水力空化聯(lián)合臭氧氧化滅藻技術(shù)的實(shí)際應(yīng)用

武志林，王偉民，李維新，趙　詣，湯傳棟,3，Giancarlo Cravotto

(1.環(huán)境保護(hù)部南京環(huán)境科學(xué)研究所，江蘇 南京　210042；2.Dipartimento di Scienza e Tecnología del Farmaco, University of Turin, Via P. Giuria 9, I-10125 Torino, Italy；3.南京工業(yè)大學(xué)環(huán)境學(xué)院，江蘇 南京　211816)

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水力空化聯(lián)合臭氧氧化滅藻技術(shù)的實(shí)際應(yīng)用

武志林1,2，王偉民1，李維新1，趙詣1，湯傳棟1,3，Giancarlo Cravotto2

(1.環(huán)境保護(hù)部南京環(huán)境科學(xué)研究所，江蘇 南京210042；2.Dipartimento di Scienza e Tecnología del Farmaco, University of Turin, Via P. Giuria 9, I-10125 Torino, Italy；3.南京工業(yè)大學(xué)環(huán)境學(xué)院，江蘇 南京211816)

摘要：在小試和中試試驗(yàn)的基礎(chǔ)上，研制了一套水力空化聯(lián)合臭氧滅藻及凈化富營養(yǎng)化水體的工業(yè)化水處理系統(tǒng)。在工程運(yùn)行中，比較了優(yōu)化條件下復(fù)合空化-臭氧、正壓空化-臭氧、抽吸空化-臭氧和單獨(dú)臭氧氧化工藝以及孔板孔徑對水體中葉綠素a、濁度、UV254、COD以及氨氮等的處理效果。同時(shí)，還對復(fù)合空化-臭氧和單獨(dú)臭氧氧化工藝的臭氧利用率、臭氧和單位能耗的凈化效率等經(jīng)濟(jì)技術(shù)指標(biāo)進(jìn)行了比較。結(jié)果表明，采用復(fù)合空化-臭氧工藝在10或5 m3·h-1處理能力下穩(wěn)定出水期葉綠素a平均去除率分別達(dá)44.5%和88.9%，單位能耗分別為0.89 和1.78 kW·h·m-3。同時(shí)，濁度、UV254及COD等指標(biāo)均明顯下降，其他各項(xiàng)經(jīng)濟(jì)技術(shù)指標(biāo)也均顯著優(yōu)于單獨(dú)臭氧氧化工藝。因此，利用水力空化-臭氧工藝能快速有效滅藻并去除葉綠素，遏制水華產(chǎn)生，減少因水華爆發(fā)及藻死亡引起的生態(tài)破壞和經(jīng)濟(jì)損失。

關(guān)鍵詞：水力空化；臭氧氧化；富營養(yǎng)化；藻清除；工程應(yīng)用

自20世紀(jì)80年代以來,湖泊、水庫及海岸帶的富營養(yǎng)化問題愈來愈嚴(yán)重[1],藻類的大量繁殖給水生生態(tài)系統(tǒng)、飲用水供給及水產(chǎn)養(yǎng)殖帶來諸多危害,比如藻類腐敗變質(zhì)后產(chǎn)生藻毒素以及藻類堵塞供水管網(wǎng)等[2-4]。因此,治理水體富營養(yǎng)化的對策和技術(shù)在近年來得到不斷研究和開發(fā)[5-8],除了開發(fā)點(diǎn)源和面源控制方法外,也提出了很多物理、化學(xué)和生物措施清除水體中藻類[9-10],以防止水華爆發(fā)而引起水質(zhì)惡化[11-12],這些應(yīng)急措施在凈化局部富營養(yǎng)化水體方面發(fā)揮著巨大作用。

臭氧是一種強(qiáng)氧化劑,其應(yīng)用幾乎不受pH值以及溫度等條件的影響[13],并能迅速破壞或分解藻類細(xì)胞壁,氧化細(xì)胞內(nèi)酶,從而殺滅藻類且不產(chǎn)生有毒有害副產(chǎn)物[4]。作為一種新型的水處理技術(shù)，水力空化正受到越來越多的關(guān)注,水力空化產(chǎn)生的無數(shù)空泡潰滅時(shí)會產(chǎn)生熱點(diǎn),即瞬時(shí)的局部高溫高壓環(huán)境(5 000 ℃,50 MPa以上),并能形成強(qiáng)烈的沖擊波和速度大于400 km·h-1的微射流。因此，將水力空化與臭氧聯(lián)用可有效利用空化過程中產(chǎn)生的強(qiáng)烈沖擊波、高速射流和局部高溫、高壓等物理?xiàng)l件輔助臭氧氧化進(jìn)行有機(jī)物降解[14-17]。

在水力空化聯(lián)合臭氧氧化工藝(水力空化-臭氧)對實(shí)驗(yàn)室培養(yǎng)藻液進(jìn)行的小規(guī)模滅藻研究中發(fā)現(xiàn)[18],水力空化能強(qiáng)化臭氧滅藻效率。采用傳統(tǒng)的鼓泡臭氧化反應(yīng)器處理1.75 L 藻液,需要1 h才能達(dá)到90%滅藻率。而采用水力空化強(qiáng)化臭氧化技術(shù)處理5 min，滅藻率就可達(dá)到90%,且臭氧利用率提高1倍以上。在中試研究(處理流量為1 m3·h-1)中,與單獨(dú)臭氧氧化工藝相比,水力空化-臭氧技術(shù)將水體中葉綠素去除率從60%提高到80%以上,臭氧利用率從65%提高到95%左右,1 m3水處理能耗僅增加0.64 kW·h[19]。

以上述小試和中試試驗(yàn)為基礎(chǔ),在武進(jìn)水產(chǎn)養(yǎng)殖場進(jìn)行“水力空化-臭氧”滅藻及凈化富營養(yǎng)化水體的工業(yè)化應(yīng)用研究,對關(guān)鍵的工業(yè)化技術(shù)指標(biāo),如試驗(yàn)裝置和設(shè)備、凈化效果、臭氧利用率和能量效率等進(jìn)行分析測定。

1研究方法與裝置

1.1試驗(yàn)水源與水質(zhì)

常州市武進(jìn)水產(chǎn)養(yǎng)殖場位于常州市武進(jìn)區(qū)前黃鎮(zhèn)滆湖漁業(yè)產(chǎn)業(yè)帶,毗鄰滆湖,養(yǎng)殖池塘200余個,養(yǎng)殖總面積達(dá)167 hm2,年水產(chǎn)品總量1 350 t。該養(yǎng)殖場每年排水50余次,排水總量大約60萬m3,排水均表現(xiàn)出富營養(yǎng)化特征[20]。為了保證養(yǎng)殖水質(zhì),全部池塘均設(shè)置增氧裝置,且需經(jīng)常性換水。試驗(yàn)安排在2013和2014年的7—10月藻類繁殖旺季,水源選取2 000 m2黃顙魚養(yǎng)殖池塘,水深大約3 m。黃顙魚養(yǎng)殖密度大,水體富營養(yǎng)化嚴(yán)重,水體致病菌多,具有現(xiàn)代水產(chǎn)養(yǎng)殖高密度、高投入、高產(chǎn)出的典型特點(diǎn)。試驗(yàn)期間,水體pH值為7.6～8.9,電導(dǎo)率為512～527 μS·cm-1,ρ(溶解氧)為3.63～6.53 mg·L-1,ρ(總氮)為1.10～2.01 mg·L-1,其他主要水質(zhì)指標(biāo)如表1所示。

表1試驗(yàn)水體主要水質(zhì)參數(shù)

Table 1Major quality parameters of the waterbody studied

處理流量/(m3·h-1)濁度UV254ρ(COD)/(mg·L-1)ρ(氨氮)/(mg·L-1)葉綠素a熒光值536.8±9.20.4113±0.036464±130.70±0.521.31×107±3.37×1061043.2±2.30.3589±0.019964±6 0.23±0.077.96×106±1.73×106

1.2試驗(yàn)裝置、主要設(shè)備及工藝參數(shù)

圖1是水力空化-臭氧工藝工業(yè)化應(yīng)用流程示意。該裝置為連續(xù)動態(tài)流試驗(yàn)系統(tǒng),利用進(jìn)水泵從儲水罐下部連續(xù)進(jìn)水,處理后水從儲水罐上部出水口流出,流量保持在5或10 m3·h-1。

試驗(yàn)裝置的主要設(shè)備及工藝參數(shù)表述如下:

(1)臭氧發(fā)生器:臭氧發(fā)生器為南京盟博環(huán)保科技有限公司定制生產(chǎn),最大功率4.5 kW,最大臭氧產(chǎn)生量180 g·h-1。由于跨年度試驗(yàn),臭氧空氣混合氣體通量和臭氧發(fā)生量均有所變化,從而改變通入臭氧濃度,主要臭氧參數(shù)如表2所示。

(2)水力空化發(fā)生器:水力空化發(fā)生器為不同孔徑(20～50 mm)的單孔孔板,采用306不銹鋼材料。

(3)0.5 m3儲水罐:在5 或10 m3·h-1處理水量條件下,水力停留時(shí)間分別為6或3 min。選擇小水箱是因?yàn)樵谥性囇芯恐邪l(fā)現(xiàn)水箱中水力停留時(shí)間對處理效果的影響很小,滅藻主要發(fā)生在水力空化和臭氧混合區(qū)域[19]。

(4)水泵、連接管道和儀表:1臺進(jìn)水泵(功率5 kW,最大流量10 m3·h-1)和2臺循環(huán)泵(功率3 kW,最大流量12 m3·h-1),由南京工業(yè)泵廠生產(chǎn)。連接管道均采用304B DN50不銹鋼管道。壓力表、真空負(fù)壓表和流量計(jì)為上海益同儀表有限公司生產(chǎn)。

1.3試驗(yàn)方法與工藝特點(diǎn)

如圖1所示,首先在循環(huán)泵壓力段安裝12 mm孔徑孔板,然后通過改變循環(huán)泵抽吸端孔板孔徑(20～50 mm)控制和優(yōu)化產(chǎn)生水力空化的水力學(xué)條件,稱之為復(fù)合空化。在循環(huán)泵抽吸端和壓力端均固定安裝50 mm孔徑孔板,相當(dāng)于在循環(huán)系統(tǒng)內(nèi)沒有限流器,也不產(chǎn)生水力空化,此時(shí)通入臭氧氣體,可視為單獨(dú)臭氧氧化。在循環(huán)泵壓力端固定安裝50 mm孔徑孔板,相當(dāng)于在循環(huán)泵壓力端沒有限流器,此時(shí)改變抽吸端孔板孔徑(20～50 mm),稱之為抽吸空化。同理,在循環(huán)泵抽吸端安裝50 mm孔徑孔板,相當(dāng)于在循環(huán)泵抽吸端沒有限流器,此時(shí)改變壓力端孔板孔徑(20～50 mm),控制水力空化產(chǎn)生的條件,稱之為正壓空化。

1—帶有過濾網(wǎng)的取水口;2—止回閥;3—進(jìn)水泵;4—儲水箱;5、10—循環(huán)泵抽吸段孔板安裝位置;6、9、11、14—玻璃觀察口;

表2不同處理?xiàng)l件下混合氣體中臭氧濃度和投入量

Table 2Concentration and input of ozone in the gas mixture relative to treatment

水箱進(jìn)出水流量/(m3·h-1)臭氧空氣混合氣體流量/(L·h-1)ρ(臭氧)/(mg·L-1)臭氧投入量/(g·h-1)出水后連續(xù)運(yùn)行時(shí)間/min4.0～6.0720～840214～217156～1801209.0～11.0840～960132～138116～12730～60

安裝好空化發(fā)生器后,啟動輸水泵將水輸入水箱中,待水箱水滿出水后,同時(shí)開啟2臺循環(huán)泵,并在循環(huán)泵抽吸端通入臭氧和空氣混合氣體,稱之為水力空化-臭氧工藝。與水力空化產(chǎn)生方式相對應(yīng)的聯(lián)合臭氧氧化工藝分別稱作復(fù)合空化-臭氧、抽吸空化-臭氧和正壓空化-臭氧工藝。在連續(xù)處理過程中,以5或10 m3·h-1流量將水從水箱底部輸入,經(jīng)水箱溢流排水口排出,尾氣由尾氣逸出口排放。

水力空化-臭氧技術(shù)利用水力空化和臭氧氧化的協(xié)同作用來滅殺藻類,即水力空化促進(jìn)臭氧氣體在水體中分散和轉(zhuǎn)化,而受到機(jī)械破壞的藻細(xì)胞更易受臭氧侵害,也更容易被水力作用所傷害。該工藝系統(tǒng)主要用來去除水體中的葉綠素及藻類,同時(shí)可部分去除水體中有機(jī)污染物[16],從而降低水體濁度并提高溶解氧,達(dá)到改善水質(zhì)的目的。

1.4檢測指標(biāo)與方法

根據(jù)試驗(yàn)中的分析結(jié)果和文獻(xiàn)報(bào)道,水體葉綠素a熒光值與葉綠素a濃度及藻細(xì)胞密度間存在高度線性相關(guān)性[18,21],所以采用葉綠素a熒光值表征葉綠素a濃度。主要水質(zhì)指標(biāo)檢測方法和儀器[19,22]如下:

(1) 葉綠素a:采用葉綠素?zé)晒鈨x(Flourpen FP100)測定OJIP快速熒光誘導(dǎo)曲線中FixArea值。

(2) 濁度:根據(jù)USEPA 180.1標(biāo)準(zhǔn),采用濁度計(jì)(HACH 2100Q)測定。

(3) UV254:采用紫外分光光度計(jì)(島津UV-1750)測定水樣在波長為254 nm處的光密度，可表征水中吸收紫外線的不飽和有機(jī)物和含氮有機(jī)物。

(4) COD:根據(jù)HJ/T 399—2007《水質(zhì) 化學(xué)需氧量的測定 快速消解分光光度法》,采用COD快速測定儀(HACH)測定。

(5) 氨氮濃度:采用HJ 535—2009《水質(zhì) 氨氮的測定 納氏試劑分光光度法》測定。

(6) 水中臭氧濃度:采用靛藍(lán)二磺酸鈉褪色分光光度法測定。

(7) 氣體中臭氧濃度:采用便攜式紫外臭氧檢測儀(JSA9-O3-UV)測定。

2結(jié)果與討論

水力空化-臭氧技術(shù)工業(yè)化應(yīng)用研究始于2012年7月,在完成系統(tǒng)的運(yùn)行調(diào)試后,于2013年7—10月進(jìn)行5 m3·h-1處理流量的試驗(yàn),2014年7—10月根據(jù)上年運(yùn)行情況對系統(tǒng)裝置做改進(jìn),并進(jìn)行10 m3·h-1處理流量的試驗(yàn)。根據(jù)中試試驗(yàn)結(jié)果,復(fù)合空化-臭氧工藝表現(xiàn)出較高的凈化能量效率[19,23],因此,在工業(yè)化應(yīng)用研究中主要考察復(fù)合空化-臭氧工藝去除葉綠素a及對富營養(yǎng)化水體的凈化效果,數(shù)據(jù)為相同工藝條件下2次試驗(yàn)的平均值。

2.1復(fù)合空化-臭氧工藝對葉綠素a的去除效果

在小試試驗(yàn)時(shí)發(fā)現(xiàn),藻細(xì)胞與葉綠素a的清除是同步進(jìn)行的,因此可以采用水體葉綠素a的熒光值來表征滅藻效果[18]。在5 或10 m3·h-1處理流量下分別連續(xù)運(yùn)行120和30 min,定期測試復(fù)合空化-臭氧工藝去除葉綠素a的效果和穩(wěn)定性,試驗(yàn)結(jié)果如圖2所示。

圖2　復(fù)合空化-臭氧工藝連續(xù)運(yùn)行對

在5 m3·h-1處理流量下,復(fù)合空化-臭氧系統(tǒng)經(jīng)過大約60 min的運(yùn)行后,各處理孔板單元的出水葉綠素a含量趨于穩(wěn)定。其中抽吸端安裝28 mm孔徑孔板輔助臭氧滅藻效果最好,出水穩(wěn)定后葉綠素a熒光值由1.66×107降至平均2.25×106,穩(wěn)定出水期平均去除率約為88.9%,最高去除率可達(dá)94%,出水無色透明。

將處理流量提高到10 m3·h-1,葉綠素a去除效果明顯下降。由于水箱較小,水力停留時(shí)間較短,系統(tǒng)經(jīng)過大約10 min的運(yùn)行后,各處理孔板單元出水葉綠素a趨于穩(wěn)定。其中抽吸端安裝28 mm孔徑孔板輔助臭氧滅藻效果仍然最好,出水穩(wěn)定后葉綠素a熒光值由9.50×106降至平均5.24×106,穩(wěn)定出水期平均去除率約為44.5%,最高清除率可達(dá)47%,約為5 m3·h-1處理流量的一半,說明水力停留時(shí)間對葉綠素a的去除效果影響很小,水力空化-臭氧去除葉綠素a主要發(fā)生在水力空化和臭氧混合區(qū)。使用其他孔徑孔板也表現(xiàn)出類似倍增效應(yīng),因而可以對水力空化-臭氧工藝系統(tǒng)的處理能力近似地進(jìn)行線性放大。

2.2孔板孔徑對葉綠素a去除率的影響

抽吸空化的孔板孔徑對葉綠素a去除率有顯著影響,為了更加清楚地表達(dá)孔板孔徑的影響,分別在5 和10 m3·h-1處理流量下,采用復(fù)合空化-臭氧工藝檢測并計(jì)算在循環(huán)泵抽吸端各孔板單元的平均葉綠素a去除率(圖3)。無論在5還是10 m3·h-1處理流量下,28 mm孔徑處理效果均最好,此時(shí)孔板開孔面積與管道橫截面積的比值(β0值)為0.16,即84%過流面積被孔板阻擋。

圖3　循環(huán)泵抽吸端孔板孔徑對復(fù)合空化-臭氧

圖4顯示了在優(yōu)化條件下復(fù)合空化-臭氧與抽吸空化-臭氧、正壓空化-臭氧、單獨(dú)臭氧氧化工藝處理葉綠素a的效果。5和10 m3·h-1處理流量下,復(fù)合空化-臭氧比正壓空化-臭氧工藝分別提高18%和89%,比單獨(dú)臭氧氧化工藝分別提高19%和55%,比抽吸空化-臭氧工藝分別提高14.8%和5.2%,說明在水力空化輔助臭氧工藝系統(tǒng)中抽吸空化起主要強(qiáng)化作用。

圖4　不同水力空化-臭氧處理工藝對葉綠素a的平均去除率

2.3水力空化-臭氧工藝對其他污染物的去除效果

在10 m3·h-1處理流量下,各工藝對濁度和UV254的消減之間無顯著差異,出水穩(wěn)定后濁度平均去除率為13.7%～18.8%,UV254平均去除率為12.0%～16.1%,復(fù)合空化-臭氧對COD的去除率較高,出水穩(wěn)定后平均達(dá)21.0%。

圖5　不同水力空化-臭氧處理工藝對

2.4水力空化-臭氧工藝對水體氨氮濃度的影響

氨氮是指水中以游離氨和銨離子形式存在的氮,也是主要好氧污染物。一般來說,動物性有機(jī)物含氮量較植物性有機(jī)物高,水產(chǎn)養(yǎng)殖水體中常常因蓄積大量殘餌、魚類排泄物和死亡殘?bào)w而導(dǎo)致有機(jī)氮和氨氮濃度較高。采用水力空化-臭氧工藝處理水產(chǎn)養(yǎng)殖水體,一方面可以氧化降解水產(chǎn)養(yǎng)殖水體中的氨氮[25,28],另一方面臭氧對藻類或其他有機(jī)氮的破壞過程加速了氨氮的釋放,導(dǎo)致水中氨氮濃度升高。圖6為系統(tǒng)運(yùn)行期間各工藝在5或10 m3·h-1處理流量下對氨氮濃度的影響。

臭氧氧化可去除水體中氨氮[25,28]。然而如圖6所示,臭氧氧化工藝處理養(yǎng)殖水體過程中未新增氮源,卻加速了水體中有機(jī)氮向氨氮的轉(zhuǎn)化。采用單獨(dú)臭氧處理工藝,水體中氨氮增加較快,說明水體中有機(jī)氮較易與水體中溶解的臭氧分子進(jìn)行直接氧化而釋放氨氮。

采用復(fù)合空化-臭氧比單獨(dú)臭氧工藝能更好地去除氨氮,在5 和10 m3·h-1處理流量下,采用復(fù)合空化-臭氧工藝,水體中氨氮濃度平均增加率分別由單獨(dú)臭氧工藝的68.6%和39.2%減少到13.7%和21.7%,出水中氨氮平均濃度分別為1.26和0.36 mg·L-1。GB 3838—2002《地表水環(huán)境質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)》規(guī)定適用于水產(chǎn)養(yǎng)殖區(qū)等漁業(yè)水域的Ⅲ類水中氨氮限值為1.0 mg·L-1,而在水產(chǎn)養(yǎng)殖實(shí)踐中氨氮濃度一般要求低于0.2 mg·L-1。因此,在高含氮水體中要進(jìn)一步采取措施來降低水體中氨氮濃度。

2.5水力空化-臭氧滅藻技術(shù)的經(jīng)濟(jì)和安全性分析

在工業(yè)化應(yīng)用調(diào)查中,水處理工藝的處理能耗和費(fèi)用是不可或缺的內(nèi)容。筆者選取復(fù)合空化-臭

氧工藝與單獨(dú)臭氧氧化工藝進(jìn)行比較,重點(diǎn)調(diào)查單位臭氧投入的葉綠素a去除效率、臭氧利用率、處理單位能耗以及單位能耗下的葉綠素a去除效率(表3)。

圖6　不同水力空化-臭氧處理工藝對水體氨氮濃度的影響

表3復(fù)合空化-臭氧與單獨(dú)臭氧氧化工藝去除葉綠素a的綜合效率

Table 3Comparison between the complex cavitation/ozone and ozonation alone systems in integrated chlorophyll a removal efficiency

處理流量/(m3·h-1)處理工藝葉綠素a去除率/%臭氧對葉綠素a的去除效率/(mg·g-1)臭氧利用率/%單位能耗/(kW·h·m-3)單位能耗的葉綠素a去除效率/〔mg·(kW·h)-1〕5單獨(dú)臭氧72.52.84611.8145.3復(fù)合空化-臭氧88.93.04981.7856.410單獨(dú)臭氧28.90.95610.9113.0復(fù)合空化-臭氧44.51.46990.8920.5

由表3可知,與單獨(dú)臭氧氧化工藝相比,采用復(fù)合空化-臭氧工藝不僅顯著提高葉綠素a的去除率,而且還大幅度提高臭氧利用率和去除率極大地降低處理成本。按照目前的電費(fèi)單價(jià)〔0.88 元·(kW·h)-1〕估算,如果要達(dá)到45%或85%以上的滅藻或葉綠素a去除率,水處理費(fèi)用分別約為0.78和1.57元·m-1。

水力空化-臭氧工藝的安全性主要表現(xiàn)在出水中藻毒素、臭氧和氨氮含量以及尾氣和操作環(huán)境空氣中臭氧濃度。水力空化-臭氧工藝出水中藻毒素含量均在檢測限(1 μg·L-1)以下,臭氧殘留濃度為1 mg·L-1,靜置30 min后下降到對水生生物無害水平(0.06 mg·L-1)以下。因此，為了保證水生生物安全,需在水力空化-臭氧工藝系統(tǒng)出水后增加1個沉淀或生物過濾緩沖池,并確保在此沉淀或緩沖池的水力停留時(shí)間大于0.5 h,這樣可在一定程度上降低出水中臭氧濃度,保證水質(zhì)達(dá)GB 3838—2002中Ⅲ類水環(huán)境質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)。

利用臭氧濃度檢測儀在線檢測尾氣中臭氧濃度,在優(yōu)化的水力空化-臭氧工藝試驗(yàn)條件下,臭氧利用率在98%以上,尾氣中臭氧濃度很低,即使經(jīng)長時(shí)間的連續(xù)試驗(yàn),試驗(yàn)場所空間范圍內(nèi)未聞到臭氧味道(臭氧嗅閾值為0.15 mg·L-1),因而水力空化-臭氧工藝系統(tǒng)不會對環(huán)境空氣質(zhì)量造成有害影響。

3結(jié)論

采用水力空化-臭氧工藝可有效去除富營養(yǎng)化水體中葉綠素a,滅殺水中藻類,消減濁度、UV254、COD,處理后水體澄清透明,感觀較好。在處理流量分別為5和10 m3·h-1時(shí),采用復(fù)合空化-臭氧工藝葉綠素a穩(wěn)定出水期平均去除率分別達(dá)88.9%和44.5%,比單獨(dú)臭氧氧化工藝分別提高22.6%和54.0%,運(yùn)行能耗分別為1.78和0.89 kW·h·m-3。同時(shí),在5 m3·h-1處理能力下,穩(wěn)定出水期濁度、UV254以及COD的平均去除率分別達(dá)31.4%、49.4%和38.4%。

因此,在富營養(yǎng)化水體藻華爆發(fā)前采用水力空化-臭氧工藝能快速有效滅藻并去除葉綠素,遏制水華產(chǎn)生,減少因水華爆發(fā)及藻細(xì)胞死亡后產(chǎn)生污染物引起的生態(tài)破壞和經(jīng)濟(jì)損失。在水產(chǎn)養(yǎng)殖水體中應(yīng)用該工藝能有效抑制藻類的繁殖,滅殺水中有害微生物及致病菌,增加水體溶解氧,提高養(yǎng)殖水體水質(zhì)等級,減少藥物及其他投入,提高單位養(yǎng)殖產(chǎn)量和品質(zhì),保證漁業(yè)生產(chǎn)的持續(xù)健康發(fā)展。

致謝: 常州市武進(jìn)水產(chǎn)養(yǎng)殖場提供試驗(yàn)場地,德國耶拿大學(xué)技術(shù)化學(xué)與環(huán)境化學(xué)研究所Bernd Ondruschka教授提供技術(shù)支持,在此一并表示感謝!

參考文獻(xiàn)：

[1]馬經(jīng)安,李紅清.淺談國內(nèi)外江河湖庫水體富營養(yǎng)化狀況[J].長江流域資源與環(huán)境,2002,11(6):575-578.

[2]高月香,張毅敏,張永春.流速對太湖銅綠微囊藻生長的影響[J].生態(tài)與農(nóng)村環(huán)境學(xué)報(bào),2007,23(2):57-60.

[3]KAYA K,WATANABE M M.Chemistry and Toxicology of Cyclic Heptapeptide Toxins,the Microcystins,From Cyanobacteria[J].Microbiology and Culture Collections，1994,10(1):5-33.[4]PLUMMER J D,EDZWALD J K.Effect of Ozone on Disinfection By-Product Formation of Algae[J].Water Science and Technology,1998,37(2):49-55.

[5]戴群英,趙冰華,李雅萍,等.水庫富營養(yǎng)化問題及相應(yīng)對策[J].水土保持研究,2005,12(6):95-97.

[6]張志勇,常志州,劉海琴,等.不同水力負(fù)荷下鳳眼蓮去除氮、磷效果比較[J].生態(tài)與農(nóng)村環(huán)境學(xué)報(bào),2010,26(2):148-154.

[7]陸紅,晁建穎,張毅敏,等.人工介質(zhì)富集附著生物對富營養(yǎng)化水體的凈化作用[J].生態(tài)與農(nóng)村環(huán)境學(xué)報(bào),2011,27(3):76-81.

[8]崔麗娟,李偉,趙欣勝,等.表流濕地不同植物配置對富營養(yǎng)化循環(huán)水體的凈化效果[J].生態(tài)與農(nóng)村環(huán)境學(xué)報(bào),2011,27(2):81-86.

[9]周霖,黃文氫.用殺藻劑抑制湖泊藍(lán)藻水華的嘗試[J].環(huán)境工程,1999,17(4):75-77.

[10]趙傳鵬,浦躍樸,尹立紅,等.溶微囊藻菌的分離與溶藻作用[J].東南大學(xué)學(xué)報(bào)(自然科學(xué)版),2005,35(4):602-606.

[11]張智,林艷.水體富營養(yǎng)化及其治理措施[J].重慶環(huán)境科學(xué),2002,24(3):52-54.

[12]王淑芳.水體富營養(yǎng)化及其防治[J].環(huán)境科學(xué)與管理,2006,30(6):63-65.

[13]岳尚超,王啟山,張偉林.預(yù)臭氧化工藝對消毒副產(chǎn)物影響的生產(chǎn)性研究[J].給水排水，2012,38(2)：16-20.

[14]朱文明,吳純德,陳利軍,等.水力空化強(qiáng)化臭氧降解水中苯酚影響因素研究[J].工業(yè)用水與廢水,2007,38(2):23-26.

[15]陳彥,吳純德,李商國,等.水力空化強(qiáng)化臭氧降解羅丹明B的初步研究[J].水處理技術(shù),2008,34(6):12-15.

[16]WU Z,FRANKE M,ONDRUSCHKA B,etal.Enhanced Effect of Suction-Cavitation on the Ozonation of Phenol[J].Journal of Hazardous Materials,2011,190(1):375-380.

[17]肖玉峰.水力空化耦合臭氧氧化處理制藥廢水的研究與應(yīng)用[D].濟(jì)南:濟(jì)南大學(xué)，2013.

[18]WU Z,SHEN H,ONDRUSCHKA B,etal.Removal of Blue-Green Algae Using the Hybrid Method of Hydrodynamic Cavitation and Ozonation[J].Journal of Hazardous Materials,2012,235/236:152-158.

[19]LI W,TANG C,WU Z,etal.Eutrophic Water Purification Efficiency Using a Combination of Hydrodynamic Cavitation and Ozonation on a Pilot Scale[J].Environmental Science and Pollution Research,2015,22(8):6298-6307.

[20]王復(fù)曉.常州武進(jìn)水產(chǎn)養(yǎng)殖場富營養(yǎng)化水人工濕地法治理技術(shù)探討[D].揚(yáng)州:揚(yáng)州大學(xué),2012.

[21]于海燕,周斌,胡尊英,等.生物監(jiān)測中葉綠素a濃度與藻密度的關(guān)聯(lián)性研究[J].中國環(huán)境監(jiān)測，2009,25(6):40-43.

[22]湯傳棟.水力空化輔助臭氧氧化法凈化水產(chǎn)養(yǎng)殖水體試驗(yàn)研究[D].南京:南京工業(yè)大學(xué),2015.

[23]湯傳棟,張宇峰,王偉民,等.水力空化輔助臭氧氧化去除水產(chǎn)養(yǎng)殖水體中葉綠素[J].生態(tài)與農(nóng)村環(huán)境學(xué)報(bào),2014,30(4):505-508.

[24]王龍,李思敏,李艷平.臭氧組合工藝處理微污染水源水的試驗(yàn)研究[J].河北工程大學(xué)學(xué)報(bào)(自然科學(xué)版),2007,24(2):50-54.

[25]郭恩彥,譚洪新,羅國芝,等.臭氧/生物活性炭深度處理循環(huán)養(yǎng)殖廢水[J].環(huán)境污染與防治,2009,31(10):6-9.

[26]劉海龍,李政劍,趙虹,等.引黃水臭氧預(yù)氧化強(qiáng)化混凝處理及安全性研究[J].環(huán)境污染與防治,2010,32(4):58-61.

[27]黃國忠,丁月紅,董曉偉，等.活性炭催化臭氧氧化去除水中的腐殖酸[J].化工環(huán)保,2007,27(3):200-203.

[28]劉永,曹廣斌,蔣樹義,等.冷水性魚類工廠化養(yǎng)殖中臭氧催化氧化降解氨氮[J].中國水產(chǎn)科學(xué),2006,12(6):790-795.

(責(zé)任編輯： 陳昕)

Practical Application of Technology Combining Ozonation With Hydrodynamic Cavitation to Algae Removal From Water.

WU Zhi-lin1,2, WANG Wei-min1, LI Wei-xin1, ZHAO Yi1, TANG Chuan-dong1,3, Giancarlo CRAVOTTO2

(1.Nanjing Institute of Environmental Sciences, Ministry of Environmental Protection, Nanjing 210042, China;2.Dipartimento di Scienza e Tecnología del Farmaco, Universty of Turin, Via P. Giuria 9, I-10125 Torino, Italy；3.College of Environment, Nanjing University of Technology, Nanjing 211816, China)

Abstract:Based on laboratory research and pilot experiments, an industrial water treatment system combining ozonation with hydrodynamic cavitation has been developed to remove algae from eutrophicated waterbodies. A comparative study was performed to compare the technologies of "complex cavitation/ozone", "extrusion cavitation/ozone", "suction cavitation/ozone", "ozonation alone" and “orifice plate aperture” in water treatment efficiency, relative to chlorophyll a, UV254, COD and NH3-N contents and turbidity in treated water. Meanwhile, comparison was done between "complex cavitation/ozone" and "ozone alone" in some economic and technological indices, such as ozone utilization rate and net purification rate per unit of ozone and energy consumed. Results show that the technology of "complex cavitation/ozone" reached 44.5% and 88.9% in chlorophyll removal rate and 0.89 and 1.78 kW·h·m-3in per unit energy consumption, respectively, during the period of stable discharge, when operated at 10 or 5 m3·h-1. Moreover, the indices of turbidity, UV254and COD all dropped significantly. The two technologies were also found better than the others in the other economic and technical indices. Therefore, it is concluded that the "hydrodynamic cavitation/ozone" system can be applied to quick and effective elimination of algae and chlorophyll, suppression of algal blooms, and reduction of ecological damage and economic losses that may be caused by algal blooms and dead algae.

Key words:hydrodynamic cavitation;ozonation;eutrophication;algae removal;industrial application

收稿日期：2015-06-09

基金項(xiàng)目：國家國際科技合作項(xiàng)目(2010DFB93700);江蘇省科技支撐計(jì)劃(BE2014028)

中圖分類號：X505；X524

文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A

文章編號：1673-4831(2016)03-0500-07

DOI：10.11934/j.issn.1673-4831.2016.03.025

作者簡介：武志林(1965—),男,江蘇鎮(zhèn)江人,研究員,博士,主要研究方向?yàn)楦呒壯趸夹g(shù)在水和廢水處理中的應(yīng)用。E-mail: wzhilin@hotmail.com