水产养殖中多层式臭氧混合装置对臭氧溶解效率影响的研究
2012年，我国水产品总量达到5906万t，其中养殖产量4305万t，已经连续24年居世界第1位[1]。工厂化循环水养殖模式作为工业化水平很高的养殖模式越来越得到重视和发展。该模式是以水产养殖用水净化后循环利用为核心特征，臭氧在工厂化循环水产养殖水处理系统[2-6]中已经被较为广泛地应用。国外关于养殖水体臭氧消毒的研究早已展开，其中Steven[7]曾提出了利用臭氧对循环水养殖水体消毒的方法，主要是利用一种增氧的装置要要Speece锥(国内称溶氧锥或曝气锥)来混合臭氧和水，得到高浓度(大约0.1~0.2mg/L)的臭氧水溶液；消毒使用后的高浓度臭氧水对生物有毒性，研究人员又设计了紫外线装置来消除水中的剩余臭氧，使浓度降低到0.01mg/L。关于混合装置Speece-锥的尺寸与结构设计，Daniel等[8]为Speece-锥建立了动态模型，方便设计者进行初始尺寸设计和很优化选择。
国内在养殖水体中使用臭氧消毒的研究很少见，在实际生产中的臭氧混合装置大部分是鼓泡塔式接触反应器[9]，这种鼓泡塔大部分高3m以上，不适于移动和日常的维护操作。国内也有关于臭氧消毒的研究，其混合方式摒弃了这种笨重的反应器，取而代之的是轻巧的射流混合[10]或叶片泵搅动混合方式，取得了较好的效果，但设备都是购买自国外成熟的产品，没有自己的设计方案。填料塔[11-14]是化工企业中很常用的气、液传质设备之一，在塔内设置填料使气液两相能够达到良好传质所需的接触状况。近年来，人们对填料塔作了大量的实质性研究，并取得了突破性进展，主要表现在一些新型高效塔内件和塔填料的问世，并取得了很好的经济效。本研究主要通过按气液混合理论设计的一种多层填料塔开展对臭氧进行混合溶解的研究，根据在不同填料的种类及填料高度的条件下，调节气液比进行试验，得出臭氧在水中溶解效率较高的条件，提高臭氧的溶解效率，研究探索一种水产养殖用的新型臭氧混合方法，以促进臭氧能够更有效和经济地应用于工业化水产养殖产业。
1材料与方法
1.1试验装置与系统
图1是本试验装置结构与系统示意图。
如图1所示，臭氧混合装置呈多层塔状，塔端是进水层，底部为出水底座，中间为多层混合层，各层之间设有布水/导气支撑板，混合装置直径为200mm，高度分别有200mm和300mm两种规格。试验系统主要由臭氧混合装置、纯氧源
臭氧发生器、转子流量计、液体流量计、球阀、蓄水池和1台潜水泵组成。装置工作方式：水由潜水泵到进水层，由上至下逐层下落，通过混合层中设置的填料使臭氧与水充分混合，将臭氧转移到水体中，很后下落至出水底座，由出水口排出。为保证各层间水与臭氧的充分混合，各层间均设有布水/导气支撑板，其上有42个直径为5mm的布水孔，开孔率为13%，其中部的通气管直径为20mm，高度为60mm。
1.2试验材料
试验用水是温度为20℃的自来水，纯氧作为气源，填料分别为多面空心球、鲍尔环和改性悬浮生化填料。3种填料的具体性能参数如表1所示。
1.3试验设计
臭氧混合系统中，混合层中分别选用鲍尔环、改性悬浮生化填料与多面空心球3种典型的填料。为了减弱单层填料过高而产生的"壁流效应"和"放大效应"，第1组将试验填料的高度分为3个层次：0.3m(1层)、0.5m(2层)、0.7m(3层)，调节水流量为4、5、6m3/h，气流量为0.1、0.2、0.3、0.4、0.5m3/h等5个梯度进行试验。第2组，气液比一定，即水流量为6m3/h、气流量为0.1m3/h时，改变填料高度，研究鲍尔环作为填料时，对臭氧混合溶解效率的影响。
1.4测定方法及数据处理
试验主要测量臭氧发生器产生臭氧的浓度和水中溶解的臭氧浓度。臭氧发生器产生臭氧化气体中臭氧浓度的测量使用碘量法[15-16]，测量时一般采用碘化钾(KI)溶液(20%)，水中溶解的臭氧与碘化钾反应游离出碘，等该反应结束时应首先对该溶液酸化，静置5min；然后用已经标定好的硫代硫酸钠(Na2S2O3)标准溶液滴定，该滴定采用电位滴定仪对游离碘进行滴定，滴定结束后，在电脑上读出所用硫代硫酸钠(Na2S2O3)标准溶液体积，很后根据硫代硫酸钠标准溶液的消耗量计算出臭氧浓度。
臭氧浓度按如下公式计算：
φ(O3)=(VNa×C×24000)/V
式中，φ(O3)为臭氧浓度(mg/L)；VNa为硫代硫酸钠标准溶液用量(mL)；C为硫代硫酸钠标准溶液中硫代硫酸钠的物质的量浓度(mol/L)；V为臭氧化气体取样体积(mL)。
水中溶解的臭氧浓度采用美国HACH哈希臭氧试剂，并且使用DR2700分光光度计进行检测。溶解氧和温度等参数由YSI(美国赛维仪器
公司)数水质分析仪测定。根据以上测定出的臭氧发生器所产生的臭氧化气体中臭氧浓度和水中溶解臭氧的浓度，再根据气体流量和水流量，进一步计算出臭氧发生器每分钟所产臭氧的质量以及每分钟水中所溶解臭氧的质量，从而计算出臭氧的溶解效率。试验数据采用Excel进行处理。
结论与讨论
本研究结果表明，本试验装置在一定范围内增加填料高度、降低气液比，有利于提高臭氧的溶解效率，这与Farines等[22]采用反应罐进行臭氧溶于水的研究结果相符，其研究结果表明，气液比为0.167时，水溶液臭氧质量浓度达到5mg/L，臭氧的溶解效率仅达到30%；气液比为1时，水溶液臭氧质量浓度达到19mg/L，臭氧的溶解效率仅达到19%。Michel等[23]对臭氧溶解效率研究结果也认为，采用射流器与喷嘴相结合，在水流量为0.9m/s时，传质效率达到了93%左右，在臭氧质量浓度为128g/m3、气液比为0.038时，水溶液臭氧质量浓度达到4.8mg/L，其溶解效率到达75%。
使用该新型填料塔选用鲍尔环作为填料，臭氧的混合效果很佳。本试验采用直径为25mm的鲍尔环作为填料，当填料高度为700mm、水流量为6m3/h、臭氧化气体流量为0.1m3/h时，即气液比为1/60、水处理量为190m3/h▪m2、水溶液中臭氧的质量浓度为0.84mg/L时，臭氧的溶解效率很高可以达到78%左右。该结果为以后研发经济适用的臭氧混合装置具有重要的参考价值。
本试验所设计的新型多层臭氧混合装置将填料通过支撑板进行分层，减弱了填料塔中普遍存在的"壁流效应"和"放大效应"。与鼓泡塔式接触反应器、气液混合泵及射流器等臭氧混合与溶解设备相比，该装置具有结构简单、体积小、易于安装与维护、混合效率高和不易堵塞等特点，可为优化循环水养殖水处理工艺与系统，提高臭氧混合效率和经济性提出一种确实可行的良好方式。但由于条件限制，本试验对系统排出的尾气中残余臭氧的含量与再利用未能进行研究与分析。在以后研究臭氧溶解装置时，还可以考虑将该装置与其他臭氧溶解设备组合在一起以进一步研究。
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