紫外線臭氧組合工藝的應用研究

朱　峰江興龍*曾祥波（1.集美大學水產學院　福建廈門　361021）（2.鰻鱺現代產業技術教育部工程研究中心　福建廈門　361021）

紫外線臭氧組合工藝的應用研究

朱峰1,2江興龍1,2*曾祥波1,2
（1.集美大學水產學院福建廈門361021）
（2.鰻鱺現代產業技術教育部工程研究中心福建廈門361021）

摘要：開展了臭氧在養殖海水水體中的吸收和分解濃度變化、紫外線照射強度對海水臭氧濃度的分解速度影響及大黃魚幼苗對臭氧濃度的耐受性等研究。結果表明，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耗時約120min；從節約能源和降低成本考慮，應用紫外線降解海水養殖水體中臭氧濃度殘余，適宜的紫外線照射強度為160W/m3；在紫外線照射強度為160W/m3時，臭氧滅菌濃度0.6mg/L在海水中完全降解至濃度為0耗時15min，僅為自然狀態下臭氧降解所需耗時的八分之一，縮短了7倍的時間；大黃魚苗的海水臭氧安全濃度應不高于0.16mg/L，臭氧濃度如果超過0.16mg/L，將導致大黃魚苗產生應激甚至死亡。

關鍵詞：大黃魚臭氧紫外線海水養殖

*國家海洋局海洋經濟創新發展區域示范專項，2012FJ03號；鰻鱺現代產業技術教育部工程研究中心開放基金，ZK2013004號。江興龍，博士，教授，E-mail：xinlongjiang@jmu.edu.cn

臭氧是一種極強的氧化消毒劑，是我國目前主要殺菌消毒的方法之一。近年來，在水產養殖中應用臭氧進行深度氧化降解有機物、凈化水質、殺毒滅菌等方面的研究有了新的進展。宋奔奔等在大菱鲆半封閉循環水養殖系統中應用了臭氧技術，成功將系統總懸浮物濃度控制在8mg/L以下，并且對氨氮去除率達到了18%，亞硝酸鹽去除率約8%，殺菌率約為94%。近些年來，各類病害嚴重限制了大黃魚養殖業的發展，特別是由于淀粉卵渦鞭蟲和刺激隱核蟲等寄生蟲病害的頻頻爆發，使漁民經濟損失慘重。工廠化循環水養殖養殖密度大、水體利用率高，養殖過程中補充新水少，很大程度上降低了污染源。但由于系統是封閉的，一旦感染了病原體，病原體會在循環水系統中大量繁殖，造成大規模病害的發生。在循環水養殖系統中應用臭氧技術進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達不到理想處理效果，濃度過高不僅造成浪費，而且對養殖對象甚至人體都會造成傷害，臭氧在水體中濃度達到0.6mg/L維持40~50min即可以氧化分解部分有機污染物、殺滅幾乎全部病原菌和大部分蟲卵。水體中的臭氧在紫外線照射下可以分解產生羥基化合物，羥基化合物因其極強的氧化性，會迅速和水體中可被氧化的物質發生反應，從而達到去除水體中臭氧濃度殘余的目的。因此，為了探索在大黃魚工廠化循環水養殖中，應用紫外線高效安全降解臭氧濃度殘余的技術，確保在海水養殖中應用臭氧既達到殺毒滅菌的目的，又實現操作簡便和養殖安全。本試驗開展了臭氧在養殖海水水體中的吸收和分解濃度變化、紫外線照射強度對海水臭氧濃度的分解速度影響及大黃魚幼苗對臭氧濃度的耐受性等研究。

1材料和方法

1.1試驗材料

試驗在集美大學海水試驗場大黃魚循環水養殖車間內進行。應用養殖塑料桶作為臭氧消毒試驗桶，每個桶的有效水體為1m3；臭氧發生器的型號為QJ-8001Y及配套的橡膠管、精細曝氣石等；紫外線燈管均使用輸出功率為40W的同型浸沒式紫外線燈管；玻璃水族箱規格為40mm×20mm× 30mm；試驗用的大黃魚規格為全長（12.24±1.25）cm。試驗用水來自大黃魚循環水養殖系統中的養殖水（t=25.3℃pH=8.15鹽度=21.5）。

1.2試驗方法

1.2.1臭氧在海水養殖水體中的吸收和分解濃度變化試驗方法

將臭氧消毒試驗桶裝滿來自循環水養殖系統中的養殖水體，然后通入臭氧，通入量設定為4g/h，每隔5min對桶中的臭氧濃度進行測定。當臭氧濃度達到殺毒滅菌濃度0.6mg/L時停止通入臭氧，定時對消毒試驗桶中的臭氧濃度進行測定。

1.2.2紫外線照射強度對海水臭氧濃度的分解速度影響試驗方法

設計針對臭氧濃度達到殺毒滅菌濃度0.6mg/L時，通過打開均勻設置在臭氧消毒試驗桶中的1~6根紫外燈管，以達到不同的紫外線照射強度梯度：紫外線燈管輸出功率40W/m3、80W/m3、120W/m3、160W/m3、200W/m3、240W/m3，每5min對消毒試驗桶中的臭氧濃度進行測定，當臭氧濃度降至較低時，每1～2min對消毒試驗桶中的臭氧濃度進行測定，記錄降解所需要的時間。

1.2.3大黃魚苗對水體臭氧濃度耐受性試驗方法

將臭氧消毒試驗桶中經過紫外線照射處理后，達到不同臭氧濃度的水體注入到玻璃水族箱內。第一階段試驗，水族箱水體中設置的試驗臭氧濃度梯度為0.1mg/L、0.2mg/L、0.3mg/L、0.4mg/L、0.5mg/L，隨機選取20條大黃魚苗放入并觀察記錄大黃魚的活動情況以及存活率，每個濃度梯度設置三個平行組，耐受觀察時限為72h。根據第一階段試驗的結果，為探索獲得更加精準的耐受濃度，開展第二階段試驗，水族箱水體中設置的試驗臭氧濃度梯度為0.12mg/L、0.14mg/L、0.16mg/L、0.18mg/L四個濃度梯度。

1.3檢測方法

碘量法是最常用的水中臭氧濃度測定的方法，我國和許多國家均把此法作為測定水中臭氧濃度的標準方法，本試驗采用碘量法來檢測養殖水體中的臭氧濃度。由于臭氧不穩定極容易分解，故采樣后在現場立即檢測。

2　結果

2.1臭氧在海水養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行曝氣，水體中臭氧濃度隨時間變化的結果如圖1所示。可以很明顯的看出0~10min時，臭氧濃度上升較為緩慢，5min時消毒桶中的臭氧濃度僅為0.0474mg/L，10min時臭氧濃度達到了0.1778mg/L。10min以后臭氧濃度隨時間呈線性增長關系，20min時消毒池中的臭氧濃度達到了0.64mg/L。可以通過臭氧輸入量4g/h計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果如圖2所示，可以看出0~30min時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。當臭氧溶度降到0.2mg/L以下時，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紫外線照射強度對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展示了試驗桶海水中的臭氧濃度在不同強度紫外線照射下隨時間的降解效果情況。在開啟一根紫外線燈管（紫外線照射強度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50min；開啟兩根燈管（紫外線照射強度80W/m3）時，臭氧從初始濃度0.60mg/L到完全降解至濃度為0約耗時30min。開啟三根燈管（紫外線照射強度120W/m3）時，臭氧從初始濃度0.60mg/L到完全降解至濃度為0約耗時23min。開啟四根燈管（紫外線照射強度160W/m3）時，臭氧從初始濃度0.60mg/L到完全降解至濃度為0約耗時15min。開啟五根燈管（紫外線照射強度200W/m3）或六根燈管（紫外線照射強度240W/m3）時，臭氧完全降解至濃度為0的時間與開啟四根燈管（紫外線照射強度160W/m3）所消耗的時間相差不大。表明，應用紫外線降解海水臭氧濃度殘余是高效可行的，在紫外線照射強度為160W/m3海水時，臭氧滅菌濃度0.60mg/L在海水中的完全降解至濃度為0僅耗時約15min，僅為自然狀態下臭氧降解所需耗時的八分之一，縮短了7倍的時間。從節約能源和降低成本考慮，適宜的紫外線照射強度為160W/m3。

2.3大黃魚苗對水體臭氧濃度耐受性試驗

表1不同臭氧濃度對大黃魚的影響（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　半數死亡0.40　17.8±5.1　大部分死亡0.50　0　全部死亡

據表1可知，在臭氧濃度0.10mg/L時，大黃魚苗活動正常；當臭氧濃度達到0.20mg/L時，大黃魚苗受到強烈應激，出現游泳緩慢，約20%個體出現死亡。表明大黃魚苗因臭氧濃度高導致應激性死亡的闕值在0.10mg/L~0.20mg/L之間。為了更加精準的獲得大黃魚苗的安全臭氧濃度臨界值，開展第二階段試驗，設置0.12mg/L、0.14mg/L、0.16mg/L和0.18mg/L四個臭氧濃度梯度。

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

據表2可知，海水中臭氧濃度在0.16mg/L以下時，大黃魚苗活動與成活正常；當臭氧濃度達到0.18mg/L時，大黃魚苗出現行動緩慢、浮頭等應激癥狀。表明，大黃魚苗的海水臭氧安全濃度應不高于0.16mg/L，臭氧濃度如果超過0.16mg/L，將導致大黃魚苗產生應激甚至死亡。

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，認為可能是養殖水體中存在的易被氧化的物質與臭氧發生了反應，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所耗時間約120min，這與方敏等對臭氧水穩定性研究得到的結果相似。從表2可知，海水中臭氧濃度在0.16mg/L以下時，大黃魚苗活動與成活正常；當臭氧濃度達到0.18mg/L時，大黃魚苗出現行動緩慢、浮頭等應激癥狀。表明大黃魚苗對臭氧耐受性不高，在養殖系統中，必須嚴格控制好水體中的臭氧濃度，如果臭氧濃度過高將導致大黃魚苗因臭氧中毒而應激甚至死亡。本試驗結果表明，在自然狀態下，海水中臭氧濃度的自然降解耗時長，而應用紫外線降解海水臭氧濃度殘余具有高效可行特點，僅為自然狀態下臭氧降解所需耗時的八分之一，縮短了7倍的時間。因此，在海水養殖系統中，為了避免臭氧濃度殘余對養殖魚類造成負面影響，可以采用紫外線-臭氧技術相結合的工藝，一方面可以加強對養殖水體的殺菌消毒能力，同時可以加速臭氧濃度殘余的分解，確保養殖水體中的臭氧濃度在安全濃度范圍內。從圖3可知，紫外線可以顯著促進臭氧的分解，因為水體中的臭氧在紫外線的照射下，可生成氧化性更強的羥基自由基，羥基自由基會迅速和水中可被氧化的物質發生反應從而加速臭氧的分解，由于羥基自由基比臭氧具有更強的氧化性，可以深度氧化去除水體中臭氧難以氧化的有機物和病原微生物。如圖3、4所示，隨著紫外線照射強度的上

升，臭氧的分解速率明顯提升，而當紫外線照射強度超過160W/m3以上，繼續提升到200W/m3或240W/m3時，臭氧濃度降解速率并沒有獲得明顯的提升，原因可能是臭氧濃度降解的速率已經達到了一個閾值，再通過提高紫外線照射強度對其降解速率的提高已經影響很小。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聯。羥基自由基由于其極強的氧化性會對生物體造成毒害，但羥基自由基非常活潑，極容易和其他物質發生反應而生成穩定的分子而不會長時間穩定停留在水體中。在工廠化養殖系統中，根據本試驗臭氧在紫外線照射下分解速率的研究結果，可以估算出臭氧濃度完全降解至濃度為0的所需耗時，從而通過完善水處理消毒單元的水力停留時間設計，確保水處理系統出水口的臭氧濃度完全分解，提高養殖系統的安全性。

中圖分類號：S969

文獻標志碼:A

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