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水產養殖中多層式臭氧混合試驗裝置與系統

 

        2012年，我國水產品總量達到5906萬t，其中養殖產量4305萬t，已經連續24年居世界第1位。工廠化循環水養殖模式作為工業化水平 很高的養殖模式越來越得到重視和發展。該模式是以水產養殖用水凈化后循環利用為核心特征，臭氧在工廠化循環水產養殖水處理系統創中已經被較為廣泛地應用。國外關于養殖水體臭氧消毒的研究早已展開，其中Steven曾提出了利用臭氧對循環水養殖水體消毒的方法，主要是利用一種增氧的裝置—Speece錐（國內稱溶氧錐或曝氣錐）來混合臭氧和水，得到高濃度（大約0.1~0.2mg/L）的臭氧水溶液；消毒使用后的高濃度臭氧水對生物有毒性，研究人員又設計了紫外線裝置來消除水中的剩余臭氧，使濃度降低到0.01mg/L。關于混合裝置Speece-錐的尺寸與結構設計，Daniel等為Speece-錐建立了動態模型，方便設計者進行初始尺寸設計和 很優化選擇。
 

        國內在養殖水體中使用臭氧消毒的研究很少見，在實際生產中的臭氧混合裝置大部分是鼓泡塔式接觸反應器，這種鼓泡塔大部分高3m以上，不適于移動和日常的維護操作。國內也有關于臭氧消毒的研究，其混合方式摒棄了這種笨重的反應器，取而代之的是輕巧的射流混合Q或葉片泵攪動混合方式，取得了較好的效果，但設備都是購買自國外成熟的產品，沒有自己的設計方案。填料塔1-0是化工企業中 很常用的氣、液傳質設備之一，在塔內設置填料使氣液兩相能夠達到良好傳質所需的接觸狀況。近年來，人們對填料塔作了大量的實質性研究，并取得了突破性進展，主要表現在一些新型高效塔內件和塔填料的問世，并取得了很好的經濟效益。本研究主要通過按氣液混合理論設計的一種多層填料塔開展對臭氧進行混合溶解的研究，根據在不同填料的種類及填料高度的條件下，調節氣液比進行試驗，得出臭氧在水中溶解效率較高的條件，提高臭氧的溶解效率，研究探索一種水產養殖用的新型臭氧混合方法，以促進臭氧能夠更有效和經濟地應用于工業化水產養殖產業。

 

1材料與方法

1.1試驗裝置與系統

圖1是本試驗裝置結構與系統示意圖。如圖1所示，臭氧混合裝置呈多層塔狀，塔端是進水層，底部為出水底座，中間為多層混合層，各層之間設有布水/導氣支撐板，混合裝置直徑為200mm，高度分別有200mm和300mm兩種規格。試驗系統主要由臭氧混合裝置、臭氧發生器、轉子流量計、液體流量計、球閥、蓄水池和1臺潛水泵組成。裝置工作方式：水由潛水泵到進水層，由上至下逐層下落，通過混合層中設置的填料使臭氧與水充分混合，將臭氧轉移到水體中， 很后下落至出水底座，由出水口排出。為保證各層間水與臭氧的充分混合，各層間均設有布水/導氣支撐板，其上有42個直徑為5mm的布水孔，開孔率為13%，其中部的通氣管直徑為20mm，高度為60mm。

1.2試驗材料

試驗用水是溫度為20℃的自來水，純氧作為氣源，填料分別為多面空心球、鮑爾環和改性懸浮生化填料。

3種填料的具體性能參數如表1所示。

1.3試驗設計

臭氧混合系統中，混合層中分別選用鮑爾環、改性懸浮生化填料與多面空心球3種典型的填料。為了減弱單層填料過高而產生的“壁流效應”和“放大效應”，第1組將試驗填料的高度分為3個層次：0.3m（1層）、0.5m（2層）、0.7m（3層），調節水流量為4、5、6m3/h，氣流量為0.1、0.2、0.3、0.4、0.5m3/h等5個梯度進行試驗。第2組，氣液比一定，即水流量為6m3/h、氣流量為0.1m3/h時，改變填料高度，研究鮑爾環作為填料時，對臭氧混合溶解效率的影響。

1.4測定方法及數據處理

試驗主要測量臭氧發生器產生臭氧的濃度和水中溶解的臭氧濃度。臭氧發生器產生臭氧化氣體中臭氧濃度的測量使用碘量法n5-1d，測量時一般采用碘化鉀（Kl）溶液（20%），水中溶解的臭氧與碘化鉀反應游離出碘，等該反應結束時應首先對該溶液酸化，靜置5min；然后用已經標定好的硫代硫酸鈉（NazS203）標準溶液滴定，該滴定采用電位滴定儀對游離碘進行滴定，滴定結束后，在電腦上讀出所用硫代硫酸鈉（NazS203）標準溶液體積， 很后根據硫代硫酸鈉標準溶液的消耗量計算出臭氧濃度。

臭氧濃度按如下公式計算：

 ρ（O3）=（VnaxC×24000）/V

式中， ρ（O）為臭氧濃度（mg/L）；Vm為硫代硫酸鈉標準溶液用量（mL）；C為硫代硫酸鈉標準溶液中硫代硫酸鈉的物質的量濃度（mol/L）；V為臭氧化氣體取樣體積（mL）。

     水中溶解的臭氧濃度采用美國HACH哈希（25170-25）臭氧試劑，并且使用DR2700分光光度計進行檢測。溶解氧和溫度等參數由YSI（美國賽維儀器公司，型號prODO）數水質分析儀測定。根據以上測定出的臭氧發生器所產生的臭氧化氣體中臭氧濃度和水中溶解臭氧的濃度，再根據氣體流量和水流量，進一步計算出臭氧發生器每分鐘所產臭氧的質量以及每分鐘水中所溶解臭氧的質量，從而計算出臭氧的溶解效率。

試驗數據采用Excel進行處理。