臭氧中礦泉水\純凈水\飲料廠中的應用
一、概述
目前，在我國瓶裝飲用水市場上，主要有礦泉水和純凈水兩種飲用水。在飲料市場上，各種飲料的主要成分均為水，稱為飲料用水。在此，就礦泉水和純凈水兩種飲用水及飲料用水的****工藝做以概述。
在水質(zhì)處理過程中，大部分微生物已被去除，但即使是采用微濾、超濾等方法處理水時，水中的**物質(zhì)也不能全被去除。而一般的水質(zhì)處理方法更不能除盡微生物。為確保產(chǎn)品在保質(zhì)期內(nèi)合格，保證消費者的健康，在制造飲料，特別是制造碳酸飲料、礦泉水、純凈水以及包裝后不再進行二次**的果汁飲料時，必須對水進行**處理，并要注意貯罐、管道、閥門等衛(wèi)生狀態(tài)，防止對水產(chǎn)生二次污染。
水**的目的是殺滅水中的致病菌，并使水中的**含量符合規(guī)定標準。常用的水**方法是氯**、紫外**和臭氧**。
二、 **原理
氯**包括、漂、次氯酸鈉、氯胺。其**原理是氯在水中會產(chǎn)生如下反應：
cl2 + h2o → hcl + hocl →2h+ + cl- + ocl-
反應生成的次氯酸具有很強的穿透力，能迅速穿過微生物的細胞膜，進入微生物體內(nèi)，破壞微生物體內(nèi)的系統(tǒng)使之失去的活力而致死。另一方面，次氯酸性質(zhì)很不穩(wěn)定，即容易放出新生態(tài)氧[o]，新生態(tài)氧與銨鹽、硫化氫、氧化亞鐵、亞硝酸鹽以及有機物后產(chǎn)生的物質(zhì)相結合，對水中有機物和一些無機物等起氧化作用，從而抑制了依靠這些物質(zhì)為營養(yǎng)的大部分微生物的生長，因此一般認為次氯酸具有主要的**作用。而反應中生成的次氯酸根**力較弱，不具有次氯酸穿透微生物細胞膜的能力，因此其**作用遠低于次氯酸。
紫外線**的原理是紫外線的光譜波長在490nm-140nm范圍內(nèi)具有**能力。微生物受到紫外線照射后，氣體內(nèi)的核蛋白質(zhì)會因吸收紫外線光譜能量而變性，引起新陳代謝障礙，從而喪失繁殖能力。當照射劑量增大一定量時，微生物細胞被破壞致死。紫外線對澄清透明的水有一定的穿透力，因此能使水**。
臭氧**的原理是臭氧在水中發(fā)生氧化還原反應，產(chǎn)生氧化能力*的單原子氧（o）和羥基（oh），瞬間分解水中的有機物質(zhì)、**和微生物。羥基（oh）是強氧化劑、催化劑，可使有機物發(fā)生連鎖反應，反應十分迅速。羥基（oh）對各種致病微生物有*的殺滅作用。單原子氧（o）也具有強氧化能力，對頑強的微生物如病毒、芽孢等有強大的殺傷力。
三、 比較
自來水等飲用水在我國目前普遍使用氯劑**。而使用氯法有嚴重的二次污染問題存在。1973年起，荷蘭、加拿大、美國等國相繼發(fā)現(xiàn)用氯**后的自來水中會產(chǎn)生鹵代有機物（氯仿、氯胺等），經(jīng)動物實驗證明有致癌危險。況且氯**易受溫度和ph值影響。余氯還會影響飲用水的口感，特別對于飲料用水，余氯會使碳酸飲料等飲料制品產(chǎn)生氯的臭味，并使飲料中的色素發(fā)生氧化，影響產(chǎn)品質(zhì)量。
采用紫外**時，不同的對像菌致死所需的照射能量差異較大，另一方面原水水質(zhì)對紫外**效果也有影響，紫外線因在水中的穿透能力有限而難以達到理想效果。而且紫外**不能像余氯那樣維持**效果。
臭氧具有比氯更強的氧化**能力，不但可以較*地****，而且可以降解水中含有的有害成分和去除重金屬離子以及多種有機物等雜質(zhì)，如鐵、錳、硫化物、苯、酚、有機磷、有機氯、等，還可以使水除臭脫色，從而達到凈化水的目的。臭氧適應能力強，受水溫、ph值影響較小。臭氧適應范圍廣，不受菌種限制，**效果比氯**和紫外**效果好。與氯不同的是殘余臭氧可以自行分解為氧氣，不會產(chǎn)生二次污染。臭氧處理后的水無色無臭，口感好，能改善飲用水品質(zhì)。
故此，為了提高瓶裝飲用水的質(zhì)量和延長保質(zhì)期，瓶裝水協(xié)會（ibwa）建議采用臭氧處理。在臭氧處理前，瓶裝水一般用反滲透、納濾、超濾去除天然水中99%的有機物，降低臭氧的用量。
四、工藝流程
礦泉水的生產(chǎn)工藝流程：
純凈水的生產(chǎn)工藝流程：
飲料用水的工藝流程根據(jù)不同飲料的要求而定。
五、臭氧**系統(tǒng)的參數(shù)選擇
1.**系統(tǒng)設計參數(shù)的選擇
臭氧投加量為1-5mg/l ,接觸時間為4-10min，保持0.1-1mg/l剩余臭氧濃度。
2．主要設備的選擇
a．臭氧發(fā)生器
臭氧發(fā)生器的產(chǎn)量應根據(jù)設計流量及臭氧投加量來確定。
w =0.001×q×p
w --- 臭氧發(fā)生器的產(chǎn)量（g/h）
q --- 設計水量（l/h）
p --- 臭氧投加量，一般采用1-5mg/l
0.001 ---單位換算系數(shù)
b．接觸氧化罐
接觸氧化罐的尺寸應根據(jù)設計流量及流速來確定。
s = q/v
s --- 罐體截面積（m2）
v --- 流速，一般采用8-10m/h
d =
（4s/3.14）1/2
d --- 罐體直徑（m）
罐體高度的確定：
h = v×t +0.2
h--- 罐體高度（m）
t --- 接觸時間，一般采用4-10min
0.2 ---布水空間高度（m）
六、安裝運行
臭氧發(fā)生器一般采用噴射投加方式，即全部或部分水流與臭氧通過噴射器混合后進入接觸反應罐。連接水路和氣路。保持臭氧發(fā)生器進氣口與大氣相通。開啟水泵。調(diào)節(jié)進水閥門，調(diào)氣量開關在*大位置。調(diào)節(jié)水射器旁的水壓調(diào)節(jié)閥，使臭氧發(fā)生器進氣口與氣瓶連接，調(diào)節(jié)氣瓶減壓閥。接好電源線，按電源開關，調(diào)功率調(diào)節(jié)開關至*大。工作20分鐘后，用水中臭氧濃度檢測儀檢查出水口臭氧濃度，應約為0.4mg/l。
七、設計舉例
某純凈水廠**工藝設計流量為10m3/h，選擇臭氧發(fā)生器及接觸氧化罐。
解：設臭氧投加量為2mg/l，則
w = 0.001×q×p =0.001×10×1000×2 = 20g/h
設罐內(nèi)流速為10m/h
s = q/v = 10/10 =1m
d = （4×1/3.14）1/2 = 1.13 m
取罐體直徑為1.15m。
h = v×t + 0.2 = 10×10/60+ 0.2 = 1.87m
取罐體高度為1.90m。
即罐體尺寸為d×h =φ1150×1900（mm）
礦泉水**保質(zhì)
飲用水**凈化是臭氧應用歷史*長、應用規(guī)模*大的一個領域。目前世界臭氧產(chǎn)業(yè)的主要市場仍是飲水處理，在歐美、日本等發(fā)達國家臭氧化處理飲用水已占主導地位。原因在于臭氧處理可達到無微生物污染、無殘余化學污染的高水平。
礦泉水已是大量消費的瓶裝飲料，其保質(zhì)期取決于微生物的*殺滅。常用的超濾加紫外**的方法難以達到質(zhì)量標準，臭氧**成為優(yōu)選方法，即可以*殺滅活微生物，達到雙零指標，又可去除水中鐵錳可溶性鹽類而保存有益的碳氧化合物。
礦泉水臭氧溶解度在0.4~0.5mg/時即可滿足**保質(zhì)要求，合理的設計為臭氧投加量1.5~2.0g/m3。臭氧在水中的溶解度隨溫度降低、壓力提高而提高。在實際生產(chǎn)條件下，保證臭氧氣體濃度在10mg/l。臭氧與水接觸時間5~10分鐘，氣水混合接觸良好的情況下即可達到要求。目前一些廠家用50克~100克/小時臭氧發(fā)生器處理礦泉水（產(chǎn)水量10立方米/小時以下）是不負責任的。首先作為源不質(zhì)量很好的礦泉水無需那么多臭氧（只有污水由于嚴重的化學、生物污染才會吸收消耗大量臭氧），多余大量臭氧作為尾氣排放反而增加尾氣處理裝置的容量的負擔。其次，容易對礦泉水造成過氧化而產(chǎn)生有益微量元素成分損失。
礦泉水灌裝間安裝臭氧設備對空氣**凈化，防止落下菌污染對沒有空氣過濾凈化設備的廠家是非常有益的。采用臭氧化工藝的礦泉水廠經(jīng)常利用臭氧對貯水罐（池）、管道、過濾器**也是非常有益的，在國外的資料里作為經(jīng)驗推薦。
生產(chǎn)用水**凈化
食品生產(chǎn)需要大量潔凈水，在生產(chǎn)成本中是一項較大開支。目前食品生產(chǎn)廠家有兩種需求：一是水源不合格，如用海水代替淡水加工水產(chǎn)品或自采水存在污染；另一個是加工用水回用或處長使用時間。臭氧處理是*可以滿足這些需求的。
第七節(jié)：臭氧發(fā)生器在產(chǎn)品生產(chǎn)和設計方面的依據(jù)、要求和注意事項
一、臭氧發(fā)生器設計、制造和檢驗依據(jù)
1.臭氧發(fā)生器設計、制造標準
a.中華人民共和國城鎮(zhèn)建設行業(yè)標準cj/t3028.1-1994《臭氧發(fā)生器》；
b.國家*中國環(huán)境保護產(chǎn)品認定技術條件hcrj058-1999《臭氧發(fā)生器》；
c.臭氧發(fā)生器生產(chǎn)企業(yè)標準。
2.臭氧發(fā)生器檢驗標準
a.中華人民共和國城鎮(zhèn)建設行業(yè)標準cj/t3028.2-1994《臭氧發(fā)生器臭氧濃度、產(chǎn)量、電耗的測量》；
b.臭氧發(fā)生器生產(chǎn)企業(yè)檢驗標準。
二、臭氧發(fā)生器設計條件
標準臭氧發(fā)生器按室內(nèi)安裝要求設計，使用方應確保設備在設計條件范圍內(nèi)運行。
a.溫度
臭氧發(fā)生器設計環(huán)境溫度范圍為 0—40℃。
b.濕度
臭氧發(fā)生器設計相對濕度＜90%。
c.冷卻水
使用水冷卻的臭氧發(fā)生器設計冷卻水溫度≤30℃，一般可使用工廠的循環(huán)冷卻水作為臭氧發(fā)生器的冷卻水。
d.大氣壓
臭氧發(fā)生器按標準大氣壓設計，即大氣壓為101.3kpa，大氣壓的變化對設備正常工作基
e.氣源條件
臭氧發(fā)生器使用的氣源要求露點≤ -45℃。
f.電源條件
對于標準型臭氧發(fā)生器,一般使用220v/1ph/50hz電源，或380v/3ph/50hz電源。
g.如用戶有特殊使用條件和要求,可按用戶要求設計(防爆等)。
三、臭氧發(fā)生器的設計
1、臭氧放電室的設計
臭氧產(chǎn)量和臭氧濃度是臭氧放電室設計的基本依據(jù),通常是放電體(管)單位臭氧產(chǎn)量來確定放電單元臭氧產(chǎn)量:
gx=sxq
gx—放電單元臭氧產(chǎn)量
s—放電單元放電面積
q—單位放電面積臭氧產(chǎn)量
放電單元數(shù)量
n=g/gx
n—放電單元數(shù)量
g—設計臭氧產(chǎn)量
gx—放電單元臭氧產(chǎn)量
n確定后,可根據(jù)需要將放電定設計成立式或臥式,放電室設計時應考慮容積重量,冷卻水壓力,氣體壓力等諸多因素.
放電氣隙設計是根據(jù)使用介質(zhì),電源頻率和加工能力精度來確定.
注意:放電室設計是依據(jù)放電單元臭氧產(chǎn)量.放電單元產(chǎn)量必須經(jīng)嚴格條件的實驗來確定,否則.設計產(chǎn)量會相差甚遠.
2、電源系統(tǒng)的設計
臭氧電源設計是根據(jù)臭氧產(chǎn)量和放電單元臭氧產(chǎn)量所耗功率來設計,電源頻率、電源電壓與使用介質(zhì),放電氣隙大小有關.可根據(jù)有條件的實驗數(shù)據(jù)獲得.
臭氧電源系統(tǒng)包括電源控制系統(tǒng)、整流、變頻器、升壓變壓器，它的作用就是向臭氧放電室提供必要條件—高壓交變電場，而臭氧產(chǎn)生效率與高壓電源成正向增長關系，因此臭氧電源系統(tǒng)在整個臭氧發(fā)生系統(tǒng)中具有重要的作用。臭氧電源系統(tǒng)依據(jù)高壓放電頻率可分為工頻臭氧電源系統(tǒng)、中頻臭氧電源系統(tǒng)、高頻臭氧電源系統(tǒng)三類，其中頻率為60/50hz 的電源稱為工頻電源，頻率超過 1000hz的電源稱為高頻電源，介于工頻與高頻之間的稱為中頻。
1）工頻臭氧電源系統(tǒng)
工頻臭氧電源系統(tǒng)的工作原理：交流 380v 電壓經(jīng)高壓變壓器后，變壓器輸出交流 10000v電壓供給臭氧合成系統(tǒng)。其結構圖如下所示：
工頻臭氧電源系統(tǒng)需要漏感很大的高壓變壓器、效率低、耗電大、產(chǎn)生臭氧的產(chǎn)量與濃度低；一般采用玻璃管作放電介電體，用于生產(chǎn)中、大型臭氧發(fā)生器。
2）中頻臭氧電源系統(tǒng)
上圖為中頻臭氧電源系統(tǒng)的電路結構圖，此電源是根據(jù)介質(zhì)和臭氧放電室而設計的與之相匹配的高壓電源，其中可控硅屬大功率器件，工作壓降低，過載特性好，輸出功率大，用于中頻大功率電源時的性能比較高，能很好地滿足臭氧發(fā)生器對電源的需要。
a．三相全控整流橋
用于控制調(diào)節(jié)整流器的輸出電壓，實現(xiàn)高壓輸出電壓與臭氧產(chǎn)量的平滑調(diào)節(jié)。該電路能避免臭氧放電室在起輝和工作放電時因負載變動產(chǎn)生高電壓，從而保證了臭氧電源和臭氧放電室的可靠性。
b．可控硅全橋逆變
因可控硅是半開關器件，它必須在自身電流過零時才能關斷，而可控硅又在電源與負載之間作開關使用，可控硅一旦打開就失去了控制電流大小的作用。因此電流的大小和相位受前級和負載影響，為保證可控硅正常關斷，要求在可控硅自身電流過零時其兩端電壓為零或已變?yōu)樨撝?，這在臭氧放電室這一負載下很難實現(xiàn)，而且在起輝、正常工作、瞬時跳火或局部跳火時負載特性變化很大，這極大地影響了可控硅的正常關斷。為了保證可控硅的正常關斷，有受負載影響較小的關斷電路與之相匹配。
c．濾波電路
由電抗器、電容組成的濾波電路，用于提高功率因數(shù)，平滑輸出電流，穩(wěn)定逆變器的工作點，抑制逆變雜波，減小對電源網(wǎng)絡的干擾。
d．吸收回路
由電容、電阻組成的緩沖電路，可以防止過壓，保護可控硅和其他元器件的正常工作。
e．高壓變壓器
高壓變壓器用于傳遞功率和使電子功率電路的輸出與放電室匹配，對其參數(shù)的要求與普通變壓器有所區(qū)別。由于放電室在整個工作過程中，負載不僅在數(shù)值上變化很大，其特性也隨著起輝或正常工作時的狀態(tài)不同而改變，從而要求變壓器有一定的漏感來平衡上述變化，以便保護電子元器件。同時，漏感又容易引起電路損耗和換相時產(chǎn)生瞬時高電壓，因此需要
根據(jù)電子電路的情況選擇其大小。
中頻臭氧電源是上比較流行的一種臭氧電源，具有效率高、耗電小的特點。一般采用非玻璃或玻璃作放電介電體，用于生產(chǎn)中、大型臭氧發(fā)生器。
3）高頻臭氧電源系統(tǒng)
高頻臭氧電源系統(tǒng)的工作原理：工業(yè)配電經(jīng)整流后，通過變頻工藝使電源頻率在 1000hz以上，變頻后再次通過整流使電源變?yōu)榻涣麟娫矗ù诉^程稱為逆變），*后經(jīng)高壓變壓器升壓供給臭氧合成系統(tǒng)，高頻臭氧電源系統(tǒng)的主電路結構圖如下所示：
高頻臭氧電源系統(tǒng)具有效率高、耗電小、產(chǎn)生臭氧的產(chǎn)量與濃度高等特點，一般采用搪瓷或陶瓷片作放電介電體，用于生產(chǎn)小型臭氧發(fā)生器及家用**機。
臭氧發(fā)生器在游泳池水處理中應用
臭氧系統(tǒng)的高效過程其優(yōu)點可歸納如下：
高效控制微生物
大幅度降低氯胺，三鹵甲烷
水透明性高，水質(zhì)優(yōu)
室內(nèi)空氣新鮮
降低對皮膚，眼睛的刺激
對游泳者及工作人員不產(chǎn)生不利健康的物質(zhì)
避免使用活性炭罐的麻煩及衛(wèi)生方面的問題
降低水中游離氯含量
需用廠房面積小，安裝、操作容易，維護也較簡單
游泳池使用臭氧與二氧化氯的優(yōu)缺點對比:
臭氧及其二次產(chǎn)物(如羥基)具有*強的**性及滅活病毒的作用，可有效防止傳染性**的蔓延，實驗證明，同樣濃度的臭氧殺滅**和病毒的效果是氯的600-3000倍。在臭氧濃度為1mg/l時，糞型大腸桿菌的滅活只需要5秒，用同樣濃度的氯要達到同樣的效果需要15000秒。
臭氧是*的環(huán)保型綠色**劑，不會對環(huán)境造成任何二次污染，而氯制劑會與水中的有機物反應生成多種氯代有機化合物，如三氯甲烷、氯仿等，這些物質(zhì)均為*的致癌致突變物。當人游泳時，這些有毒物質(zhì)會被人體所吸收（在水中人體每小時可吸收500毫升水）。水中的氯代有機化合物還會刺激人的眼睛及皮膚，從而引發(fā)紅眼及皮疹。
◆從水中蒸發(fā)出來的氯代有機化合物以及等有毒氣體，損害人的呼吸器官，損害人的呼吸器官，而使用臭氧則*不會產(chǎn)生此種問題。
◆加氯所產(chǎn)生的酸性物質(zhì)嚴重腐蝕水處理系統(tǒng)及館內(nèi)設備和結構如網(wǎng)架、暖氣等。
◆臭氧是*強的氧化劑，可有效分解水中的腐植質(zhì)，氧化水中的鐵、錳離子，分解水中散射光線的微小有機體，從而大大提高水的清澈度,使水呈現(xiàn)出美麗的藍色，而氯制劑則無此效果。為使水呈藍色，使用氯制劑的泳池，往往需加入銅鹽，對人極為有害。
◆加入氯制劑后，必然會導致水的ph值的改變，使人感到不適，因而需加入堿性或酸性物質(zhì)予以中和。而臭氧是中性物質(zhì)，不會產(chǎn)生此種問題。
◆臭氧能確保大客流量及高溫季節(jié)時水質(zhì)的穩(wěn)定性，高溫及客流量大時，水質(zhì)往往不佳，此時，如果使用氯制劑，則需大量投加，這將帶來一系列副作用，如ph值的變化、對呼吸道及人體的刺激等；而大量投加臭氧則無此副作用。
◆使用臭氧發(fā)生器，可大大降低水處理工藝的管理及操作難度，同時臭氧發(fā)生器具有很高的安全性，而氯制劑在運輸、儲藏、使用時具有一定的危險性。
◆臭氧可分解水中的有機物且具有微絮凝作用，因而在正?？土髁肯?，可以不用絮凝劑。
在一定的使用條件下，如逆流式循環(huán)、不使用活性炭濾罐，可將臭氧作為水處里
*的藥劑，而不必投加氯制劑、絮凝劑、ph調(diào)節(jié)劑。