氣流的相對速度，尤其是其中的溫度，因為溫度高了不但使水對臭氧的吸收效果下降，而且臭氧本身會因溫度過高而分解。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。

而且此定律可推導出結(jié)論：在標準溫度與壓力下，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，處理時間再長，水中臭氧濃度也提不高（因已達到濃度平衡）。

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會更多。

根據(jù)國內(nèi)外應用經(jīng)驗一般水質(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)標準規(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，有足夠的接觸時間，因而對接觸裝置的基本要求是：

1、能保證很優(yōu)化的臭氧吸收效果。

2、接觸裝置工作時，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、氣所需動力）很低。

4、很小的體積下有很大的生產(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，它要求曝氣器有小（幾個微米到幾十微米孔徑）的孔徑以增加臭氧的比表面積，而且要求孔徑布氣均勻，以使水、氣全面接觸，尤其是在曝氣池中用多個曝氣盤時，同時一般要求從水面到布氣器表面，水深不小于4～5m，以利于氣、水充分接觸。

它的優(yōu)點是：操作方便，可以很容易改變運行參數(shù)而不影響投加效果和工作的穩(wěn)定，動力消耗少，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造成的負壓區(qū)吸入臭氧氣，并形成湍流起到混合效果。

而在文丘里管后設置固定螺旋混合器則可進一步起攪拌水、氣作用，在較長的距離內(nèi)保持湍流狀態(tài)以加強吸收。

這種裝置由于混合時間很短，所以在其輸出管道后常常還需加設貯水罐，以增加水、氣接觸時間，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，只是電機上置、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，動力消耗大，比鼓泡法體積小但成本并不低，由于有機械運動及臭氧腐蝕，所以機器壽命低，維修費用高。

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)復雜成本高，動力消耗大，維修復雜，在它的管路后而也需設置貯水罐。

四、臭氧濃度測試

檢測臭氧發(fā)生器出口臭氧濃度，或飲用水用溶解臭氧濃度含量。