水產(chǎn)養(yǎng)殖中多層式臭氧混合裝置對臭氧溶解效率影響的研究
2012年，我國水產(chǎn)品總量達(dá)到5906萬t，其中養(yǎng)殖產(chǎn)量4305萬t，已經(jīng)連續(xù)24年居世界第1位[1]。工廠化循環(huán)水養(yǎng)殖模式作為工業(yè)化水平很高的養(yǎng)殖模式越來越得到重視和發(fā)展。該模式是以水產(chǎn)養(yǎng)殖用水凈化后循環(huán)利用為核心特征，臭氧在工廠化循環(huán)水產(chǎn)養(yǎng)殖水處理系統(tǒng)[2-6]中已經(jīng)被較為廣泛地應(yīng)用。國外關(guān)于養(yǎng)殖水體臭氧消毒的研究早已展開，其中Steven[7]曾提出了利用臭氧對循環(huán)水養(yǎng)殖水體消毒的方法，主要是利用一種增氧的裝置要要Speece錐(國內(nèi)稱溶氧錐或曝氣錐)來混合臭氧和水，得到高濃度(大約0.1~0.2mg/L)的臭氧水溶液；消毒使用后的高濃度臭氧水對生物有毒性，研究人員又設(shè)計(jì)了紫外線裝置來消除水中的剩余臭氧，使?jié)舛冉档偷?.01mg/L。關(guān)于混合裝置Speece-錐的尺寸與結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，Daniel等[8]為Speece-錐建立了動(dòng)態(tài)模型，方便設(shè)計(jì)者進(jìn)行初始尺寸設(shè)計(jì)和很優(yōu)化選擇。
國內(nèi)在養(yǎng)殖水體中使用臭氧消毒的研究很少見，在實(shí)際生產(chǎn)中的臭氧混合裝置大部分是鼓泡塔式接觸反應(yīng)器[9]，這種鼓泡塔大部分高3m以上，不適于移動(dòng)和日常的維護(hù)操作。國內(nèi)也有關(guān)于臭氧消毒的研究，其混合方式摒棄了這種笨重的反應(yīng)器，取而代之的是輕巧的射流混合[10]或葉片泵攪動(dòng)混合方式，取得了較好的效果，但設(shè)備都是購買自國外成熟的產(chǎn)品，沒有自己的設(shè)計(jì)方案。填料塔[11-14]是化工企業(yè)中很常用的氣、液傳質(zhì)設(shè)備之一，在塔內(nèi)設(shè)置填料使氣液兩相能夠達(dá)到良好傳質(zhì)所需的接觸狀況。近年來，人們對填料塔作了大量的實(shí)質(zhì)性研究，并取得了突破性進(jìn)展，主要表現(xiàn)在一些新型高效塔內(nèi)件和塔填料的問世，并取得了很好的經(jīng)濟(jì)效。本研究主要通過按氣液混合理論設(shè)計(jì)的一種多層填料塔開展對臭氧進(jìn)行混合溶解的研究，根據(jù)在不同填料的種類及填料高度的條件下，調(diào)節(jié)氣液比進(jìn)行試驗(yàn)，得出臭氧在水中溶解效率較高的條件，提高臭氧的溶解效率，研究探索一種水產(chǎn)養(yǎng)殖用的新型臭氧混合方法，以促進(jìn)臭氧能夠更有效和經(jīng)濟(jì)地應(yīng)用于工業(yè)化水產(chǎn)養(yǎng)殖產(chǎn)業(yè)。
1材料與方法
1.1試驗(yàn)裝置與系統(tǒng)
圖1是本試驗(yàn)裝置結(jié)構(gòu)與系統(tǒng)示意圖。
如圖1所示，臭氧混合裝置呈多層塔狀，塔端是進(jìn)水層，底部為出水底座，中間為多層混合層，各層之間設(shè)有布水/導(dǎo)氣支撐板，混合裝置直徑為200mm，高度分別有200mm和300mm兩種規(guī)格。試驗(yàn)系統(tǒng)主要由臭氧混合裝置、純氧源
臭氧發(fā)生器、轉(zhuǎn)子流量計(jì)、液體流量計(jì)、球閥、蓄水池和1臺潛水泵組成。裝置工作方式：水由潛水泵到進(jìn)水層，由上至下逐層下落，通過混合層中設(shè)置的填料使臭氧與水充分混合，將臭氧轉(zhuǎn)移到水體中，很后下落至出水底座，由出水口排出。為保證各層間水與臭氧的充分混合，各層間均設(shè)有布水/導(dǎo)氣支撐板，其上有42個(gè)直徑為5mm的布水孔，開孔率為13%，其中部的通氣管直徑為20mm，高度為60mm。
1.2試驗(yàn)材料
試驗(yàn)用水是溫度為20℃的自來水，純氧作為氣源，填料分別為多面空心球、鮑爾環(huán)和改性懸浮生化填料。3種填料的具體性能參數(shù)如表1所示。
1.3試驗(yàn)設(shè)計(jì)
臭氧混合系統(tǒng)中，混合層中分別選用鮑爾環(huán)、改性懸浮生化填料與多面空心球3種典型的填料。為了減弱單層填料過高而產(chǎn)生的"壁流效應(yīng)"和"放大效應(yīng)"，第1組將試驗(yàn)填料的高度分為3個(gè)層次：0.3m(1層)、0.5m(2層)、0.7m(3層)，調(diào)節(jié)水流量為4、5、6m3/h，氣流量為0.1、0.2、0.3、0.4、0.5m3/h等5個(gè)梯度進(jìn)行試驗(yàn)。第2組，氣液比一定，即水流量為6m3/h、氣流量為0.1m3/h時(shí)，改變填料高度，研究鮑爾環(huán)作為填料時(shí)，對臭氧混合溶解效率的影響。
1.4測定方法及數(shù)據(jù)處理
試驗(yàn)主要測量臭氧發(fā)生器產(chǎn)生臭氧的濃度和水中溶解的臭氧濃度。臭氧發(fā)生器產(chǎn)生臭氧化氣體中臭氧濃度的測量使用碘量法[15-16]，測量時(shí)一般采用碘化鉀(KI)溶液(20%)，水中溶解的臭氧與碘化鉀反應(yīng)游離出碘，等該反應(yīng)結(jié)束時(shí)應(yīng)首先對該溶液酸化，靜置5min；然后用已經(jīng)標(biāo)定好的硫代硫酸鈉(Na2S2O3)標(biāo)準(zhǔn)溶液滴定，該滴定采用電位滴定儀對游離碘進(jìn)行滴定，滴定結(jié)束后，在電腦上讀出所用硫代硫酸鈉(Na2S2O3)標(biāo)準(zhǔn)溶液體積，很后根據(jù)硫代硫酸鈉標(biāo)準(zhǔn)溶液的消耗量計(jì)算出臭氧濃度。
臭氧濃度按如下公式計(jì)算：
φ(O3)=(VNa×C×24000)/V
式中，φ(O3)為臭氧濃度(mg/L)；VNa為硫代硫酸鈉標(biāo)準(zhǔn)溶液用量(mL)；C為硫代硫酸鈉標(biāo)準(zhǔn)溶液中硫代硫酸鈉的物質(zhì)的量濃度(mol/L)；V為臭氧化氣體取樣體積(mL)。
水中溶解的臭氧濃度采用美國HACH哈希臭氧試劑，并且使用DR2700分光光度計(jì)進(jìn)行檢測。溶解氧和溫度等參數(shù)由YSI(美國賽維儀器
公司)數(shù)水質(zhì)分析儀測定。根據(jù)以上測定出的臭氧發(fā)生器所產(chǎn)生的臭氧化氣體中臭氧濃度和水中溶解臭氧的濃度，再根據(jù)氣體流量和水流量，進(jìn)一步計(jì)算出臭氧發(fā)生器每分鐘所產(chǎn)臭氧的質(zhì)量以及每分鐘水中所溶解臭氧的質(zhì)量，從而計(jì)算出臭氧的溶解效率。試驗(yàn)數(shù)據(jù)采用Excel進(jìn)行處理。
結(jié)論與討論
本研究結(jié)果表明，本試驗(yàn)裝置在一定范圍內(nèi)增加填料高度、降低氣液比，有利于提高臭氧的溶解效率，這與Farines等[22]采用反應(yīng)罐進(jìn)行臭氧溶于水的研究結(jié)果相符，其研究結(jié)果表明，氣液比為0.167時(shí)，水溶液臭氧質(zhì)量濃度達(dá)到5mg/L，臭氧的溶解效率僅達(dá)到30%；氣液比為1時(shí)，水溶液臭氧質(zhì)量濃度達(dá)到19mg/L，臭氧的溶解效率僅達(dá)到19%。Michel等[23]對臭氧溶解效率研究結(jié)果也認(rèn)為，采用射流器與噴嘴相結(jié)合，在水流量為0.9m/s時(shí)，傳質(zhì)效率達(dá)到了93%左右，在臭氧質(zhì)量濃度為128g/m3、氣液比為0.038時(shí)，水溶液臭氧質(zhì)量濃度達(dá)到4.8mg/L，其溶解效率到達(dá)75%。
使用該新型填料塔選用鮑爾環(huán)作為填料，臭氧的混合效果很佳。本試驗(yàn)采用直徑為25mm的鮑爾環(huán)作為填料，當(dāng)填料高度為700mm、水流量為6m3/h、臭氧化氣體流量為0.1m3/h時(shí)，即氣液比為1/60、水處理量為190m3/h?m2、水溶液中臭氧的質(zhì)量濃度為0.84mg/L時(shí)，臭氧的溶解效率很高可以達(dá)到78%左右。該結(jié)果為以后研發(fā)經(jīng)濟(jì)適用的臭氧混合裝置具有重要的參考價(jià)值。
本試驗(yàn)所設(shè)計(jì)的新型多層臭氧混合裝置將填料通過支撐板進(jìn)行分層，減弱了填料塔中普遍存在的"壁流效應(yīng)"和"放大效應(yīng)"。與鼓泡塔式接觸反應(yīng)器、氣液混合泵及射流器等臭氧混合與溶解設(shè)備相比，該裝置具有結(jié)構(gòu)簡單、體積小、易于安裝與維護(hù)、混合效率高和不易堵塞等特點(diǎn)，可為優(yōu)化循環(huán)水養(yǎng)殖水處理工藝與系統(tǒng)，提高臭氧混合效率和經(jīng)濟(jì)性提出一種確實(shí)可行的良好方式。但由于條件限制，本試驗(yàn)對系統(tǒng)排出的尾氣中殘余臭氧的含量與再利用未能進(jìn)行研究與分析。在以后研究臭氧溶解裝置時(shí)，還可以考慮將該裝置與其他臭氧溶解設(shè)備組合在一起以進(jìn)一步研究。
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