紫外線臭氧組合工藝的應(yīng)用研究

朱　峰江興龍*曾祥波（1.集美大學(xué)水產(chǎn)學(xué)院　福建廈門(mén)　361021）（2.鰻鱺現(xiàn)代產(chǎn)業(yè)技術(shù)教育部工程研究中心　福建廈門(mén)　361021）

紫外線臭氧組合工藝的應(yīng)用研究

朱峰1,2江興龍1,2*曾祥波1,2
（1.集美大學(xué)水產(chǎn)學(xué)院福建廈門(mén)361021）
（2.鰻鱺現(xiàn)代產(chǎn)業(yè)技術(shù)教育部工程研究中心福建廈門(mén)361021）

摘要：開(kāi)展了臭氧在養(yǎng)殖海水水體中的吸收和分解濃度變化、紫外線照射強(qiáng)度對(duì)海水臭氧濃度的分解速度影響及大黃魚(yú)幼苗對(duì)臭氧濃度的耐受性等研究。結(jié)果表明，單位立方米海水以4g/h的臭氧輸入量，約20min可使水體達(dá)到臭氧滅菌消毒濃度0.6mg/L；自然條件下，臭氧滅菌濃度0.6 mg/L在海水中完全降解至濃度為0耗時(shí)約120min；從節(jié)約能源和降低成本考慮，應(yīng)用紫外線降解海水養(yǎng)殖水體中臭氧濃度殘余，適宜的紫外線照射強(qiáng)度為160W/m3；在紫外線照射強(qiáng)度為160W/m3時(shí)，臭氧滅菌濃度0.6mg/L在海水中完全降解至濃度為0耗時(shí)15min，僅為自然狀態(tài)下臭氧降解所需耗時(shí)的八分之一，縮短了7倍的時(shí)間；大黃魚(yú)苗的海水臭氧安全濃度應(yīng)不高于0.16mg/L，臭氧濃度如果超過(guò)0.16mg/L，將導(dǎo)致大黃魚(yú)苗產(chǎn)生應(yīng)激甚至死亡。

關(guān)鍵詞：大黃魚(yú)臭氧紫外線海水養(yǎng)殖

*國(guó)家海洋局海洋經(jīng)濟(jì)創(chuàng)新發(fā)展區(qū)域示范專項(xiàng)，2012FJ03號(hào)；鰻鱺現(xiàn)代產(chǎn)業(yè)技術(shù)教育部工程研究中心開(kāi)放基金，ZK2013004號(hào)。江興龍，博士，教授，E-mail：xinlongjiang@jmu.edu.cn

臭氧是一種極強(qiáng)的氧化消毒劑，是我國(guó)目前主要?dú)⒕镜姆椒ㄖ弧＝陙?lái)，在水產(chǎn)養(yǎng)殖中應(yīng)用臭氧進(jìn)行深度氧化降解有機(jī)物、凈化水質(zhì)、殺毒滅菌等方面的研究有了新的進(jìn)展。宋奔奔等在大菱鲆半封閉循環(huán)水養(yǎng)殖系統(tǒng)中應(yīng)用了臭氧技術(shù)，成功將系統(tǒng)總懸浮物濃度控制在8mg/L以下，并且對(duì)氨氮去除率達(dá)到了18%，亞硝酸鹽去除率約8%，殺菌率約為94%。近些年來(lái)，各類病害嚴(yán)重限制了大黃魚(yú)養(yǎng)殖業(yè)的發(fā)展，特別是由于淀粉卵渦鞭蟲(chóng)和刺激隱核蟲(chóng)等寄生蟲(chóng)病害的頻頻爆發(fā)，使?jié)O民經(jīng)濟(jì)損失慘重。工廠化循環(huán)水養(yǎng)殖養(yǎng)殖密度大、水體利用率高，養(yǎng)殖過(guò)程中補(bǔ)充新水少，很大程度上降低了污染源。但由于系統(tǒng)是封閉的，一旦感染了病原體，病原體會(huì)在循環(huán)水系統(tǒng)中大量繁殖，造成大規(guī)模病害的發(fā)生。在循環(huán)水養(yǎng)殖系統(tǒng)中應(yīng)用臭氧技術(shù)進(jìn)行殺毒滅菌是一種較為理想的方法，但由于臭氧濃度太低會(huì)達(dá)不到理想處理效果，濃度過(guò)高不僅造成浪費(fèi)，而且對(duì)養(yǎng)殖對(duì)象甚至人體都會(huì)造成傷害，臭氧在水體中濃度達(dá)到0.6mg/L維持40~50min即可以氧化分解部分有機(jī)污染物、殺滅幾乎全部病原菌和大部分蟲(chóng)卵。水體中的臭氧在紫外線照射下可以分解產(chǎn)生羥基化合物，羥基化合物因其極強(qiáng)的氧化性，會(huì)迅速和水體中可被氧化的物質(zhì)發(fā)生反應(yīng)，從而達(dá)到去除水體中臭氧濃度殘余的目的。因此，為了探索在大黃魚(yú)工廠化循環(huán)水養(yǎng)殖中，應(yīng)用紫外線高效安全降解臭氧濃度殘余的技術(shù)，確保在海水養(yǎng)殖中應(yīng)用臭氧既達(dá)到殺毒滅菌的目的，又實(shí)現(xiàn)操作簡(jiǎn)便和養(yǎng)殖安全。本試驗(yàn)開(kāi)展了臭氧在養(yǎng)殖海水水體中的吸收和分解濃度變化、紫外線照射強(qiáng)度對(duì)海水臭氧濃度的分解速度影響及大黃魚(yú)幼苗對(duì)臭氧濃度的耐受性等研究。

1材料和方法

1.1試驗(yàn)材料

試驗(yàn)在集美大學(xué)海水試驗(yàn)場(chǎng)大黃魚(yú)循環(huán)水養(yǎng)殖車間內(nèi)進(jìn)行。應(yīng)用養(yǎng)殖塑料桶作為臭氧消毒試驗(yàn)桶，每個(gè)桶的有效水體為1m3；臭氧發(fā)生器的型號(hào)為QJ-8001Y及配套的橡膠管、精細(xì)曝氣石等；紫外線燈管均使用輸出功率為40W的同型浸沒(méi)式紫外線燈管；玻璃水族箱規(guī)格為40mm×20mm× 30mm；試驗(yàn)用的大黃魚(yú)規(guī)格為全長(zhǎng)（12.24±1.25）cm。試驗(yàn)用水來(lái)自大黃魚(yú)循環(huán)水養(yǎng)殖系統(tǒng)中的養(yǎng)殖水（t=25.3℃pH=8.15鹽度=21.5）。

1.2試驗(yàn)方法

1.2.1臭氧在海水養(yǎng)殖水體中的吸收和分解濃度變化試驗(yàn)方法

將臭氧消毒試驗(yàn)桶裝滿來(lái)自循環(huán)水養(yǎng)殖系統(tǒng)中的養(yǎng)殖水體，然后通入臭氧，通入量設(shè)定為4g/h，每隔5min對(duì)桶中的臭氧濃度進(jìn)行測(cè)定。當(dāng)臭氧濃度達(dá)到殺毒滅菌濃度0.6mg/L時(shí)停止通入臭氧，定時(shí)對(duì)消毒試驗(yàn)桶中的臭氧濃度進(jìn)行測(cè)定。

1.2.2紫外線照射強(qiáng)度對(duì)海水臭氧濃度的分解速度影響試驗(yàn)方法

設(shè)計(jì)針對(duì)臭氧濃度達(dá)到殺毒滅菌濃度0.6mg/L時(shí)，通過(guò)打開(kāi)均勻設(shè)置在臭氧消毒試驗(yàn)桶中的1~6根紫外燈管，以達(dá)到不同的紫外線照射強(qiáng)度梯度：紫外線燈管輸出功率40W/m3、80W/m3、120W/m3、160W/m3、200W/m3、240W/m3，每5min對(duì)消毒試驗(yàn)桶中的臭氧濃度進(jìn)行測(cè)定，當(dāng)臭氧濃度降至較低時(shí)，每1～2min對(duì)消毒試驗(yàn)桶中的臭氧濃度進(jìn)行測(cè)定，記錄降解所需要的時(shí)間。

1.2.3大黃魚(yú)苗對(duì)水體臭氧濃度耐受性試驗(yàn)方法

將臭氧消毒試驗(yàn)桶中經(jīng)過(guò)紫外線照射處理后，達(dá)到不同臭氧濃度的水體注入到玻璃水族箱內(nèi)。第一階段試驗(yàn)，水族箱水體中設(shè)置的試驗(yàn)臭氧濃度梯度為0.1mg/L、0.2mg/L、0.3mg/L、0.4mg/L、0.5mg/L，隨機(jī)選取20條大黃魚(yú)苗放入并觀察記錄大黃魚(yú)的活動(dòng)情況以及存活率，每個(gè)濃度梯度設(shè)置三個(gè)平行組，耐受觀察時(shí)限為72h。根據(jù)第一階段試驗(yàn)的結(jié)果，為探索獲得更加精準(zhǔn)的耐受濃度，開(kāi)展第二階段試驗(yàn)，水族箱水體中設(shè)置的試驗(yàn)臭氧濃度梯度為0.12mg/L、0.14mg/L、0.16mg/L、0.18mg/L四個(gè)濃度梯度。

1.3檢測(cè)方法

碘量法是最常用的水中臭氧濃度測(cè)定的方法，我國(guó)和許多國(guó)家均把此法作為測(cè)定水中臭氧濃度的標(biāo)準(zhǔn)方法，本試驗(yàn)采用碘量法來(lái)檢測(cè)養(yǎng)殖水體中的臭氧濃度。由于臭氧不穩(wěn)定極容易分解，故采樣后在現(xiàn)場(chǎng)立即檢測(cè)。

2　結(jié)果

2.1臭氧在海水養(yǎng)殖水體中的吸收和降解濃度變化

2.1.1臭氧在海水中的吸收濃度變化

向臭氧消毒桶中輸入臭氧進(jìn)行曝氣，水體中臭氧濃度隨時(shí)間變化的結(jié)果如圖1所示。可以很明顯的看出0~10min時(shí)，臭氧濃度上升較為緩慢，5min時(shí)消毒桶中的臭氧濃度僅為0.0474mg/L，10min時(shí)臭氧濃度達(dá)到了0.1778mg/L。10min以后臭氧濃度隨時(shí)間呈線性增長(zhǎng)關(guān)系，20min時(shí)消毒池中的臭氧濃度達(dá)到了0.64mg/L。可以通過(guò)臭氧輸入量4g/h計(jì)算得知海水中的臭氧利用率約50%。表明，單位立方米海水以4g/h的臭氧輸入量，約需要20min可使水體達(dá)到臭氧滅菌消毒濃度0.6mg/L。

2.1.2臭氧在海水中的自然降解濃度變化

臭氧在海水中的自然分解結(jié)果如圖2所示，可以看出0~30min時(shí)臭氧分解速率比較快，臭氧濃度從最初始0.60mg/L下降到了0.232mg/L。當(dāng)臭氧溶度降到0.2mg/L以下時(shí)，臭氧的分解速率大大減緩，直到120min后才完全分解，濃度為0。表明，自然條件下，臭氧滅菌濃度0.60mg/L在海水中的完全降解需要約120min。

2.2紫外線照射強(qiáng)度對(duì)海水臭氧濃度的分解速度影響

在臭氧消毒中1~6根燈管單位體積的紫外線輸出功率分別為40W/m3、80W/m3、120W/m3、160W/m3、200W/m3、240W/m3。

圖3和圖4展示了試驗(yàn)桶海水中的臭氧濃度在不同強(qiáng)度紫外線照射下隨時(shí)間的降解效果情況。在開(kāi)啟一根紫外線燈管（紫外線照射強(qiáng)度40W/m3）的情況下，臭氧濃度從初始濃度約0.60mg/L到完全降解至濃度為0約耗時(shí)50min；開(kāi)啟兩根燈管（紫外線照射強(qiáng)度80W/m3）時(shí)，臭氧從初始濃度0.60mg/L到完全降解至濃度為0約耗時(shí)30min。開(kāi)啟三根燈管（紫外線照射強(qiáng)度120W/m3）時(shí)，臭氧從初始濃度0.60mg/L到完全降解至濃度為0約耗時(shí)23min。開(kāi)啟四根燈管（紫外線照射強(qiáng)度160W/m3）時(shí)，臭氧從初始濃度0.60mg/L到完全降解至濃度為0約耗時(shí)15min。開(kāi)啟五根燈管（紫外線照射強(qiáng)度200W/m3）或六根燈管（紫外線照射強(qiáng)度240W/m3）時(shí)，臭氧完全降解至濃度為0的時(shí)間與開(kāi)啟四根燈管（紫外線照射強(qiáng)度160W/m3）所消耗的時(shí)間相差不大。表明，應(yīng)用紫外線降解海水臭氧濃度殘余是高效可行的，在紫外線照射強(qiáng)度為160W/m3海水時(shí)，臭氧滅菌濃度0.60mg/L在海水中的完全降解至濃度為0僅耗時(shí)約15min，僅為自然狀態(tài)下臭氧降解所需耗時(shí)的八分之一，縮短了7倍的時(shí)間。從節(jié)約能源和降低成本考慮，適宜的紫外線照射強(qiáng)度為160W/m3。

2.3大黃魚(yú)苗對(duì)水體臭氧濃度耐受性試驗(yàn)

表1不同臭氧濃度對(duì)大黃魚(yú)的影響（T=23.4℃，72h）Tab.1 The influence of different ozone concentration on the Pseudosciaena crocea（T=23.4℃，72h）

0.30　48.3±6.7　半數(shù)死亡0.40　17.8±5.1　大部分死亡0.50　0　全部死亡

據(jù)表1可知，在臭氧濃度0.10mg/L時(shí)，大黃魚(yú)苗活動(dòng)正常；當(dāng)臭氧濃度達(dá)到0.20mg/L時(shí)，大黃魚(yú)苗受到強(qiáng)烈應(yīng)激，出現(xiàn)游泳緩慢，約20%個(gè)體出現(xiàn)死亡。表明大黃魚(yú)苗因臭氧濃度高導(dǎo)致應(yīng)激性死亡的闕值在0.10mg/L~0.20mg/L之間。為了更加精準(zhǔn)的獲得大黃魚(yú)苗的安全臭氧濃度臨界值，開(kāi)展第二階段試驗(yàn)，設(shè)置0.12mg/L、0.14mg/L、0.16mg/L和0.18mg/L四個(gè)臭氧濃度梯度。

表2不同臭氧濃度對(duì)大黃魚(yú)的影響（T=23.4℃）Tab.2 The influence of different ozone concentration on the Pseudosciaena crocea（T=23.4℃）

據(jù)表2可知，海水中臭氧濃度在0.16mg/L以下時(shí)，大黃魚(yú)苗活動(dòng)與成活正常；當(dāng)臭氧濃度達(dá)到0.18mg/L時(shí)，大黃魚(yú)苗出現(xiàn)行動(dòng)緩慢、浮頭等應(yīng)激癥狀。表明，大黃魚(yú)苗的海水臭氧安全濃度應(yīng)不高于0.16mg/L，臭氧濃度如果超過(guò)0.16mg/L，將導(dǎo)致大黃魚(yú)苗產(chǎn)生應(yīng)激甚至死亡。

3　討論

從圖1可知，海水中輸入臭氧后的前幾分鐘，水體臭氧濃度上升較為緩慢，認(rèn)為可能是養(yǎng)殖水體中存在的易被氧化的物質(zhì)與臭氧發(fā)生了反應(yīng)，造成了水體中臭氧的消耗。從圖2可知，海水中的臭氧濃度在前30min降解迅速，而后變得極為緩慢，臭氧殺毒滅菌濃度0.6mg/L在自然條件下完全降解至濃度為0所耗時(shí)間約120min，這與方敏等對(duì)臭氧水穩(wěn)定性研究得到的結(jié)果相似。從表2可知，海水中臭氧濃度在0.16mg/L以下時(shí)，大黃魚(yú)苗活動(dòng)與成活正常；當(dāng)臭氧濃度達(dá)到0.18mg/L時(shí)，大黃魚(yú)苗出現(xiàn)行動(dòng)緩慢、浮頭等應(yīng)激癥狀。表明大黃魚(yú)苗對(duì)臭氧耐受性不高，在養(yǎng)殖系統(tǒng)中，必須嚴(yán)格控制好水體中的臭氧濃度，如果臭氧濃度過(guò)高將導(dǎo)致大黃魚(yú)苗因臭氧中毒而應(yīng)激甚至死亡。本試驗(yàn)結(jié)果表明，在自然狀態(tài)下，海水中臭氧濃度的自然降解耗時(shí)長(zhǎng)，而應(yīng)用紫外線降解海水臭氧濃度殘余具有高效可行特點(diǎn)，僅為自然狀態(tài)下臭氧降解所需耗時(shí)的八分之一，縮短了7倍的時(shí)間。因此，在海水養(yǎng)殖系統(tǒng)中，為了避免臭氧濃度殘余對(duì)養(yǎng)殖魚(yú)類造成負(fù)面影響，可以采用紫外線-臭氧技術(shù)相結(jié)合的工藝，一方面可以加強(qiáng)對(duì)養(yǎng)殖水體的殺菌消毒能力，同時(shí)可以加速臭氧濃度殘余的分解，確保養(yǎng)殖水體中的臭氧濃度在安全濃度范圍內(nèi)。從圖3可知，紫外線可以顯著促進(jìn)臭氧的分解，因?yàn)樗w中的臭氧在紫外線的照射下，可生成氧化性更強(qiáng)的羥基自由基，羥基自由基會(huì)迅速和水中可被氧化的物質(zhì)發(fā)生反應(yīng)從而加速臭氧的分解，由于羥基自由基比臭氧具有更強(qiáng)的氧化性，可以深度氧化去除水體中臭氧難以氧化的有機(jī)物和病原微生物。如圖3、4所示，隨著紫外線照射強(qiáng)度的上

升，臭氧的分解速率明顯提升，而當(dāng)紫外線照射強(qiáng)度超過(guò)160W/m3以上，繼續(xù)提升到200W/m3或240W/m3時(shí)，臭氧濃度降解速率并沒(méi)有獲得明顯的提升，原因可能是臭氧濃度降解的速率已經(jīng)達(dá)到了一個(gè)閾值，再通過(guò)提高紫外線照射強(qiáng)度對(duì)其降解速率的提高已經(jīng)影響很小。臭氧在海水中的分解速率與溫度、pH和初始濃度都有著緊密的關(guān)聯(lián)。羥基自由基由于其極強(qiáng)的氧化性會(huì)對(duì)生物體造成毒害，但羥基自由基非?；顫姡瑯O容易和其他物質(zhì)發(fā)生反應(yīng)而生成穩(wěn)定的分子而不會(huì)長(zhǎng)時(shí)間穩(wěn)定停留在水體中。在工廠化養(yǎng)殖系統(tǒng)中，根據(jù)本試驗(yàn)臭氧在紫外線照射下分解速率的研究結(jié)果，可以估算出臭氧濃度完全降解至濃度為0的所需耗時(shí)，從而通過(guò)完善水處理消毒單元的水力停留時(shí)間設(shè)計(jì)，確保水處理系統(tǒng)出水口的臭氧濃度完全分解，提高養(yǎng)殖系統(tǒng)的安全性。

中圖分類號(hào)：S969

文獻(xiàn)標(biāo)志碼:A

文章編號(hào)：