光催化臭氧化技術(shù)在泳池消毒中的應(yīng)用
1、引言
隨著我國的經(jīng)濟(jì)不斷發(fā)展，人民對文化和體育活動的要求越來越高，游泳場館及戲水娛樂場所在我國必將越來越普及。游泳池是運(yùn)動員進(jìn)行訓(xùn)練比賽及人們鍛煉身體、娛樂的公共場所，在游泳池的建設(shè)和改造中，池水的循環(huán)處理與消毒是必不可少的環(huán)節(jié)，因?yàn)樵谒Y源相當(dāng)緊張的21世紀(jì)，泳池采用循環(huán)凈化給水系統(tǒng)已是共識，而消毒若達(dá)不到一定的要求，泳池就很有可能成為疾病或嚴(yán)重傳染病的擴(kuò)散場所。
針對游泳場所衛(wèi)生問題，衛(wèi)生部于1996年修訂頒布了國家標(biāo)準(zhǔn)GB9667《游泳場所衛(wèi)生標(biāo)準(zhǔn)》，其中對余氯、渾濁度、尿素、大腸菌群數(shù)等指標(biāo)進(jìn)行了規(guī)定，具體例舉如下：
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該標(biāo)準(zhǔn)頒布后，原建設(shè)部行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)CECS14:89《游泳池給水排水設(shè)計(jì)規(guī)范》的部分條文和內(nèi)容已不能滿足社會發(fā)展和標(biāo)準(zhǔn)的要求。鑒于此，建設(shè)部建筑設(shè)計(jì)院、國家體育總局游泳運(yùn)動管理中心、中國游泳運(yùn)動協(xié)會等三家單位聯(lián)合主編了新的CECS14:2002《游泳池和水上游樂池給水排水設(shè)計(jì)規(guī)范》。在該標(biāo)準(zhǔn)池水消毒中，首先引出了臭氧消毒方案，在其條文說明中是這樣描述的：
臭氧用于游泳池水的消毒，歐美國家已經(jīng)普遍采用。我國九十年代開始采用。由于具有很好的消毒和改善池水水質(zhì)的效果。近些年來開始大量應(yīng)用于游泳池水的消毒。它的優(yōu)缺點(diǎn)如下：
⑴臭氧消毒的優(yōu)點(diǎn)：
①臭氧為強(qiáng)氧化劑、殺菌能力強(qiáng)。不僅能殺滅細(xì)菌、大腸桿菌，還能殺死病毒。
②臭氧能將水中的有機(jī)物氧化為無機(jī)物或易被吸附的其它中間物質(zhì)，經(jīng)后續(xù)的活性炭過濾器予以吸附而去除。從而使池水清澈發(fā)藍(lán)、透明度好、池水無刺激性、無異味，對眼、皮膚和頭發(fā)無傷害，并能使游泳池周圍的空氣清新和游泳者有舒適感。
③臭氧是以空氣為原料，通過無聲放電方法制備臭氧，操作方便。
④臭氧具有增強(qiáng)絮凝能力的功能，不會導(dǎo)致池水中有害物質(zhì)和含鹽量的增加。
⑤采用活性炭濾料吸附池水中多余的臭氧和其他物質(zhì)，保證了安全，且提高了池水的潔凈度。
⑥臭氧氧化池水中的有機(jī)物，不產(chǎn)生三氯甲烷（THM）（目前游泳池池水的此項(xiàng)水質(zhì)指標(biāo)大都嚴(yán)重超標(biāo)）。并能限制有機(jī)物和無機(jī)物的濃度。
⑦設(shè)有保護(hù)系統(tǒng)和多余臭氧氣體的收集消化裝置，安全可靠。
⑵臭氧消毒的缺點(diǎn)：
①設(shè)備投資大（高于普通消毒系統(tǒng)的70~80%）。
②機(jī)房面積大（約為普通消毒系統(tǒng)的2倍）。
③相對氯，臭氧無持續(xù)消毒功能。
④臭氧不穩(wěn)定，且在水中不容易溶解，故要在水處理系統(tǒng)內(nèi)部產(chǎn)生和應(yīng)用。
2、光催化臭氧化（O3/UV）技術(shù)
近幾年來，臭氧由于其優(yōu)良的殺菌消毒特性以及發(fā)生成本的不斷下降，因此受到越來越多的水處理廠家的重視，使用臭氧作為殺菌消毒的單位也越來越多。然而，在游泳池中單一使用臭氧處理中還存在一定的缺陷：
1)臭氧投加量大（臭氧投加量為0.6~1.0mg/l），成本相對較高；
2)因?yàn)槌粞跖c水接觸反應(yīng)時間應(yīng)滿足CT≥1.6(C－臭氧投加量mg/l，T－臭氧與水接觸反應(yīng)所需要的時間min),為保證臭氧與水的接觸時間，反應(yīng)罐往往做的體積較大，成本也較高；
3)為確保池水水面上的空氣中臭氧濃度含量不超過0.10mg/l，要用活性炭吸附罐來分解水中剩余的臭氧，對于標(biāo)準(zhǔn)型游泳池來說，活性炭罐體積會很龐大，不僅增加了工程成本，后期維護(hù)費(fèi)用也很高。
光催化臭氧化（O3/UV）是將臭氧與紫外光輻射（波長在180-300nm之間）相結(jié)合的一種高級氧化過程，它始于20世紀(jì)70年代，主要用于解決有毒害且無法生物降解物質(zhì)的廢水處理問題。80年代以來，研究范圍擴(kuò)大到飲用水的深度處理。這種方法由Garrison等人在治理含復(fù)雜鐵氰鹽廢水中開發(fā)出來，他們發(fā)現(xiàn)該法對處理難氧化的物質(zhì)十分有效，試驗(yàn)表明，將紫外光輻射與臭氧相結(jié)合，能使氧化速度提高10～104倍。
光催化臭氧化（O3/UV）技術(shù)現(xiàn)主要應(yīng)用于如下方面：
A、半導(dǎo)體產(chǎn)業(yè):對TOC去除
B、TFT-LCD產(chǎn)業(yè):TOC,酸性物質(zhì)的去除
C、電鍍產(chǎn)業(yè):毀壞氰化物,EDTA
D、采礦:去除氰化物
E、木材加工:去酚
F、石油化學(xué)制品:去除BTEX（苯、甲苯、乙苯和二甲笨）和汽油添加劑MTBE
G、核能:去除TOC
H、煉油廠:氯乙烯
I、易爆的制造業(yè):TNT
J、藥品制造業(yè):去除TOC、內(nèi)毒素
液相臭氧在紫外光的輻射下會分解產(chǎn)生活潑的次生氧化劑OH自由基。OH自由基與水中的溶解物進(jìn)行反應(yīng)。其中對自由基產(chǎn)生的機(jī)理存在兩種解釋，即：
O3+hv-----O+O2
O+H2O----2OH
和O3+H2O+hv----H2O2+O2
H2O2+hv----2OH
盡管現(xiàn)在還不能確定哪種機(jī)理正確或在產(chǎn)生OH過程中占主導(dǎo)地位，但它們都得出1mol臭氧在紫外光輻射下產(chǎn)生2molOH這一結(jié)論。
臭氧－紫外（O3/UV）聯(lián)合作用機(jī)理為：
a)紫外光輻射下，有機(jī)物的鍵發(fā)生斷裂而直接分解；
b)紫外光輻射下，水中臭氧分解成更強(qiáng)氧化能力的自由基，增加了對水中有機(jī)物的氧化能力和速度；
c)紫外光輻射使有機(jī)物外層電子處于激發(fā)態(tài)，提高分子的自由能，使有機(jī)物分子活化，從而易于在氧化劑臭氧的作用下氧化分解。
3、各種方法對自來水中大腸桿菌滅菌率比較
在自來水各項(xiàng)基本指標(biāo)都相同的條件下，用O3、UV、O3/UV分別做大腸桿菌殺菌率對比試驗(yàn)，結(jié)果如圖一所示
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由以上試驗(yàn)可知，臭氧－紫外（O3/UV）聯(lián)合作用效果不僅超過單獨(dú)臭氧和單獨(dú)紫外線的作用，甚至超過兩者的疊加。在實(shí)際應(yīng)用中，在游泳池中采用臭氧－紫外法會比單一使用臭氧減少臭氧投加量50％以上。同時，由于紫外光輻射的作用，水中的臭氧多數(shù)轉(zhuǎn)化為自由基OH，并且紫外線對水中剩余的臭氧有分解和破壞作用，通過測試水中臭氧剩余濃度可知，經(jīng)過紫外光輻射后水中剩余臭氧的濃度低于0.05mg/l，這樣使水中揮發(fā)到空氣中的臭氧濃度低于國家安全排放標(biāo)準(zhǔn)成為可能。同時可以不用活性炭罐對水中臭氧進(jìn)行吸附，減少了工程成本。再有，紫外光輻射與臭氧相結(jié)合，能使氧化速度提高10～104倍，因此，大大縮小了臭氧反應(yīng)罐的體積，甚至不用反應(yīng)罐，而利用管道的長度來增加臭氧與水的混合時間。
4、光催化臭氧化（O3/UV）技術(shù)在游泳池中的應(yīng)用特點(diǎn)
UV-O3系統(tǒng)的高效氧化過程其優(yōu)點(diǎn)可歸納如下：
●環(huán)保：無二次污染，除游泳池異味，免發(fā)質(zhì)損傷，消除池水對人眼睛和皮膚的刺激。
●節(jié)水：反洗水減少50%，總節(jié)水20%。
●省藥：池水混凝劑和氯制劑可減少80%
●高效：殺菌能力和殺菌速度大幅提高，避免使用活性炭罐的麻煩及衛(wèi)生方面的問題。
●便捷：需用廠房面積小，安裝、操作容易，維護(hù)也較簡單。
●自然：可以有效去除氯氣味，空氣清新，水質(zhì)潔凈，蔚藍(lán)透明
●成本低：，是單一使用臭氧成本的1/2。
5、游泳池光催化臭氧化系統(tǒng)選擇與設(shè)計(jì)的主要考慮因素
a)主要設(shè)計(jì)依據(jù)
水質(zhì)評價(jià)應(yīng)按GB9667-1996《游泳場所衛(wèi)生標(biāo)準(zhǔn)》要求進(jìn)行，設(shè)計(jì)主要應(yīng)依據(jù)CECS14-2002《游泳池和水上游樂池給水排水設(shè)計(jì)規(guī)范》，人員負(fù)荷設(shè)計(jì)等可參考DIN19643《游泳池與浴池水的處理》等。過濾器應(yīng)符合《JB2932水處理環(huán)保設(shè)備制造技術(shù)條件》等。
b)水處理循環(huán)方式、循環(huán)周期和流量
池水凈化處理循環(huán)方式有順流、逆流、混合流三種，規(guī)范池、比賽池應(yīng)采用混合流凈化處理循環(huán)方式。
循環(huán)周期：Tx=24/n（h），n為每天循環(huán)次數(shù)，公共游泳池一般為4-6次。
循環(huán)流量：qx=αf·V/Tx其中Tx循環(huán)周期，αf為管道、凈水設(shè)備和補(bǔ)給水箱的水容積系數(shù)，一般按1.1-1.2選取，V為游泳池的水容積。
c)臭氧投加量的確定：
以標(biāo)準(zhǔn)游泳池（21mX50m,水深1.8m）為例：標(biāo)準(zhǔn)池水量1890m3
采用分流量投加
臭氧投加量：0.6-1.0mg/L，
如以標(biāo)準(zhǔn)泳池為例，qx=1.1·1890/6=340噸/小時
如采用分流量投加，一般分流量為全流量的25%，上述例則為340/4=85m3/h。
單一臭氧投加量：D=qx·投加量，,投加量0.8mg/l，則D=68克/小時。
考慮到紫外光催化的作用，實(shí)際的臭氧投加量為68X50％＝34克/小時（可選擇40g/h的臭氧發(fā)生器一臺即可）。
注：臭氧投加量大小的選擇必須考慮混合系統(tǒng)的混合效率后才能決定，如果混合系統(tǒng)混合效率低，就要相應(yīng)采用高數(shù)值的臭氧投加量。效率高可以低數(shù)值臭氧投加量。
d)臭氧投加方式：
標(biāo)準(zhǔn)要求負(fù)壓投加，一般采用射流或氣液混合泵吸入法,實(shí)踐表明氣液混合泵混合效率可高達(dá)80％左右，因此本方案采用氣液混合泵進(jìn)行臭氧與水的混合。
e)紫外線的選擇
紫外線消毒設(shè)備可根據(jù)分流量水量略放大一些，選取標(biāo)準(zhǔn)設(shè)備即可。此例可選用100t/h的紫外線設(shè)備，功率700W。
6、工藝流程圖
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結(jié)論：
1、臭氧—光催化系統(tǒng)對游泳池水的消毒效率大于單獨(dú)使用臭氧或紫外線,具有廣泛的推廣價(jià)值。
2、臭氧—光催化系統(tǒng)降低了游泳池的消毒成本，消毒系統(tǒng)體積小，安裝、操作、維護(hù)簡單方便。
3、臭氧與紫外線相結(jié)合的技術(shù)具有良好的研究開發(fā)價(jià)值和廣闊的應(yīng)用前景
參考文獻(xiàn)：
1、《Handbook of Ozone Technologyand Application》R.G.Rice
2、《水與廢水的臭氧處理》徐新華、趙偉榮
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