邵玉才 張曉青 趙建寶 周 勇

1 開(kāi)發(fā)背景

臭氧是世界上公認(rèn)的無(wú)二次污染的強(qiáng)氧化劑，能夠氧化大部分的有機(jī)物和無(wú)機(jī)物，其氧化還原后的產(chǎn)物為氧氣。利用臭氧可快速消滅細(xì)菌、病毒及藍(lán)藻，其殺菌能力比氯高一倍，速度比氯快600～3 000倍，殺菌效果是氯酸的5～1 000倍。臭氧對(duì)酵母和寄生生物也有活性，臭氧還可以氧化、分解水中的污染物，在水處理中對(duì)褪色，殺菌，去除酚、氰、鐵、錳和降低化學(xué)需氧量（COD）、生化需氧量（BOD）等都具有顯著的效果。人類最初將臭氧用于自來(lái)水廠的殺菌凈化，后來(lái)用于空氣凈化，醫(yī)藥無(wú)菌消毒，純凈水、礦泉水處理，水產(chǎn)養(yǎng)殖等。國(guó)內(nèi)關(guān)于臭氧的研究相對(duì)較晚，而養(yǎng)殖戶對(duì)于臭氧在水產(chǎn)養(yǎng)殖中的應(yīng)用更是知之甚少，加之目前用于水產(chǎn)養(yǎng)殖方面的臭氧消毒設(shè)備設(shè)計(jì)不完善，達(dá)不到預(yù)期效果，使養(yǎng)殖戶對(duì)臭氧殺菌消毒的效果產(chǎn)生懷疑。另外，現(xiàn)有養(yǎng)殖用臭氧設(shè)備主要用于工廠化水產(chǎn)養(yǎng)殖，裝置結(jié)構(gòu)復(fù)雜、造價(jià)高、運(yùn)行成本大，一般養(yǎng)殖用戶無(wú)法承受。目前市場(chǎng)上用于普通水產(chǎn)養(yǎng)殖的臭氧水處理裝置主要是噴水式臭氧消毒增氧機(jī)，然而，這種設(shè)備性能不穩(wěn)定，無(wú)法長(zhǎng)時(shí)間工作。這是因?yàn)楫?dāng)臭氧發(fā)生器長(zhǎng)時(shí)間工作時(shí)產(chǎn)生的高溫高熱會(huì)引起電子器件的損壞，所以需要在臭氧發(fā)生器上另裝散熱裝置，這樣就會(huì)提高設(shè)備的成本和故障率，使之難以推廣。

綜上所述，開(kāi)發(fā)一種新型的臭氧殺菌消毒設(shè)備對(duì)于水產(chǎn)養(yǎng)殖、水質(zhì)凈化、無(wú)公害綠色食品的生產(chǎn)具有十分重要的意義。

2 射流式殺菌消毒設(shè)備的工藝流程

射流式殺菌消毒設(shè)備的工藝流程為：空氣→臭氧發(fā)生器→臭氧→氣體射流→葉輪混合→臭氧水射流。

工作時(shí)射流管內(nèi)產(chǎn)生的真空度達(dá)到一定的負(fù)壓，由于負(fù)壓的作用而吸入臭氧發(fā)生器中制備的臭氧，在射流管內(nèi)形成低壓氣體射流射向葉輪；同時(shí)，由于葉輪的高速旋轉(zhuǎn)而引射了另一種水射流，兩種射流幾乎同時(shí)形成，并在葉輪的攪動(dòng)下充分混合，形成含有大量微孔氣泡的混合氣液流體射流射向水中。因?yàn)樯淞餮b置內(nèi)負(fù)壓氣流的產(chǎn)生，臭氧發(fā)生器在負(fù)壓氣流作用下不斷吸入空氣，從而達(dá)到為臭氧發(fā)生器制備臭氧提供新鮮空氣及風(fēng)冷降溫的目的。

3 臭氧發(fā)生器工作原理

臭氧發(fā)生器是制備或生產(chǎn)臭氧的生產(chǎn)裝置，其工作原理就是生產(chǎn)臭氧的機(jī)理和方法，常用的方法是：電暈放電法（DBD）、核輻射法、紫外線照射法、等離子射流法和電解法等。

圖 1為臭氧發(fā)生器原理結(jié)構(gòu)圖，其工作原理如下：

圖1 臭氧發(fā)生器原理結(jié)構(gòu)圖

（1）臭氧發(fā)生器由外圍電路及充滿氣體的間隙和一塊介電體分開(kāi)的兩塊金屬電極組成。

（2）AC采用≥1kHz高頻電流，結(jié)合微間隙放電技術(shù)，可以有效提高臭氧生成的效率和運(yùn)行可靠性。

（3）介電材料選用石英管，具有介電常數(shù)高、壁厚均勻、圓度好、耐高溫、耐潮濕等特點(diǎn)。

（4）在對(duì)電極施加高頻高壓電能的同時(shí)空氣流經(jīng)放電區(qū)產(chǎn)生臭氧。

（5）在臭氧產(chǎn)生過(guò)程中大部分電能將會(huì)以熱的形式消散，小部分轉(zhuǎn)化為光、聲、化學(xué)能等。

4 射流裝置的工作原理

4.1 射流裝置的主要功能

射流裝置和臭氧發(fā)生器為射流式臭氧殺菌消毒設(shè)備的核心組件，射流裝置的設(shè)計(jì)需解決三大問(wèn)題：

（1）產(chǎn)生負(fù)壓形成氣流。其目的：一是能夠快速有效地吸入臭氧發(fā)生器中產(chǎn)生的臭氧，形成氣體射流。二是為臭氧發(fā)生器提供新鮮空氣及風(fēng)冷降溫。因?yàn)樵诔粞跣纬蛇^(guò)程中空氣中的氧氣被不斷消耗，必須及時(shí)地補(bǔ)充新鮮空氣；而臭氧產(chǎn)生過(guò)程中電能大部分轉(zhuǎn)化為熱量，形成高溫高熱影響了電子器件的使用壽命，因此，必須進(jìn)行降溫才能保證設(shè)備在復(fù)雜的工況條件下長(zhǎng)期正常運(yùn)行。

（2）氣液混合。將從臭氧發(fā)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。將臭氧水通過(guò)射流的方式送入水中深處。

4.2 射流裝置的結(jié)構(gòu)原理（見(jiàn)圖 2）

圖2 射流裝置結(jié)構(gòu)圖

該裝置主要由葉輪、空心軸、射流管、軸承組件組成。葉輪在圖 2所示的旋轉(zhuǎn)方向下高速旋轉(zhuǎn)，在葉輪兩端端部同時(shí)形成真空低壓區(qū)，因?yàn)榭諝饬鲃?dòng)阻力遠(yuǎn)遠(yuǎn)小于水，因此，在這里的低壓區(qū)首先由射流管里的空氣進(jìn)行補(bǔ)充，從而形成射流管內(nèi)的兩種氣體射流：一種在射流管和空心軸之間形成，另一種在空心軸內(nèi)形成。在氣體射流形成的同時(shí)，葉輪后部徑向也由于負(fù)壓區(qū)域的產(chǎn)生而形成水流，氣流和水流經(jīng)葉輪的高速攪拌混合成臭氧水沿射流管的軸向射出。射流裝置的工作原理可用伯努利方程和連續(xù)方程來(lái)表達(dá)。

連續(xù)方程：V·A=常數(shù)

式中：V——流體流速；

g——重力加速度；

P——流體壓力；

γ——流體比重；

z——流體勢(shì)能；

A——流過(guò)截面。

5 射流式臭氧殺菌消毒設(shè)備的結(jié)構(gòu)原理

5.1 射流式臭氧殺菌消毒設(shè)備主機(jī)結(jié)構(gòu)原理

圖 3為射流式臭氧殺菌消毒設(shè)備主機(jī)結(jié)構(gòu)圖，其原理如下：

圖3 射流式臭氧殺菌消毒設(shè)備主機(jī)結(jié)構(gòu)圖

（1）在射流管內(nèi)安裝臭氧發(fā)生器，射流管和電機(jī)法蘭連接（這里電機(jī)用2級(jí)電機(jī)，轉(zhuǎn)速2 800 r/min）。

（2）空心軸和電機(jī)軸連接，其作用：一是作為傳動(dòng)軸將電機(jī)扭矩傳遞給葉輪（T=9 550 000 P/n）；二是引射氣體射流，射流裝置內(nèi)共有兩股氣體射流產(chǎn)生，其中一股便是在空心軸內(nèi)產(chǎn)生的。

（3）射流管上的進(jìn)氣孔為空氣進(jìn)入口，空氣由此進(jìn)入射流管內(nèi)的臭氧發(fā)生器，進(jìn)而形成氣體射流。進(jìn)氣孔的大小、布置方式等設(shè)計(jì)是否合理將會(huì)影響到射流效果好壞、氣流漩渦是否產(chǎn)生、設(shè)備運(yùn)行的噪聲大小、電機(jī)功率的無(wú)用功損耗等各項(xiàng)設(shè)備性能，其設(shè)計(jì)方案參照氣體動(dòng)力學(xué)或用計(jì)算機(jī)模擬，也可以用實(shí)驗(yàn)方法獲得。

（4）進(jìn)水孔的作用是在工作時(shí)為軸承提供潤(rùn)滑（軸承內(nèi)圈開(kāi)有數(shù)條潤(rùn)滑槽），其原理是當(dāng)設(shè)備工作時(shí)，射流管內(nèi)形成空氣負(fù)壓而無(wú)水存在，通過(guò)進(jìn)水孔向射流管內(nèi)溢水，并在氣體射流的作用下形成霧化而潤(rùn)滑軸承，孔的大小及位置需根據(jù)射流管的負(fù)壓狀況及射流狀態(tài)確定?？滋髣t進(jìn)水太多，影響氣流的產(chǎn)生；而孔太小則影響潤(rùn)滑效果，損壞軸承。因此，在滿足潤(rùn)滑的條件下，設(shè)計(jì)時(shí)孔應(yīng)盡量小。

（5）葉輪是產(chǎn)生射流和氣液混合的關(guān)鍵部件，設(shè)計(jì)的好壞直接影響到設(shè)備整體性能，其設(shè)計(jì)可以參考相關(guān)資料。

5.2 射流式臭氧殺菌消毒設(shè)備整機(jī)結(jié)構(gòu)（見(jiàn)圖4）

圖4 射流式臭氧殺菌消毒設(shè)備整機(jī)結(jié)構(gòu)圖

5.2.1 各部件功能

防雨罩的作用是保護(hù)電機(jī)及臭氧發(fā)生器不會(huì)讓雨水淋濕；調(diào)節(jié)桿用來(lái)調(diào)節(jié)葉輪在水中的深度及射流角度；浮體使設(shè)備浮于水上；主機(jī)為設(shè)備功能實(shí)現(xiàn)機(jī)構(gòu)；過(guò)濾網(wǎng)用于過(guò)濾雜物及保護(hù)葉輪和安全防護(hù)。

5.2.2 設(shè)備使用

（1）該設(shè)備依靠?jī)芍桓◇w漂浮于水上，并固定浮體兩端以確保工作時(shí)設(shè)備不會(huì)移動(dòng)。

（2）當(dāng)需要臭氧殺菌消毒時(shí)，先開(kāi)電機(jī)后開(kāi)臭氧發(fā)生器；而只開(kāi)電機(jī)不開(kāi)臭氧發(fā)生器時(shí)，可以用于漁塘增氧，相當(dāng)于增氧機(jī)的功能。

（3）水體較淺時(shí)，應(yīng)通過(guò)調(diào)節(jié)桿減小射流角度，以防止射流沖起水底淤泥。當(dāng)葉輪上方出現(xiàn)水體漩渦時(shí)，則表明氣液混合中的部分氣體是從葉輪上方的水面而不是從射流管內(nèi)獲得，此時(shí)需通過(guò)調(diào)節(jié)桿加大射流角度杜絕漩渦的形成。

6 應(yīng)用前景

隨著經(jīng)濟(jì)的發(fā)展、城市化進(jìn)程的推進(jìn)，水體的污染日益加劇，飼料過(guò)剩、藥物殘留等不僅惡化了水產(chǎn)養(yǎng)殖水體生態(tài)環(huán)境，導(dǎo)致養(yǎng)殖病害的危害程度日趨嚴(yán)重；同時(shí)還威脅到人類的的食品安全、健康生存。因此，結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、運(yùn)行穩(wěn)定、性能優(yōu)異的臭氧殺菌消毒設(shè)備的開(kāi)發(fā)及推廣，必將在水產(chǎn)養(yǎng)殖及水處理領(lǐng)域取得良好的經(jīng)濟(jì)效益，具有十分廣闊的市場(chǎng)前景。

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