臭氧在矿泉水、纯净水及饮料用水生产中的应用

一、概述

在水质处理过程中，大部分微生物已被去除，但即使是采用微滤、超滤等方法处理水时，水中的细菌物质也不能全被去除。而一般的水质处理方法更不能除尽微生物。为确保产品在保质期内合格，保证消费者的健康，在制造饮料，特别是制造碳酸饮料、矿泉水、纯净水以及包装后不再进行二次灭菌的果汁饮料时，必须对水进行消毒处理，并要注意贮罐、管道、阀门等卫生状态，防止对水产生二次污染。

水消毒的目的是杀灭水中的致病菌，并使水中的细菌含量符合规定标准。常用的水消毒方法是氯消毒、紫外消毒和臭氧消毒。

二、消毒原理

氯消毒包括液氯、漂白粉、次氯酸钠、氯胺。其消毒原理是氯在水中会产生如下反应：

Cl2 + H2O → HCl + HOCl → 2H+ + Cl- + OCl-

反应生成的次氯酸具有很强的穿透力，能迅速穿过微生物的细胞膜，进入微生物体内，破坏微生物体内的系统使之失去的活力而致死。另一方面，次氯酸性质很不稳定，即容易放出新生态氧[O]，新生态氧与铵盐、硫化氢、氧化亚铁、亚硝酸盐以及有机物腐败后产生的物质相结合，对水中有机物和一些无机物等起氧化作用，从而抑制了依靠这些物质为营养的大部分微生物的生长，因此一般认为次氯酸具有主要的灭菌作用。而反应中生成的次氯酸根杀菌力较弱，不具有次氯酸穿透微生物细胞膜的能力，因此其消毒作用远低于次氯酸。

紫外线消毒的原理是紫外线的光谱波长在490nm -140nm范围内具有杀菌能力。微生物受到紫外线照射后，气体内的核蛋白质会因吸收紫外线光谱能量而变性，引起新陈代谢障碍，从而丧失繁殖能力。当照射剂量增大一定量时，微生物细胞被破坏致死。紫外线对澄清透明的水有一定的穿透力，因此能使水消毒。

臭氧消毒的原理是臭氧在水中发生氧化还原反应，产生氧化能力极强的单原子氧（O）和羟基（OH），瞬间分解水中的有机物质、细菌和微生物。羟基（OH）是强氧化剂、催化剂，可使有机物发生连锁反应，反应十分迅速。羟基（OH）对各种致病微生物有极强的杀灭作用。单原子氧（O）也具有强氧化能力，对顽强的微生物如病毒、芽孢等有强大的杀伤力。

三、比较

自来水等饮用水在我国目前普遍使用氯剂消毒。而使用氯法有严重的二次污染问题存在。1973年起，荷兰、加拿大、美国等国相继发现用氯消毒后的自来水中会产生卤代有机物（氯仿、氯胺等），经动物实验证明有致癌危险。况且氯消毒易受温度和PH值影响。余氯还会影响饮用水的口感，特别对于饮料用水，余氯会使碳酸饮料等饮料制品产生氯的臭味，并使饮料中的色素发生氧化，影响产品质量。

采用紫外消毒时，不同的对像菌致死所需的照射能量差异较大，另一方面原水水质对紫外杀菌效果也有影响，紫外线因在水中的穿透能力有限而难以达到理想效果。而且紫外消毒不能像余氯那样维持消毒效果。

臭氧具有比氯更强的氧化消毒能力，不但可以较彻底地杀菌消毒，而且可以降解水中含有的有害成分和去除重金属离子以及多种有机物等杂质，如铁、锰、硫化物、苯、酚、有机磷、有机氯、氰化物等，还可以使水除臭脱色，从而达到净化水的目的。臭氧适应能力强，受水温、PH值影响较小。臭氧适应范围广，不受菌种限制，杀菌效 臭氧发生器果比氯消毒和紫外消毒效果好。与氯不同的是残余臭氧可以自行分解为氧气，不会产生二次污染。臭氧处理后的水无色无臭，口感好，能改善饮用水品质。

故此，为了提高瓶装饮用水的质量和延长保质期，国际瓶装水协会（IBWA）建议采用臭氧处理。在臭氧处理前，瓶装水一般用反渗透、纳滤、超滤去除天然水中99%的有机物，降低臭氧的用量。

四、工艺流程

矿泉水的生产工艺流程：



纯净水的生产工艺流程：


饮料用水的工艺流程根据不同饮料的要求而定。

五、臭氧消毒系统的参数选择

1. 消毒系统设计参数的选择
臭氧投加量为1-5mg/L , 接触时间为4-10min，保持0.1-1mg/L剩余臭氧浓度。

2．主要设备的选择
a．臭氧发生器
臭氧发生器的产量应根据设计流量及臭氧投加量来确定。
W = 0.001×Q×P
W --- 臭氧发生器的产量（g/h）
Q --- 设计水量（L/h）
P --- 臭氧投加量，一般采用1-5mg/L
0.001 --- 单位换算系数
b．接触氧化罐
接触氧化罐的尺寸应根据设计流量及流速来确定。
S = Q/V
S --- 罐体截面积（m2）
V --- 流速，一般采用8-10m/h
D = （4S/3.14）1/2
D --- 罐体直径（m）
罐体高度的确定：
H = V×t + 0.2
H--- 罐体高度（m）
t --- 接触时间，一般采用4-10min
0.2 --- 布水空间高度（m）

六、安装运行

臭氧发生器一般采用喷射投加方式，即全部或部分水 臭氧发生器厂家流与臭氧通过喷射器混合后进入接触反应罐。连接水路和气路。保持臭氧发生器进气口与大气相通。开启水泵。调节进水阀门，调气量开关在最大位置。调节水射器旁的水压调节阀，使臭氧发生器进气口与气瓶连接，调节气瓶减压阀。接好电源线，按电源开关，调功率调节开关至最大。工作20分钟后，用水中臭氧浓度检测仪检查出水口臭氧浓度，应约为0.4mg/L。

七、设计举例

某纯净水厂消毒工艺设计流量为10m3/h，选择臭氧发生器及接触氧化罐。

解：设臭氧投加量为2mg/L，则

W = 0.001×Q×P = 0.001×10×1000×2 = 20g/h

设罐内流速为10m/h

S = Q/V = 10/10 = 1m

D = （4×1/3.14）1/2 = 1.13 m

取罐体直径为1.15m。

H = V×t + 0.2 = 10×10/60 + 0.2 = 1.87m

取罐体高度为1.90m。

即罐体尺寸为D×H =φ1150×1900（mm）