作者：周?@亦 蔣樹(shù)義 韓世成 郭常有 陳忠祥 房燕 曹廣斌 單位：中國(guó)水產(chǎn)科學(xué)研究院黑龍江水產(chǎn)研究所 上海海洋大學(xué)工程學(xué)院

1材料與方法

水箱長(zhǎng)4．2m，寬1．8m，高1．6m。水約10t，利用養(yǎng)殖水體，水泵為20t/h，溫度為20℃。試驗(yàn)設(shè)備布局如圖1所示，氣源(空氣或氧氣)在一定壓力下進(jìn)入臭氧發(fā)生器，產(chǎn)生臭氧后通過(guò)管道進(jìn)入鼓泡塔，與水泵抽上來(lái)的試驗(yàn)用水液相混合反應(yīng)，殘余氣體從出氣管排出。和臭氧反應(yīng)充分的水體從出水管排入水箱，用傳感器進(jìn)行測(cè)量，監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)傳輸給電腦并自動(dòng)記錄在電腦中。試驗(yàn)開(kāi)始后，開(kāi)啟臭氧檢測(cè)儀30min，待其穩(wěn)定之后開(kāi)啟臭氧發(fā)生裝置，并打開(kāi)監(jiān)控軟件自動(dòng)記錄采樣數(shù)據(jù)，采樣頻率為2次/s，待水池中殘留臭氧濃度穩(wěn)定之后關(guān)閉臭氧發(fā)生裝置系統(tǒng)，導(dǎo)出數(shù)據(jù)曲線并打印。

1．1臭氧的產(chǎn)生XY－19型臭氧發(fā)生器臭氧產(chǎn)量為100g/h。該發(fā)生器主要由壓縮空氣凈化系統(tǒng)、臭氧發(fā)生系統(tǒng)、電控系統(tǒng)、臭氧化氣體應(yīng)用系統(tǒng)等組成。試驗(yàn)分別設(shè)計(jì)了空氣和氧氣作為氣源產(chǎn)生臭氧的2種方法。空氣是常用的臭氧產(chǎn)生方法，氧氣是為了提高臭氧的產(chǎn)生效率而采用的方法。臭氧濃度按重量計(jì)最高可達(dá)6%;氧氣從空氣中制備，純度達(dá)95%。為了滿足生產(chǎn)過(guò)程中臭氧用量的不同需要，氧氣產(chǎn)量可在設(shè)計(jì)能力的100%～60%之間進(jìn)行調(diào)節(jié)。

1．2臭氧的溶解系統(tǒng)本試驗(yàn)系統(tǒng)采用的是鼓泡塔反應(yīng)器，布?xì)獗P(pán)向液體鼓泡塔內(nèi)充入含有臭氧的氣體，氣體在水流和氣流的作用下形成氣泡，上升穿過(guò)液柱，經(jīng)過(guò)逆流和順流混合過(guò)程，使臭氧氨氮充分反應(yīng)，實(shí)現(xiàn)氧化目的的同時(shí)，減少在水體中的殘留［10］。本試驗(yàn)采用了高3m的雙層逆－順流鼓泡塔。

1．3臭氧濃度的監(jiān)測(cè)監(jiān)測(cè)傳感器采用的是哈希公司生產(chǎn)的9185sc在線臭氧分析儀。該檢測(cè)儀采用選擇性膜電極，不受樣品中的pH值、氯、溴、二氧化氯或過(guò)氧化氫的干擾，測(cè)量范圍0～20mg/L，測(cè)量精度±5μg/L。

1．3．1監(jiān)控系統(tǒng)的開(kāi)發(fā)監(jiān)控系統(tǒng)由上位機(jī)、下位機(jī)、模擬量輸入模塊構(gòu)成。模擬量輸入模塊采用哈希公司的SC100控制器，控制器采集9185sc傳感器的信號(hào)將其轉(zhuǎn)換成模擬信號(hào)發(fā)送給下位機(jī)。下位機(jī)采用西門(mén)子公司生產(chǎn)的s7－200型PLC進(jìn)行數(shù)據(jù)采集，通過(guò)通信電纜傳輸給上位機(jī)，上位機(jī)中安裝組態(tài)王監(jiān)控軟件。組態(tài)王監(jiān)控軟件能夠?qū)崟r(shí)采集PLC傳輸?shù)臄?shù)據(jù)，并自動(dòng)畫(huà)出變化趨勢(shì)圖表，通過(guò)軟件的報(bào)表功能還可以查詢記錄的歷史數(shù)據(jù)并導(dǎo)入Excel軟件便于以后的處理。根據(jù)監(jiān)控工程的需要，在軟件的界面中制作3個(gè)功能窗口，每個(gè)窗口完成特定的功能。

1．3．2歷史趨勢(shì)曲線控件窗口利用軟件的歷史趨勢(shì)曲線控件，可以將PLC采集到的數(shù)據(jù)記錄下來(lái)并自動(dòng)連成1條趨勢(shì)曲線，橫坐標(biāo)為采樣時(shí)間，縱坐標(biāo)為溶解臭氧含量，所有數(shù)據(jù)存入歷史庫(kù)以備查詢。該窗口有自動(dòng)打印功能，可將形成的歷史趨勢(shì)曲線定時(shí)打印，以利于日后查閱［11］。1．3．3報(bào)表窗口利用軟件報(bào)表功能可從組態(tài)王歷史數(shù)據(jù)庫(kù)中查到之前記錄的所有數(shù)據(jù)，包括PLC采集的溶解臭氧含量和對(duì)應(yīng)采樣時(shí)間。該報(bào)表可自定義所要查詢的變量和時(shí)間間隔，并顯示在列表中，便于試驗(yàn)中隨時(shí)掌握數(shù)據(jù)變化情況。

2結(jié)果與分析

由圖2可知，空氣產(chǎn)生臭氧氧化氨氮之后在水中殘余量很少，低于5μg/L的精度范圍，表現(xiàn)為3μg/L的1條直線。這是因?yàn)?0℃時(shí)臭氧在純凈水中的半衰期僅20min，而在水產(chǎn)養(yǎng)殖系統(tǒng)中，水體中較高的有機(jī)物和亞硝酸鹽含量導(dǎo)致臭氧的半衰期更短，有時(shí)甚至達(dá)到15s，這使得臭氧更加難以殘留。同時(shí)，空氣中氧氣只有21%左右，產(chǎn)生的臭氧含量少，反應(yīng)后的殘留很少;而養(yǎng)殖水體為10t，循環(huán)1次時(shí)間約為30min，時(shí)間較長(zhǎng)，這也導(dǎo)致臭氧殘留較少。因此，在水體循環(huán)次數(shù)小于2次/h的條件下，利用空氣產(chǎn)生臭氧氧化養(yǎng)殖水體中的氨氮不會(huì)產(chǎn)生臭氧殘留，不會(huì)對(duì)養(yǎng)殖魚(yú)類(lèi)產(chǎn)生任何不良影響，是安全可行的。由圖3可知，臭氧在水中的溶解過(guò)程是一個(gè)非線性過(guò)程。11:20開(kāi)始加入臭氧，2h以內(nèi)接近峰值(達(dá)到20μg/L)，在隨后的混合階段中，溶解過(guò)程比較緩慢，4h左右達(dá)到最大值25μg/L，并在此濃度附近震蕩波動(dòng)。監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)表明，使用純氧產(chǎn)生臭氧進(jìn)行氧化氨氮，臭氧殘留濃度在8～60μg/L的安全閥值內(nèi)。但是，由于其最大值高于8μg/L的最低安全值，對(duì)一些對(duì)臭氧比較敏感的魚(yú)類(lèi)(比如斑點(diǎn)叉尾［8］)來(lái)說(shuō)，最好避免使用純氧產(chǎn)生臭氧的方式，或者減少循環(huán)次數(shù)，延長(zhǎng)反應(yīng)時(shí)間，以確保處理過(guò)程的安全性。相對(duì)于空氣產(chǎn)生臭氧氧化氨氮，純氧產(chǎn)生的臭氧系統(tǒng)被廣泛應(yīng)用，因?yàn)槠涑粞醍a(chǎn)生效率是空氣的2～3倍［12］。由于純氧產(chǎn)生的臭氧濃度較高，其溶解效率也比較高，導(dǎo)致臭氧殘余較多，使用中應(yīng)根據(jù)不同養(yǎng)殖魚(yú)類(lèi)的要求，選擇適當(dāng)?shù)奶幚矸椒?，限制臭氧在水中的殘留濃度?

3結(jié)論與討論

通過(guò)監(jiān)測(cè)工廠化養(yǎng)殖水體氨氮臭氧氧化過(guò)程中水體的臭氧濃度，確定了空氣和純氧產(chǎn)生臭氧方式的不同應(yīng)用范圍，為臭氧氧化養(yǎng)殖水體氨氮的應(yīng)用奠定了基礎(chǔ)。本試驗(yàn)采用基于PLC的組態(tài)監(jiān)控軟件來(lái)進(jìn)行自動(dòng)化監(jiān)控，自動(dòng)化采集試驗(yàn)數(shù)據(jù)，實(shí)時(shí)采集數(shù)據(jù)，系統(tǒng)準(zhǔn)確可靠;驗(yàn)證了使用空氣與純氧產(chǎn)生臭氧在鼓泡塔中氧化氨氮安全可靠，可以應(yīng)用于工廠化養(yǎng)殖;比較了空氣與純氧產(chǎn)生臭氧在鼓泡塔中氧化氨氮后的臭氧殘余情況，純氧產(chǎn)生臭氧處理后有少量的殘余臭氧，而空氣產(chǎn)生臭氧處理后并沒(méi)有殘余臭氧。對(duì)氧化氨氮的要求較高時(shí)應(yīng)使用純氧產(chǎn)生臭氧，但如果魚(yú)類(lèi)對(duì)臭氧比較敏感，則應(yīng)當(dāng)使用空氣產(chǎn)生臭氧。常用的臭氧溶解混合方式有鼓泡法、射流法等，本試驗(yàn)采用的是鼓泡塔方式，使用射流器時(shí)水中臭氧濃度在前60min內(nèi)達(dá)到0．1mg/L，180min時(shí)達(dá)到了0．15mg/L［13］，其溶解性能大大優(yōu)于鼓泡塔而臭氧殘余濃度也極高。使用射流器更適合進(jìn)行短時(shí)間消毒殺菌處理，而使用鼓泡塔空氣產(chǎn)生臭氧更適合長(zhǎng)時(shí)間的氧化氨氮處理且不會(huì)有臭氧殘余。要提高鼓泡塔的效率，可以采用微孔曝氣的方法，達(dá)到曝氣均勻、充氧效率高的效果。