超声/光催化氧化组合工艺对湖泊型原水藻类去除研究

中国环境学会  2011年 03月31日

    姜伟娟1,张睿1,许霞1,高乃云2,王利平1*
  (1.江苏工业学院 环境与安全工程学院,江苏 常州 213164; 2.同济大学 污染控制与资源化研究国家重点实验室,上海 200092)
   
  摘  要:在进水流量10L/h,填料填充比2/5,紫外灯功率30W,未投加试剂,pH 7.35的光催化氧化反应器中,使用超声波发生器自动变频进行连续运行试验,通过超声协同光催化氧化处理湖泊型原水,考察其对湖泊型原水中污染指标的去除效果。结果表明,经超声/光催化氧化工艺装置连续运行36h,CODMn、TN、TP 、Chl-a和OD560的平均去除率分别达为18.80%、11.90%、20.27%、81.60%和80.22%。


  关键词:湖泊型原水;  藻类;  超声;  光催化氧化


  Research on Algae Removal from Lake Type Raw Water by Ultrasonic/ Photo-catalytic Oxidization Combined Process
  JIANG Wei-juan1,ZHANG Rui1,XU Xia1,GAO Nai-yun2,WANG Li-ping1*
  (1.School of Environmental and Safety Engineering,Jiangsu Polytechnic University, Changzhou 213164,China;2.State Key Laboratory of Pollution Control and Resources Reuse,Tongjnnjmkji University,Shanghai 200092,China)   

       Abstract: The lake-type raw water was treated in Photo-catalytic Oxidization reactor. Under the condition of the inflow discharge control in 10L/h, the padding packing compares 2/5, UV lamp 30W, added no chemicals, pH 7.35, use the ultrasonic to treat the water continuously. Then investigate the removal effect of pollutants after Ultrasonic/ Photo-catalytic Oxidization Combined Process. The results indicate that after Ultrasonic/ Photo-catalytic Oxidization the average removal rates of CODMn, TN, TP,Chl-a and OD560 can reach 18.80%,11.90%,20.27%,81.60% and 80.22% respectively during continuous operation for 36 hours .
  Key words: lake type raw water;  algae;  Ultrasonic;  photo-catalytic oxidization
  
  超声波技术是近年发展起来的一种新型的环境技术,其原理是利用超声波的空化效应抑制自然水体中藻类的生长,被称为“环境友好技术”[1]。超声波的空化效应及引发的物理化学变化是有机物超声降解的根本原因。超声空化是指液体中的微小气核
  基金项目:国家科技重大水专项资助(2008ZX07421-002)


  作者简介:姜伟娟(1986-),女,硕士研究生,研究方向为水体污染与治理,E-mail:excellentstory@126.com;*通讯作者,E-mail:wlp@em.jpu.edu.cn


  在超声波的作用下被激活产生的一系列动力学过程[2]。利用超声波可以即时去除藻类,提高水体透明度。该技术具有操作和控制容易,在处理中不引入其它的化学物质,而且反应条件温和,速度快等优点,有着广阔的应用前景[3]。光催化氧化技术能够有效地破坏许多结构稳定的生物难降解污染物,几乎可以将所有污染物降解为CO2、H2O等小分子。但是光生电子一空穴极易复合、量子化效率和能量利用率偏低、反应速率慢等缺点仍未能很好的解决;制约了该方法应用于大规模工业化生产中[4]。超声氧化和紫外光催化氧化属于高级氧化工艺,单独使用时降解有机污染物效果较差,联合使用更有效。两者的传播介质与能量水平不同,两者间具有互补协同性,紫外催化配上超声波“空化作用”创造的物理环境与多种作用,可以大大增强氧化剂的分解能力,缩短反应时间,减少氧化剂用量,提高COD的去除率和有机物的矿化度,是当今最先进的氧化处理技术[2]。虽然超声波辅助光催化氧化技术的研究目前仍处于初期阶段。在基础和应用研究方面还存在许多有待解决的问题,但由于它的突出优点和巨大潜力,可以预见它有极大的研究价值和广阔的应用前景。利用超声波辅助光催化氧化将水中污染物矿化,对于净化水质、保护环境方面的作用是其它传统方法所不可比拟的,早日实现这项技术的工业化将对我国的水环境保护具有深远的意义。


  1 试验部分


  1.1 试验水质
  试验原水取自常州科教城周边湖泊型水体,对原水取样分析,其主要水质指标见表1。试验用原水水质随季节性变化较大,夏季高温少雨极易发生水体富营养化,水体呈现墨绿色并伴有臭味。试验期间综合以上水体污染物综合指标,原水水质为《地表水环境质量标准》劣Ⅴ类水体。
  表1 试验原水水质
  Tab.1 Quality of source water in experiments

 

测定值范围

浊度/NTU

18.039.0

pH

7.548.16

温度/

18.427.5

CODMn/mg·L-1

10.57~11.03

TN/mg·L-1

4.8135.405

TP/mg·L-1

0.3210.486

Chl-a/mg·m-3

13.24826.378

OD560

0.0470.099

UV254/(cm-1)

0.373~0.382

NH3-N /(mg·L-1)

0.62~0.82

  

  1.2  试验装置及流程 
  左侧为超声波装置,右侧的反应器由有机玻璃自制,其尺寸为:Φ250mm,H500mm,紫外灯设于石英套管内,石英套管尺寸为Φ53mm,H350mm。反应器有效容积V20L,外层由锡纸包裹,以避光并提高紫外线的照射效率。
  1.3  试验仪器与材料
  研究选用TiO2/PP复合填料为TX型圆柱形悬浮填料,规格Ф50×50mm,比表面积278m2/m3,空隙率96.6%,密度0.907g/cm3,堆积系数8000个/m3;光源为紫外线杀菌灯,3支功率为3×10W;超声波除藻仪;
  1.4 分析项目及方法
  浊度:采用浊度仪测定;pH:采用酸度计测定;温度:采用温度计直接测定;TN:采用碱性过硫酸钾消解紫外分光光度法(GB 11894-89)测定;TP:采用钼酸铵分光光度法(GB 11893-89)测定;Chl-a:采用721分光光度法(SL88-1994)测定;OD560:采用752紫外分光光度法测定[5]。
 

  2 运行结果及讨论


  2.1 超声波对藻类去除效果的影响
  采用低功率的超声波辐照可有效抑藻,且对浮游动物、鱼类及沉水植物没有明显的抑制作用[6]。
  试验采用的超声波发生器自动变频,频率范围为20~80 kHz,功率为40W,探头直径为50mm,辐射范围半径为20m,用于微污染水体的蓝藻去除已取得良好效果[7]。

  当原水(各项指标取均值)pH为7.69,水温为25.8℃,浊度为32.2NTU,TN为5.016mg/L,TP为0.397mg/L,Chl-a为19.003mg/m3,OD560为0.091时,经超声波静态试验后,考察反应时间对除藻效果的影响。结果见图2。

  从图2可知,反应240min内,各项指标的去除率均随时间的延长而增加。超声波对Chl-a和OD560有良好的去除效果,而对浊度、TN、TP的去除效果一般。反应时间对Chl-a和OD560的去除规律基本一致。当时间从0min增加到30min时,Chl-a的去除率增加到69.45%,OD560的去除率增加到58.70%;当时间从30min延长到240min时,其波动范围分别在71.42%~76.87%和60.32%~63.56%小幅波动。其针对藻类本身去除效果良好,除藻最佳时间为30min左右。
  2.2经超声处理实验后,研究光催化氧化技术对藻类去除效果的影响

  光催化反应杀藻的基本原理是其强氧化性,通过光催化反应产生强氧化性的羟氧自由基,迅速氧化藻细胞中叶绿素,使其代谢终止而死亡,以叶绿素a为指标,能较好地反应光催化反应器的杀藻效果[8]。
  经超声处理实验后,对其进行光催化氧化氧化处理,考察其对藻类去除的影响。试验在流量10L/h,填料填充比2/5,紫外灯3×10W,水温30℃的条件下连续运行,每隔一段时间取样测定CODMn、UV254、NH3-N、TP和Chl-a等指标,考察光催化反应器降解有机物及除藻的效果。    
  从图3可知,在反应进行为60min时,CODMn和UV254降解较快,此后则趋于缓慢。当反应为60min时,CODMn、UV254的去除率分别为22.30%、12.20%。试验表明,UV254与CODMn比值小于0.03,可提高水体处理的可生化性[7]。  
  从图4可知,当氨氮和总磷在反应60min时,氨氮、总磷的去除率分别为12.62%、27.10%,对于氨氮的去除,反应过程中会出现氨氮值升高的情况,可能原因是经过长时间静置,水中溶解氧降低导致了微生物的厌氧分解,而当氨氮增大后再进行催化降解效果降低。
  从图5可知,光催化反应器对湖泊型水体具有良好的杀藻效果,反应开始20min内,叶绿素a先有微弱上升,之后迅速下降,反应3h内平均去除率达38.74%。

  2.3 超声/光催化氧化动态试验对Chl-a和OD560的去除效果研究
  控制各水质指标均值为:pH为7.69,水温为25.8℃,Chl-a为19.003 mg/m3,OD560为0.091时,经超声/光催化氧化工艺装置连续运行36h,每隔4h取样分析,考察其对Chl-a和OD560的去除效果。
  由图6可知,在超声波/光催化氧化组合工艺连续运行36h的过程中,Chl-a的去除率稳定在80.31%~86.72%之间;OD560的去除率在78.00%~82.50%变化;组合工艺具有良好的稳定性,对Chl-a、OD560的去除率分别达81.60%和80.22%,具有较好的抑藻除藻效果。


  4 结论


  1、超声/光催化氧化联用工艺主要利用物理及化学方法共同处理湖泊型原水蓝藻,超声波是近年来发展起来的一种新型的环境友好技术,而光催化氧化技术采用清洁能源——太阳能处理富营养水体,减少了二次污染,较好地实现了节能减排,本工艺同时兼顾到了COD、TN、TP等水质指标,突破了常规处理工艺的局限性;
  2、在pH为7.69,水温为25.8℃,CODMn为10.88mg/L,TN为5.016mg/L,TP为0.397mg/L,Chl-a为19.003 mg/m3,OD560为0.091时,经超声/光催化氧化工艺装置连续运行36h,CODMn、TN、TP 、Chl-a和OD560的平均去除率分别达为18.80%、11.90%、20.27%、81.60%和80.22%。
  3、运用超声/光催化氧化处理湖泊型原水对藻类和总磷有较好的去除效果。
   
  参考文献:
  [1] 段松林,黄志刚.新型超声波克藻技术治理水环境[J].园林工程,2008,24(19):41-43.
  [2] Shen Z Z, Chen J Z, Wu S J. Sonolysis and mineralization of pentachlorophenol by means of varying parameters. Journal of Environmental Science,2004,16(3):431-435.
  [3] 储召升,庞燕,郑朔芳,等.超声波控藻及对水生生态安全的影响[J].环境科学学报,28(7):1335-1339.
  [4] 张萃,李亚峰,田西满.超声波辅助光催化氧化技术在废水处理中的研究进展[J].工业用水与废水,2009,40(3):16-18.
  [5] 曾文炉,李浩然,丛威,等.螺旋藻连续培养与动力学模型[J].植物学报,2001,43(12):1233-1236.
  [6] 储召升,庞燕,郑朔芳,等.超声波控藻及对水生生态安全的影响[J].环境科学学报,28(7):1335-1339.
  [7] 王利平,杨显财,段松林,等.超声波/改性粘土工艺去除人工水体中的蓝藻[J].中国给排水,2008,24(19):44-46.
  [8] 刘军,江栋,胡和平,等.固载型TiO2光催化反应器对富营养水体杀藻作用研究[J].环境工程学报.2007,1(3):41-45.
   

 
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