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臭氧化處理對礦泉水水質影響
中國預防醫學科學院環境衛生監測所 陳亞妍
趙月朝 林少彬
----近幾年來，我國礦泉水的生產實踐，使人們認識到飲用天然礦泉水的生產比一般飲料難，其原因是礦泉水產品不能加防腐劑，不能加熱滅菌而且生物指標要求達到"雙零"。因此微生物污染問題一直困擾著礦泉水生產廠家，要解決微生物污染問題必須采用系統工程，包括水源、環境、技術設備、管理等一系列問題，其中最關鍵的問題是如何消毒滅菌。解決礦泉水中細菌的方法有二種：（1）物理方法：采用膜過濾技術，只要膜的孔徑小于細菌直徑，這種膜可以有效地阻溜細菌；（2）化學方法：采用紫外線和臭氧消毒滅菌，其中臭氧消毒是目前國內外礦泉水生產過程應用最普遍的滅菌消毒方法。
----1.
臭氧消毒
----1.1臭氧消毒在水處理中的應用
----臭氧用于消毒處理已有很長的歷史，十九世紀末有人開始用臭氧進行飲水處理，七十年代中期歐洲已有500多個臭氧處理廠，到目前已有3000多個水廠用臭氧處理飲水。國內外食品工業包括礦泉水生產也廣泛應用臭氧消毒滅毒。
----1.2臭氧的特性
----臭氧是淡青色不穩定的氣體，溶于水但溶解度小。臭氧的氧化還原電位（2.07V）僅次于氟（2.87V）,但高于氯氣（1.97V）和二氧化碳(1.5V)，它是一種強的氧化劑和消毒劑：臭氧的穩定性差，將溶解臭氧的水溶液放置，臭氧的濃度會隨著放置的時間延長而下降。有人試驗：當室溫20℃，臭氧水的PH為7.6,水溫10～15℃，繪制臭氧水的濃度隨著時間變化的曲線，測其半衰期為36分鐘，由于臭氧半衰期短，易于分解，在水中無殘留物，故適用于礦泉水、飲水、飲料、食品等的消毒。
1.3 臭氧的滅菌效果
臭氧水溶液具有很強的殺菌作用，所需的濃度低，作用快。當其濃度達到2mg/L左右，作用1分鐘，可將大腸桿菌、金黃色葡萄球菌、細菌的芽胞、黑曲霉、酵母等微生物殺死。實際上只要臭氧濃度達到閾值時，可在極短的時間內將微生物殺滅，此閾值對不同種類的微生物是不同的。例如真菌為1.5mg/L,細菌繁殖體為3mg/L。
----取天然礦泉水將其暴露于空氣中，讓細菌自然生長。然后于此水樣通入不同濃度的臭氧氣體，分別于接觸5分鐘和密閉放置24小時后測定細菌的濃度（見表1）。當礦泉水中的臭氧濃度達到0.5mg/L，在5分鐘內可將細菌全部殺滅。
表1 臭氧對天然礦泉水中細菌的滅菌效果
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臭氧濃度
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原水細菌濃度
（個/mL） |
通氣5分鐘后細菌
濃度
（個/mL） |
放置24小時后細菌濃度
（個/mL） |
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0.08
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209
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1
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6
|
|
0.18
|
209
|
0
|
2
|
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0.49
|
209
|
0
|
0
|
|
0.76
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209
|
0
|
0
|
|
1.00
|
209
|
0
|
0
|
----1.4
臭氧消毒的影響因素
----1.4
1臭氧的滅菌效果與水中臭氧的濃度的關系：水中臭氧的濃度越高，滅菌的效果越好。而水中臭氧的濃度又取決于通入臭氧氣體的濃度、水的分散程度以及水溫，當通入氣體的濃度越高，溫度越低，水分散程度越好，對臭氧的溶解越有利。臭氧溶解越好水中臭氧的濃度越高，滅菌效果越好。
----1.4.2
臭氧的滅菌效果與水質關系：當水的渾濁度和色度增加時，會降低滅菌效果，遇到此情況最好先過濾，澄清后再用臭氧消毒，而水的PH值也會影響滅菌效果，礦泉水通入相同的臭氧氣體，因PH值不同，臭氧濃度不同，發現PH為6.5時臭氧的濃度為1.06mg/L,而PH為8.5時，臭氧的濃度為0.48mg/L，由此可見水的PH偏酸性有利于臭氧的溶解，水中臭氧濃度高，滅菌效果好。
----2.
臭氧消毒對礦泉水成份的影響
----2.1
鍶、偏硅酸等有益成份和主要成份
----我國飲用天然礦泉水主要化學類型是含鍶、偏硅酸重碳酸鹽型，因此有必要觀察臭氧消毒對礦泉水中鍶、偏硅酸、重碳酸鹽、總堿度、總硬度以及反映無機物總量的溶解性固體向礦泉水中通入高濃度臭氧的空氣，接觸15分鐘后測定礦泉水中的主要成份（表2）。
----由表2可見，礦泉水經臭氧處理后鍶、偏硅酸、重碳酸鹽、總堿度和總硬度的濃度幾乎沒有改變，說明臭氧消毒對這些指標影響不大。
表2 臭氧處理對礦泉水有益成份和主要成份的影響
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項 目
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通臭氧前（mg/L）
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通臭氧后（mg/L）
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鍶
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0.398
|
0.396
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偏硅酸
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51.7
|
51.6
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重碳酸鹽
|
434.2
|
434.2
|
|
PH
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7.99
|
8.19
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總硬度
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236.3
|
236.2
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總堿度
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232.5
|
232.5
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----*水中臭氧濃度為6.3mg/L
----用硫酸和氫氧化鈉調節礦泉水PH值分別為6.5、7.5和8.5，然后通入相同濃度的臭氧氣體5分鐘，測定水樣的臭氧濃度和溶解性固體（表3）。試驗結果表明：水中臭氧的濃度和溶解固體均隨著PH的升高而降低，但溶解性總固體下降不超過10％。
表3 臭氧消毒前后溶解性固體含量變化
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PH
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臭氧濃度(mg/L)
|
溶解度固體(mg/L)
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消毒前
|
消毒后
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下降％
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65
|
1.06
|
446
|
426
|
4.48
|
|
75
|
0.83
|
426
|
398
|
6.57
|
|
85
|
0.48
|
442
|
400
|
9.50
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----2.2
對還原性組分及耗氧量
----還原性組分這里系指氨氮、氰化物和酚。一般礦泉水中這些組分含量均很低，難于判定臭氧消毒對其的影響。因此于氨氮、氰化物中和酚的礦泉水通入高濃度的臭氧氣體15分鐘，測其濃度的變化（表4）
----表4結果表明礦泉水中的氨氮經臭氧消毒后，其濃度幾乎無改變，而氰化物和揮發性酚濃度明顯地降低。
----耗氧量（COD）系以高錳酸鉀為氧化劑，在一定條件下氧化水中還原性物質，將消耗的高錳酸鉀折算為氧表示。COD能反映部分還原性有機物總量，于不同PH的礦泉水中通入相同濃度的臭氧氣體5分鐘，礦泉水中COD明顯地下降，COD下降的程度與水的PH有密切的關系，隨著水的PH升高，下降的百分比有所減少。
----許多人的研究均證實：臭氧化處理能使水中有機物發生不同程度的降解，水中常見的比較簡單的有機物經臭氧化處理會變成簡單的有機物，再進一步徹底地氧化生成CO2
。比較復雜有機物往往需要經過多次臭氧化處理才能轉化變成簡單的有機物。
表4 臭氧對還原性組分的影響
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項 目
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組分濃度(mg/L)
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原水未經臭氧處理
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經臭氧處理
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|
氨氮
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0.75
|
0.010
|
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氰化物
|
0.010
|
<0.002
|
|
揮發性酚
|
0.010
|
<0.002
|
----2.3
溴化物
----溴化物也是礦泉水的界限指標之一，我國也有少部分礦泉水的溴化物達標。于含有溴化物的礦泉水（原水溴化物為2mg/L,再加入NaBr使其濃度達到5mg/L）通入不同的臭氧的氣體5分鐘，測其次鹵酸鹽和溴酸鹽濃度（見表5），結果顯示：用臭氧消毒時礦泉水中的次鹵酸（鹽）和溴酸鹽的濃度隨著臭氧濃度的升高而升高，當臭氧濃度達到5.9mg/L，溴化物絕大部分被氧化成溴酸鹽，溴酸鹽對人體有害，次鹵酸鹽與水中三鹵甲烷生成有關系。
表5
臭氧消毒后礦泉水中次鹵酸（鹽）和溴酸鹽的生成結果
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溴酸鹽產率
％ |
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0.09
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0.008
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0.83
|
10.4
|
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0.29
|
0.015
|
1.88
|
23.5
|
|
0.83
|
0.024
|
3.07
|
38.4
|
|
5.90
|
<0.002
|
2.90
|
90.6
|
----3.
結論
----作用臭氧對礦泉水進行消毒，當水中臭氧的濃度達到0.5mg/L時，作用5分鐘可將水中的細菌全部殺滅；礦泉水中鍶、偏硅酸、重碳酸鹽、總硬度、總堿度不受濃度臭氧影響；但是臭氧消毒后礦泉水的溶解性固體略有降低（降低小10％），PH值稍有升高；礦泉水進行臭氧化處理后氰化物、揮發性酚和耗氧量明顯地降低，但對含溴礦泉水的影響值得注意。
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