CN213388169U - 一种膜分离与臭氧紫外线联用的饮用水消毒灭菌*** - Google Patents

Abstract

一种膜分离与臭氧紫外线联用的饮用水消毒灭菌***，其特征是：由预处理、膜分离装置、水箱、臭氧发生器、气水混合泵、灌装泵、臭氧/紫外线联用发生器***及其水路、电路、气路构成。根据纯净水、矿泉水等不同水种饮用水的水质特征，采用合适精度的膜分离，在净化水质的同时减少有机物、微生物、溴化物等影响溴酸盐生成的前体物；采用连续投加、分段反应，减少剩余臭氧浓度，缩短接触反应时间，降低溴酸盐生成量；应用臭氧/紫外线联用高级氧化技术，高效杀灭微生物、还原去除溴酸盐；消除了高浓度臭氧溢出对人员、设备、环境造成的危害，无新的添加物和毒副产物，降低设备改造及运行成本。

Description

一种膜分离与臭氧紫外线联用的饮用水消毒灭菌***

技术领域

一种饮用水水质处理器，特别涉及一种膜分离与臭氧紫外线联用的饮用水消毒灭菌***。

背景技术

近年来，由于工艺、技术、设备、检测手段等措施滞后，造成矿泉水、纯净水等包装饮用水铜绿假单胞菌、溴酸盐超标，导致产品质量不合格的情况十分突出。

《瓶(桶)装饮用水生产许可证审查细则》对饮用水生产设备、基本生产流程作出了具体规定。其中，反渗透、纳滤、超滤等膜分离是主体净化设备，膜分离精度决定了不同水种的特征性。反渗透(RO)属离子与小分子级，可去除0.0001微米(μm)的颗粒杂质、相对分子量大于150～200道尔顿(MWCO)的有机物，可高效去除重金属、化学毒物、有机物和细菌、病毒等，具有脱盐功能(专业术语：溶解性总固体、TDS、含盐量、电导率)，是制备纯净水的主体工艺；纳滤(NF)介于离子与分子级之间，可去除大小0.001μm的颗粒杂质、相对分子量大于200～400MWCO的有机物，功效接近于反渗透，保留部分矿物质的饮用水部分采用；超滤(UF)属分子级，可去除大小0.002～0.1μm的颗粒杂质，相对分子量(截留分子量)1000～1000000MWCO的有机物，细菌、病毒等但不能去除重金属、矿物质，是制备矿泉水、泉水等含有矿物质水的主体工艺。

反渗透、纳滤、超滤等膜分离技术从理论上讲可百分之百地去除细菌、病毒、热源，但其机理是去除而非杀灭，由于自身或膜分离之后的水路污染，微生物超标问题难以避免。当前存在的问题是膜分离精度配置不当，膜分离之后的消杀单元配置不当，是微生物超标的重要原因，也是溴酸盐超标的影响因素。

饮用水消毒灭菌有物理消毒(包括膜分离、紫外线辐射等)和化学消毒(包括臭氧、过氧化氢、过氧乙酸、羟基自由基等)。包装饮用水消毒灭菌大都采用臭氧、紫外线(UV)；化学消毒剂主要用于设备、包装和环境消毒。

臭氧(O₃)属于氧化型广谱消毒剂，对细菌、芽孢、病毒、真菌、霉菌、藻类等均有高效杀灭效果，还可去除铁锰，分解有机物，并具有除臭脱色改善感官功效。臭氧灭菌剂量有一个约0.3mg/L的阈值，当水中剩余臭氧浓度达到阈值时消杀作用瞬时发生，快速彻底地杀灭细菌；如果低于阈值杀灭效果将大大削弱，实践中，最常用的方法是将消毒剂浓度(紫外线辐射强度)C和消毒时间(接触反应时间)T的乘积(CT值)作为消杀强度的控制指标。

在饮用水标准修订前，通常将臭氧灭菌消杀强度CT值控制在0.35～0.85mg/L/10min，就能取得好的消杀效果。修订后的饮用水新标准实施以来，面对抵抗力强的铜绿假单胞菌出现大范围超标，特别是在炎热潮湿的夏季繁殖速度极快，常规消杀强度明显不足，经实践探索发现臭氧CT值要高于常规值的1～2倍(0.6～1.6mg/L/10～16min)杀灭效果才有保证。有的采取加大臭氧投加量(以臭氧与水混合后的剩余臭氧浓度计)、延长消杀时间、扩大消毒范围、采用新型消毒方法等措施，细菌超标问题在一定程度上得到缓解，但顾此失彼的负面影响又接踵面来。

随着臭氧投加量增大，含溴化物的矿泉水、包装饮用水中又出现了溴酸盐超标问题。生产过程中大量臭氧溢出散发在空气中有毒、也有腐蚀性，刺激损害人的眼睛、呼吸***，大量吸入会导致肺功能、细胞组织的损伤，甚至有可能引起癌变；会造成橡胶制品、电器等氧化损坏。我国和国际臭氧协会规定，空气中的臭氧浓度作业场所不得超过0.2mg/L，生产时臭氧主要从水箱和灌装作业中溢出，水箱溢出的臭氧尾气可以用臭氧毁灭器去除，比较好办；灌装溢出的臭氧量大，通常用抽风机排放，这样一来使洁净灌装车间空气由正压变为负压，破坏了无菌作业环境，操作人员也难以承受；臭氧在纯净水中半衰期长，需要放置两天才能消除鱼腥味，不能现产现用。

为了解决高剂量臭氧投加带来的问题，有的改用紫外线、化学消毒剂，但此类方法，消杀强度欠佳，在解决溴酸盐超标的同时又出现了微生物超标和新的毒副产物。对于含有溴化物的水源，臭氧消毒与微生物、溴酸盐之间存在矛盾：臭氧投加量大对杀灭微生物有利，对去除溴酸盐不利：反之投加量小对杀灭微生物不利，对去除溴酸盐有利。为了降低臭氧消毒产生的不利因素，有的采用生物活性炭、除溴树脂、加氨、加二氧化碳、降低PH值等方法，对去除溴化物、抑制溴酸盐生成具有实效，但存在一定程度的微污染、影响口感，再生麻烦、增加成本等不足。目前此类方法用于污水、再生水处理成功案例较多，但对于直接供人们饮用的包装水还不够成熟。

目前大都还是以臭氧消毒为主，控制溴酸盐生成与含量的方法也很多，但真正找到臭氧与微生物、溴酸盐三者之间的最佳平衡点难度较大，大都处于探索试验阶段。

紫外线(UV)灭菌原理是通过波长200～280nm的电磁波辐射导致微生物死亡。特点是高强度紫外线瞬间杀灭细菌，无二次污染，不会改变水体的理化性质，增强辐射强度延长反应时间有利于紫外光对溴酸盐的还原作用，通常不会产生溴酸盐。但紫外线穿透力弱，只有足够的辐射强度的紫外光、水层透明度好、深度小、无死角，且能够照射到的部位才具有杀灭效果。从杀灭持续性和光复活因素看，紫外线消毒的总体效果要低于臭氧。

实践证明，在同时应对溴酸盐和铜绿假单胞菌超标问题上，单独使用臭氧或紫外线消毒灭菌都难以取得理想的效果。

发明内容

针对现有包装饮用水在消毒灭菌和除去溴酸盐功能方面存在的不足，本发明在现有臭氧、紫外线消毒灭菌的基础上，根据纯净水、矿泉水等不同饮用水的水质特征，将臭氧与紫外线 (O₃/UV)联用，应用高级氧化(AOP)原理，进一步提高杀灭细菌和去除溴酸盐的功效，开发一种膜分离与臭氧紫外线联用的饮用水消毒灭菌***。本发明解决其技术问题所采取的技术方案是：

1、优化膜分离配置。纯净水采用产水电导率≤10μs/cm的反渗透膜，在反渗透之后配置臭氧/紫外线联用，高效灭菌，高效去除溴化物，不会产生溴酸盐。矿泉水及保留矿物质的饮用水，传统标配是采用截留分子量50000MWCO的超滤膜，实践证明精度低了，不能保证在酷暑潮湿天候下有效地应对菌藻繁生。本发明采用截留分子量10000MWCO的高精度超滤膜，一方面可应对抵抗力强的铜绿假单胞菌，另一方面可去除有机物、微生物、溴化物等影响生成溴酸盐的前体物，降低臭氧消耗量20％～30％，从而同比降低溴化物生成率20％～30％。

2、臭氧/紫外线联用消毒灭菌***。利用臭氧在紫外光照射下提供的一种高能量输入，与臭氧产生光化学协同效应，1mol臭氧可生成2mol的羟基自由基(HO.)，其杀灭微生物的速度相对氧化能力是臭氧的100～1000倍。

化学反应式：(1)O₃+hu→O₂+O.

O.+H₂O₂→HO.+HO-

(2)O3+H₂O+hu→O₂+H₂O₂

H₂O₂+hu→2HO.

羟基自由基(HO.)含量低，寿命短，迄今为止尚无有效方法精确测定，但可以通过O₃/UV 反应器进水与出水剩余臭氧衰减程度，间接判断羟基自由基(HO.)的强弱，衰减度越高羟基自由基(HO.)越强；反之，衰减度越低羟基自由基(HO.)越弱。

3、所述臭氧/紫外线联用消毒灭菌***，臭氧投加与臭氧/紫外线联用构成前后两段工序：前工序以减少臭氧投加量、抑制溴酸盐生成为重点；后工序以臭氧/紫外线反应生成的羟基自由基(HO.)弥补前工序因降低臭氧浓度而影响杀灭效果之不足，发挥紫外线与臭氧的协同效应，实现既高效杀灭铜绿假单胞菌等微生物又还原去除溴酸盐；臭氧投加量，由0.6mg/L降低到0.3mg/L，降低率50％；接触反应时间由10min降低到5min，降低率50％；溴酸盐生成量降低率50％～70％。试验方法及测定结果：

(1)试验用水。天然水体中含溴化物的水溴化物浓度通常在0.015～0.2mg/L，经臭氧处理的饮用水中溴酸盐含量0.02～0.293mg/L【甘日华等，饮用水卫生与管理，人民卫生出版社2008.3】本发明采用经活性炭、超滤处理，浊度≤1，溴化物含量0.1mg/L的原水，加入溴化钠使其溴化物含量达到1mg/L，再配制成铜绿假单胞菌成阳性的加标水为试验用水。

(2)试验测试条件。连续投加，臭氧消杀强度CT值0.3～0.5mg/L/5min；臭氧/紫外线反应器紫外线辐射剂量30000μWs/cm²，运行30min，分别检测水中剩余臭氧浓度、铜绿假单胞菌及溴酸盐含量。

(3)试验结果：在高溴化物含量、低臭氧投加量、短接触反应时间及铜绿假单胞菌成阳性的条件下测定结果：铜绿假单胞菌阴，溴酸盐＜0.01mg/L。见表

臭氧连续投加及臭氧/紫外线联用消毒灭菌效果对照表

项目	臭氧投加点	臭氧/紫外线反应器
			进水剩余臭氧浓度/mg/L	0.4	0.35
出水剩余臭氧浓度/mg/L	0.35	0.1～0.15
			进水铜绿假单胞菌/CFU	阳	0、0、0、0、0
出水铜绿假单胞菌/CFU	9阴1阳	0、0、0、0、0
			进水溴化物/mg/L	1	0.35
出水溴酸盐/mg/L	0.45	＜0.01

说明：(1)本表为10次试验测定结果平均值，(2)按试验测试条件开发的臭氧/紫外线联用饮用水消毒灭菌***，用于溴化物含量0.02～0.1mg/L的矿泉水及保留矿物质的饮用水，经3年生产实践，微生物及溴酸盐指标均稳定合格。

4、所述臭氧/紫外线联用消毒灭菌***。臭氧/紫外线反应器为圆形筒体封闭过流式结构，用抗氧化能力强的316不锈钢制造，筒体内壁抛光，以提高对紫外线的反射能力，增强辐射强度。带石英套管的紫外线灯置于筒内，单支紫外线灯安装在筒体中轴线上；多支紫外线灯的布置应使筒体断面各点具有均匀的紫外线辐射强度，灯管圆周水层厚度10～15mm，避免水流死角；紫外线波长为253.7nm，辐射强度30000μWs/cm²，以适应将溴酸盐还原为溴离子的需要。

5、所述臭氧/紫外线联用消毒灭菌***。通过灌装泵的回流阀、流量计调节臭氧/紫外线反应器的过水流量，从而将反应器出水剩余臭氧浓度控制在0.1～0.15mg/L，使水进入包装桶后仍具有10～15min的继续杀菌作用。臭氧/紫外线反应器安装在灌装机的顶部，以缩短灌装距离，延长继续杀菌时间。散发在灌装车间空气中的臭氧浓度低于0.15mg/L，对人员设备环境不会构成危害；灌装作业时不用打开排风扇，以保持洁净车间内空气处于正压状态。

本发明有益效果是：根据纯净水、矿泉水等不同水种饮用水的水质特征，采用合适精度的膜分离，在净化水质的同时减少有机物、微生物、溴化物等影响溴酸盐生成的前体物；采用连续投加、分段反应，减少剩余臭氧浓度，缩短接触反应时间，降低溴酸盐生成量；应用臭氧/紫外线联用高级氧化技术，高效杀灭微生物、还原去除溴酸盐；消除了高浓度臭氧溢出对人员、设备、环境造成的危害，无新的添加物和毒副产物，降低设备改造及运行成本。

附图说明

下面结合附图和实施例对本发明做进一步说明。

图1是本实用新型的工艺流程示意图。

图中：1、原水泵，2、粗滤器，3、活性炭滤器，4、精滤器，5、增压泵，6、保安过滤器，7、浓水管，8、膜分离装置，9、氧气瓶，10、减压表， 11、水箱进水口，12、进水取样阀，13、反应器进水管，14、占视孔，15、臭氧/紫外线反应器，16、反应器出水管，17、产水取样阀，18、带石英套管的紫外线灯，19、灌装头，20、镇流器配电箱，21、转子流量计，22、回流阀，23、包装桶，24、灌装机，25、灌装泵，26、出水球阀，27、水箱，28、进水球阀，29、气水混合泵，30、单向阀，31、氧气流量计，32、臭氧发生器，33、臭氧管，34、臭氧水取样阀。

具体实施方式

图1中，水源泵1、粗滤器2、活性炭滤器3、精滤器4、增压泵5、保安过滤器6按进出口先后顺序用管道相互连接，构成预处理***；保安过滤器出水口与膜分离装置8进水口连接，膜分离装置浓水出口与浓水管7连接，膜分离装置产水出口通过管道与水箱进水口11连接；带减压表10的氧气瓶9与臭氧发生器32上的氧气流量计31连接，氧气流量计出口用臭氧管33经单向阀30与气水混合泵29吸程进水管连接，吸程进水管经进水球阀28与水箱27 下部连接，气水混合泵扬程出水管与水箱中部连接，气水混合泵的扬程出水管上安装臭氧水取样阀34，构成气水混合泵/水箱臭氧投加***。

水箱出水管经出水球阀26与灌装泵25吸程进水管连接，灌装泵扬程出水管经转子流量计 21与反应器进水管13连接，灌装泵吸程进水口与扬程出水口之间安装回流阀22，反应器出水管16与灌装头19连接，灌装头对准包装桶23进口，反应器进水管上安装进水取样阀12、反应器出水管上安装产水取样阀17，带石英套管的紫外线灯18置入臭氧/紫外线反应器15 筒体内，紫外线灯接头与镇流器配电箱20连线；构成灌装与臭氧/紫外线联用的消毒灭菌***。

气水混合泵/水箱臭氧投加***与臭氧/紫外线联用消毒灭菌***构成前后两段工序：前工序以减少臭氧投加量、抑制溴酸盐生成为重点；后工序以臭氧/紫外线反应生成的羟基自由基 (HO.)弥补前工序因降低臭氧浓度而影响杀灭效果之不足，发挥紫外线与臭氧的光化学协同效应，既高效杀灭铜绿假单胞菌等微生物、又还原去除溴酸盐；臭氧投加量由0.6mg/L降低到0.3mg/L，降低率50％，接触反应时间由10min降低到5min，降低率50％；溴酸盐生成量降低50％～70％。

纯净水膜分离装置采用产水电导率≤10μs/cm的反渗透膜，反渗透工序之后是臭氧/紫外线反应器，消毒灭菌、去除溴化物，不会产生溴酸盐；矿泉水及需要保留矿物质的饮用水，采用截留分子量10000MWCO的超滤膜，超滤工序之后是臭氧/紫外线反应器，一方面应对酷暑潮湿天候下抵抗力强的铜绿假单胞菌，另一方面去除有机物、微生物、溴化物等影响溴酸盐生成的前体物，降低臭氧投加量，从而同比降低溴化物生成率。

羟基自由基(HO.)含量低，寿命短，迄今为止尚无有效方法精确测定，但可以通过臭氧/ 紫外线反应器进水与出水剩余臭氧衰减程度，间接判断羟基自由基(HO.)的强弱，衰减度越高羟基自由基(HO.)越强；反之，衰减度越低羟基自由基(HO.)越弱。

臭氧/紫外线反应器为圆形筒体封闭过流式结构，用316不锈钢制造，筒体内壁抛光，以提高对紫外线的反射能力，增强辐射强度，筒体上方有占视孔14；带石英套管的紫外线灯置于筒体内，单支紫外线灯安装在筒体中轴线上，多支紫外线灯的布置应使筒体断面各点具有均匀的紫外线辐射强度，灯管圆周水层厚度10～15mm，避免水流死角；紫外线波长为 253.7nm，紫外线辐射剂量30000μWs/cm²；紫外线辐射强度通过占视孔从臭氧/紫外线反应器筒体圆周壁至灯管表面距离用紫外线照度仪测定，照射时间通过臭氧/紫外线反应器过水流量计算，构成灌装与臭氧/紫外线联用的消毒灭菌***。

通过灌装泵回流阀调节臭氧/紫外线反应器过水流量，从而将臭氧/紫外线反应器出水剩余臭氧浓度控制在0.1～0.15mg/L；使水进入包装桶后残余臭氧仍具有10～15min的继续杀菌作用，臭氧/紫外线反应器安装在灌装机24的顶部，以缩短灌装距离，延长继续杀菌时间；散发在灌装车间空气中的臭氧浓度低于0.15mg/L，灌装作业时不用打开排风扇，保持洁净车间空气处于正压状态。

下面结合设备运行进一步阐述实施方式

制水时开通水源，原水经粗滤器、活性炭滤器、精滤器、保安过滤器预处理***去除泥沙、悬浮物、有机物等杂质，水质应符合GB 19298《包装饮用水》标准的水源标准；纯净水经反渗透过滤，出水电导率≤10μs/cm；矿泉水及需要保留矿物质的水经过截留分子量10000MWCO 的超滤膜过滤后，浊度(NTU)≤1；经反渗透或超滤装置处理后的水进入水箱，当水箱里的水量超过1/2时开启气水混合泵、灌装泵；开启臭氧发生器，打开氧气瓶阀门，通过减压阀、氧气流量计调节臭氧流量，向气水混合泵投加臭氧，经气水混合泵循环搅拌5～10min，在气水混合泵扬程出水管臭氧水取样阀取样，将剩余臭氧浓度控制在0.3～0.5mg/；通过灌装泵上的回流阀，调节臭氧/紫外线反应器过水流量，从反应器产水取样阀取样，检测水中剩余臭氧浓度，将其控制在0.1～0.15mg/L。

本发明实施过程应具备相应的检测手段。预处理、膜分离装置、水箱/气水混合泵、灌装泵、O₃/UV反应器及臭氧发生器各工艺环节应配备流量计、压力表、电导仪、浊度仪、臭氧比色计、紫外线照度仪等。

Claims (5)

1.一种膜分离与臭氧紫外线联用的饮用水消毒灭菌***，其特征是：水源泵(1)、粗滤器(2)、活性炭滤器(3)、精滤器(4)、增压泵(5)、保安过滤器(6)，按进出口先后顺序用管道相互连接，构成预处理***；保安过滤器出水口与膜分离装置(8)进水口连接，膜分离装置浓水出口与浓水管(7)连接，膜分离装置产水出口通过管道与水箱进水口(11)连接；带减压表(10)的氧气瓶(9)与臭氧发生器(32)上的氧气流量计(31)连接，氧气流量计出口用臭氧管(33)经单向阀(30)与气水混合泵(29)吸程进水管连接，吸程进水管经进水球阀(28)与水箱(27)下部连接，气水混合泵扬程出水管与水箱中部连接，气水混合泵的扬程出水管上安装臭氧水取样阀(34)构成气水混合泵/水箱臭氧投加***。

2.根据权利要求1所述的膜分离与臭氧紫外线联用的饮用水消毒灭菌***，其特征是：水箱出水管经出水球阀(26)与灌装泵(25)吸程进水管连接，灌装泵扬程出水管经转子流量计(21)与反应器进水管(13)连接，灌装泵吸程进水口与扬程出水口之间安装回流阀(22)，反应器出水管(16)与灌装头(19)连接，灌装头对准包装桶(23)进口，反应器进水管上安装进水取样阀(12)，反应器出水管上安装产水取样阀(17)，带石英套管的紫外线灯(18)置入臭氧/紫外线反应器(15)筒体内，紫外线灯接头与镇流器配电箱(20)连线；构成灌装泵与臭氧/紫外线联用消毒灭菌***。

3.根据权利要求1所述的膜分离与臭氧紫外线联用的饮用水消毒灭菌***，其特征是：纯净水膜分离装置采用产水电导率≤10μs/cm的反渗透膜，反渗透工序之后是臭氧/紫外线反应器，消毒灭菌、去除溴化物，不会产生溴酸盐；矿泉水及需要保留矿物质的饮用水，采用截留分子量10000 MWCO的超滤膜，超滤工序之后是臭氧/紫外线反应器。

4.根据权利要求1所述的膜分离与臭氧紫外线联用的饮用水消毒灭菌***，其特征是：臭氧/紫外线反应器为圆形筒体封闭过流式结构，用316不锈钢制造，筒体内壁抛光，以提高对紫外线的反射能力，增强辐射强度，筒体上方有占视孔(14)；单支紫外线灯安装在筒体中轴线上，多支紫外线灯的布置应使筒体断面各点具有均匀的紫外线辐射强度，紫外线波长为253.7nm，紫外线辐射剂量30000μWs/cm²，灯管圆周水层厚度10～15mm，避免水流死角。

5.根据权利要求1所述的膜分离与臭氧紫外线联用的饮用水消毒灭菌***，其特征是：臭氧/紫外线反应器安装在灌装机(24)的顶部，以缩短灌装距离，延长继续杀菌时间。

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