光催化深度水处理工艺设备在泳池水消毒中的示范应用

张国艳,陈作雁,刘 刚,韩立娟,安兴才

(甘肃自然能源研究所,甘肃兰州 730046)

水体细菌污染是游泳池水质的主要问题之一[1]。当人体长时间接触细菌污染的泳池水后,可能会感染细菌性疾病,给人的健康和安全带来威胁[2]。采用单一的常规氯消毒泳池水,人们患皮肤炎、呼吸道及支气管疾病的概率明显增加,且其副产物含量超标会引起红眼病等不良反应[3-4]。随着人民生活水平的提高,人们对休闲娱乐的环境设施要求不断提高,需要寻找新的更安全可靠的杀菌消毒技术,为安全杀菌消毒寻找另一种可能的方法[5]。

据国内外有关报道,针对游泳池水处理已研制出不同结构的光催化反应设备,如光电催化设备[6]、光电水质净化设备[7]、TiO2复合光催化设备[8]、光催化与臭氧联合处理游泳池水[9]等。而这些光催化反应设备在大规模应用推广中存在日处理量小、耗电量大、处理效率低等问题。

针对以上技术难点,研究团队自主开发了8英寸(1英寸≈2.54 cm)管式光催化组件,其中光催化剂选用负载型光催化剂,组件结构设计将光催化、紫外和臭氧灭菌技术集成为一体,与游泳池水处理净化工艺相配套,处理流量大。该设备与常规氯消毒组合处理游泳池水,示范试验结果完全符合《游泳池水质标准》(GJ/T 244—2016)[10]所要求的指标,同时能降低泳池水中游离性余氯和化合性余氯的含量,提高了泳池水的水质品质,给人更安全舒适的游泳环境。

1 示范装置

1.1 兰州某酒店游泳馆的基本概况

兰州某酒店游泳馆容量为180 m3,人流量为300～500人/d,循环流量为28 m3/h,泳池水处理工艺如图1所示,采用多介质过滤器对游泳池水进行过滤净化,通过投加NaClO消毒剂(即仅投加NaClO)灭菌,pH调节剂(食品级柠檬酸)调节泳池水的pH,板式换热器加热游泳池水。采用卫普士泳池水质在线监测仪对游离性余氯、pH、氧化还原电位(ORP)和浑浊度远程监控并数据云端存储1次/h,以及智能变频投药。

图1 兰州某酒店游泳馆泳池水处理工艺Fig.1 Water Treatment Process of a Hotel Swimming Pool

1.2 示范装置工艺设计与设备选型

对兰州某酒店游泳馆进行改造,在原有工艺中增加光催化深度水处理工艺设备(简称示范设备),循环流量由28 m3/h降为20 m3/h,循环次数为2.6次/d(图1)。实现光催化深度水处理工艺设备与常规氯消毒组合(即光催化+NaClO)处理游泳池水,相关设计参数如表1所示。

表1 示范装置的相关设计参数Tab.1 Relevant Designed Parameters of Demonstration Device

示范设备主要由8英寸管式光催化组件、气液混合器、气体流量计、压力表、阀和管路等组成。工艺流程如图2所示,净化后的游泳池水由1#阀进入管路,进入8英寸管式光催化组件,经光催化处理后通过2#阀,再经板式换热器加热后返回游泳池。同时,空气进入8英寸管式光催化组件产生臭氧混合气,由气路进入气液混合器和游泳池水充分混合,再进入8英寸管式光催化组件,实现光催化和臭氧(自产)协同灭菌。

图2 光催化深度水处理工艺设备示范装置工艺流程Fig.2 Process Flow of Technological Equipment of Photocatalytic Advanced Treatment

1.2.1 8英寸管式光催化组件

示范设备的核心部件为8英寸管式光催化组件,其结构示意图如图3所示,由外壳、石英管、光源、封头、V-N-TiO2/玻璃珠光催化剂[11]组成。外壳两端设置进、出水口。石英管两端开口,光源置于石英管内。外壳和石英管之间装填V-N-TiO2/玻璃珠光催化剂,并通过封头密封连接。

图3 8英寸管式光催化组件结构示意图Fig.3 Schematic Structure of 8-Inch Tube Photocatalytic Assembly

封头结构如图4所示,由封头本体、布水板和连接两者的支撑杆,以及端盖(包括封头端盖和石英管端盖)、密封圈构成。石英管穿过布水板,通过U型密封圈与封头本体密封连接,并通过石英管端盖固定。封头本体与石英管、挡板之间为布水腔,并与进出水口连通。封头端盖均有通气孔,与封头本体之间区域为气腔,下端气腔装填防尘滤棉,上端封头端盖的通气孔与气路相连。

图4 封头结构示意图Fig.4 Schematic Diagram of the Sealing Head Structure

1.2.2 灭菌原理

注:1—外壳;2—石英管;3—真空紫外光源;4—下端封头;5—上端封头;6—玻璃珠/TiO2光催化剂;7—进水口;8—出水口;9—下端布水板;10—上端布水板;11—下端端盖;12—上端端盖;13—滤棉;14—上端气腔;15—进气口;16—出气口。图5 8英寸管式光催化组件工艺流程Fig.5 Process Flow of the 8-Inch Tube Photocatalytic Assembly

2 试验结果与分析

在循环流量为20 m3/h、保证游泳池水中大肠杆菌不得检出、菌落总数<100 CFU/mL、各项泳池水指标均达标的情况下,对原工艺(即仅投加NaClO)和示范设备与常规氯(NaClO)消毒组合处理游泳池水(即光催化+NaClO投加)进行示范试验。

2.1 仅投加NaClO

兰州某酒店游泳馆循环流量为28 m3/h,仅投加NaClO,其游离性余氯设定值为0.8 mg/L时,泳池水各项指标均符合《游泳池水质标准》(GJ/T 244—2016),为该运行状态下的最佳条件。示范设备与常规氯(NaClO)消毒组合处理游泳池水工艺中,循环流量变为20 m3/h,仅投加NaClO,游离性余氯仍设定值为0.8 mg/L时,考察pH、ORP、浑浊度、大肠杆菌、菌落总数去除情况。

由图6可知,7 d的游离性余氯、pH、ORP和浑浊度在合理范围,相对稳定,均符合CJ/T 244—2016水质标准。

图6 游离性余氯、pH、ORP和浑浊度的稳定性Fig.6 Stability of Free Residual Chlorine, pH Value, ORP and Turbidity

总大肠杆菌、菌落总数隔天取样测试,检验结果如表2所示,游泳池水中总大肠杆菌未检出、菌落总数<100 CFU/mL,均符合泳池水标准。

表2 菌落总数和总大肠菌群检测结果Tab.2 Results of Total Colonies and Total Coliform

2.2 光催化+NaClO投加

由于《游泳池水质标准》(GJ/T 244—2016)中规定游离性余氯的限值为0.3～1.0 mg/L,不能低于0.3 mg/L。在光催化+NaClO灭菌工艺中,设定游离性余氯质量浓度分别在0.6、0.5、0.4 mg/L条件下,考察pH、ORP、浑浊度,如图7所示。随着NaClO投加量的减少,游离性余氯从0.6 mg/L下降到0.5 mg/L和0.4 mg/L,游泳池水中总大肠杆菌未检出、菌落总数<100 CFU/mL;pH、ORP和浑浊度在合理范围变化,但相对稳定,均符合CJ/T 244—2016水质指标。光催化+NaClO灭菌共同作用下,游离性余氯降为0.4 mg/L时,泳池水水质仍达标。

图7 不同工况下游离性余氯、pH值、ORP和浑浊度的稳定性Fig.7 Stability of Free Residual Chlorine, pH Value, ORP, and Turbidity under Different Working Conditions

2.3 稳定性试验

示范设备与常规氯(NaClO)消毒组合处理游泳池水工艺中,循环流量为20 m3/h,游离性余氯质量浓度设置为0.4 mg/L,考察菌落总数、总大肠菌群、游离性余氯、pH、ORP和浑浊度的稳定性,进行为期1个月的稳定性试验。

在整个试验期间,菌落总数<100 CFU/mL、总大肠菌群未检出,说明光催化+NaClO灭菌工艺在游离性余氯为0.4 mg/L时,完全能保证泳池水水质达到卫生标准。

由图8可知,在整个稳定性试验期间,游离性余氯、pH、ORP和浑浊度均保持稳定,均符合CJ/T 244—2016水质指标。

图8 游离性余氯、pH值、ORP和浑浊度的稳定性Fig.8 Stability of Free Residual Chlorine, pH Value, ORP and Turbidity

2.4 示范工程经济分析

2.4.1 设备费

示范工程中需配备两组8英寸管式光催化组件,主要设备清单如表3所示,设备总投资为41 227.00元。

表3 主要设备清单Tab.5 List of Master Equipments

2.4.2 运行费核算

(1)运行电费

示范设备耗电的主要部件为紫外灯和气液混合器,额定功率分别为150 W和550 W。其理论日耗电量为(0.15 kW×30+0.55 kW)×24 h=121.20 kW·h,实际运行一个月的总耗电量为3 100.78 kW·h,实际日耗电量103.36 kW·h(每月以30 d计)。实际日耗电量为理论日耗电量的85.28%。

(2)药剂费用估算

兰州某酒店游泳馆在游离性余氯保持在0.8 mg/L条件下,氯消毒剂月平均消耗量为1 000 L,消毒剂为1.5元/L。游离性余氯质量浓度由0.8 mg/L降至0.4 mg/L,消毒剂投加量下降40%。pH调节剂(食品级柠檬酸)月平均消耗量为100 kg,费用为10元/kg,采用NaClO+光催化消毒工艺后,pH调节剂消耗量下降25%。

(3)成本核算

①仅投加NaClO消毒剂对游泳池水灭菌日处理费用为:1 000 L/月×1.5元/L+100 kg/月×10.0元/kg =2 500元/月=83.0元/d。

②光催化+NaClO投加量对游泳池水灭菌日处理费用为:0.764元/(kW·h)×103.36 kW·h +1.5元/L×1 000 L/月×60%+100 kg/月×10元/kg×0.75=133.97元/d[电价以商用电价0.764元/(kW·h)计]。

从上述结果看,光催化预灭菌对NaClO消毒剂投加量降低40%,pH调节剂消耗量下降25%,药剂的投加量有较大的降低,但运行费用反而增加50.97元/d,其经济性较差。主要问题是示范工程游泳馆泳池水容量为180 m3,循环流量为20 m3/h,循环周期为9 h,每天循环2.6次,该数值太低,光催化灭菌是过流式灭菌,循环次数少,难以发挥其效果。若按正常游泳池水处理的循环次数5次/d计算,充分发挥光催化灭菌效果,NaClO消毒剂投加量可降低76.92%,pH调节剂消耗量下降48.08%,示范工程日处理费用降为107.81元/d,与仅投加NaClO消毒剂对游泳池水灭菌日处理费用(83.0元/d)相差不大,且能降低泳池水中游离性余氯和化合性余氯的含量,提高了泳池水的水质品质,给人更安全舒适的游泳环境。因此,光催化深度水处理设备与常规氯(NaClO)消毒组合处理游泳池水技术具有较好的应用前景。

3 结论

(1)示范运行中仅投加NaClO,其游离性余氯设定值为0.8 mg/L时,泳池水各项指标均符合《游泳池水质标准》(GJ/T 244—2016),为该运行状态下的最佳条件。

(2)在光催化+NaClO组合灭菌工艺中,游离性余氯由0.8 mg/L降至0.4 mg/L,消毒剂投加量下降40%,pH调节剂投加量下降25%,菌落总数、总大肠菌群、游离性余氯、pH、ORP和浑浊度等各项指标均符合《游泳池水质标准》(GJ/T 244—2016)要求,示范设备运行稳定,且泳池水中游离性余氯和化合性余氯的含量得到降低,泳池水品质显著提高。

(3)示范设备光催化+NaClO处理运行成本为133.97元/d,比仅加NaClO处理运行成本增加50.97元,经济性较差;若按泳池水循环次数常用值5次/d计算,则日处理成本降为107.81元,与仅投加NaClO消毒剂对游泳池水灭菌日处理费用(83.0元)相差不大。考虑到光催化+NaClO组合工艺灭菌能降低泳池水中游离性余氯和化合性余氯,是一种绿色环保泳池水消毒工艺,在高档游泳馆、婴幼儿游泳馆等泳池水质要求较高的场所具有较好的应用前景。