用于水產養(yǎng)殖的射流臭氧殺菌消毒設備介紹

邵玉才 張曉青 趙建寶 周 勇

1 開發(fā)背景

臭氧是世界上公認的無二次污染的強氧化劑，能夠氧化大部分的有機物和無機物，其氧化還原后的產物為氧氣。利用臭氧可快速消滅細菌、病毒及藍藻，其殺菌能力比氯高一倍，速度比氯快600～3 000倍，殺菌效果是氯酸的5～1 000倍。臭氧對酵母和寄生生物也有活性，臭氧還可以氧化、分解水中的污染物，在水處理中對褪色，殺菌，去除酚、氰、鐵、錳和降低化學需氧量（COD）、生化需氧量（BOD）等都具有顯著的效果。人類最初將臭氧用于自來水廠的殺菌凈化，后來用于空氣凈化，醫(yī)藥無菌消毒，純凈水、礦泉水處理，水產養(yǎng)殖等。國內關于臭氧的研究相對較晚，而養(yǎng)殖戶對于臭氧在水產養(yǎng)殖中的應用更是知之甚少，加之目前用于水產養(yǎng)殖方面的臭氧消毒設備設計不完善，達不到預期效果，使養(yǎng)殖戶對臭氧殺菌消毒的效果產生懷疑。另外，現(xiàn)有養(yǎng)殖用臭氧設備主要用于工廠化水產養(yǎng)殖，裝置結構復雜、造價高、運行成本大，一般養(yǎng)殖用戶無法承受。目前市場上用于普通水產養(yǎng)殖的臭氧水處理裝置主要是噴水式臭氧消毒增氧機，然而，這種設備性能不穩(wěn)定，無法長時間工作。這是因為當臭氧發(fā)生器長時間工作時產生的高溫高熱會引起電子器件的損壞，所以需要在臭氧發(fā)生器上另裝散熱裝置，這樣就會提高設備的成本和故障率，使之難以推廣。

綜上所述，開發(fā)一種新型的臭氧殺菌消毒設備對于水產養(yǎng)殖、水質凈化、無公害綠色食品的生產具有十分重要的意義。

2 射流式殺菌消毒設備的工藝流程

射流式殺菌消毒設備的工藝流程為：空氣→臭氧發(fā)生器→臭氧→氣體射流→葉輪混合→臭氧水射流。

工作時射流管內產生的真空度達到一定的負壓，由于負壓的作用而吸入臭氧發(fā)生器中制備的臭氧，在射流管內形成低壓氣體射流射向葉輪；同時，由于葉輪的高速旋轉而引射了另一種水射流，兩種射流幾乎同時形成，并在葉輪的攪動下充分混合，形成含有大量微孔氣泡的混合氣液流體射流射向水中。因為射流裝置內負壓氣流的產生，臭氧發(fā)生器在負壓氣流作用下不斷吸入空氣，從而達到為臭氧發(fā)生器制備臭氧提供新鮮空氣及風冷降溫的目的。

3 臭氧發(fā)生器工作原理

臭氧發(fā)生器是制備或生產臭氧的生產裝置，其工作原理就是生產臭氧的機理和方法，常用的方法是：電暈放電法（DBD）、核輻射法、紫外線照射法、等離子射流法和電解法等。

圖 1為臭氧發(fā)生器原理結構圖，其工作原理如下：

圖1 臭氧發(fā)生器原理結構圖

（1）臭氧發(fā)生器由外圍電路及充滿氣體的間隙和一塊介電體分開的兩塊金屬電極組成。

（2）AC采用≥1kHz高頻電流，結合微間隙放電技術，可以有效提高臭氧生成的效率和運行可靠性。

（3）介電材料選用石英管，具有介電常數(shù)高、壁厚均勻、圓度好、耐高溫、耐潮濕等特點。

（4）在對電極施加高頻高壓電能的同時空氣流經放電區(qū)產生臭氧。

（5）在臭氧產生過程中大部分電能將會以熱的形式消散，小部分轉化為光、聲、化學能等。

4 射流裝置的工作原理

4.1 射流裝置的主要功能

射流裝置和臭氧發(fā)生器為射流式臭氧殺菌消毒設備的核心組件，射流裝置的設計需解決三大問題：

（1）產生負壓形成氣流。其目的：一是能夠快速有效地吸入臭氧發(fā)生器中產生的臭氧，形成氣體射流。二是為臭氧發(fā)生器提供新鮮空氣及風冷降溫。因為在臭氧形成過程中空氣中的氧氣被不斷消耗，必須及時地補充新鮮空氣；而臭氧產生過程中電能大部分轉化為熱量，形成高溫高熱影響了電子器件的使用壽命，因此，必須進行降溫才能保證設備在復雜的工況條件下長期正常運行。

（2）氣液混合。將從臭氧發(fā)生器吸入的臭氧和水很好地混合形成臭氧水。

（3）形成臭氧水射流。將臭氧水通過射流的方式送入水中深處。

4.2 射流裝置的結構原理（見圖 2）

圖2 射流裝置結構圖

該裝置主要由葉輪、空心軸、射流管、軸承組件組成。葉輪在圖 2所示的旋轉方向下高速旋轉，在葉輪兩端端部同時形成真空低壓區(qū)，因為空氣流動阻力遠遠小于水，因此，在這里的低壓區(qū)首先由射流管里的空氣進行補充，從而形成射流管內的兩種氣體射流：一種在射流管和空心軸之間形成，另一種在空心軸內形成。在氣體射流形成的同時，葉輪后部徑向也由于負壓區(qū)域的產生而形成水流，氣流和水流經葉輪的高速攪拌混合成臭氧水沿射流管的軸向射出。射流裝置的工作原理可用伯努利方程和連續(xù)方程來表達。

連續(xù)方程：V·A=常數(shù)

式中：V——流體流速；

g——重力加速度；

P——流體壓力；

γ——流體比重；

z——流體勢能；

A——流過截面。

5 射流式臭氧殺菌消毒設備的結構原理

5.1 射流式臭氧殺菌消毒設備主機結構原理

圖 3為射流式臭氧殺菌消毒設備主機結構圖，其原理如下：

圖3 射流式臭氧殺菌消毒設備主機結構圖

（1）在射流管內安裝臭氧發(fā)生器，射流管和電機法蘭連接（這里電機用2級電機，轉速2 800 r/min）。

（2）空心軸和電機軸連接，其作用：一是作為傳動軸將電機扭矩傳遞給葉輪（T=9 550 000 P/n）；二是引射氣體射流，射流裝置內共有兩股氣體射流產生，其中一股便是在空心軸內產生的。

（3）射流管上的進氣孔為空氣進入口，空氣由此進入射流管內的臭氧發(fā)生器，進而形成氣體射流。進氣孔的大小、布置方式等設計是否合理將會影響到射流效果好壞、氣流漩渦是否產生、設備運行的噪聲大小、電機功率的無用功損耗等各項設備性能，其設計方案參照氣體動力學或用計算機模擬，也可以用實驗方法獲得。

（4）進水孔的作用是在工作時為軸承提供潤滑（軸承內圈開有數(shù)條潤滑槽），其原理是當設備工作時，射流管內形成空氣負壓而無水存在，通過進水孔向射流管內溢水，并在氣體射流的作用下形成霧化而潤滑軸承，孔的大小及位置需根據射流管的負壓狀況及射流狀態(tài)確定?？滋髣t進水太多，影響氣流的產生；而孔太小則影響潤滑效果，損壞軸承。因此，在滿足潤滑的條件下，設計時孔應盡量小。

（5）葉輪是產生射流和氣液混合的關鍵部件，設計的好壞直接影響到設備整體性能，其設計可以參考相關資料。

5.2 射流式臭氧殺菌消毒設備整機結構（見圖4）

圖4 射流式臭氧殺菌消毒設備整機結構圖

5.2.1 各部件功能

防雨罩的作用是保護電機及臭氧發(fā)生器不會讓雨水淋濕；調節(jié)桿用來調節(jié)葉輪在水中的深度及射流角度；浮體使設備浮于水上；主機為設備功能實現(xiàn)機構；過濾網用于過濾雜物及保護葉輪和安全防護。

5.2.2 設備使用

（1）該設備依靠兩只浮體漂浮于水上，并固定浮體兩端以確保工作時設備不會移動。

（2）當需要臭氧殺菌消毒時，先開電機后開臭氧發(fā)生器；而只開電機不開臭氧發(fā)生器時，可以用于漁塘增氧，相當于增氧機的功能。

（3）水體較淺時，應通過調節(jié)桿減小射流角度，以防止射流沖起水底淤泥。當葉輪上方出現(xiàn)水體漩渦時，則表明氣液混合中的部分氣體是從葉輪上方的水面而不是從射流管內獲得，此時需通過調節(jié)桿加大射流角度杜絕漩渦的形成。

6 應用前景

隨著經濟的發(fā)展、城市化進程的推進，水體的污染日益加劇，飼料過剩、藥物殘留等不僅惡化了水產養(yǎng)殖水體生態(tài)環(huán)境，導致養(yǎng)殖病害的危害程度日趨嚴重；同時還威脅到人類的的食品安全、健康生存。因此，結構簡單、運行穩(wěn)定、性能優(yōu)異的臭氧殺菌消毒設備的開發(fā)及推廣，必將在水產養(yǎng)殖及水處理領域取得良好的經濟效益，具有十分廣闊的市場前景。

[1]張也影．流體力學[M]．北京：高等教育出版社，1992.

[2]許一飛，許炳華．噴灌機械原理、設計、應用[M]．北京：中國農業(yè)機械出版社，1989.

[3]童秉綱，孔祥言，等．氣體動力學[M]．北京：高等教育出版社，1990.

[4]鄧曼適.臭氧消毒技術原理及其應用前景分析[J].華南建設學院西報，2000,8（3）:54-58.

[5]朱孟府，王海燕，宿紅波，游秀東，王世昌.臭氧發(fā)生器的結構設計及性能評價[J].中國醫(yī)學裝備，2008,5（1）：18-20.