臭氧處理泳池水技術與應用現狀

摘要：氯劑處理泳池水時與水中的有機物能反應生成三鹵甲烷(THM)，對人體健康有危害。臭氧的使用能改進水質，并能促進過濾，使池水更為清澈，目前在世界各國日益得到重視。文中全面介紹了臭氧泳池水處理技術發展情況并對2008年奧運會泳池水處理如何達到世界泳聯對水中THM要求20μg/L作出了初步分析。
關鍵詞：臭氧   泳池水處理   三鹵甲烷

一、臭氧的應用改進了氯化法泳池水的水質
我國目前水處理過程中，廣泛使用氯或氯化合物為殺菌劑，泳池水殺菌則幾乎全依賴氯劑。
早在100年前人們就開始使用氯劑進行消毒，其中尤以元素氯可以迅速殺死大多數微生物，而且可以保持水中足夠余氯使抑制作用得以保持而得到推廣。氯具有價格低廉，來源方便的特點，在泳池水的處理上至今仍被繼續大量采用。池中的污染物主要為尿素即由泳者帶入的細菌。一個泳者據稱能帶入30～40億個細菌及0.5克有機物。氯在殺死細菌的同時卻與尿素、有機物形成氯化胺及三鹵甲烷(THM)，氯化胺的揮發性很大是造成室內游泳池大廳內特殊氣味的主要化合物，對人的眼、耳、鼻、喉粘膜產生刺激。THM則已被確認為對小白鼠具有致癌性。美國環保局(EPA)于2001年7月23日在因特網上公布了THM有害健康的論點，并稱有些人由于長期飲用THM超標水(EPA標準為100μg/L)，可能導致肺、肝及中樞神經系統的癌變，在泳池水中THM的存在，可通過人的呼吸、皮膚的呼吸及滲透對健康構成一定危害。環保工作者還發現THM一旦生成，在自然環境中不易分解而發揮到大氣層中，在到達大氣對流層后的半衰期可長達2～3個月，在此期間將造成對大氣臭氧層的破壞，形成了對人類可持續發展的威脅。
針對以上問題，臭氧處理泳池水的技術得到了進一步發展。臭氧被證明是水處理過程中除氟以外極強的氧化劑，他首先能以比氯高出百倍的反應速度分解有機物，防止氯與尿素化合成氯胺，又能氧化THM的前驅物(Precursor)，而使THM大大降低。此外，臭氧分解后在水中形成的羥基能夠使多價金屬離子水解成膠體化合物，通過砂濾器而被過濾掉，這不僅使水的感觀得到改進，尤其是水中有機物被氧化分解，后又被過濾去除，因此即使為了防止交叉感染，泳池中還需保持0.5mg/L左右余氯，氯劑的投加量大為降低，一般只為單獨使用氯劑的15~20%。
嗣后的經驗證明，返回泳池水中的殘留臭氧低于0.15mg/L時[10]，并不會造成任何不利影響，即使長期游泳也不致產生健康危害，西方工業國家尤其是歐洲，不僅普遍接受了這一事實，在約30,000個泳池中使用臭氧，并進一步發展傳統的德國標準，實現了完全取消氯劑的殺菌技術。這一技術主要在法國及一些非德語國家推廣應用達30多年，積累了大量有益的經驗，并為臭氧處理池水技術的發展提供了系統、實用的經驗。美洲國家，包括美國近年來已注意到這一情況，開始大量采用臭氧技術，發展的勢頭很快，但在應用比例上還低于歐洲國家。
我國游泳運動發展得較晚，泳池的建設規模較小，臭氧技術應用不多。近期，隨著對外開放，一些舉行正式或國際比賽的泳池已按國家規定或規范[1]設置臭氧處理裝置。此外，一些公眾性泳池、高檔賓館、小區的泳池也都提出了采用臭氧技術的要求。人們對于個人衛生的保護意識在此次“非典”危害中得到了進一步加強?？梢灶A見，我國臭氧處理泳池水技術今后必將得到加速發展。

二、臭氧處理泳池水技術發展現狀
臭氧與氯劑相似，具有殺菌作用，并以快速百倍的反應速度，殺死水中常見的大腸桿菌，現已為眾多科學家闡明，某些病原菌，例如病毒、阿米巴變形蟲、囊胞等能抵抗氯劑，但卻不能幸免而被臭氧殺死。臭氧的使用給泳者以一種可以安全游泳的寬慰。臭氧的另一作用是氧化性能力，他能防止造成泳池室內特殊臭味的化合物在水中的積累，包括泳者排泄物與氯反應生成的含氯有機物的積累，這些化合物有一氯胺、二氯胺、三氯胺、THM、氯化肌酸、氯尿等，他們中有不少本身具有色澤或臭味，并都屬THM的前驅物。臭氧實際上是在不斷的阻斷這些前驅物的生成，使游泳池成為池水清澈、空氣新鮮和眼瞼、鼻膜無刺激的健身場所。當然，其中尤為重要的是水中THM的大幅度下降，是給予健身人們創造的理想條件。
臭氧的第三個作用就是協助砂濾去除金屬鹽類及有機物，這是由于有機物在氧化過程中極易成為多極化合物，并能與多價金屬陽離子，如鈣、鎂、鐵、鋁等，結合成絡合物，并成為微絮凝態而被砂濾去除。臭氧能使綠色池水變成藍色、閃爍、清澈的水體而受到歡迎。
基于如何更好的發揮臭氧的以上三項作用，結合環保、衛生及經濟考慮，臭氧處理泳池水的技術大致可分為四大類型即：
★ 全流量系統 (Full-flow)
★ 分流量系統 (Slipstream)
★ UV-O3系統 (UV-Ozone)

三、全流量系統
顧名思義，全流量系統就是全部泳池循環水與臭氧接觸的方法，這一方法是早期應用臭氧處理池水廣泛采用的方法，適宜于城市公眾性、競賽型、以及一些負荷大對池水水質及空氣質量要求較高的游泳池。這一方法在20世紀70年代中開始在法、英被采用，由于改善了室內空氣質量，因此可以減少新鮮空氣的置換量，而大大節省電耗，尤其是冬季，所節省的能源完全可以抵消發生臭氧所增加的能耗[2]。英、法等國均提出了泳池建設、運行指導文件[3]，德國后期也在一些規范中作了修改，這一全流量臭氧系統在80年代得到了十分迅速的發展。
臭氧投加量為循環水量的0.8～1.0 mg/L，一般采用由射流器中產生的負壓發生臭氧，射流器中飽和了臭氧的水再與主管水流合并，并在接觸罐中反應不低于二分鐘以達到殺菌的目的。根據當時一些環保組織的推薦，要求返回泳池的殘留臭氧應盡量降低。早期，歐洲引用德國經驗，此殘留值的容許值為0.05 mg/L[4，5]，這樣離開接觸罐的水中殘留的臭氧均要在活性炭臭氧破壞層內分解掉以保證返回池水中的臭氧低于0.05 mg/L。這一技術要求及設計方案在很大程度上限制了全路系統，因為要使臭氧與水有足夠的反應時間，又要使殘留系統的臭氧不超過0.05mg/L，就只有增加臭氧的投加量或者安裝體積龐大的接觸罐及活性炭破壞層，這樣至少有30~40%臭氧白白浪費掉。這一方法還帶來消耗活性炭，活性炭氧化而顆粒變小以至滲入水中，活性炭層易積累微生物，使池水濁度下降，過濾效率降低。此外，為了保持池水中有一定殘留殺菌劑，還要加氯，使游離氯的含量保證在0.5～1.0 mg/L。八十年代的后期在世界衛生組織(WHO)發表了歐共體、美國的臭氧水中允許量[5]，提出此值為0.1mg/L，并被絕大多數國家認可。從此，這項技術方案得到了進一步發展。九十年代，人們利用WHO放寬水中臭氧含量這一有利條件，在積累了許多全流量系統推廣應用經驗后，又推出了第二代臭氧處理方法，即分流量系統技術的產生。

四、分流量系統
英國的工程人員于八十年代初發現：
● 全流量系統時公眾性泳池，即使部分臭氧能力停運，水質影響不大。
● 九十年代美國環境保護局(EPA)規定泳池大廳空氣中允許量(8h接觸)為0.1ppm(v)或0.2mg/L(wt)[5，6]，泳池水中臭氧含量即使在0.15 mg/L，空氣質量仍符合要求，由此提出了針對全流量系統而言的所謂不脫除臭氧處理方法。
● 大部分池水循環為逆流并且循環次數大于6次，臭氧到達池內每一點的時間不超過五分鐘，而臭氧的半衰期則為20分鐘。由此提出了，只要使返回入池中的水中殘留臭氧在0.05～0.15 mg/L之間，系統將保證得到各種指標的佳值。
● 只要達到使全部池水在24小時內與臭氧接觸一次，就可以保證其以全路系統殺菌的效果
綜合以上觀點，英國電工協會于1985～1986年在Cirencester體育中心室內泳池做了示范裝置試驗，試驗結果由休閑—游泳協會的一些醫學專家提出，結論是可以進一步削減氯用量，降低室內氯味，避免眼、鼻粘膜刺激，對消除氣喘類病癥提供了極為有利的條件。
九十年代中期，分流量系統流程問世。臭氧投加量為全流量系統的10～20%或0.1 ～0.2 mg/L即可。實際運轉時循環池水的20 ～25%進入射流管，臭氧投加量為0.6～1g/m3，經過不低于2分鐘接觸后與系統水混合，在加氯后返回泳池，活性炭分解器只在放空系統中安裝以保障空氣中臭氧低于0.1ppm。與全流量相比，分流量系統能節約50%以上的臭氧消耗。
分流量系統主要應用于已有公眾性泳池的改建，特別在受到占地面積及資金限制時尤為首選方案。一些新建的50米標準池對象為學校、小區及酒店，即不像市政泳池或游樂池這樣負荷較大，均可采用分流量系統。值得一提的是，在加拿大許多省內，包括安大略省、不列顛哥倫比亞省及阿爾巴脫省公眾性泳池幾乎全部采用分流量系統技術，即使對大型游樂池及比賽池也不例外。
目前，分流量系統繼續在接觸反應罐后加氯0.5～1.0 mg/L，但也有眾多報道稱，完全不加氯(溴)劑的泳池，即無氯泳池，在歐洲已得到推廣。

五、UV-O3系統
在一個臭氧發生模塊中增加一個紫外線燈管叫做UV-O3系統。這是分流量系統的進一步發展。它也是采用分流量系統技術，并將紫外線能激發臭氧活性，并加速其與水分子生成羥基游離基(OHˉ)的特點結合在一個模塊中。OHˉ是臭氧與水反應后的活性物質，比次氯酸根(ClOˉ)的氧化能力大10～100倍，殺菌性能大3125倍，這是UV-O3系統的理論依據。過濾后的水管上，旁路部分水經UV-O3一體機處理后返回系統。
在UV一體機內池水經箱內增壓泵，射流管與臭氧混合，并經接觸反應罐反應后返回池系統內，由于紫外線的照射，增加了OH? 的生成，加速氧化與殺菌作用，并使離開接觸罐的水中臭氧能得到充分分解。
UV-O3方法，不僅能保證與分流量方法一樣的低臭氧投加量和同等的殺菌、氧化效果，而且避免了使泳池水中臭氧含量過高(例如 >0.15 mg/L)的危險。由于UV的作用接觸罐的體積小，也不必使用活性炭分解臭氧，對保證水質透明度更有保證。
UV-O3系統的使用可以降低氯劑的用量，Phil Castle報導[7]他們將多個條件相仿的泳池，進行全路、旁路及UV的對比試驗，歷時4個月，證明在滿足殺菌、氧化要求的情況下，UV系統氯劑的用量可以進一步下降，并使水中結合氯、游離氯分別降到0.2 mg/L，0.4 mg/L以下，這在一定程度上使池水中的氯胺及THM得到大幅度降低，這對滿足環保方面日益嚴格要求將是十分重要的。
在UV-O3系統中，臭氧與UV的協同作用生成羥基游離基(OH-)可以加速有機氯的分解。游離基的生成及與有機污染物的作用在UV光學作用下，幾乎是瞬間完成的，時間極短，并只有在UV光照下才能進行，因此臭氧不會進入池水中，過程的安全性更高。
試驗證明，UV-O3系統的高效過程其優點可歸納如下：
● 高效控制微生物
● 大幅度降低氯胺，三鹵甲烷
● 水透明性高，水質優。
● 室內空氣新鮮
● 降低對皮膚，眼睛的刺激
● 對游泳者及工作人員不產生不利健康的物質
● 避免使用活性炭罐的麻煩及衛生方面的問題
● 降低水中游離氯含量
● 需用廠房面積小，安裝、操作容易，維護也較簡單
UV-O3系統在一些高檔泳池中已得到大量使用。近年來在比賽用泳池中也得到大量推廣。

六、臭氧水處理技術的安全問題
臭氧對人體有害已得到證實，防止它對人們的不利有相關聯的兩個因素：一是空氣中的臭氧含量應不大于0.1ppm，這一點并不難做到，因為大概在0.01ppm時人們的嗅覺就能發現臭氧的存在，采用相應措施就能避免事故的發生，這一點臭氧發生器的供應商對其產品均有嚴格的操作說明，所以只要遵照要求即可。二是泳池水中氯胺與三鹵甲烷(THM)問題，其中氯胺雖有臭味但毒性不大，本身就是一種殺菌劑，脫除THM的化合物；THM卻是一項眾多醫學專家十分關注的問題。
關于THM在以臭氧殺菌的泳池中，WHO在2000年進行了許多工業國家的調查，其結果可綜合如下[8]

國家	三氯甲烷(氯仿占THMS中90％左右) 含量(μg/L)	泳池水中THM允許量各國均采用生活飲用水標準。美國EPA于1993年制定的“消毒劑與消毒副產物法”D-DBPs Rule草案中規定生活飲用水THM的含量第一階段于1996年底執行為100μg/L(微克/L)，第二階段定于2003年底執行為80μg/L[9]。
波蘭(Biziuk.1993)	35.9 ～ 99.7
意大利(Aggazzotti.1998)	25 ～ 43(平均33.7)
美國(Copaken.1998)	37.9
德國(Eichesdorf.1981)	2.4 ～ 29.8
(Laht.1981)	43 ～ 980(平均198)
(Ewers.1987)	0.5 ～ 23.6(平均11)
(stottmeister.1998～1999)	0.51 ～ 69(平均14)
丹麥(Kass.1987)	145 ～ 151
匈牙利	2 ～ 62.3(平均11.4)

      世界各國泳池水標準中均規定THM高含量應低于100μg/L。這個要求大部分以臭氧為主的殺菌技術是完全可以滿足的。世界泳聯(FINA)提出的“FINA2002-2005手冊”THM容許量定為20μg/L，評價認為只要嚴格操作，降低氯的投加量，這一指標也是可以實現的。UV與O3結合的一體機在這方面呼聲更高。我國目前生活飲用水執行100μg/L，對于游泳池水中THM的含量未做規定，如也以100μg/L要求，對于一些以氯劑處理的泳池水估計很難達到，國外70～80年代THM含量在150～450μg/L左右，由于THM指標的限制，促使泳池業主推廣應用了臭氧殺菌技術。2008年奧運會將在中國舉行，泳池水THM指標也將達到世界泳聯要求。這將大大推動我國臭氧處理泳池水技術及應用的發展。

參考文獻
1.游泳池和水上游樂池給水排水設計規程。CECS14:2002.
2.Derek.J.Waffs:"Ozone Treatment for Public Pool" 1999.(Ozonia-Triogen Ltd News & Information Sheet).
3."Code of Practice for Ozone Plant for Swimming Pool Water Treatment,BEWA:COP.10.90"British Effluent and Water Association,revised 1990.ISBN 09509979 4 3.
4."Swimming Pool Disinfection System using Ozone /Free Residual Chlorine" Department of the Environment,1982.ISBN011751621x
5."Guidelines for Safe Recreational-Water Environments"v.2.Swimming Pools,Spas and Similar .Capter4. 2000.August.WHO
6. "EPA Safety Guidelines.htm." O3 water Systems Inc Information
7. "An Overview of Swimming Pool Water Treatment:Ozone"by Phil Castle,Ozonia-TriogenLtd.Documentation.Glasgow.Scotland.2003.Feb.
8.同(5)，Capter4.Table4.4."Concentration of THM measured in Swimming Pool Water"
9.EPA:Stagel:Disinfactants and Disintection Byproducts Rule:Water Treatment Systems.1993.
10. AZCO:Ozonation System in Public Swimming Pools,2001.08.

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