超聲除藻反應(yīng)動力學(xué)及相關(guān)水質(zhì)變化的研究.pdf

1、太湖藍(lán)藻水華污染是太湖水體富營養(yǎng)化的直接后果,而頻繁暴發(fā)的藍(lán)藻水華會使水質(zhì)惡化、湖泊生態(tài)退化,不僅破壞水資源環(huán)境,還制約社會經(jīng)濟(jì)可持續(xù)發(fā)展。藍(lán)藻水華所釋放的藻毒素給人類和水生動植物帶來的巨大健康隱患。低頻低功率超聲除藻是一種環(huán)境友好除藻技術(shù),其除藻效率高,除藻后不僅不影響水質(zhì),不產(chǎn)生二次污染,還使水質(zhì)得到改善。
　　 目前關(guān)于超聲去除太湖藍(lán)藻的即時反應(yīng)動力學(xué)的研究極少,關(guān)于超聲除藻前后水體水質(zhì)指標(biāo)變化的研究尚未見報道。本研究通過

2、醫(yī)工結(jié)合,應(yīng)用聲學(xué)、環(huán)境工程和公共衛(wèi)生學(xué)等學(xué)科知識,研究超聲治理藍(lán)藻水華污染的關(guān)鍵問題。用不同的超聲反應(yīng)裝置工藝設(shè)計與參數(shù)處理藻污染的水體,尤其是水華暴發(fā)期間的水質(zhì)嚴(yán)重惡化的水體,觀察超聲除藻效果,構(gòu)建超聲除藻反應(yīng)裝置,初步建立超聲除藻反應(yīng)動力學(xué)模型,同時結(jié)合關(guān)于超聲除藻前后水質(zhì)變化情況研究,了解超聲除藻技術(shù)對水體可能會造成的影響,從而評價超聲除藻技術(shù)除藻的效果及對水體水質(zhì)的影響,并為將來超聲除藻現(xiàn)場試驗及工程化研究提供進(jìn)一步的基礎(chǔ)研究

3、資料。本實驗研究內(nèi)容和結(jié)果如下:
　　 一、優(yōu)化超聲除藻反應(yīng)裝置工藝設(shè)計與參數(shù)組合實驗研究
　　 以太湖撈取的藍(lán)藻為實驗對象,對比超聲作用前后溶液中藍(lán)藻濃度的變化,優(yōu)化超聲反應(yīng)裝置工藝設(shè)計(輻射頭放置方式、深度)與參數(shù)組合(頻率、功率、輻照時間、藻濃度),并結(jié)合超聲在去氣水中的聲場分布特點對超聲除藻進(jìn)行研究。研究結(jié)果表明,超聲除藻反應(yīng)裝置工藝優(yōu)化設(shè)計:超聲輻射頭放置方式由下向上,超聲輻射頭放置深度為0.5～1cm;優(yōu)化超

4、聲參數(shù):20 kHz±10％的頻率、30W±10%的功率、240s的輻射時間;相同處理條件下,在藻濃度為106～108個/mL的范圍,藻濃度越低,超聲對藻細(xì)胞的去除效果越明顯。
　　 二、超聲除藻反應(yīng)動力學(xué)探討
　　 根據(jù)優(yōu)化超聲除藻反應(yīng)器的工藝設(shè)計與參數(shù)組合實驗研究的結(jié)果構(gòu)建超聲除藻反應(yīng)器。在該反應(yīng)器內(nèi)進(jìn)行超聲除藻實驗,確定超聲除藻即時動力學(xué)的反應(yīng)級數(shù)和反應(yīng)速率方程,若為一級反應(yīng),則研究超聲頻率、功率和太湖藍(lán)藻初始濃度

5、對動力學(xué)過程的影響,初步建立超聲去除藍(lán)藻的即時反應(yīng)動力學(xué)方程式;若非一級動力學(xué),則查找資料,研究多級反應(yīng)動力學(xué)測定方法。研究結(jié)果表明,超聲除藻即時反應(yīng)為一級反應(yīng)動力學(xué),反應(yīng)速率常數(shù)k值為-0.0072,R2為0.9918,一級反應(yīng)方程為y=0.0072x+0.0867。在10～30W±10%范圍內(nèi),除藻一級反應(yīng)速率常數(shù)K的絕對值隨著功率的增大而遞增;在20～900kHz±10%范圍內(nèi)時,除藻一級反應(yīng)速率常數(shù)K的絕對值隨著頻率的增大而遞減

6、;在106～108個/mL范圍內(nèi)時,隨著濃度的增大,除藻一級反應(yīng)速率常數(shù)K的絕對值減小。在葉等動力學(xué)模型的基礎(chǔ)和本實驗室條件下,推導(dǎo)建立動力學(xué)方程,即各影響因素(超聲功率、頻率、藻溶液初始濃度)對擬一級反應(yīng)速率常數(shù)K的影響程度的關(guān)系式為:K=K0[C]0q(W)Bfr,其中K0為本征動力學(xué)常數(shù),[C]0為藻溶液初始濃度(106～108個/mL),W為超聲功率(10～30W±10%),f為超聲頻率(20～900 kHz±10%),a為溶液

7、初始濃度的影響指數(shù),B為超聲功率的影響指數(shù),r為超聲頻率的影響指數(shù)。
　　 三、低頻低功率超聲除藻前后水質(zhì)變化情況
　　 在自制的反應(yīng)器中進(jìn)行超聲除藻實驗(超聲頻率20 kHz±10%、功率30 W±10%、輻射時間240s0,對比除藻前后實驗溶液水體中水質(zhì)指標(biāo),包括DO、COD、葉綠素a、TN、TP等含量變化,并比較不同處理方法(單獨超聲、單獨陽光、超聲后陽光)對MC-LR、MC-RR的降解效果,評價超聲除藻技術(shù)。研究

8、結(jié)果表明,超聲除藻后靜止24h,水質(zhì)指標(biāo)DO值從0.66mg/L升高到3.08mg/L;COD值發(fā)生一定程度的下降,最大下降率可達(dá)到22.6%;Chl-a濃度下降幅度最大可達(dá)到70.8%;TN、TP濃度均有明顯下降,但氮鹽下降幅度大于磷鹽的。三種處理方法對藻溶液中的藻毒素均有降解作用,但降解效果由高到低的排序是超聲后陽光作用＞陽光單獨作用＞超聲單獨作用,超聲作用后再將水樣置于陽光下照射480min后,MC-RR和MC-LR的降解率分別是