臭氧发生器技术现状及不脱除臭氧法

在游泳池水处理中的应用

                                               陈雷

1.游泳池使用臭氧的优点
◆臭氧及其二次产物(如羟基)具有最强的杀菌性及灭活病毒的作用，可有效防止传染性疾病的蔓延，实验证明，同样浓度的臭氧杀灭细菌和病毒的效果是氯的600-3000倍。在臭氧浓度为1mg/l时，粪型大肠杆菌的灭活只需要5秒，用同样浓度的氯要达到同样的效果需要15000秒。
◆臭氧是国际公认的环保型绿色杀菌剂，不会对环境造成任何二次污染，而氯制剂会与水中的有机物反应生成多种氯代有机化合物，如三氯甲烷、氯仿等，这些物质均为公认的致癌致突变物。当人游泳时，这些有毒物质会被人体所吸收（在水中人体每小时可吸收500毫升水）。水中的氯代有机化合物还会刺激人的眼睛及皮肤，从而引发红眼及皮疹。
◆从水中蒸发出来的氯代有机化合物以及氯气等有毒气体，聚集在泳池上方不易散去，损害人的呼吸器官，严重影响人们的身体健康，而使用臭氧则完全不会产生此种问题。
◆加氯所产生的次氯酸及其衍生物，严重腐蚀水处理系统及馆内设备和结构如网架、暖气等。
◆臭氧是最强的氧化剂，可有效分解水中的腐植质，氧化水中的铁、锰离子，分解水中散射光线的微小有机体，从而大大提高水的清澈度,使水呈现出美丽的蓝色，而氯制剂则无此效果。为使水呈蓝色，使用氯制剂的泳池，往往需加入硫酸铜盐，对人极为有害。
◆加入氯制剂后，必然会导致水的pH值的改变，使人感到不适，因而需加入碱性或酸性物质予以中和。而臭氧是中性物质，不会产生此种问题。
臭氧能确保大客流量及高温季节时水质的稳定性，高温及客流量大时，水质往往不佳，此时，如果使用氯制剂，则需大量投加，这将带来一系列副作用，如pH值的变化、对呼吸道及人体的刺激等；而大量投加臭氧则无此副作用。
◆使用臭氧发生器，可大大降低水处理工艺的管理及操作难度，同时臭氧发生器具有很高的安全性，而氯制剂在运输、储藏、使用时具有一定的危险性。
◆臭氧可分解水中的有机物且具有微絮凝作用，因而在正常客流量下，可以不用絮凝剂。
◆在一定的使用条件下，如逆流式循环、不使用活性炭滤罐，不必投加氯制剂、絮凝剂、pH调节剂，可将臭氧作为水处理唯一的药剂。

2.臭氧的产生方式
    一般常用两种方法制备臭氧：紫外线辐射法和电晕放电法。紫外线发生器用于较小的水量，相对比较简单和经济，但浓度较低，不超过0.1％；产量有限，一般仅为几克/小时，效率也很低，仅适用于按摩池等小型游泳池。电晕放电法臭氧发生器的效率较高、臭氧浓度及产量也大，对于每小时循环流量在10吨以上的游泳池，应采用此类臭氧发生器。

2.1紫外线臭氧发生器
    大多数安装在居民区小型游泳池和浴池的臭氧发生器用紫外线灯产生臭氧。臭氧通过用波长低于200nm的紫外线照射普通空气产生。当足够的紫外线能量加给氧分子，氧分子就分裂为两个自由的单原子，这些单原子与其它氧分子碰撞产生臭氧分子。每个臭氧发生器的产率由以下几个因素而定：紫外线的能量和波长，紫外线灯周围的空间，温度，湿度，以及空气中的氧气含量和通过发生器的空气流的体积。如果一个给定系统的结构保持相对稳定，影响臭氧浓度的主要因素是空气流速。

2.2电晕放电法臭氧发生器
    干燥的氧气或空气通过放电间隙，在高能电磁场下，氧气被电离成氧原子，氧原子与氧分子碰撞形成臭氧。其产率与氧的浓度、气体干燥度、电源频率、介电材料的厚度、介电常数等有直接联系。臭氧的发生效率与气体的干燥度成正比,与气体中的氧浓度成正比(臭氧产率在氧浓度为92%时最高),与电源频率成正比,与放电间隙成反比,与介电层厚度成反比.

3.影响臭氧发生器技术水平及质量的几个主要因素：
3.1 气源
    气体的性质（高浓度氧或空气）及干燥度对臭氧发生器的效率及性能有着重要的影响。气源中含有的水气及微粒应被去除到最少，存在于气源中的杂质会沉积在电极表面影响放电。源气中的水气会导致两个严重的问题。第一，将导致臭氧产量急剧下降，第二，空气中的一小部分氮将被氧化溶解在水气中形成硝酸对设备造成腐蚀。源气的露点应保持在-60℃以下以防止这类事情的发生。

    使用空气作气源时，臭氧产率随浓度的上升快速下降，例如，当臭氧浓度为13g/m3时（1.1%重量比），每度电能产生35克的臭氧，当臭氧浓度为20g/m3时，每度电只能产生28克左右臭氧。如要达到50 g/m3的浓度，几乎无产量。因而采用空气作气源时，往往采用10-20g/m3左右的臭氧浓度（1-1.5％重量比）。

    以下几个原因使得采用高浓度氧气作为气源成为首选:第一，高浓度氧气的生产工艺保证了气源的纯净和低露点----可轻松达到-60℃以下。第二，高浓度氧气大幅度提高臭氧发生器的效率和性能，例如，采用高浓度氧气（92％）时，当臭氧浓度为50g/m3时（这样的浓度是空气法无法达到的），每度电能产生100克以上的臭氧。第三，研究表明，臭氧的溶解度符合亨利定律。这说明臭氧的浓度越高，臭氧的溶解度也就越高，臭氧的溶解量也就越高。将臭氧浓度从1%提高到4-6%，同样的剂量可以使更多地臭氧溶解在水中而且同时相应的提高处理效果。第四，高浓度臭氧气使得需要溶解的气体体积减少到空气法的1/5,所需溶解动力只有空气法臭氧的1/5。第五，氧气制备系统提供的清洁环境可增加臭氧放电组件的使用寿命，并相应地减少系统的维护费用。现代一般采用分子筛变压吸附法制取高浓度氧气。

3.2 放电电源
    臭氧由于是在高能电磁场下形成的，因而需要有外界提供相应的能量，这就是臭氧放电电源，理论计算表明，电源频率的提高可减少设备体积，降低放电电压，提高系统的安全性和可靠性，但中高频电源的应用需要电力半导体技术做支撑。臭氧在应用之初,使用的是工频电源,设备体积庞大。随着电力半导体技术的飞速发展,中高频臭氧发生器电源的可靠性得到大幅度的提高，目前国际上处于技术领先的臭氧发生器厂家在大功率臭氧发生器上普遍采用了中高频电源(大于400Hz)。

3.3 臭氧发生筒
    臭氧发生筒是臭氧发生器的核心元件之一，也是故障高发区。它影响到臭氧发生器的放电电压、效率及可靠性，因而国际通行的标准是生产厂家对臭氧发生筒保修3年。由于臭氧发生器的其它部件已实现了国际化采购，因而臭氧发生筒的性能是衡量臭氧发生器生产厂商研发能力的重要标志。

3.4 控制及电器元件
    一台先进的臭氧发生器应具备各种控制及保护功能，国内外先进的臭氧发生器均以PLC为控制核心，具有远控功能，并可由主控台对系统进行控制，并能实现与循环泵、加压泵等的联动。具有短路保护、冷却水过温保护、变压器过温保护、机柜开关保护等各项联锁保护功能。各种控制及传感元器件的性能直接影响到臭氧发生器的可靠性，一般来说，如果一台臭氧发生器上的控制及电器元件选择合理，则该部分的可靠性会得到保障。

4.国产臭氧发生器的技术水平
    国内已有许多臭氧发生器生产厂家，其中有些厂家在技术上没有研发能力和测试手段；在生产上，采用质量低劣的元器件，造成系统不能正常运行；在销售上，采用虚假的宣传手法，例如，吹嘘自己的产品是某某大学的技术，产生1公斤臭氧耗电量只有1度等等；在使用上，不能对用户进行有效的技术指导。这些，都妨碍了国产臭氧发生器的推广应用。
目前，国内已涌现出一些拥有自主知识产权的厂家，这些厂家拥有自已的研发队伍，在臭氧发生器技术水平和质量上，已达到国际先进水平，产品在许多大型游泳场馆和国际性游泳比赛中得到了应用。
国产先进臭氧发生器的技术水平及质量主要体现在以下几个方面

◆气源
先进的臭氧发生器，应采用高效分子筛变压吸附制氧技术生产高浓度氧气，每立方米氧气功耗在1kw以下。
◆放电电源
国产先进的臭氧发生器，采用高频放电电源，与工频相比，系统的体积减少了2/3，臭氧发生效率和自控水平得到了提高。
◆臭氧发生筒
国产先进的臭氧发生器，拥有自主知识产权,采用低温等离子体放电技术，降低放电电压50％以上，臭氧浓度提高1倍以上。无故障工作时间达到20000小时以上，处于国际领先水平,保修期与国际同步，为3年。
◆臭氧发生器的控制
与国际上先进的臭氧发生器一样，国产优质臭氧发生器也以PLC为控制核心，可由主控台对系统进行控制，并实现了循环泵、加压泵等的联动。具有短路保护、冷却水过温保护、变压器过温保护、机柜开关保护等各项联锁保护功能。
◆臭氧发生器的效率
包括臭氧发生器的耗电量、气体制备系统的耗电量、臭氧气水混合系统的耗电量。在游泳池臭氧系统中，以一台400g/h的臭氧发生系统为例，国外先进水平是：采用空气作气源、臭氧浓度为20g/m3 时，系统耗电量（含臭氧发生器、气体净化干燥系统、加压泵）约为20g/kwh。国内先进水平是：采用空气或氧气作气源时、臭氧浓度为20g/m3 时，系统耗电量约为20g/kwh。采用氧气作气源时，臭氧浓度为60 g/m3 时，系统耗电量约为30g/kwh。
◆设备所采用的元器件
臭氧发生器的质量和性能在很大程度上取决于元器件的质量，国内先进厂家的臭氧产品元器件已实现采购国际化。

5.臭氧在游泳池中的应用方法
5.1 传统的方法
    传统的游泳池臭氧消毒理论认为：臭氧是一种非常强的氧化剂，有毒性，所以绝对不允许臭氧进入游泳池内。因为臭氧的比重大于空气，如果从水中析出，就会浮在水面上，形成一个浓度较高的臭氧层，很容易被人吸入，造成中毒。所以，在水与臭氧反应之后回到游泳池内之前，必须经过脱臭氧装置，防止剩余的臭氧进入游泳池，在脱臭氧装置之后，为维持长效杀菌作用，需投加氯制剂，以保证游泳池内的余氯在0.3～0.6ppm之间。在游泳池水处理中，臭氧的投加量在0.8-1.0mg/l。

传统的泳池水处理臭氧消毒法有以下特征：
◆必须有较大容积的臭氧反应器，以保证臭氧与水的接触反应时间不小于2分钟；
◆保证臭氧与水反应后，水中剩余臭氧浓度不小于0.4mg/l；
◆在进入水池前利用活性炭脱除全部剩余臭氧；
◆臭氧消毒后，投加氯消毒剂，使余氯达到0.3-0.6mg/l。

在实际应用当中,上述方法存在如下问题:
◆臭氧利用率问题；传统的泳池臭氧消毒工艺需要把剩余臭氧脱除。规范要求臭氧投加浓度在1.0mg/l左右，剩余臭氧浓度大于0.4mg/l，这些剩余的0.4mg/l臭氧未被利用就被脱除了，等于被利用的臭氧只有0.6mg/l左右，其余的臭氧被浪费掉了。而且，将臭氧脱除后，还需要再加氯作为长效消毒剂。
◆基建投资问题:按传统游泳池循环水臭氧消毒方法，臭氧与水的接触时间最好在3分钟以上,如果以最短接触时间2分钟计，对于一个标准池来说(2400m3左右)，水处理循环流量为400m3/h，2分钟流量为13.3m3 。按照要求,活性炭滤罐的滤速为30m/h,这就需要一个过滤面积为13.3 m3的活性炭滤罐,这将大大增加机房的面积,同时臭氧系统的造价会增加30%以上.
实际上，如果不脱除臭氧，这些问题有可能得到解决。因此，国内外都有许多单位对此方法进行了研究和应用。

5.2不脱除臭氧消毒法的理论分析
    传统的泳池臭氧消毒法认为臭氧有一定的毒性，所以要求在臭氧进入泳池之前将水池中的臭氧全部祛除，以防止臭氧对人体产生危害。
我们知道，质的毒性是与浓度有关的。臭氧在空气中的浓度大于0.1mg/l时能对人体呼吸器官产生刺激，在这个浓度以下，对人体影响不大。
实际测试表明，当臭氧投加量1.0mg/l时，池中臭氧浓度最高不会超过0.1mg/l。有资料指出，游泳池水的臭氧浓度在0.15mg/l以下时，对人体无害，实际情况也是如此。需要强调指出的是，毒理学试验表明，在相同剂量下，臭氧的毒性低于氯，如果说臭氧在此浓度下对人有害,那么,氯对人体的危害更大。

国内外的分析研究表明（限于篇幅，本文不作具体介绍）：
◆采用直接投加臭氧的游泳池水处理消毒法在理论上有其可行性；
◆不脱除臭氧消毒法的主要接触反应区域是在游泳池中，所有臭氧都是自由活性分子，都能起到消毒作用；
◆由于臭氧在水中和空气中都会衰减，且半衰期较短，因此不会产生臭氧浓度的累积；
◆臭氧在水中的溶解度远远大于臭氧的投加量，水中的臭氧不会大量析出，不会对人体造成伤害。

◆为了防止臭氧对人体产生危害，传统臭氧消毒法规定了臭氧在水中的最高剩余浓度；在不脱除臭氧消毒法中，为了保证臭氧的消毒作用，应当规定臭氧的最低剩余浓度，臭氧浓度不宜低于0.05ppm,。
◆对于不脱除臭氧消毒法，应在最高臭氧剩余浓度和最低臭氧剩余浓度的范围内，根据实际试验确定合理的臭氧投加量和循环周期。

5.3 不脱除臭氧消毒法工程实例
    以下介绍几个我们做过的不脱除臭氧消毒法的工程实例，与大家共同探讨。

中央办公厅文津俱乐部游泳馆
    中央办公厅文津俱乐部游泳馆建于60年代，为一标准池，水量为2400m3 ，循环周期为8小时，该游泳馆是为党和国家高级领导人以及副部级以上干部服务的游泳馆，每天运行时间为早8:00至晚10:00,以前采用顺流式布水方式, 后改为逆流式循环方式。消毒早期采用液氯，由于安全问题，后改为次氯酸钠及次氯酸钙消毒，存在许多问题，主要有：空气中有氯味、池水对人有刺激、皮肤搔痒、池水发乌、池壁结垢严重，领导们反应强烈。2000年8月安装了本公司生产的臭氧发生器，采用滤后投加臭氧方式，臭氧采用局部水流混合方式（约为总水流的1/2），投加量为0.5g/m3 ，不脱除臭氧，自从安装臭氧发生器以来，该游泳馆未投加过任何化学药剂，包括氯制剂、絮凝剂、pH值调节剂等，该游泳馆经305医院化验室和防疫站的多次严格检验，细菌指标完全符合国家标准的要求，空气清新、水质清澈、池壁结垢几乎消失。前来游泳的中央领导对此很满意，从未再提过意见。

中央办公厅官园游泳馆
    中央办公厅官园游泳馆建于八十年代，40×20×（1.2-2.2），水量约为1400m 3 ，循环量为150 m3/h，该游泳馆是为中办领导及离退休老干部服务的。运行时间为24小时不间断,以前采用顺流式布水方式, 后改为逆流式循环方式。消毒早期采用液氯，后改为次氯酸钠，原来的问题主要有：空气中有氯味、池水对人有刺激、皮肤搔痒，游泳者对此不满意。2000年8月安装了本公司生产的臭氧发生器，采用滤后投加臭氧方式，臭氧采用局部水流混合方式（约为总水流的1/2），投加量为1g/m3 ，不脱除臭氧，自从安装臭氧发生器以来，该游泳馆未投加过任何化学药剂，包括氯制剂、絮凝剂、pH值调节剂等，该游泳馆经305医院化验室和防疫站的多次严格检验，细菌指标完全符合国家标准的要求，空气清新、水质清澈、池水对人体毫无刺激。

国家奥林匹克体育中心英东游泳馆
    英东游泳馆建于1989年，其设计标准是用来承接国际比赛，已圆满完成第11届亚运会及第21届大运会的游泳比赛项目，并已正式列入2008年奥运比赛场馆。英东游泳馆除承接大型国际比赛外，平时主要对外开放，每天营业时间约为10小时，高峰期每天接待5000名以上的顾客。

1、水处理系统情况：该馆共有四个池子，采用逆流式布水方式，一个标准比赛池（50×25×3），一个跳水池（25×25×5.5），一个训练池（25×12.5×1.8），一个放松池，设计循环周期为7小时。过滤系统采用碳钢罐环氧防腐处理，为国内生产，三层滤料，滤层深度约为1.2米，过滤速度为，消毒采用臭氧加液氯。装有3套臭氧发生器,2001年初，为备战第21届世界大学生运动会游泳比赛，对水循环系统进行了大修改造，对臭氧发生器进行了更换，其中比赛池（600g/h）及跳水池(400g/h)的臭氧发生器为本公司产品，训练池(240g/h)为德国普罗名特公司产品。臭氧投加量为0.8-1.0mg/l。
设备运行情况：夏季每天运行时间约为14小时，循环两次，其余季节，每天运行8小时左右，循环一次，为节约成本，时间基本安排在夜间。

2、臭氧投加方式：原系统设计具有活性炭滤罐脱除臭氧工艺，本次改造后，有1/2水流经过活性炭罐以吸附其中的有机物，另一半水流不经过活性炭罐，直接经傍流管入池以充分利用臭氧。引方法已经过第21届世界大学生运动会游泳比赛的检验。

国家体育总局训练局游泳馆
    国家体育总局游泳馆承担着国家游泳队训练任务及少儿培训任务，建于50年代末，是一个比赛跳水兼用池（50×25×1.2-5），现仅用于游泳训练，游泳馆水处理系统在夏季时负担较重，每天除保证国家队训练时，还有1000多儿童学游泳，夏季时每天从早6：30-21：00池中从不空闲。

1、水处理系统情况：该游泳池水量为2700，循环周期为7小时。过滤系统采用2台Φ2400的国产碳钢立式过滤罐，经环氧防腐处理，滤料层深度为1200，过滤速度为，消毒采用臭氧加液氯。99年为备战奥运会，由本公司进行对整个水循环系统进行了大修改造，重做了过滤系统的防腐层，更换了滤料、阀门、水泵等。将原已瘫痪的臭氧系统进行了大修改造，电源系统、臭氧发生筒、空气干燥部分均已更换为国产件，整个水处理系统运转正常。臭氧投加量为0.5mg/l。改造后,臭氧水不经过活性炭过滤直接入池,投加少量氯气,余氯量为0.1-0.3ppm。水质湛蓝清澈，对人眼及皮肤无刺激性，国家队队员反映良好。

2、设备运行情况：该游泳池建造年代久远，为顺流式布水方式，夏季每天运行时间约为16小时，其它季节为9小时，平时基本不投加絮凝剂，只在夏季高峰时投加少量絮凝剂，每年用量不到200公斤。

3、该馆存在的问题：由于池水无法外溢，造成水面漂浮物无法清除，同时池的四周经常产生油渍，增加了日常维护工作量。

广州天河体育中心游泳馆
    广州天河体育中心游泳馆是为举办86年六运会游泳跳水比赛而建造的，有三个池子，即比赛池、跳水池、训练池，为顺流式布水。该馆平时任务量不大，主要承接比赛任务。2001年为举办九运会，对该馆进行了改造，水处理系统改造由广州环保设备厂总包，更换了水泵及臭氧发生器，臭氧一台采用了本公司的产品，为氧气法制臭氧，臭氧浓度为60g/m3 ，另一台为奥宗尼亚的产品，为空气法制臭氧，浓度为20 g/m3 ，产量均为400g /h。

1、水质情况：水质良好，达到了国际比赛要求。

2、该馆存在的问题：训练池与其它两个池子不在一个水平面，且共用一套水处理系统、采用顺流式布水方式，池水因而不能同时循环，必须分别进行切换，增加了工作量，同时，水面漂浮物不能及时去除。此外，循环泵设计选型存在问题，该馆过滤系统所需水头仅为16，而泵的扬程却高达37，为防止水泵过载，不得不对采取措施进行憋压，造成巨大的能源浪费。

燕山石化游泳馆
    燕山石化游泳馆原为一室外游泳馆，于99年改为室内游泳馆，为双标池，水量为5400m3 ，循环周期为10-12小时，每天24小时不间断运行,为顺流式循环方式。消毒早期采用液氯，由于安全问题，后改为三氯异氰尿酸钠，存在的问题主要有：空气中有氯味、用药量较大、池水对人有刺激。98年安装了本公司生产的臭氧发生器，由于受场地限制，采用滤前投加臭氧方式，投加量为0.4g/m3 ，不脱除臭氧，自从安装臭氧发生器以来，除夏季投加一些氯制剂之外，其它季节基本不加氯，检测表明，经过臭氧处理后，余氯量在0.06ppm时，水中细菌总数各大肠菌群的数量均为0。同时室内空气清新无氯味、水质清澈。

燕山石化东风游泳场
    燕山石化东风游泳场为双标池，水量为4000m3 ，循环周期为10小时，每年夏季24小时不间断运行,为顺流式循环方式。消毒早期采用液氯，由于安全问题，后改为三氯异氰尿酸钠，存在的问题主要有：用药量较大、池水对人有刺激。99年安装了本公司生产的臭氧发生器，由于受场地限制，采用滤前投加臭氧方式，投加量为0.4g/m3，不脱除臭氧，自从安装臭氧发生器以来，夏季氯的投加量减少2/3以上，9月1日后不再加氯，水质清澈对人体无刺激。

中国人民解放军空军司令部俱乐部游泳馆
    该馆游泳池长为40 m，水量为1400m3 ，采用重力式过滤系统，滤料厚度不超过500mm，循环量为100m3/h，循环周期为14小时，每年夏季24小时不间断运行,为顺流式循环方式。由于水质不佳，投氯量过大，对人体刺激很大，2000年安装了本公司生产的臭氧发生器，臭氧投加量高达1.5mg/l。但仍然需要投加液氯。其原因在于过滤效果太差，造成池水浊度降不下来。

几点体会：
◆泳池采用臭氧消毒时，应采用逆流式循环布水方式，在此情况下，含有臭氧的进水可快速与池水混合，有可能不用投加其它化学药剂，如氯、絮凝剂、pH调节剂等，在实际运行中，逆流式布水方式带来的其它好处只有游泳池管理者才能真正体会到，如水面漂浮物容易清除、节水节能、池子清洁工作量小等。
◆泳池水采用臭氧消毒时，不必也不应该脱除剩余臭氧，水中的剩余臭氧不会达到对人造成伤害的浓度。
◆采用逆流式循环不脱除臭氧时，如果池水能按规范进行循环，在正常客流量下，臭氧投加量在0.5mg/l时，可满足消毒需要，但设计时应考虑留出余量。
◆可采用ORP控制器对水中的臭氧浓度进行监测，当池水回水的臭氧浓度偏高（大于0.15ppm）时，关闭臭氧发生器。
◆ 过滤对水质起着决定性作用，在滤料粒径在0.6-1.0mm时，如果滤层厚度（不包括承托层厚度）能达到900mm，则臭氧投加量就可减少，否则，投加再多的臭氧也达不到设计要求。
◆几乎所有的资料都在谈论避免过多的臭氧进入游泳者和池边人的肺中。所谓"过多"是指人在8小时内呼吸到的空气中臭氧浓度在0.1ppm以上的情况，这是欧美当局的统一规定。理论分析及实际应用表明,一个典型的为游泳池设计的臭氧发生器是永远不会达到这个浓度的。
◆如果要投加氯制剂，则余氯达到0.1ppm时，即可满足消毒需要。
◆如果采用活性炭，可将其作为一种生物滤料，用以降解水中的有机物和氨氮,此时不应投加长效杀菌剂以防止其杀灭活性炭上的微生物，并将少量臭氧化水通过活性炭罐。这种情况下臭氧化的目的有两个：一是消毒，另一个是将难以生物降解的有机物分解为可生物降解有机物，提高生物降解有机物的能力。

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