光催化臭氧化技术在游泳池消毒中的应用

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摘要:本文主要阐述用臭氧与紫外光辐射的协同作用,产生氧化性极强的羟自由基来对游泳池水进行杀菌消毒应用,并对臭氧-紫外联合作用机理和游泳池臭氧投加量进行了阐述,臭氧与紫外线相结合的技术具有良好的研究开发价值和广阔的应用前景。
关键词: 臭氧;紫外光辐射;羟自由基;游泳池
1、 引言

随着我国的经济不断发展,人民对文化和体育活动的要求越来越高,游泳场馆及戏水娱乐场所在我国必将越来越普及。游泳池是运动员进行训练比赛及人们锻炼身体、娱乐的公共场所,在游泳池的建设和改造中,池水的循环处理与消毒是必不可少的环节,因为在水资源相当紧张的21世纪,泳池采用循环净化给水系统已是共识,而消毒若达不到一定的要求,泳池就很有可能成为疾病或严重传染病的扩散场所。
针对游泳场所卫生问题,卫生部于1996年修订颁布了国家标准GB9667《游泳场所卫生标准》,其中对余氯、浑浊度、尿素、大肠菌群数等指标进行了规定,具体例举如下:

项目

标准值

项目

标准值

池水温度,℃

2226

游离性余氯,mgL

0.30.5

pH

6.88.5

细菌总数,个/mL

1000

浑浊度,度

5

大肠菌群,个/L

18

尿素,mgL

3.5

有毒物质

TJ 363执行

 

该标准颁布后,原建设部行业标准CECS14: 89《游泳池给水排水设计规范》的部分条文和内容已不能满足社会发展和标准的要求。鉴于此,建设部建筑设计院、国家体育总局游泳运动理中心、中国游泳运动协会等三家单位联合主编了新的CECS14:2002《游泳池和水上游乐池给水排水设计规范》。在该标准池水消毒中,首先引出了臭氧消毒方案,在其条文说明中是这样描述的:
臭氧用于游泳池水的消毒,欧美国家已经普遍采用。我国九十年始采用。由于具有很好的消毒和改善池水水质的效果。近些年来开始大量应用于游泳池水的消毒。它的优缺点如下:
⑴臭氧消毒的优点:

①臭氧为强氧化剂、杀菌能力强。不仅能杀灭细菌、大肠杆菌,还能杀死病毒。
②臭氧能将水中的有机物氧化为无机物或易被吸附的中间物质,经后续的活性炭过滤器予以吸附而去除。从而使池水清澈发蓝、透明度好、池水无刺激性、无异味,对眼、皮肤和头发无伤害,并能使游泳池周围的空气清新和游泳者有舒适感。
③臭氧是以空气为原料,通过无声放电方法制备臭氧,操作方便。
④臭氧具有增强絮凝能力的功能,不会导致池水中有害物质和含盐量的增加。
⑤采用活性炭滤料吸附池水中多余的臭氧和其他物质,保证了安全,且提高了池水的洁净度。
⑥臭氧氧化池水中的有机物,不产生三氯甲烷(THM)(目前游泳池池水的此项水质指标大都严重超标)。并能限制有机物和无机物的浓度。
⑦设有保护系统和多余臭氧气体的收集消化装置,安全可靠。
⑵臭氧消毒的缺点:
①设备投资大(高于普通消毒系统的70~80%)。
②机房面积大(约为普通消毒系统的2倍)。
③相对氯,臭氧无持续消毒功能。
④臭氧不稳定,且在水中不容易溶解,故要在水处理系统内部产生和应用。
2、光催化臭氧化(O3/UV)技术
近几年来,臭氧由于其优良的杀菌消毒特性以及发生成本的不断下降,因此受到越来越多的水处理厂家的重视,使用臭氧作为杀菌消毒的单位也越来越多。然而,在游泳池中单一使用臭氧处理中还存在一定的缺陷:
1) 臭氧投加量大(臭氧投加量为0.6~1.0mg/l),成本相对较高;
2) 因为臭氧与水接触反应时间应满足CT≥1.6(C-臭氧投加量mg/l,T-臭氧与水接触反应所需要的时间min),为保证臭氧与水的接触时间,反应罐往往做的体积较大,成本也较高;
3) 为确保池水水面上的空气中臭氧浓度含量不超过0.10mg/l,要用活性炭吸附罐来分解水中剩余的臭氧,对于标准型游泳池来说,活性炭罐体积会很庞大,不仅增加了工程成本,后期维护费用也很高。
光催化臭氧化(O3/UV)是将臭氧与紫外光辐射(波长在180-300nm之间)相结合的一种高级氧化过程,它始于20世纪70年代,主要用于解决有毒害且无法生物降解物质的废水处理问题。80年代以来,研究范围扩大到饮用水的深度处理。这种方法由Garrison等人在治理含复杂铁氰盐废水中开发出来,他们发现该法对处理难氧化的物质十分有效,试验表明,将紫外光辐射与臭氧相结合,能使氧化速度提高10~104倍。
光催化臭氧化(O3/UV)技术现主要应用于如下方面:
A、半导体产业: 对TOC去除
B、TFT-LCD 产业: TOC, 酸性物质的去除
C、电镀产业: 毁坏氰化物 , EDTA
D、采矿:去除氰化物
E、木材加工: 去酚
F、石油化学制品 : 去除BTEX(苯、甲苯、乙苯和二甲笨)和汽油添加剂MTBE
G、核能: 去除TOC
H、炼油厂: 氯乙烯
I、易爆的制造业: TNT
J、药品制造业 : 去除TOC、内毒素
液相臭氧在紫外光的辐射下会分解产生活泼的次生氧化剂OH自由基。OH自由基与水中的溶解物进行反应。其中对自由基产生的机理存在两种解释,即:
O3+hv—–O+O2
O+H2O—-2OH
和O3+H2O+hv—-H2O2+O2
H2O2+hv—-2OH
现在还不能确定哪种机理正确或在产生OH过程中占主导地位,但它们都得出1mol臭氧在紫外光辐射下产生2molOH这一结论。
臭氧-紫外(O3/UV)联合作用机理为:
a) 紫外光辐射下,有机物的键发生断裂而直接分解;
b) 紫外光辐射下,水中臭氧分解成更强氧化能力的自由基,增加了对水中有机物的氧化能力和速度;
c) 紫外光辐射使有机物外层电子处于激发态,提高分子的自由能,使有机物分子活化,从而易于在氧化剂臭氧的作用下氧化分解。
3、 各种方法对自来水中大肠杆菌灭菌率比较

在自来水各项基本指标都相同的条件下,用O3、UV、O3/UV分别做大肠杆菌杀菌率对比试验,结果如图一所示

 

由以上试验可知,臭氧-紫外(O3/UV)联合作用效果不仅超过单独臭氧和单独紫外线的作用,甚至超过两者的叠加。在实际应用中,在游泳池中采用臭氧-紫外比单一使用臭氧减少臭氧投加量50%以上。同时,由于紫外光辐射的作用,水中的臭氧多数转化为自由基OH,并且紫外线对水中剩余的臭氧有分解和破坏作用,通过测试水中臭氧剩余浓度可知,经过紫外光辐射后水中剩余臭氧的浓度低于0.05mg/l,这样使水中挥发到空气中的臭氧浓度低于排放标准成为可能。同时可以不用活性炭罐对水中臭氧进行吸附,减少了工程成本。再有,紫外光辐射与臭氧相结合,能使氧化速度提高10~104倍,因此,大大缩小了臭氧反应罐的体积,甚至不用反应罐,而利用道的长度来增加臭氧与水的混合时间。
4、光催化臭氧化(O3/UV)技术在游泳池中的应用特点

UV-O3系统的高效氧化过程其优点可归纳如下:
●环保:无二次污染,除游泳池异味,免发质损伤,消除池水对人眼睛和皮肤的刺激。
●节水:反洗水减少50%,总节水20%。
●省药:池水混凝剂和氯制剂可减少80%
●高效:杀菌能力和杀菌速度大幅提高,避免使用活性炭罐的麻烦及卫生方面的问题。
●便捷:需用厂房面积小,安装、操作容易,维护也较简单。
●自然:可以有效去除氯气味,空气清新,水质洁净,蔚蓝透明
●成本低:,是单一使用臭氧成本的1/2。
5、游泳池光催化臭氧化系统选择与设计的主要考虑因素
a) 主要设计依据
水质评价应按GB9667-1996《游泳场所卫生标准》要求进行,设计主要应依据CECS14-2002 《游泳池和水上游乐池给水排水设计规范》,人员负荷设计等可参考DIN19643《游泳池与浴池水的处理》等。过滤器应符合《JB2932水处理环保设备制造技术条件》等。
b) 水处理循环方式、循环周期和流量
池水净化处理循环方式有顺流、逆流、混合流三种,规范池、比赛池应采用混合流净化处理循环方式。
循环周期:Tx=24/n(h),n为每天循环次数,公共游泳池一般为4-6次。
循环流量:qx=αf·V/Tx其中Tx循环周期,αf为道、净水设备和补给水箱的水容积系数,一般按1.1-1.2选取,V为游泳池的水容积。
c) 臭氧投加量的确定:
以标准游泳池(21mX50m,水深1.8m)为例:标准池水量1890m3
采用分流量投加
臭氧投加量:0.6-1.0mg/L,如以标准泳池为例,qx=1.1·1890/6=340吨/小时
如采用分流量投加,一般分流量为全流量的25%,上述例则为340/4=85 m3/h。
单一臭氧投加量:D=qx·投加量,,投加量0.8mg/l,则D= 68克/小时。
考虑到紫外光催化的作用,实际的臭氧投加量为68X50%=34克/小时(可选择40g/h的臭氧发生器一台即可)。
注:臭氧投加量大小的选择必须考虑混合系统的混合效率后才能决定,如果混合系统混合效率低,就要相应采用高数值的臭氧投加量。效率高可以低数值臭氧投加量。
d) 臭氧投加方式:

标准要求负压投加,一般采用射流或气液混合吸入法, 实践表明气液混合混合效率可高达80%左右,因此本方案采用气液混合进行臭氧与水的混合。
e) 紫外线的选择
紫外线消毒设备可根据分流量水量略放大一些,选取标准设备即可。此例可选用100t/h的紫外线设备,功率700W。
6、 工艺流程图

 

北京同林高科科技有限责任公司多年从事臭氧技术开发和研究,成功为多个泳池完成消毒方案。得到非常好的效果。
结论:

1、臭氧—光催化系统对游泳池水的消毒效率大于单独使用臭氧或紫外线,具有广泛的推广价值。
2、臭氧—光催化系统降低了游泳池的消毒成本,消毒系统体积小,安装、操作、维护简单方便。
3、臭氧与紫外线相结合的技术具有良好的研究开发价值和广阔的应用前景