近幾年，臭氧在飲用水方面的應用越來越廣泛，這主要源于人們追求健康的愿望，那么臭氧在飲用水方面到底有哪些作用，又是如何應用的呢？下面我們先從臭氧的特性說起：
1 臭氧的組成及特性
1.1 臭氧的組成
臭氧是當1 個氧分子O2 分裂成2 個氧原子O 而其余氧分子依然存在時, 由1 個氧原子O 與1 個氧分子O2 化合而形成的臭氧。臭氧通常是由太陽光中的短波紫外線輻射形成的, 并以氣體形式存在于我們地球大氣的上方( 臭氧層) 。臭氧也可以通過對O2 進行高壓放電而得到, 我們通常在雷雨之后聞到的清新氣息, 就是高壓閃電( 滑閃) 放出臭氧的氣息。
1.2 臭氧的特性
氧化電位：2107V ( 在堿性溶液中)
氣味：閾值0101mg/ L ( 空氣中)
顏色：淡藍色
密度：是氧氣( O2) 的150%
穩定性：取決于時間和溫度。在室溫下, 幾小時內, 臭氧即可不通過化學反應而完全轉變成氧氣。
溶解性：隨水溫、氣體濃度、接觸方式和臭氧在水中的需求量的變化而變化。
氧化能力：是一種強氧化劑, 是氯的152% 。
殺菌能力：能迅速殺滅微生物、病毒及孢子, 而幾乎不會影響pH 值和濁度, 殺滅大腸菌群比氯快得多。
2 臭氧在瓶、桶裝水中的工藝應用
2.1 臭氧的適用范圍和作用
近幾年來臭氧已廣泛應用于我國的瓶、桶裝水的后處理上, 而在國外, 如歐、美國家, 臭氧被廣泛用于市政用水的后處理已達幾十年。 瓶、桶水灌裝時, 臭氧是很理想的殺菌、消毒的合劑。它能輕易且徹底地氧化有機污染物, 并通過將細菌性殘骸降解成二氧化碳( CO2 ) 、水(H2O) 來降低總有機碳( TOC) 的水平。臭氧殺菌易于分解, 無化學殘留, 對保護環境也有很大的意義。通常飲用水用氯消毒, 而氯與水中有機物結合會產生鹵代烴等消毒產物, 其中有一些在高濃度下已被證明有致癌和致突變作用。而臭氧發生反應無需現場有很大的化學貯罐, 并且設備容易設計到飲用水生產線中。
2.2 臭氧在飲用天然水和純凈水中的推薦用量
2.2.1 臭氧在天然水( 泉水、井水、深井水) 中的推薦用量因為不同水域、不同水源的水的純度和其中的化學成分有顯著差別, 所以臭氧的用量也不同。例如天然水( 泉水、井水、深井水等未經反滲透、蒸餾、電離的水) 需要臭氧的量較高, 因此需用較高劑量以滿足國際瓶裝水協會( IBWA) 及世界衛生組織(WHO) 推薦的0.14mg / L 的殘余量。
2.2.2 臭氧在純凈水中的推薦用量
飲用純凈水的臭氧用量還是少一點為好。因為這種水來自市政供水網, 且被反滲透, 蒸餾或電離過。這些水通常是被去除了硬度后再進行反滲透處理或蒸餾處理的。因此, 水的質量已相當高, 雜質含量很低, 不到10mg/ L, 所需的O3 量也較少。國際瓶裝水協會、世界衛生組織規定瓶、桶裝飲用純凈水臭氧含量不少于0115mg / L。純凈水很容易被細菌污染, 而少量的殘余O3 就能起到殺菌作用, 而不需要用氯來凈化純凈水, 以免導致口感和味覺變化。
2.3 臭氧在水中的半衰期
臭氧是一種強氧化劑和有效的消毒劑。作為不穩定氣體, O3 的半衰期很短, 它很快就會分解為O2。在自然水中它的半衰期( 指又重新變化為O2 的時間) 能持續幾分鐘。而在純凈水中有6~ 8h; 在瓶裝水中有1~ 2d。
2.4 臭氧在水中的接觸方式
由于臭氧半衰期短的這一特性, 臭氧在水中被溶解后再與水接觸一段時間的工藝過程是相當嚴格的。臭氧在水中的接觸方式, 一般來說有兩種: 靜壓( 也稱常壓) 或封閉( 也稱串聯式) 系統。兩種系統適用各種大小的設備, 靜壓接觸一般用于自動的灌裝設備; 封閉式接觸用于比較小型的廠家。
3 臭氧工藝在瓶、桶裝水工業中的應用形式
3.1 靜壓接觸式
3.1.1 臭氧靜壓接觸器
用于瓶、桶裝水工業中臭氧的典型靜壓接觸形式有自己的壓力系統, 在10~ 30Pa ( 帕斯卡) 的壓力下, 臭氧產生能力從2g/ h 至2500g / d。臭氧從大型不銹鋼貯罐底端壓入空氣發散器, 貯罐一般高214~ 5m, 直徑013~ 112m, 水下來與從空氣發散器中上來的臭氧氣泡接觸。見圖1。
圖1 水中臭氧 靜壓( 常壓) 接觸式工藝流程圖
3.1.2 水中臭氧靜壓( 常壓) 接觸式工藝流程及要點( 見圖1)
在這個系統中較關鍵的因素是發散器所產生的氣泡大小。它必須小至100~ 300Lm。氣泡的大小和接觸塔的高度直接影響到水和臭氧相互接觸后臭氧進入水的速度。因為被氧化后沉淀物易沉積在發散器表面, 所以發散器需定期清洗。天然水未經反滲透、蒸餾、去離子的處理, 因此定期清洗就尤為重要, 特別是生產天然水的廠家比生產純凈水的廠家更重要。輸水泵對于進入灌裝系統的壓力控制很有必要, 它可以將臭氧化的水按額定流量均壓通過保安過濾器送往灌注間或返回到純凈水或天然水儲罐。
3.1.3 臭氧安全防護措施
作為安全預防措施, 接觸貯罐必須設有空氣通風口或在O3 自暴裝置上設通風口。臭氧警報器也必須連接在臭氧 自暴裝置上, 這樣一旦很過人體很限壓力, 就可以發出警報并同時很好地排氣、排風, 以減緩壓力。
3.2 封閉( 串聯式) 接觸式
3.2.1 臭氧封閉接觸式工藝流程
這種流程裝置是利用一個壓力泵( 水泵) , 將水從貯罐中抽出, 打入一個文丘里臭氧注入器及臭氧水接觸塔, 然后經過保安過濾器送至灌裝間或返回純凈水或天然水貯罐。見圖2。
圖2 水中臭氧封閉( 串聯) 接觸式工藝流程圖
這種系統的安全性、臭氧接觸性較好, 原因在于使用了真空臭氧發生器和封閉的臭氧水接觸塔, 再充分將臭氧和水混合; 而且臭氧的注入是由文丘噴射器控制的。
3.2.2 臭氧封閉( 串聯) 接觸式特點
由文丘里注入器提供的不斷增長的輸送效率以及封閉的臭氧水接觸塔使得臭氧量更精確, 裝置體積也縮小了。臭氧實際上成了文丘里管中水溶液的一部分, 無需暴露在空氣或大氣壓力下就實現了接觸。這種增加的效率使得灌裝廠只需要很小型的臭氧接觸系統, 就能滿足對臭氧量( mg/ L) 的要求。
3.2.3 臭氧排放安全裝置
一個自動的不銹鋼通風口控制臭氧水接觸塔的臭氧氣排放。排放出的臭氧經過小碳濾器進入車間或空氣中, 也可通過臭氧 自暴裝置直接排入大氣中。
3.3 臭氧在水中混合濃度的監測控制裝置
圖1 和圖2 兩種接觸形式, 其臭氧在水中的濃度均需監測和反饋至臭氧發生器來控制臭氧量的大小。這個任務由ORP 監測控制裝置來完成。見圖1 或圖2。
3.3.1 ORP 檢則儀的作用
ORP 是某種溶液氧化能力的一種標志, 并與氧化劑的濃度和強度有關。ORP 檢測儀控制臭氧在水中的濃度, 能使溶液的氧化能力保持在必需的反應水平上。作為一個連續的監視和控制過程, 在線ORP 裝置能隨時檢測灌裝時瓶、桶裝水的ORP 即定量描述溶液氧化或還原的能力( 或稱之為電動勢, 以mV 計) 利用對其氧化還原電動勢( ORP) 的測量, 可實現對在線過程的有效控制。
3.3.2 ORP 控制臭氧的特點
ORP 控制裝置利用其探頭電很測量臭氧的濃度大小, 當低或高于設定的在臭氧水中的濃度范圍( 以mg/ L 計) 時, 在表計上迅速反應和報警, 并能跟蹤記錄和控制灌裝瓶、桶水中的臭氧殘留, 使得臭氧發生器的附屬裝置能隨ORP 水平的高低, 在高壓時中斷臭氧輸送, 低壓時自動啟動裝置。
3.3 ORP 值和臭氧在水中濃度含量的關系
ORP 值的大小和臭氧在水中的濃度含量的關系見曲線圖3。
圖3 ORP 與臭氧濃度( ml/ L) 關系曲線
利用ORP 控制, 能確保得到較高質量標準的水。而ORP 能精確地控制國際瓶裝水協會規定的殘留臭氧水準。因此瓶、桶裝水工業能確保適合的臭氧量, 以達到較安全且較有效臭氧量的要求。世界衛生組織制定的飲用水標準為較小ORP 值必須控制在650 毫伏。
4 結論
臭氧對于瓶、桶裝水工業的發展和完善起到了非常重要的作用。適量臭氧能有效地對天然水、飲用純凈水起消毒、殺菌的作用, 臭氧和其它的過濾水處理程序一起通過殺菌、控制菌數、瓶、純凈水桶、蓋的消毒及氧化那些有害的可氧化雜質來處理水, 使瓶、桶裝飲用水的使用期限更長久。臭氧同時能增加水中氧氣的含量, 去除如鐵、鎂、硫等不合適雜質, 從而改善飲用水的口感。使用適量的臭氧, 通過精確的ORP值控制, 并配合各種水質特性及正確的臭氧工藝,瓶、裝水工業能確保顧客得到非常安全可靠的高質量產品。
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