光催化深度水處理工藝設備在泳池水消毒中的示范應用

張國艷,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)

水體細菌污染是游泳池水質的主要問題之一[1]。當人體長時間接觸細菌污染的泳池水后,可能會感染細菌性疾病,給人的健康和安全帶來威脅[2]。采用單一的常規氯消毒泳池水,人們患皮膚炎、呼吸道及支氣管疾病的概率明顯增加,且其副產物含量超標會引起紅眼病等不良反應[3-4]。隨著人民生活水平的提高,人們對休閑娛樂的環境設施要求不斷提高,需要尋找新的更安全可靠的殺菌消毒技術,為安全殺菌消毒尋找另一種可能的方法[5]。

據國內外有關報道,針對游泳池水處理已研制出不同結構的光催化反應設備,如光電催化設備[6]、光電水質凈化設備[7]、TiO2復合光催化設備[8]、光催化與臭氧聯合處理游泳池水[9]等。而這些光催化反應設備在大規模應用推廣中存在日處理量小、耗電量大、處理效率低等問題。

針對以上技術難點,研究團隊自主開發了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載型光催化劑,組件結構設計將光催化、紫外和臭氧滅菌技術集成為一體,與游泳池水處理凈化工藝相配套,處理流量大。該設備與常規氯消毒組合處理游泳池水,示范試驗結果完全符合《游泳池水質標準》(GJ/T 244—2016)[10]所要求的指標,同時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品質,給人更安全舒適的游泳環境。

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,循環流量為28 m3/h,泳池水處理工藝如圖1所示,采用多介質過濾器對游泳池水進行過濾凈化,通過投加NaClO消毒劑(即僅投加NaClO)滅菌,pH調節劑(食品級檸檬酸)調節泳池水的pH,板式換熱器加熱游泳池水。采用衛普士泳池水質在線監測儀對游離性余氯、pH、氧化還原電位(ORP)和渾濁度遠程監控并數據云端存儲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 示范裝置工藝設計與設備選型

對蘭州某酒店游泳館進行改造,在原有工藝中增加光催化深度水處理工藝設備(簡稱示范設備),循環流量由28 m3/h降為20 m3/h,循環次數為2.6次/d(圖1)。實現光催化深度水處理工藝設備與常規氯消毒組合(即光催化+NaClO)處理游泳池水,相關設計參數如表1所示。

表1 示范裝置的相關設計參數Tab.1 Relevant Designed Parameters of Demonstration Device

示范設備主要由8英寸管式光催化組件、氣液混合器、氣體流量計、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#閥進入管路,進入8英寸管式光催化組件,經光催化處理后通過2#閥,再經板式換熱器加熱后返回游泳池。同時,空氣進入8英寸管式光催化組件產生臭氧混合氣,由氣路進入氣液混合器和游泳池水充分混合,再進入8英寸管式光催化組件,實現光催化和臭氧(自產)協同滅菌。

圖2 光催化深度水處理工藝設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

示范設備的核心部件為8英寸管式光催化組件,其結構示意圖如圖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。外殼兩端設置進、出水口。石英管兩端開口,光源置于石英管內。外殼和石英管之間裝填V-N-TiO2/玻璃珠光催化劑,并通過封頭密封連接。

圖3 8英寸管式光催化組件結構示意圖Fig.3 Schematic Structure of 8-Inch Tube Photocatalytic Assembly

封頭結構如圖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)、密封圈構成。石英管穿過布水板,通過U型密封圈與封頭本體密封連接,并通過石英管端蓋固定。封頭本體與石英管、擋板之間為布水腔,并與進出水口連通。封頭端蓋均有通氣孔,與封頭本體之間區域為氣腔,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 封頭結構示意圖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 試驗結果與分析

在循環流量為20 m3/h、保證游泳池水中大腸桿菌不得檢出、菌落總數<100 CFU/mL、各項泳池水指標均達標的情況下,對原工藝(即僅投加NaClO)和示范設備與常規氯(NaClO)消毒組合處理游泳池水(即光催化+NaClO投加)進行示范試驗。

2.1 僅投加NaClO

蘭州某酒店游泳館循環流量為28 m3/h,僅投加NaClO,其游離性余氯設定值為0.8 mg/L時,泳池水各項指標均符合《游泳池水質標準》(GJ/T 244—2016),為該運行狀態下的最佳條件。示范設備與常規氯(NaClO)消毒組合處理游泳池水工藝中,循環流量變為20 m3/h,僅投加NaClO,游離性余氯仍設定值為0.8 mg/L時,考察pH、ORP、渾濁度、大腸桿菌、菌落總數去除情況。

由圖6可知,7 d的游離性余氯、pH、ORP和渾濁度在合理范圍,相對穩定,均符合CJ/T 244—2016水質標準。

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

總大腸桿菌、菌落總數隔天取樣測試,檢驗結果如表2所示,游泳池水中總大腸桿菌未檢出、菌落總數<100 CFU/mL,均符合泳池水標準。

表2 菌落總數和總大腸菌群檢測結果Tab.2 Results of Total Colonies and Total Coliform

2.2 光催化+NaClO投加

由于《游泳池水質標準》(GJ/T 244—2016)中規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,設定游離性余氯質量濃度分別在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<100 CFU/mL;pH、ORP和渾濁度在合理范圍變化,但相對穩定,均符合CJ/T 244—2016水質指標。光催化+NaClO滅菌共同作用下,游離性余氯降為0.4 mg/L時,泳池水水質仍達標。

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

2.3 穩定性試驗

示范設備與常規氯(NaClO)消毒組合處理游泳池水工藝中,循環流量為20 m3/h,游離性余氯質量濃度設置為0.4 mg/L,考察菌落總數、總大腸菌群、游離性余氯、pH、ORP和渾濁度的穩定性,進行為期1個月的穩定性試驗。

在整個試驗期間,菌落總數<100 CFU/mL、總大腸菌群未檢出,說明光催化+NaClO滅菌工藝在游離性余氯為0.4 mg/L時,完全能保證泳池水水質達到衛生標準。

由圖8可知,在整個穩定性試驗期間,游離性余氯、pH、ORP和渾濁度均保持穩定,均符合CJ/T 244—2016水質指標。

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

2.4 示范工程經濟分析

2.4.1 設備費

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

表3 主要設備清單Tab.5 List of Master Equipments

2.4.2 運行費核算

(1)運行電費

示范設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,實際運行一個月的總耗電量為3 100.78 kW·h,實際日耗電量103.36 kW·h(每月以30 d計)。實際日耗電量為理論日耗電量的85.28%。

(2)藥劑費用估算

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調節劑(食品級檸檬酸)月平均消耗量為100 kg,費用為10元/kg,采用NaClO+光催化消毒工藝后,pH調節劑消耗量下降25%。

(3)成本核算

①僅投加NaClO消毒劑對游泳池水滅菌日處理費用為: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投加量對游泳池水滅菌日處理費用為: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[電價以商用電價0.764元/(kW·h)計]。

從上述結果看,光催化預滅菌對NaClO消毒劑投加量降低40%,pH調節劑消耗量下降25%,藥劑的投加量有較大的降低,但運行費用反而增加50.97元/d,其經濟性較差。主要問題是示范工程游泳館泳池水容量為180 m3,循環流量為20 m3/h,循環周期為9 h,每天循環2.6次,該數值太低,光催化滅菌是過流式滅菌,循環次數少,難以發揮其效果。若按正常游泳池水處理的循環次數5次/d計算,充分發揮光催化滅菌效果,NaClO消毒劑投加量可降低76.92%,pH調節劑消耗量下降48.08%,示范工程日處理費用降為107.81元/d,與僅投加NaClO消毒劑對游泳池水滅菌日處理費用(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品質,給人更安全舒適的游泳環境。因此,光催化深度水處理設備與常規氯(NaClO)消毒組合處理游泳池水技術具有較好的應用前景。

3 結論

(1)示范運行中僅投加NaClO,其游離性余氯設定值為0.8 mg/L時,泳池水各項指標均符合《游泳池水質標準》(GJ/T 244—2016),為該運行狀態下的最佳條件。

(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調節劑投加量下降25%,菌落總數、總大腸菌群、游離性余氯、pH、ORP和渾濁度等各項指標均符合《游泳池水質標準》(GJ/T 244—2016)要求,示范設備運行穩定,且泳池水中游離性余氯和化合性余氯的含量得到降低,泳池水品質顯著提高。

(3)示范設備光催化+NaClO處理運行成本為133.97元/d,比僅加NaClO處理運行成本增加50.97元,經濟性較差;若按泳池水循環次數常用值5次/d計算,則日處理成本降為107.81元,與僅投加NaClO消毒劑對游泳池水滅菌日處理費用(83.0元)相差不大。考慮到光催化+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要求較高的場所具有較好的應用前景。