光催化深度水處理工藝設(shè)備在泳池水消毒中的示范應(yīng)用

張國(guó)艷,陳作雁,劉 剛,韓立娟,安興才

(甘肅自然能源研究所,甘肅蘭州 730046)

水體細(xì)菌污染是游泳池水質(zhì)的主要問(wèn)題之一[1]。當(dāng)人體長(zhǎng)時(shí)間接觸細(xì)菌污染的泳池水后,可能會(huì)感染細(xì)菌性疾病,給人的健康和安全帶來(lái)威脅[2]。采用單一的常規(guī)氯消毒泳池水,人們患皮膚炎、呼吸道及支氣管疾病的概率明顯增加,且其副產(chǎn)物含量超標(biāo)會(huì)引起紅眼病等不良反應(yīng)[3-4]。隨著人民生活水平的提高,人們對(duì)休閑娛樂(lè)的環(huán)境設(shè)施要求不斷提高,需要尋找新的更安全可靠的殺菌消毒技術(shù),為安全殺菌消毒尋找另一種可能的方法[5]。

據(jù)國(guó)內(nèi)外有關(guān)報(bào)道,針對(duì)游泳池水處理已研制出不同結(jié)構(gòu)的光催化反應(yīng)設(shè)備,如光電催化設(shè)備[6]、光電水質(zhì)凈化設(shè)備[7]、TiO2復(fù)合光催化設(shè)備[8]、光催化與臭氧聯(lián)合處理游泳池水[9]等。而這些光催化反應(yīng)設(shè)備在大規(guī)模應(yīng)用推廣中存在日處理量小、耗電量大、處理效率低等問(wèn)題。

針對(duì)以上技術(shù)難點(diǎn),研究團(tuán)隊(duì)自主開(kāi)發(fā)了8英寸(1英寸≈2.54 cm)管式光催化組件,其中光催化劑選用負(fù)載型光催化劑,組件結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)將光催化、紫外和臭氧滅菌技術(shù)集成為一體,與游泳池水處理凈化工藝相配套,處理流量大。該設(shè)備與常規(guī)氯消毒組合處理游泳池水,示范試驗(yàn)結(jié)果完全符合《游泳池水質(zhì)標(biāo)準(zhǔn)》(GJ/T 244—2016)[10]所要求的指標(biāo),同時(shí)能降低泳池水中游離性余氯和化合性余氯的含量,提高了泳池水的水質(zhì)品質(zhì),給人更安全舒適的游泳環(huán)境。

1 示范裝置

1.1 蘭州某酒店游泳館的基本概況

蘭州某酒店游泳館容量為180 m3,人流量為300～500人/d,循環(huán)流量為28 m3/h,泳池水處理工藝如圖1所示,采用多介質(zhì)過(guò)濾器對(duì)游泳池水進(jìn)行過(guò)濾凈化,通過(guò)投加NaClO消毒劑(即僅投加NaClO)滅菌,pH調(diào)節(jié)劑(食品級(jí)檸檬酸)調(diào)節(jié)泳池水的pH,板式換熱器加熱游泳池水。采用衛(wèi)普士泳池水質(zhì)在線監(jiān)測(cè)儀對(duì)游離性余氯、pH、氧化還原電位(ORP)和渾濁度遠(yuǎn)程監(jiān)控并數(shù)據(jù)云端存儲(chǔ)1次/h,以及智能變頻投藥。

圖1 蘭州某酒店游泳館泳池水處理工藝Fig.1 Water Treatment Process of a Hotel Swimming Pool

1.2 示范裝置工藝設(shè)計(jì)與設(shè)備選型

對(duì)蘭州某酒店游泳館進(jìn)行改造,在原有工藝中增加光催化深度水處理工藝設(shè)備(簡(jiǎn)稱示范設(shè)備),循環(huán)流量由28 m3/h降為20 m3/h,循環(huán)次數(shù)為2.6次/d(圖1)。實(shí)現(xiàn)光催化深度水處理工藝設(shè)備與常規(guī)氯消毒組合(即光催化+NaClO)處理游泳池水,相關(guān)設(shè)計(jì)參數(shù)如表1所示。

表1 示范裝置的相關(guān)設(shè)計(jì)參數(shù)Tab.1 Relevant Designed Parameters of Demonstration Device

示范設(shè)備主要由8英寸管式光催化組件、氣液混合器、氣體流量計(jì)、壓力表、閥和管路等組成。工藝流程如圖2所示,凈化后的游泳池水由1#閥進(jìn)入管路,進(jìn)入8英寸管式光催化組件,經(jīng)光催化處理后通過(guò)2#閥,再經(jīng)板式換熱器加熱后返回游泳池。同時(shí),空氣進(jìn)入8英寸管式光催化組件產(chǎn)生臭氧混合氣,由氣路進(jìn)入氣液混合器和游泳池水充分混合,再進(jìn)入8英寸管式光催化組件,實(shí)現(xiàn)光催化和臭氧(自產(chǎn))協(xié)同滅菌。

圖2 光催化深度水處理工藝設(shè)備示范裝置工藝流程Fig.2 Process Flow of Technological Equipment of Photocatalytic Advanced Treatment

1.2.1 8英寸管式光催化組件

示范設(shè)備的核心部件為8英寸管式光催化組件,其結(jié)構(gòu)示意圖如圖3所示,由外殼、石英管、光源、封頭、V-N-TiO2/玻璃珠光催化劑[11]組成。外殼兩端設(shè)置進(jìn)、出水口。石英管兩端開(kāi)口,光源置于石英管內(nèi)。外殼和石英管之間裝填V-N-TiO2/玻璃珠光催化劑,并通過(guò)封頭密封連接。

圖3 8英寸管式光催化組件結(jié)構(gòu)示意圖Fig.3 Schematic Structure of 8-Inch Tube Photocatalytic Assembly

封頭結(jié)構(gòu)如圖4所示,由封頭本體、布水板和連接兩者的支撐桿,以及端蓋(包括封頭端蓋和石英管端蓋)、密封圈構(gòu)成。石英管穿過(guò)布水板,通過(guò)U型密封圈與封頭本體密封連接,并通過(guò)石英管端蓋固定。封頭本體與石英管、擋板之間為布水腔,并與進(jìn)出水口連通。封頭端蓋均有通氣孔,與封頭本體之間區(qū)域?yàn)闅馇?下端氣腔裝填防塵濾棉,上端封頭端蓋的通氣孔與氣路相連。

圖4 封頭結(jié)構(gòu)示意圖Fig.4 Schematic Diagram of the Sealing Head Structure

1.2.2 滅菌原理

注:1—外殼;2—石英管;3—真空紫外光源;4—下端封頭;5—上端封頭;6—玻璃珠/TiO2光催化劑;7—進(jìn)水口;8—出水口;9—下端布水板;10—上端布水板;11—下端端蓋;12—上端端蓋;13—濾棉;14—上端氣腔;15—進(jìn)氣口;16—出氣口。圖5 8英寸管式光催化組件工藝流程Fig.5 Process Flow of the 8-Inch Tube Photocatalytic Assembly

2 試驗(yàn)結(jié)果與分析

在循環(huán)流量為20 m3/h、保證游泳池水中大腸桿菌不得檢出、菌落總數(shù)<100 CFU/mL、各項(xiàng)泳池水指標(biāo)均達(dá)標(biāo)的情況下,對(duì)原工藝(即僅投加NaClO)和示范設(shè)備與常規(guī)氯(NaClO)消毒組合處理游泳池水(即光催化+NaClO投加)進(jìn)行示范試驗(yàn)。

2.1 僅投加NaClO

蘭州某酒店游泳館循環(huán)流量為28 m3/h,僅投加NaClO,其游離性余氯設(shè)定值為0.8 mg/L時(shí),泳池水各項(xiàng)指標(biāo)均符合《游泳池水質(zhì)標(biāo)準(zhǔn)》(GJ/T 244—2016),為該運(yùn)行狀態(tài)下的最佳條件。示范設(shè)備與常規(guī)氯(NaClO)消毒組合處理游泳池水工藝中,循環(huán)流量變?yōu)?0 m3/h,僅投加NaClO,游離性余氯仍設(shè)定值為0.8 mg/L時(shí),考察pH、ORP、渾濁度、大腸桿菌、菌落總數(shù)去除情況。

由圖6可知,7 d的游離性余氯、pH、ORP和渾濁度在合理范圍,相對(duì)穩(wěn)定,均符合CJ/T 244—2016水質(zhì)標(biāo)準(zhǔn)。

圖6 游離性余氯、pH、ORP和渾濁度的穩(wěn)定性Fig.6 Stability of Free Residual Chlorine, pH Value, ORP and Turbidity

總大腸桿菌、菌落總數(shù)隔天取樣測(cè)試,檢驗(yàn)結(jié)果如表2所示,游泳池水中總大腸桿菌未檢出、菌落總數(shù)<100 CFU/mL,均符合泳池水標(biāo)準(zhǔn)。

表2 菌落總數(shù)和總大腸菌群檢測(cè)結(jié)果Tab.2 Results of Total Colonies and Total Coliform

2.2 光催化+NaClO投加

由于《游泳池水質(zhì)標(biāo)準(zhǔn)》(GJ/T 244—2016)中規(guī)定游離性余氯的限值為0.3～1.0 mg/L,不能低于0.3 mg/L。在光催化+NaClO滅菌工藝中,設(shè)定游離性余氯質(zhì)量濃度分別在0.6、0.5、0.4 mg/L條件下,考察pH、ORP、渾濁度,如圖7所示。隨著NaClO投加量的減少,游離性余氯從0.6 mg/L下降到0.5 mg/L和0.4 mg/L,游泳池水中總大腸桿菌未檢出、菌落總數(shù)<100 CFU/mL;pH、ORP和渾濁度在合理范圍變化,但相對(duì)穩(wěn)定,均符合CJ/T 244—2016水質(zhì)指標(biāo)。光催化+NaClO滅菌共同作用下,游離性余氯降為0.4 mg/L時(shí),泳池水水質(zhì)仍達(dá)標(biāo)。

圖7 不同工況下游離性余氯、pH值、ORP和渾濁度的穩(wěn)定性Fig.7 Stability of Free Residual Chlorine, pH Value, ORP, and Turbidity under Different Working Conditions

2.3 穩(wěn)定性試驗(yàn)

示范設(shè)備與常規(guī)氯(NaClO)消毒組合處理游泳池水工藝中,循環(huán)流量為20 m3/h,游離性余氯質(zhì)量濃度設(shè)置為0.4 mg/L,考察菌落總數(shù)、總大腸菌群、游離性余氯、pH、ORP和渾濁度的穩(wěn)定性,進(jìn)行為期1個(gè)月的穩(wěn)定性試驗(yàn)。

在整個(gè)試驗(yàn)期間,菌落總數(shù)<100 CFU/mL、總大腸菌群未檢出,說(shuō)明光催化+NaClO滅菌工藝在游離性余氯為0.4 mg/L時(shí),完全能保證泳池水水質(zhì)達(dá)到衛(wèi)生標(biāo)準(zhǔn)。

由圖8可知,在整個(gè)穩(wěn)定性試驗(yàn)期間,游離性余氯、pH、ORP和渾濁度均保持穩(wěn)定,均符合CJ/T 244—2016水質(zhì)指標(biāo)。

圖8 游離性余氯、pH值、ORP和渾濁度的穩(wěn)定性Fig.8 Stability of Free Residual Chlorine, pH Value, ORP and Turbidity

2.4 示范工程經(jīng)濟(jì)分析

2.4.1 設(shè)備費(fèi)

示范工程中需配備兩組8英寸管式光催化組件,主要設(shè)備清單如表3所示,設(shè)備總投資為41 227.00元。

表3 主要設(shè)備清單Tab.5 List of Master Equipments

2.4.2 運(yùn)行費(fèi)核算

(1)運(yùn)行電費(fèi)

示范設(shè)備耗電的主要部件為紫外燈和氣液混合器,額定功率分別為150 W和550 W。其理論日耗電量為(0.15 kW×30+0.55 kW)×24 h=121.20 kW·h,實(shí)際運(yùn)行一個(gè)月的總耗電量為3 100.78 kW·h,實(shí)際日耗電量103.36 kW·h(每月以30 d計(jì))。實(shí)際日耗電量為理論日耗電量的85.28%。

(2)藥劑費(fèi)用估算

蘭州某酒店游泳館在游離性余氯保持在0.8 mg/L條件下,氯消毒劑月平均消耗量為1 000 L,消毒劑為1.5元/L。游離性余氯質(zhì)量濃度由0.8 mg/L降至0.4 mg/L,消毒劑投加量下降40%。pH調(diào)節(jié)劑(食品級(jí)檸檬酸)月平均消耗量為100 kg,費(fèi)用為10元/kg,采用NaClO+光催化消毒工藝后,pH調(diào)節(jié)劑消耗量下降25%。

(3)成本核算

①僅投加NaClO消毒劑對(duì)游泳池水滅菌日處理費(fèi)用為:1 000 L/月×1.5元/L+100 kg/月×10.0元/kg =2 500元/月=83.0元/d。

②光催化+NaClO投加量對(duì)游泳池水滅菌日處理費(fèi)用為:0.764元/(kW·h)×103.36 kW·h +1.5元/L×1 000 L/月×60%+100 kg/月×10元/kg×0.75=133.97元/d[電價(jià)以商用電價(jià)0.764元/(kW·h)計(jì)]。

從上述結(jié)果看,光催化預(yù)滅菌對(duì)NaClO消毒劑投加量降低40%,pH調(diào)節(jié)劑消耗量下降25%,藥劑的投加量有較大的降低,但運(yùn)行費(fèi)用反而增加50.97元/d,其經(jīng)濟(jì)性較差。主要問(wèn)題是示范工程游泳館泳池水容量為180 m3,循環(huán)流量為20 m3/h,循環(huán)周期為9 h,每天循環(huán)2.6次,該數(shù)值太低,光催化滅菌是過(guò)流式滅菌,循環(huán)次數(shù)少,難以發(fā)揮其效果。若按正常游泳池水處理的循環(huán)次數(shù)5次/d計(jì)算,充分發(fā)揮光催化滅菌效果,NaClO消毒劑投加量可降低76.92%,pH調(diào)節(jié)劑消耗量下降48.08%,示范工程日處理費(fèi)用降為107.81元/d,與僅投加NaClO消毒劑對(duì)游泳池水滅菌日處理費(fèi)用(83.0元/d)相差不大,且能降低泳池水中游離性余氯和化合性余氯的含量,提高了泳池水的水質(zhì)品質(zhì),給人更安全舒適的游泳環(huán)境。因此,光催化深度水處理設(shè)備與常規(guī)氯(NaClO)消毒組合處理游泳池水技術(shù)具有較好的應(yīng)用前景。

3 結(jié)論

(1)示范運(yùn)行中僅投加NaClO,其游離性余氯設(shè)定值為0.8 mg/L時(shí),泳池水各項(xiàng)指標(biāo)均符合《游泳池水質(zhì)標(biāo)準(zhǔn)》(GJ/T 244—2016),為該運(yùn)行狀態(tài)下的最佳條件。

(2)在光催化+NaClO組合滅菌工藝中,游離性余氯由0.8 mg/L降至0.4 mg/L,消毒劑投加量下降40%,pH調(diào)節(jié)劑投加量下降25%,菌落總數(shù)、總大腸菌群、游離性余氯、pH、ORP和渾濁度等各項(xiàng)指標(biāo)均符合《游泳池水質(zhì)標(biāo)準(zhǔn)》(GJ/T 244—2016)要求,示范設(shè)備運(yùn)行穩(wěn)定,且泳池水中游離性余氯和化合性余氯的含量得到降低,泳池水品質(zhì)顯著提高。

(3)示范設(shè)備光催化+NaClO處理運(yùn)行成本為133.97元/d,比僅加NaClO處理運(yùn)行成本增加50.97元,經(jīng)濟(jì)性較差;若按泳池水循環(huán)次數(shù)常用值5次/d計(jì)算,則日處理成本降為107.81元,與僅投加NaClO消毒劑對(duì)游泳池水滅菌日處理費(fèi)用(83.0元)相差不大?？紤]到光催化+NaClO組合工藝滅菌能降低泳池水中游離性余氯和化合性余氯,是一種綠色環(huán)保泳池水消毒工藝,在高檔游泳館、嬰幼兒游泳館等泳池水質(zhì)要求較高的場(chǎng)所具有較好的應(yīng)用前景。