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水力空化水处理设备性能评价水力空化水处理设备性能评价朱孟府，邓橙，宿红波，陈平，苑英海，朱路（军事医学科学院卫生装备研究所，天津，300161）摘要摘要基于空化反应机理研制的水力空化水处理设备，可以有效去除水中的有机物和微生物，去除效果与处理时间和水温有关，随着时间和温度的增加，处理效果增强。实验条件下，色度去除率大于 80.0%，cod 去除率可达 72.13%，石油污染物去除率可达 70.00%，大肠杆菌去除率大于 99.99%。作为一种新型水处理设备，水力空化设备既可独立使用，也可与其它水处理设备联合使用，具有广阔的应用前景。关键词关键词水力空化，水处理，石油污染物，大肠杆菌，设备performance evaluation of hydrodynamic cavitation water treatment equipmentzhu mengfu, deng cheng, su hongbo, chen ping, yuan yinghai, zhu lu(institute of medical equipment,academy of military medical sciences, tianjin 300161)abstract the hydrodynamic cavitation water treatment equipment can effectively remove organic matter andmicroorganisms based on the reaction mechanism of cavitation. removal effectiveness is related to processing timeand temperature. the effectiveness is enhanced with increasing time and temperature. under the experimentalconditions, the color removal rate was greater than 80.0%, cod removal rate was 72.13%, petroleum pollutantremoval rate was 70.00%, e. coli removal rate was greater than 99.99%. as new water treatment equipment,hydrodynamic cavitation device can be used independently or in combination with other water treatment equipment,which has broad application prospects.key words hydrodynamiccavitation; water treatment; petroleum pollutant; escolar; equipment水力空化是基于空化现象的一种新型水处理技术，近年来受到越来越多的关注1-4。空化是液体介质局部发生液气相变的过程，通过极其复杂的物理、化学效应，瞬间释放出巨大能量，形成局部高温、高压和强烈冲击波以及微射流。水力空化水处理技术就是利用水通过空化反应器时产生的空化效应来降解水中有机物以及杀灭水中微生物。已有的研究结果表明5-9，水力空化可以有效降低水中 cod、toc、uv254含量，微生物的去除率可达 90%以上。但是，对水力空化水处理的研究目前还处于技术工艺阶段，还未见水力空化水处理设备的研制报道。因此，基于空化反应机理，我们研制了 hc-1 型水力空化水处理设备10,11，并进行了其对石油污水的色度、cod、石油污染物以及大肠杆菌去除效果性能评价实验，以便为研发工业化水力空化水处理设备打下基础。1 实验1.1 试剂与仪器试剂：石油，取自吉林油田；四氯化碳（分析纯），天津市昌茂化学试剂厂；无水硫酸钠（分析纯），天津市昌茂化学试剂厂；高锰酸钾（分析纯），天津市化学试剂一厂；草酸钠（基准），北京化工厂；蛋白胨、牛肉膏、琼脂、氯化钠等均为分析纯；大肠杆菌，取自国家生物防护工程技术研究中心。仪器： 红外分光测油仪， jds-105u 型， 吉林市北光分析仪器厂； 气相色谱-质谱仪 （gc/ms） ， 5890-5971型，美国安捷伦公司；紫外-可见光分光光度计，uv-1700 系列，日本岛津公司；另有 ph 计、培养箱、高压灭菌器等。1.2 实验设备水力空化水处理设备（见图 1） ，自研，主要技术参数为：流量为 2.0m3/h、进水压力为 0.25mpa、电源为 380v/50hz、功率为 1.1kw、质量为 65kg、外形尺寸为 795525865mm，外接水箱容积为 50l。图 1 hc-1 型水力空化水处理设备1.3 实验方法用天津市自来水和天然石油配制 30l 石油含量约为 100mg/l 的石油污水，用水力空化水处理设备循环处理，测定进水和出水的色度、cod 及石油含量，计算去除率。在液体培养基中接种和繁殖大肠杆菌，制备大肠杆菌原液。按一定比例将大肠杆菌原液稀释至 20l 放置隔夜的天津市自来水中，混合均匀作为原水水样。用水力空化水处理设备循环处理水样，分别取进出水水样各 1ml 在培养皿上涂布， 37培养 24h，然后活菌计数。用平皿法进行分析，计算大肠杆菌去除率。2 结果2.1 色度去除效果色度是水质的一项重要指标，主要是由水中有色的溶解性和不溶解性无机和有机污染物形成的。石油是由多种有机物和无机物组成的一种混合物，因此，由天然石油配制的石油含量约为 100mg/l 石油污水的色度较大。图 2 为水温度为 25、色度为 50.0 倍时水力空化设备对石油污水色度的去除效果，如图所示，随着处理时间的增加，出水色度降低，色度去除率增加，当处理时间为 3h 时，去除率大于 80.0%。这说明通过水力空化的氧化作用可以降低水的色度。图 2 色度去除效果2.2 cod 去除效果cod 是表示水中还原性有机物多少的一个指标，cod 值越大，说明水体受有机物的污染越严重。用水力空化水处理设备循环处理 30l 水温为 25、cod 原始含量为 95.7 mg/l 的石油污水，随着处理时间的增加，出水 cod 含量降低， cod 去除率增加，当处理时间为 1.5h 时，cod 去除率大于 40.0%（见图 3） 。水力空化的作用机理主要是产生oh，随着空化处理时间的延长，持续产生oh 的量增加，通过oh 的氧化降解作用，使水中 cod 去除效果提高。图 3 cod 去除效果2.3 石油去除效果2.3.1 处理时间对石油去除效果的影响石油中的有机物主要为烷烃、环烷烃、芳香烃等烃类有机物，可以通过氧化降解作用把石油中的大分子有机物转化为小分子有机物或氧化成二氧化碳和水。当水温为 25、石油原始含量为 98.73mg/l 时，进行了水力空化设备去除石油污染物的实验，结果见图 4。从图中可以看出，随着时间延长，出水中的石油含量降低，石油去除率明显增加。当处理时间为 1.5h 时，石油去除率即大于 50.0%。图 4 处理时间对石油去除效果的影响2.2.2 温度对石油去除效果的影响水的温度是影响水力空化效应的关键因素之一。水温升高，水的饱和蒸汽压增大，空化效应增强，因此温度越高，越有利于空化效应。同时，温度升高，水中分子扩散速度加快，也可以增加有机污染物的降解反应，更加有利于污染物的去除。在处理时间为 2h、石油原始含量 99.62 mg/l 时，进行了水温对石油污染物去除效果的影响实验，实验结果见图 5。如图 5 所示，随着水温升高，石油去除率由 25时的 58.77%提高到 50时的 64.48%，说明温度升高石油去除率增加，但是增加幅度较小。因此，从能耗方面考虑，不要刻意提高温度以增加去除率，在室温条件下水力空化水处理设备也可以取得满意的石油去除效果。图 5 温度对石油去除效果的影响2.3 除菌效果2.3.1 处理时间对除菌效果的影响水力空化消毒机理目前尚未完全明确，较为认同的观点是空化的“机械作用理论”，在空化泡溃灭瞬间，产生高强压力脉冲，同时伴有强烈的冲击波和微射流，在此冲击压力作用下，细菌的细胞膜通透性屏障受损，细胞结构和功能成分遭破坏，导致细菌死亡。由表 1 可以看出，水力空化对水中大肠杆菌有很好的去除效果，随着时间的延长，除菌率增加，60min 时除菌率可达到 98.16%。表 1 处理时间对除菌效果的影响时间/min出中大肠杆菌含量/mpn/100ml除菌率/%309.310441.57602.910398.16907.510299.53120399.99注：大肠杆菌原始含量为 1.6105mpn/100ml，水温为 252.3.2 水电导率对除菌效果的影响为了进一步考察水力空化设备对细菌的去除效果， 向实验水样中添加 nacl 以改变水的电导率， 配制了电导率分别为 723s/cm 和1268s/cm 的水样 1 和水样 2，两种水样的大肠杆菌原始含量均 为1.6105mpn/100ml，在水温为 25时进行了水的电导率对细菌去除效果的影响实验，结果见表 2。从表 2可以看出，水的电导率对除菌效果有很大影响，增加电导率可以提高细菌去除效果。水的电导率增加即水中含盐量增加，盐能使水的抗拉能力大大降低，从而容易产生空化现象。同时，电导率大的水可能含有更多的气核，也有利于空化现象的产生，从而增强空化除菌效果。表 2 电导率对除菌效果的影响时间/(min)除菌率/(%)水样 1水样 23045.7698.216098.8999.139099.0299.9912099.9999.993 小结水力空化水处理设备对水的色度、cod、石油污染物以及大肠杆菌的去除效果性能评评价表明，利用空化效应研制的水力空化水处理技术设备可有效去除水中的有机物和微生物。作为一种新型水处理设备，水力空化设备具有结构简单、操作方便、维护费用低等特点，具备高效、节能、绿色、环保的优势，除可作为独立的水处理单元使用外，还可与其它水处理技术单元联合使用，进一步提高水处理效果，可以实现污水达标排放或有效回用，提高水资源利用率，减轻水污染对环境和人体健康造成的危害，具有广阔的应用前景。参考文献参考文献1朱孟府，曾艳，邓橙，等 . 水力空化在水处理中的应用与研究进展 j. 环境科学与技术，2010,33(12f):445-449.2arrojo s., benito y. a theoretical study of hydrodynamic cavitation. ultrasonics sonochemistryj.2008,15:203211.3parag r. gogate, aniruddha b. pandit. a review and assessment of hydrodynamic cavitation as a technologyfor the futurej. ultrasonics sonochemistry, 2005,12:21-27.4parag r. gogate. cavitation: an auxiliary technique in wastewater treatment schemesj. advances inenvironmental research, 2002,(6):335-358.5魏群, 肖波. 水力空化降解印染废水的初步研究j. 环境工程, 2007,(2):21-23.6陈彦, 吴纯德. 水力空化强化臭氧降解罗丹明 b 的初步研究j. 水处理技术, 2008,(6):12-15.7冯高坡, 董守平. 水力空化技术去除油田废水 cod 的研究j. 给水排水, 2008,(34):231-233.8arrojo s., benito y. a parametrical study of disinfection with hydrodynamic cavitationj.ultrasonicsonoche