唐煜坤,馬健偉,*,于忠臣,于清江

(1.東北石油大學(xué)土木建筑工程學(xué)院,黑龍江大慶 163319;2.大慶市水務(wù)集團(tuán)有限公司,黑龍江大慶 163319)

水體富營養(yǎng)化是一個(gè)全球性的環(huán)境污染問題,水藻大量繁殖覆蓋在水體表面,影響其他水生植物的光合作用,造成水中溶解氧下降,死亡的植物被厭氧微生物分解產(chǎn)生有毒氣體,加劇了水中魚類等水生動(dòng)物的消亡。以劍水蚤、圓水蚤等浮游動(dòng)物為食的魚類消失,以及水藻的大量繁殖,為水蚤等浮游動(dòng)物創(chuàng)造了良好的生存環(huán)境,導(dǎo)致它們在水體中大量孳生。劍水蚤、圓水蚤等橈足類浮游動(dòng)物具有多層且堅(jiān)硬的甲殼,抗氧化性較強(qiáng),傳統(tǒng)臭氧和普通的水處理氧化劑對(duì)其滅活效果較差[1]。以劍水蚤、圓水蚤為主的浮游動(dòng)物在沉淀池內(nèi)大量繁殖,破壞絮體結(jié)構(gòu),大量漂浮聚集在水面影響美觀。劍水蚤進(jìn)入濾池后大量孳生,并憑借其微小的體型和較強(qiáng)的活動(dòng)性穿透濾池進(jìn)入供水管網(wǎng),對(duì)水處理工藝造成一定的困擾,對(duì)用戶飲用水安全造成潛在的威脅。學(xué)者[2]采用預(yù)氧化和增加物理攔截的方式來控制劍水蚤的孳生,對(duì)控制劍水蚤穿透濾池有一定的效果。另外,水蚤還是血吸蟲、線蟲、裂頭蚴等致病生物的宿主,是疾病傳播的重要媒介,并且水蚤體表攜帶有大量細(xì)菌[3],劇烈運(yùn)動(dòng)或者受到水流的沖擊都有可能將其攜帶的細(xì)菌帶入水體中成為自然細(xì)菌,若其進(jìn)入城鎮(zhèn)供水管網(wǎng)中,不僅在人們飲用水感官上造成影響,還會(huì)污染水質(zhì),造成管網(wǎng)內(nèi)細(xì)菌數(shù)超標(biāo)。

本文以大慶市某水廠的劍水蚤和圓水蚤為研究對(duì)象,以死亡率作指標(biāo),對(duì)比了微納米氣泡臭氧和普通氣泡臭氧對(duì)水蚤的滅活效果及持續(xù)滅活能力,考察了不同液相微納米氣泡臭氧濃度和水體中有機(jī)物濃度對(duì)水蚤滅活率的影響,并對(duì)活性炭催化微納米氣泡臭氧滅活水蚤的試驗(yàn)進(jìn)行了研究,最后通過試驗(yàn)分析了微納米氣泡臭氧以及活性炭-微納米氣泡臭氧技術(shù)的滅活機(jī)理,為微納米臭氧在給水處理中滅活劍水蚤等橈足浮游動(dòng)物的應(yīng)用提供理論指導(dǎo)。

1 材料與方法

1.1 試驗(yàn)材料與儀器

試驗(yàn)藥品:靛藍(lán)二磺酸鈉、磷酸二氫鈉、磷酸氫二鈉、碳酸鈉、高嶺土、顆?；钚蕴烤徸蕴旖蚩泼軞W,均為分析純;腐植酸購于天津光復(fù),化學(xué)純。試驗(yàn)儀器:臭氧發(fā)生器(青島為園環(huán)?？萍加邢薰?CF-G-2-15);氣液混合泵(南方泵業(yè),25QY-2SS);紫外-可見分光光度計(jì)(上海精密科學(xué)儀器有限公司,725N)。

1.2 水蚤采集及培養(yǎng)

水蚤采集自大慶市某水廠內(nèi),使用自制的25號(hào)浮游生物網(wǎng)兜(孔徑為64 μm)伸入水廠沉淀池和砂濾池捕捉水蚤,往返4～5個(gè)來回后將濾網(wǎng)翻轉(zhuǎn),在水桶內(nèi)富集捕捉到的水蚤,最后裝入容器帶回實(shí)驗(yàn)室培養(yǎng)備用。采集來的水蚤放入恒溫水浴鍋內(nèi)培養(yǎng),溫度設(shè)定為20 ℃;采用小型曝氣頭間歇性曝氣,培養(yǎng)液取20粒左右麥粒放入錐形瓶中,加入300 mL左右的蒸餾水,煮沸15 min,冷卻后加入草履蟲原液50 mL,靜置3 d[4]。培養(yǎng)過程中還應(yīng)保持水的清潔和補(bǔ)充蒸發(fā)水量,補(bǔ)充水用事先儲(chǔ)放5 d以上的脫氯自來水,3 d補(bǔ)充一次水,1 d供餌兩次。

1.3 檢測方法

臭氧濃度:采用靛藍(lán)二磺酸鈉分光光度法測定液相臭氧濃度,其原理是酸性靛藍(lán)試劑呈現(xiàn)藍(lán)色,臭氧可將其氧化褪色。在波長為610 nm時(shí),用紫外-可見光分光光度計(jì)測定衰減的程度。與空白樣品相比,吸光度的降低值與臭氧濃度成正比,因此,可以通過吸光度的降低值來確定溶液中臭氧的濃度。

腐植酸去除率:腐植酸去除率用UV254來表示,它能反映水中存在的含有雙鍵和不飽和烴類有機(jī)物的綜合濃度,是衡量水中有機(jī)物濃度的重要參數(shù),采用紫外-可見分光光度計(jì)在254 nm處測量。

水蚤滅活:水蚤的滅活標(biāo)準(zhǔn)為水蚤的生物性死亡(即完全失去生命跡象),不包括水蚤觸角、肢體的活動(dòng)以及水蚤殺暈的情況。水蚤的計(jì)數(shù)方法:將反應(yīng)柱內(nèi)取出的水蚤反應(yīng)器中的水蚤用蒸餾水沖至100 mL的燒杯中;隨后將燒杯放到事先準(zhǔn)備好的帶網(wǎng)格的白色底板上(網(wǎng)格能方便計(jì)數(shù),白色底板便于觀察水蚤的狀態(tài)),待10 min后水蚤狀態(tài)穩(wěn)定時(shí)開始計(jì)數(shù)滅活的水蚤數(shù)量;最后用移液槍計(jì)量燒杯內(nèi)的水蚤總數(shù),算出水蚤滅活率。

臭氧微納米氣泡停留時(shí)間的測定:微納米氣泡通過氣液混合泵,采用高速剪切空氣的方式產(chǎn)生,試驗(yàn)開始前先打開臭氧發(fā)生器,待臭氧產(chǎn)氣穩(wěn)定后再打開氣液混合泵并調(diào)節(jié)合適的進(jìn)氣量,經(jīng)過短暫延遲后在釋放器周圍就可以看見有乳白色的氣泡水出現(xiàn)。待裝置穩(wěn)定運(yùn)行后,從取樣口接取1 L乳白色的“牛奶水”于標(biāo)準(zhǔn)量筒內(nèi),迅速放置在平整的桌面上,同時(shí)按下秒表開始計(jì)時(shí),記錄下量筒內(nèi)溶氣水氣泡全部消失時(shí)的穩(wěn)定時(shí)間,如此反復(fù)5次取平均值。結(jié)果顯示微納米氣泡的平均停留時(shí)間為225 s。

1.4 試驗(yàn)方法

圖1為臭氧微納米氣泡滅活水蚤的試驗(yàn)裝置流程。挑選實(shí)驗(yàn)室培養(yǎng)的健康且活性較強(qiáng)的水蚤放入水蚤反應(yīng)器內(nèi),用蒸餾水沖洗后吊入反應(yīng)柱并將頂蓋封閉,調(diào)節(jié)臭氧發(fā)生裝置的電流后開始試驗(yàn)。試驗(yàn)時(shí)調(diào)節(jié)進(jìn)水閥門和空氣流量計(jì)來控制進(jìn)水量和曝氣量,使曝氣量和進(jìn)水量的比例滿足氣液混合泵的要求,便可持續(xù)穩(wěn)定地產(chǎn)生大量微納米氣泡。每次試驗(yàn)共6組,分別為5、10、15、20、25 min和30 min。每組處理完成時(shí),打開反應(yīng)柱的頂蓋,取出水蚤反應(yīng)器,用蒸餾水將反應(yīng)器中的水蚤沖至100 mL的燒杯內(nèi),觀察其滅活效果。普通氣泡臭氧滅活試驗(yàn),則直接將臭氧發(fā)生裝置的出氣口與反應(yīng)柱底部的曝氣石相連,其余步驟與微氣泡臭氧相同。

圖1 微納米氣泡臭氧滅活試驗(yàn)裝置

2 結(jié)果和討論

2.1 微納米氣泡臭氧滅活水蚤影響因素分析

2.1.1 不同投加方式對(duì)滅活效果的影響

試驗(yàn)以蒸餾水為底質(zhì),在pH為中性、水溫為15 ℃的條件下進(jìn)行。另外,調(diào)節(jié)本節(jié)臭氧發(fā)生裝置的電流為0.3 A,并調(diào)節(jié)氣閥使普通曝氣與微氣泡曝氣時(shí)的氣流量相同(均為1 L/min),以此來控制臭氧投加量相同,此時(shí)系統(tǒng)中微納米氣泡臭氧質(zhì)量濃度約為1.2mg/L,普通氣泡臭氧質(zhì)量濃度約為0.8mg/L。在此基礎(chǔ)上對(duì)比微納米氣泡和普通氣泡臭氧對(duì)兩種水蚤的滅活效果,結(jié)果如圖2所示。

隨著微納米氣泡臭氧的通入,前15 min內(nèi)劍水蚤和圓水蚤的滅活率迅速升高,分別升至78%和81%,而此時(shí)普通氣泡臭氧所對(duì)應(yīng)的滅活率分別為39%和38%,僅僅約為微納米氣泡臭氧滅活率的1/2。當(dāng)試驗(yàn)進(jìn)行到25 min時(shí)微納米氣泡臭氧對(duì)兩種水蚤的滅活效果基本已經(jīng)達(dá)到100%,比同等情況下普通氣泡臭氧高25%～30%。由圖2可知,采用微納米氣泡曝氣對(duì)兩種水蚤處理30 min后,能將兩種水蚤完全滅活,而使用普通氣泡臭氧處理30 min劍水蚤和圓水蚤的滅活率最高只能達(dá)到76%和80%。從結(jié)果可以看出,微納米氣泡相較于普通氣泡臭氧,對(duì)劍水蚤和圓水蚤的滅活效果更快、更好,并且對(duì)劍水蚤的滅活效果要稍遜于圓水蚤。

2.1.2 液相臭氧濃度對(duì)滅活效果的影響

以蒸餾水為底質(zhì),氣流量在1 L/min,溫度控制在15 ℃左右,pH為中性條件下,通過調(diào)節(jié)臭氧發(fā)生裝置上0～2.0 A不同的電流旋鈕來改變臭氧發(fā)生裝置的電流,以此控制液相臭氧濃度,比較不同濃度的微氣泡臭氧隨時(shí)間對(duì)水蚤的滅活效果,試驗(yàn)結(jié)果如圖3所示。

圖3 微納米氣泡臭氧濃度對(duì)水蚤的滅活效果

圖3(a)和圖3(b)分別為圓水蚤和劍水蚤的滅活效果。水蚤的滅活率隨液相臭氧濃度升高而升高,當(dāng)液相臭氧質(zhì)量濃度為0.5mg/L時(shí),滅活率隨著臭氧通入時(shí)間的增加,上升并不明顯,通氣30 min圓水蚤和劍水蚤滅活率最高只能達(dá)到33%和21%。隨著液相臭氧濃度的提高,滅活效果有了明顯的提高,質(zhì)量濃度在1mg/L時(shí)處理30 min,圓水蚤的滅活率能達(dá)到85%,劍水蚤能達(dá)到79%,若想要完全滅活圓水蚤和劍水蚤,僅需要1.5mg/L的臭氧處理25 min以上。

根據(jù)試驗(yàn)可知,無論是劍水蚤還是圓水蚤,低質(zhì)量濃度(0.5mg/L)臭氧的滅活率都較低;1.0mg/L的液相臭氧質(zhì)量濃度,停留時(shí)間為30 min時(shí),滅活率又達(dá)不到100%,由于水蚤較強(qiáng)的生存和繁殖能力,很有可能在后續(xù)工藝中再次孳生暴發(fā);采用2mg/L的液相臭氧質(zhì)量濃度,對(duì)水蚤的滅活速度有所提高,但想要達(dá)到完全滅活的效果提升并不明顯,并且還可能存在加大運(yùn)行費(fèi)用的問題。因此,綜合水蚤滅活率和水處理成本等因素,建議采用的給水處理中微納米氣泡臭氧滅活劍水蚤等橈足類浮游動(dòng)物的最佳液相臭氧質(zhì)量濃度為1.5mg/L,在此濃度下實(shí)驗(yàn)室處理25 min就可以達(dá)到100.0%的滅活效果。

2.1.3 腐植酸濃度對(duì)滅活效果的影響

給水處理的天然原水中,廣泛存在一定數(shù)量的天然有機(jī)物,腐植酸便是其中之一(占水中有機(jī)物的50%～90%)。它的存在對(duì)飲用水處理的各個(gè)環(huán)節(jié)都有不同程度的影響,其中,最值得關(guān)注的就是水體中有機(jī)物的濃度會(huì)直接影響到氧化劑殺蚤、滅菌的效果。并且因?yàn)楦菜嵩谒谐矢叻肿与娊赓|(zhì)和弱酸特性,水伴有異味和顏色[5],所以其常常作為有機(jī)物的代表用于試驗(yàn)研究。本試驗(yàn)以腐植酸為有機(jī)物代表成分,以蒸餾水為底質(zhì),控制水溫在15 ℃、pH為中性,分別配制腐植酸質(zhì)量濃度為0、4、8、10mg/L的水樣,并控制試驗(yàn)微氣泡曝氣臭氧和普通曝氣臭氧投量相同,此時(shí)的微納米氣泡臭氧質(zhì)量濃度約為1.5mg/L,普通氣泡臭氧質(zhì)量濃度約為1.0mg/L。觀察有機(jī)物濃度對(duì)微氣泡臭氧和普通曝氣臭氧滅活水蚤效果的影響,結(jié)果如圖4、圖5所示。

圖4 不同腐植酸濃度對(duì)普通氣泡和微氣泡臭氧滅活圓水蚤的影響

圖4(a)為普通氣泡臭氧在不同腐植酸濃度下對(duì)圓水蚤的滅活效果。隨著有機(jī)物濃度的增加,普通氣泡臭氧對(duì)圓水蚤滅活的效果變差。同樣的條件下處理30 min后,有機(jī)物質(zhì)量濃度為10.0mg/L和0的滅活率分別為36.4%和80.5%,相差44.1%。與普通氣泡相比,相同臭氧投量下,微納米氣泡臭氧受有機(jī)物濃度的影響的程度要小得多[圖4(b)],盡管滅活前期不同有機(jī)物濃度的滅活率也有一些差距,但處理30 min后,最后的滅活率都能達(dá)到90%以上,并且有機(jī)物質(zhì)量濃度為10.0mg/L和0的滅活率分別為89.0%和100.0%,相差僅為11.0%。

圖5(a)、圖5(b)為普通氣泡、微納米氣泡臭氧滅活劍水蚤的柱狀圖。對(duì)于普通氣泡臭氧,劍水蚤滅活率與圓水蚤趨勢相同,都隨著水中有機(jī)物濃度的增加迅速下降,對(duì)于微納米氣泡臭氧,劍水蚤滅活率隨著有機(jī)物濃度的增加也有下降趨勢,但比較緩和,受有機(jī)物濃度的影響較小。不同有機(jī)物濃度下,普通氣泡臭氧處理30 min時(shí)的劍水蚤滅活率最高為71.6%,最低為32.4%,相差39.2%。微納米氣泡處理30 min時(shí)劍水蚤滅活率最高為91.0%,最低為84.0%,相差7.0%。根據(jù)以上結(jié)果可知,微納米氣泡臭氧與普通氣泡臭氧相比,對(duì)水蚤滅活效果受溶液中有機(jī)物含量的影響較小,這體現(xiàn)了微氣泡臭氧氧化效率更高、氧化選擇性更強(qiáng)的特點(diǎn)。

2.1.4 微納米氣泡對(duì)水蚤滅活的持續(xù)效果

水蚤持續(xù)滅活效果試驗(yàn)需控制臭氧投量相同,分別采用微納米氣泡和普通氣泡臭氧曝氣5 min后停止,并記錄此時(shí)的滅活率,隨后每隔5 min測量一次兩種氣泡對(duì)劍水蚤和圓水蚤的滅活率。

如圖6所示,與普通氣泡相比,微納米氣泡對(duì)劍水蚤和圓水蚤持續(xù)滅活的能力都有很大的提升。普通氣泡劍水蚤和圓水蚤通氣5 min時(shí)的滅活率分別為13.4%和20.2%,停止曝氣后,可以看到曲線上升的趨勢很緩,幾乎沒有多大變化,試驗(yàn)結(jié)束時(shí),也就是停止曝氣后的第25 min,劍水蚤和圓水蚤的滅活率達(dá)到20.0%和29.0%。微納米氣泡臭氧曝氣5 min后對(duì)劍水蚤和圓水蚤的滅活率分別為34.0%和45.0%,微納米氣泡臭氧在液相中有更長的停留時(shí)間,逸散速度慢,所以停止曝氣后,液相臭氧濃度下降更緩慢,這有利于水蚤的持續(xù)滅活效果,最后微納米氣泡臭氧對(duì)兩種水蚤的滅活率分別提升至62.5%和70.3%。

圖6 不同投加方式對(duì)水蚤滅活的持續(xù)效果

根據(jù)試驗(yàn)結(jié)果可知,普通氣泡臭氧處理劍水蚤和圓水蚤后的持續(xù)滅活效果分別提升了6.6%和8.8%;而微納米氣泡臭氧處理后的持續(xù)滅活率提升了28.5%和25.3%。由此可見,微納米氣泡臭氧與傳統(tǒng)氣泡臭氧相比,對(duì)水蚤具有更好的持續(xù)滅活能力,這也解決了傳統(tǒng)氣泡存在時(shí)間短、持續(xù)滅活效果差的詬病。

2.2 活性炭催化微納米氣泡臭氧滅活水蚤

2.2.1 活性炭對(duì)滅活效果的影響

采用蒸餾水配制5mg/L的腐植酸溶液,在臭氧投量相同的情況下分別采用活性炭-微納米氣泡臭氧、微納米氣泡臭氧、活性炭-普通氣泡臭氧和活性炭-空氣氣泡對(duì)水蚤進(jìn)行滅活,結(jié)果如圖7所示。

圖7 活性炭催化微納米氣泡臭氧滅活水蚤的效果

圖7(a)為活性炭催化微納米氣泡臭氧滅活圓水蚤的數(shù)據(jù)圖,加入活性炭后的微納米氣泡臭氧與不加活性炭的微納米氣泡臭氧相比,在前15 min內(nèi)的滅活效果提升較為明顯,滅活率能達(dá)到69.6%,比后者高15.4%。試驗(yàn)結(jié)束時(shí),活性炭-微納米氣泡體系對(duì)圓水蚤的滅活率提升到94.0%,比不加活性炭的滅活率高12.0%,比活性炭-普通氣泡體系高44.0%。圖7(b)為劍水蚤的滅活效果,試驗(yàn)進(jìn)行10 min時(shí)單獨(dú)微納米氣泡臭氧體系的滅活率為40.0%,活性炭-微納米氣泡臭氧體系的滅活率為55.6%,活性炭催化微納米氣泡臭氧相比于單獨(dú)微納米氣泡臭氧,能夠提高劍水蚤滅活速度。對(duì)照組使用空氣與活性炭對(duì)水蚤進(jìn)行滅活,滅活率基本為0,當(dāng)采用普通氣泡臭氧與活性炭聯(lián)用時(shí),30 min后的滅活率不到活性炭-微納米臭氧系統(tǒng)的1/2,僅有42.0%。試驗(yàn)30 min后活性炭-微納米體系的滅活率為90.4%,單獨(dú)微納米氣泡體系的滅活率為83.2%。以上試驗(yàn)數(shù)據(jù)表明,活性炭對(duì)催化微納米氣泡臭氧滅活劍水蚤和圓水蚤的效果有一定的提升,但提升不明顯,更多的是提高對(duì)水蚤滅活的速度,這對(duì)指導(dǎo)水廠生產(chǎn)有一定的實(shí)際意義,若水蚤短時(shí)間大量孳生時(shí),可以輔助投加一定量的活性炭,以應(yīng)對(duì)緊急情況,達(dá)到快速滅活的要求。

2.2.2 活性炭投加量對(duì)滅活效果的影響

設(shè)置5組不同的活性炭投加量,以蒸餾水為底質(zhì)配制5mg/L的腐植酸溶液,控制微納米氣泡臭氧投量相同,分別投加0、2、5、10、15 g/L的活性炭,試驗(yàn)進(jìn)行30 min,每5 min觀察一次水蚤滅活率,探究活性炭催化微納米氣泡臭氧的最佳投加量。

由圖8(a)可知,圓水蚤滅活試驗(yàn)前5 min,活性炭投加量≥10mg/L的時(shí)候?qū)λ槿コ视斜容^明顯的躍升,這說明此時(shí)的活性炭投加量對(duì)微納米氣泡臭氧滅活圓水蚤有較好的催化效果,試驗(yàn)進(jìn)行5 min時(shí),0～15 g/L的活性炭滅活率分別為27.6%、29.8%、31.0%、39.3%、42.5%。試驗(yàn)進(jìn)行到30 min時(shí),不同活性炭投加量下圓水蚤的滅活率分別為86.0%、88.1%、90.5%、96.2%、97.0%,由此可見活性炭投加量為10 g/L和15 g/L處理30 min的滅活率相差不大。圖8(b)為滅活劍水蚤的效果圖,試驗(yàn)進(jìn)行到10 min時(shí),0～15 g/L的不同活性炭投加量下劍水蚤的滅活率分別為40.8%、45.6%、48.9%、55.3%、57.1%。試驗(yàn)進(jìn)行到30 min時(shí),不同活性炭投加量下劍水蚤的滅活率分別為83.7%、88.6%、90.5%、93.4%、93.0%。通過試驗(yàn)數(shù)據(jù)可以看出,活性炭催化微納米氣泡臭氧對(duì)劍水蚤和圓水蚤的滅活率有一定提升但不顯著,但隨著活性炭投加量的增加,對(duì)水蚤滅活的速度有一定的提高。當(dāng)投加量為10 g/L時(shí),滅活速度提升比較明顯,若繼續(xù)增大活性炭投加量,無論是滅活率和滅活速度都提升不明顯,所以采用活性炭催化微納米氣泡臭氧滅活水蚤的建議投加量為10 g/L。

圖8 活性炭投加量對(duì)催化微納米氣泡臭氧滅活水蚤的影響

2.3 滅活機(jī)理分析

2.3.1 微納米氣泡臭氧傳質(zhì)效果分析

普通氣泡和微納米氣泡臭氧的傳質(zhì)效果研究在臭氧投加量相同的情況下,pH值為7、水溫為20 ℃的去離子水中進(jìn)行。當(dāng)液相臭氧濃度達(dá)到飽和時(shí),停止曝氣并繼續(xù)測量t時(shí)刻下的溶解臭氧濃度C。水中溶解臭氧濃度隨時(shí)間的變化符合一級(jí)反應(yīng)動(dòng)力學(xué)方程,如式(1)。

(1)

其中:C——t時(shí)刻水中溶解臭氧質(zhì)量濃度,mg/L;

t——時(shí)間,min;

KLa——總體積傳質(zhì)系數(shù),min-1;

Cs——該條件下水中飽和溶解臭氧質(zhì)量濃度,mg/L;

Kd——臭氧在水中的自分解系數(shù),min-1。

將t=0,C=0代入式(1)積分可以得到式(2)。

(2)

停止曝氣后,溶解臭氧濃度隨時(shí)間變化符合式(3)。

(3)

將t=0,C=Cs代入式(1)積分可以得到式(4)。

(4)

圖9為液相臭氧濃度隨時(shí)間的變化圖。普通氣泡臭氧和微納米氣泡臭氧在液相中的濃度均隨著反應(yīng)迅速增加,大約在30 min時(shí)達(dá)到飽和,微納米氣泡臭氧飽和時(shí)的質(zhì)量濃度為1.42mg/L,約是普通氣泡臭氧質(zhì)量濃度(0.84mg/L)的1.7倍[圖9(a)]。另外,從圖中曲線的斜率也可知,液相中微氣泡臭氧曝氣的濃度增加速率明顯快于普通氣泡曝氣。根據(jù)式(2)對(duì)液相臭氧濃度與反應(yīng)時(shí)間進(jìn)行擬合可得到圖9(b),此時(shí)的速率常速為傳質(zhì)系數(shù)與分解系數(shù)之和,微氣泡和普通氣泡液相臭氧濃度隨時(shí)間變化速率常數(shù)分別為0.130 0 min-1和0.083 7 min-1,數(shù)值越大代表臭氧傳質(zhì)效果越好。停止曝氣后,由于臭氧自身的分解,液相臭氧濃度開始降低。如圖9(c)所示,根據(jù)式(4)計(jì)算擬合后可以得到微氣泡臭氧和普通氣泡臭氧的分解系數(shù)分別為0.009 0 min-1和0.020 0 min-1,數(shù)值越小,代表液相臭氧分解得越慢,對(duì)應(yīng)的在水溶液中的停留時(shí)間越長。

圖9 液相臭氧濃度隨時(shí)間的變化

夏志然等[6]對(duì)微納米氣泡溶解臭氧的存在時(shí)間進(jìn)行研究得出,同一溶解臭氧濃度值,毫米級(jí)氣泡臭氧濃度下降速率要比微納米氣泡臭氧濃度快。并且在兩種氣泡臭氧濃度均達(dá)到峰值的情況下,微納米氣泡的溶解臭氧存在時(shí)間(97 min)要遠(yuǎn)遠(yuǎn)高于毫米級(jí)氣泡(15 min),約是毫米級(jí)氣泡的6.5倍。戚圣琦等[7]在對(duì)微納米氣泡臭氧傳質(zhì)的研究中也得到了相同的結(jié)論,微米氣泡曝氣具有更高的傳質(zhì)系數(shù)以及在水中更長的停留時(shí)間。楊童等[8]使用微納米氣泡臭氧對(duì)大腸桿菌的滅活試驗(yàn)中發(fā)現(xiàn),1mg/L的微納米氣泡臭氧在1 min內(nèi)可去除1×106CFU/mL的大腸桿菌,比微米級(jí)氣泡高1×103CFU/mL。侯陽陽[9]采用超聲耦合臭氧,利用超聲的空化和機(jī)械作用增加臭氧在水中的溶解速率和羥基自由基的含量來提高隱孢子蟲的滅活率。由此可見,臭氧微氣泡與普通氣泡相比可以顯著強(qiáng)化臭氧的氣液傳質(zhì)過程,減緩臭氧自身的衰減,延長臭氧在水中的停留時(shí)間。正是因?yàn)槲馀莩粞醯倪@些特性,讓它對(duì)水蚤類浮游動(dòng)物以及各種細(xì)菌病毒的滅活速度更快、效率更高,持續(xù)滅活的能力也更強(qiáng)。

2.3.2 活性炭催化微納米氣泡臭氧滅活水蚤機(jī)理分析

圖10 活性炭催化微納米氣泡臭氧滅活機(jī)理分析

(5)

試驗(yàn)結(jié)果發(fā)現(xiàn),在活性炭-微納米氣泡臭氧系統(tǒng)內(nèi)加入自由基捕獲劑后,大大降低了對(duì)水中UV254的去除率,這說明活性炭-微納米氣泡臭氧對(duì)去除水中有機(jī)物有催化作用。Zhang等[11]的研究中也指出,活性炭能催化微納米氣泡臭氧產(chǎn)生更多的羥基自由基。Fan等[12]也通過使用微納米氣泡臭氧和增溶劑來進(jìn)一步延長臭氧的存在時(shí)間,提高反應(yīng)效果。這也能解釋,加入活性炭后的微納米氣泡臭氧比不加活性炭的微納米氣泡臭氧對(duì)水蚤的滅活效果更快、更好。

3 結(jié)論與建議

(1)相同的臭氧投量下,微納米氣泡臭氧比普通氣泡臭氧滅活速度和滅活效果都有明顯的提升,滅活水蚤的最佳液相臭氧質(zhì)量濃度為1.5mg/L,在此濃度下處理25 min就可以達(dá)到100%的滅活效果。

(2)隨著有機(jī)物濃度的增加,普通氣泡臭氧對(duì)兩種水蚤的滅活率下降非常明顯,但微納米氣泡臭氧對(duì)有機(jī)物的抗沖擊能力較強(qiáng),下降不明顯。圓水蚤在0、10mg/L的腐植酸溶液中,采用普通氣泡曝氣時(shí)的滅活率相差了44.1%,而采用微納米氣泡臭氧曝氣時(shí),滅活率僅相差11.0%。劍水蚤在0、10mg/L的腐植酸溶液中,采用普通氣泡曝氣時(shí)的滅活率相差了39.2%,而采用微納米氣泡臭氧曝氣時(shí),滅活率僅相差7.0%。

(3)普通氣泡臭氧處理5 min后30 min內(nèi)對(duì)劍水蚤和圓水蚤的持續(xù)滅活效果分別提升了6.6%和8.8%;而微納米氣泡臭氧處理5 min后,30 min內(nèi)的持續(xù)滅活率提升了28.5%和25.3%。這說明微納米氣泡臭氧與傳統(tǒng)氣泡臭氧相比,在水中的停留時(shí)間更長,對(duì)水蚤持續(xù)滅活的能力更強(qiáng)。

(4)活性炭的加入可以明顯提高腐植酸配水中水蚤的滅活率,對(duì)滅活效果也有一定的提升,采用活性炭催化微納米氣泡臭氧滅活水蚤時(shí)的最佳投加量為10 g/L。

(5)后續(xù)研究可與水廠水處理工藝如預(yù)氧化、沉淀、過濾等相結(jié)合,提出一套行之有效的水蚤控制技術(shù)方案。另外,現(xiàn)階段的臭氧微納米氣泡發(fā)生裝置仍然存在一些詬病,如造價(jià)高、能耗高,產(chǎn)生氣泡受到水質(zhì)影響的波動(dòng)較大,氣泡尺寸不均勻等。想要真正大規(guī)模生產(chǎn)應(yīng)用還需要繼續(xù)深入研究,不斷優(yōu)化工藝和設(shè)計(jì)參數(shù),降低成本的同時(shí)提高處理效果。