用于水产养殖的射流臭氧杀菌消毒设备介绍

邵玉才 张晓青 赵建宝 周 勇

1 开发背景

臭氧是世界上公认的无二次污染的强氧化剂，能够氧化大部分的有机物和无机物，其氧化还原后的产物为氧气。利用臭氧可快速消灭细菌、病毒及蓝藻，其杀菌能力比氯高一倍，速度比氯快600～3 000倍，杀菌效果是氯酸的5～1 000倍。臭氧对酵母和寄生生物也有活性，臭氧还可以氧化、分解水中的污染物，在水处理中对褪色，杀菌，去除酚、氰、铁、锰和降低化学需氧量（COD）、生化需氧量（BOD）等都具有显著的效果。人类最初将臭氧用于自来水厂的杀菌净化，后来用于空气净化，医药无菌消毒，纯净水、矿泉水处理，水产养殖等。国内关于臭氧的研究相对较晚，而养殖户对于臭氧在水产养殖中的应用更是知之甚少，加之目前用于水产养殖方面的臭氧消毒设备设计不完善，达不到预期效果，使养殖户对臭氧杀菌消毒的效果产生怀疑。另外，现有养殖用臭氧设备主要用于工厂化水产养殖，装置结构复杂、造价高、运行成本大，一般养殖用户无法承受。目前市场上用于普通水产养殖的臭氧水处理装置主要是喷水式臭氧消毒增氧机，然而，这种设备性能不稳定，无法长时间工作。这是因为当臭氧发生器长时间工作时产生的高温高热会引起电子器件的损坏，所以需要在臭氧发生器上另装散热装置，这样就会提高设备的成本和故障率，使之难以推广。

综上所述，开发一种新型的臭氧杀菌消毒设备对于水产养殖、水质净化、无公害绿色食品的生产具有十分重要的意义。

2 射流式杀菌消毒设备的工艺流程

射流式杀菌消毒设备的工艺流程为：空气→臭氧发生器→臭氧→气体射流→叶轮混合→臭氧水射流。

工作时射流管内产生的真空度达到一定的负压，由于负压的作用而吸入臭氧发生器中制备的臭氧，在射流管内形成低压气体射流射向叶轮；同时，由于叶轮的高速旋转而引射了另一种水射流，两种射流几乎同时形成，并在叶轮的搅动下充分混合，形成含有大量微孔气泡的混合气液流体射流射向水中。因为射流装置内负压气流的产生，臭氧发生器在负压气流作用下不断吸入空气，从而达到为臭氧发生器制备臭氧提供新鲜空气及风冷降温的目的。

3 臭氧发生器工作原理

臭氧发生器是制备或生产臭氧的生产装置，其工作原理就是生产臭氧的机理和方法，常用的方法是：电晕放电法（DBD）、核辐射法、紫外线照射法、等离子射流法和电解法等。

图 1为臭氧发生器原理结构图，其工作原理如下：

图1 臭氧发生器原理结构图

（1）臭氧发生器由外围电路及充满气体的间隙和一块介电体分开的两块金属电极组成。

（2）AC采用≥1kHz高频电流，结合微间隙放电技术，可以有效提高臭氧生成的效率和运行可靠性。

（3）介电材料选用石英管，具有介电常数高、壁厚均匀、圆度好、耐高温、耐潮湿等特点。

（4）在对电极施加高频高压电能的同时空气流经放电区产生臭氧。

（5）在臭氧产生过程中大部分电能将会以热的形式消散，小部分转化为光、声、化学能等。

4 射流装置的工作原理

4.1 射流装置的主要功能

射流装置和臭氧发生器为射流式臭氧杀菌消毒设备的核心组件，射流装置的设计需解决三大问题：

（1）产生负压形成气流。其目的：一是能够快速有效地吸入臭氧发生器中产生的臭氧，形成气体射流。二是为臭氧发生器提供新鲜空气及风冷降温。因为在臭氧形成过程中空气中的氧气被不断消耗，必须及时地补充新鲜空气；而臭氧产生过程中电能大部分转化为热量，形成高温高热影响了电子器件的使用寿命，因此，必须进行降温才能保证设备在复杂的工况条件下长期正常运行。

（2）气液混合。将从臭氧发生器吸入的臭氧和水很好地混合形成臭氧水。

（3）形成臭氧水射流。将臭氧水通过射流的方式送入水中深处。

4.2 射流装置的结构原理（见图 2）

图2 射流装置结构图

该装置主要由叶轮、空心轴、射流管、轴承组件组成。叶轮在图 2所示的旋转方向下高速旋转，在叶轮两端端部同时形成真空低压区，因为空气流动阻力远远小于水，因此，在这里的低压区首先由射流管里的空气进行补充，从而形成射流管内的两种气体射流：一种在射流管和空心轴之间形成，另一种在空心轴内形成。在气体射流形成的同时，叶轮后部径向也由于负压区域的产生而形成水流，气流和水流经叶轮的高速搅拌混合成臭氧水沿射流管的轴向射出。射流装置的工作原理可用伯努利方程和连续方程来表达。

连续方程：V·A=常数

式中：V——流体流速；

g——重力加速度；

P——流体压力；

γ——流体比重；

z——流体势能；

A——流过截面。

5 射流式臭氧杀菌消毒设备的结构原理

5.1 射流式臭氧杀菌消毒设备主机结构原理

图 3为射流式臭氧杀菌消毒设备主机结构图，其原理如下：

图3 射流式臭氧杀菌消毒设备主机结构图

（1）在射流管内安装臭氧发生器，射流管和电机法兰连接（这里电机用2级电机，转速2 800 r/min）。

（2）空心轴和电机轴连接，其作用：一是作为传动轴将电机扭矩传递给叶轮（T=9 550 000 P/n）；二是引射气体射流，射流装置内共有两股气体射流产生，其中一股便是在空心轴内产生的。

（3）射流管上的进气孔为空气进入口，空气由此进入射流管内的臭氧发生器，进而形成气体射流。进气孔的大小、布置方式等设计是否合理将会影响到射流效果好坏、气流漩涡是否产生、设备运行的噪声大小、电机功率的无用功损耗等各项设备性能，其设计方案参照气体动力学或用计算机模拟，也可以用实验方法获得。

（4）进水孔的作用是在工作时为轴承提供润滑（轴承内圈开有数条润滑槽），其原理是当设备工作时，射流管内形成空气负压而无水存在，通过进水孔向射流管内溢水，并在气体射流的作用下形成雾化而润滑轴承，孔的大小及位置需根据射流管的负压状况及射流状态确定。孔太大则进水太多，影响气流的产生；而孔太小则影响润滑效果，损坏轴承。因此，在满足润滑的条件下，设计时孔应尽量小。

（5）叶轮是产生射流和气液混合的关键部件，设计的好坏直接影响到设备整体性能，其设计可以参考相关资料。

5.2 射流式臭氧杀菌消毒设备整机结构（见图4）

图4 射流式臭氧杀菌消毒设备整机结构图

5.2.1 各部件功能

防雨罩的作用是保护电机及臭氧发生器不会让雨水淋湿；调节杆用来调节叶轮在水中的深度及射流角度；浮体使设备浮于水上；主机为设备功能实现机构；过滤网用于过滤杂物及保护叶轮和安全防护。

5.2.2 设备使用

（1）该设备依靠两只浮体漂浮于水上，并固定浮体两端以确保工作时设备不会移动。

（2）当需要臭氧杀菌消毒时，先开电机后开臭氧发生器；而只开电机不开臭氧发生器时，可以用于渔塘增氧，相当于增氧机的功能。

（3）水体较浅时，应通过调节杆减小射流角度，以防止射流冲起水底淤泥。当叶轮上方出现水体漩涡时，则表明气液混合中的部分气体是从叶轮上方的水面而不是从射流管内获得，此时需通过调节杆加大射流角度杜绝漩涡的形成。

6 应用前景

随着经济的发展、城市化进程的推进，水体的污染日益加剧，饲料过剩、药物残留等不仅恶化了水产养殖水体生态环境，导致养殖病害的危害程度日趋严重；同时还威胁到人类的的食品安全、健康生存。因此，结构简单、运行稳定、性能优异的臭氧杀菌消毒设备的开发及推广，必将在水产养殖及水处理领域取得良好的经济效益，具有十分广阔的市场前景。

[1]张也影．流体力学[M]．北京：高等教育出版社，1992.

[2]许一飞，许炳华．喷灌机械原理、设计、应用[M]．北京：中国农业机械出版社，1989.

[3]童秉纲，孔祥言，等．气体动力学[M]．北京：高等教育出版社，1990.

[4]邓曼适.臭氧消毒技术原理及其应用前景分析[J].华南建设学院西报，2000,8（3）:54-58.

[5]朱孟府，王海燕，宿红波，游秀东，王世昌.臭氧发生器的结构设计及性能评价[J].中国医学装备，2008,5（1）：18-20.