臭氧技術在工廠化循環水養殖系統中的應用研究

中圖分類號：S968.1 文獻標志碼：A 文章編號：1004—6755（2025）05—0088—03

Abstract：In order to explain the role and application prospect of ozone technology in factory circulation water aquaculture system，the removal mechanism and effect of ozone on pathogenic microorganisms， organic matter，inorganic matter，water color and COD in circulation water aquaculture system were discussed，the common production and addition methods of ozone in circulating aquaculture system were listed，and the influence of ozone by-products on aquaculture was discussed，finally，the research on the function of ozone purification of water quality was summarized at both here and abroad. Key words：ozone；aquaculture；circulation water；by-products

水產養殖在全球糧食安全和營養方面發揮著至關重要的作用，水產品可以為全球人口提供可持續的優質蛋白質，保障均衡的營養安全，是世界糧食生產格局的重要組成部分[]。隨著水產養殖生產規模不斷擴大，一些制約產業可持續發展的問題也隨之出現，如高密度養殖造成病原微生物滋生，使水產養殖對象大規模死亡，造成巨大的經濟損失[1]。

工廠化循環水養殖（RAS）作為一種新型高效的水產養殖模式，能使養殖環境易于控制，保證了水產品的優質、生態和安全，符合可持續發展的要求。在循環水養殖系統中，水處理對于整個循環水系統的安全運行和養殖對象的生長具有重要保障作用。紫外線消毒和臭氧消毒是最常用的兩種方法，其中臭氧消毒在水產養殖中通常用于改善水質和減少病原體，用于養殖水前處理、養殖廢水處理以及循環水產養殖系統的連續處理[2]

1臭氧的作用原理

臭氧 （O₃ ）是氧的同素異形體，性質不穩定，易溶于水，通入水中能產生羥基自由基（OH和單原子氧（O），兩種原子具有高氧化能力，這些物質能與水體中的部分無機物和有機物發生氧化反應，其高氧化能力和快速分解性質使其可以高效地殺死病原微生物[3。臭氧的氧化效率受到水質、pH值、碳酸氫鹽、總有機碳水平和溫度影響4。目前，臭氧在水產養殖中多應用在殺菌消毒、祛除異味和顏色及降解有機物無機物的過程中[4]。

1.1臭氧對病原微生物的作用機理

臭氧對絕大多數微生物（包括細菌、真菌、病毒等）有滅活效果，可分解為 O₂ 和O，后者具有很強的反應性，可導致細菌細胞壁的分解并改變蛋白質和碳水化合物的功能[5]。臭氧能氧化病原微生物細胞膜和細胞壁上的脂類及肽聚糖，增加細胞膜的通透性，使細胞中的細胞成分泄漏、核酸受損、蛋白質碳氮鍵斷裂而解聚；能氧化大多數生物酶并能影響酶活性，并具有破壞細胞質的特性，使微生物基本生命代謝活動被破壞，因此在細胞表面可以觀察到細胞化合物逐漸氧化的現象[6]臭氧對細菌類病原的滅殺機制主要是通過氧化細菌原生質、裂解膜，轉移或捕獲細胞電子，降解組成外膜的不飽和脂肪酸來引起膜的變化，打破細菌外部外膜囊泡，并滲透進入細菌內部，破壞其RNA，從而達到殺菌的目的。

臭氧對微生物的滅殺功能也可能是間接的。水中或空氣中臭氧自發分解過程中可能形成活性氧化物質（包括OH、 HO₂ O₂^- 、 O₃^- 、 HO₃^- ！ H₂O₂ O^- 等），在臭氧與微生物反應時，這些活性物質可能會破壞微生物的細胞膜，最終導致其失活[8]

1.2臭氧與有機物直接與間接氧化反應

臭氧能氧化水體中的有機污染物，氧化過程分為直接氧化和間接氧化。直接氧化是臭氧使有機物分子量減小，親水性和極性都會增加，還會與小分子配體形成溶解性產物。臭氧與有機物的反應大致分為四類，即：親電反應、親核反應、加成反應、氧化還原反應。

臭氧間接氧化發揮作用時，臭氧會在水中分解成帶有不成對電子的分子一OH自由基。該OH自由基會立即與另一個分子反應，以找回丟失的電子，由此具有比臭氧更強的氧化潛力，由OH自由基與污染物發生氧化還原反應從而將污染物氧化[9]。

1.3 臭氧與無機物的反應

在養殖過程中，氨、亞硝酸鹽和硝酸鹽等無機物的積累，會危及養殖生物的安全，對養殖系統的運行和生產造成不利影響。海水中存在溴離子，可以作為臭氧氧化氨氮的催化劑，所以在低濃度時臭氧氧化氨氮的效率較高[2，10]。

1.4臭氧去除水色、COD

臭氧可以去除水色及COD，可以通過氧化有色物質中的不飽和鍵或氧化發色物質與周圍物質的共軛體系使之降低發色能力，可明顯提高水體透明度，而且即便是低濃度臭氧也能起到較好的脫色效果[1]，在臭氧濃度較低時，能在水體中有良好的去除水色的能力[12]。管崇武等[12]的研究證明，投加臭氧能夠顯著降低水體濁度，對于水體中的懸浮顆粒物具有顯著的助凝效果。

2 臭氧的產生方式

在空氣或純氧中臭氧的產生一般是通過高壓放電來實現[13]，高壓放電會造成空氣分子分裂和自由氧原子分離。這些原子與其他氧分子碰撞，從而形成臭氧分子[14]。臭氧的制備方式包括電暈放電、紫外線法以及幾種不太主流的臭氧制造方法（電解、放射化學、元素磷與水的反應）[15]紫外線燈的封裝材料和密封性在很大程度上決定了燈是否會產生臭氧，通過在燈外殼內提供特殊的壓力和填充環境，可以產生低波長輻射，從而進一步產生臭氧，但紫外線臭氧產量很少，適合少量臭氧的生產，不適合工業生產所需臭氧。電暈放電法是世界上被應用最多的臭氧制取技術，壓縮空氣進人臭氧發生器，高壓電暈放電導致氧分子分解成氧自由基，氧自由基與氧分子結合形成臭氧。電暈放電法具有設備使用周期長、產生的臭氧濃度高、適合水應用等優點[16]

3臭氧的添加方式

在循環水系統中臭氧產生后必須被轉移到水中才能進行滅活微生物或其它氧化作用，將臭氧有效溶解到水中是很重要的，臭氧反應器的設計對于安全、成功的臭氧化非常重要。有一系列反應器可以將臭氧轉移到水中，包括細氣泡擴散器、渦輪接觸器、注射器、深U形管反應器、填充柱、靜態混合器和噴霧接觸室。

目前，臭氧常用的添加裝置有填料塔、板式塔和鼓泡塔，臭氧添加裝置的選擇，應該首先考慮臭氧傳輸效率，無泄漏設計和構造以及耐臭氧材料的構造[17]。

4臭氧副產物對于水產養殖的影響

在利用臭氧消毒殺菌過程中可能會產生一系列的副產物，這些副產物可能會對魚或人類產生一些負面影響。臭氧在海水養殖系統中，會與一些物質氧化反應生成有害的臭氧副產物次溴酸鹽（OBR一）和溴酸鹽。次溴酸鹽和溴酸鹽在低濃度下對水生動物都有毒性，而且這些副產物相對穩定，即使在臭氧關閉后，它們也會在水中停留數天。亞硝基二甲胺是近年來在臭氧處理水的應用過程中被發現，具有高度致癌性，給臭氧應用在循環水養殖過程中造成了極大的威脅[18]。

5 國內外對臭氧應用的研究

目前針對臭氧對水質的凈化已多有研究。Schroeder等[18]研究結果表明，臭氧可以有效地同時去除RAS工藝水中的亞硝酸鹽和黃色物質，而不會形成臭氧產生的有毒氧化劑（OPO）的風險，同時，臭氧氧化與泡沫分離相結合，有效地降低了細菌的生物量；宋奔奔等[19研究結果表明，在添加臭氧后能有效及時地去除系統中懸浮物，去除率約為59% ，將系統總懸浮物濃度控制在 8mg/L 以下；通過向低壓噴淋式溶氧器添加 0.26mg/L 的臭氧，總氨氮去除率約為 18% ，亞硝酸鹽氮去除率約為8% ，殺菌率約為 94% 。臭氧應用在循環水養殖系統中，不但殺菌效果顯著，而且對去除系統總懸浮物、總氨氮和亞硝酸鹽氮效果良好。

6 展望

臭氧是由空氣或純氧作為原料氣體產生的，在工廠化循環水養殖系統中，臭氧須溶解到水中，才可以用于改善水質和減少病原體，在使用過程中應該重點關注臭氧的產生方式、添加方式、添加量和添加位置。由于臭氧的腐蝕性，在臭氧的產生和添加過程中，注意臭氧接觸材料要具有適當的抗氧化性能。根據經驗每天每投喂 1kg 飼料，添加13～24 g臭氧可以改善水質。另外需要關注臭氧殘留及其副產物對水生動物的影響，在接觸水生生物前要及時去除臭氧，因此建議臭氧的添加位置在循環水養殖系統的生物濾池前。本文探討了臭氧的水質凈化作用機理及效果，并分析了臭氧技術在工廠化循環水養殖系統的應用方式，以期為臭氧在水產養殖行業的應用研究提供參考。

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