二沉池出水微波-紫外消毒反应器设计及工艺研究.pdf

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1、哈尔滨工业大学工程硕士学位论文 - - IV 目 录 摘 要 . I Abstract II 目 录 IV 第 1 章 绪 论 . 1 1.1 课题背景及研究目的和意义 . 1 1.2 中水的性质、处理工艺及回用 2 1.2.1 中水的性质 . 2 1.2.2 中水的处理工艺 2 1.2.3 国内外中水的回用现状 . 2 1.3 国内外中水消毒方法的研究现状 3 1.3.1 加热法. 3 1.3.2 膜过滤法 3 1.3.3 液氯和氯胺消毒法 4 1.3.4 二氧化氯消毒法 4 1.3.5 臭氧消毒法 . 4 1.3.6 生物消毒法 . 4 1.3.7 紫外线消毒法 . 5 1.3.8 微波法

2、. 5 1.4 国内外微波无极紫外处理技术的研究现状 7 1.4.1 无极紫外灯的原理 7 1.4.2 微波无极紫外灯的原理、优点及影响因素 8 1.4.3 微波无极紫外处理技术的应用现状 9 1.5 计算流体力学 11 1.5.1 计算流体力学的概述 . 11 1.5.2 CFD 技术的应用现状 . 12 1.6 本课题研究的主要内容 13 1.6.1 微波无极紫外消毒反应器及消毒工艺研究 13 1.6.2 基于 CFD 模型的微波无极紫外消毒反应器的设计与优化 . 14 1.6.3 微波无极紫外消毒方法用于二沉池出水处理效能研究 14 第 2 章 实验材料与方法 15 2.1 实验材料 .

3、 15 2.1.1 微生物菌种 . 15 2.1.2 实验主要仪器 . 15 2.1.3 实验主要试剂 . 15 哈尔滨工业大学工程硕士学位论文 - - V 2.2 实验方法 . 16 2.2.1 微生物检测方法 16 2.2.2 培养基配制 . 16 2.2.3 菌种的扩大培养 17 2.2.4 菌悬液的制备 . 17 2.2.5 灭菌效果的评价方法 . 17 第 3 章 微波无极紫外消毒反应器及消毒工艺研究 19 3.1 引言 19 3.2 微波无极紫外消毒反应器外形、尺寸的设计 . 19 3.3 无极紫外灯的设计 . 20 3.3.1 无极紫外灯氩气压力的选择 21 3.3.2 无极紫外

4、灯光强的测定 . 22 3.4 微波无极紫外消毒效果的影响因素 . 24 3.4.1 微波功率对消毒效果的影响 24 3.4.2 水力停留时间对消毒效果的影响. 25 3.4.3 进水温度对消毒效果的影响 26 3.4.4 pH 对消毒效果的影响 27 3.5 对大肠杆菌消毒效果的影响 . 28 3.6 本章小结 . 29 第 4 章 基于 CFD 模型的微波无极紫外消毒反应器的设计与优化 30 4.1 引言 30 4.2 微波无极紫外消毒反应器数值模拟 . 30 4.2.1 几何模型 30 4.2.2 网格划分 31 4.2.3 计算模型 31 4.2.4 模拟结果 33 4.3 微波无极紫

5、外消毒反应器模拟优化 . 34 4.3.1 微波无极紫外消毒反应器折板布设方式优化 34 4.3.2 微波无极紫外消毒反应器系统优化 41 4.4 本章小结 . 50 第 5 章 微波无极紫外消毒方法用于二沉池出水处理效能研究 . 51 5.1 引言 51 5.2 CFD 优化后微波无极紫外消毒反应器的性能比较 51 5.2.1 不同生物负荷下优化前后的反应器的处理效果比较 51 5.2.2 不同水力停留时间下优化前后的反应器的处理效果比较 . 52 5.3 微波无极紫外消毒方法用于二沉池出水处理效能研究 . 53 5.3.1 二沉池出水的消毒效果研究 53 哈尔滨工业大学工程硕士学位论文 -

6、 - VI 5.3.2 光复活与暗复活现象研究 53 5.3.3 不同消毒方法的消毒效果比较 . 55 5.4 本章小结 . 57 结 论 59 参考文献 . 61 攻读硕士学位期间发表的论文及其它成果 68 哈尔滨工业大学硕士学位论文原创性声明 69 致 谢 71 哈尔滨工业大学工程硕士学位论文 -1- 第 1 章 绪 论 1.1 课题背景及研究目的和意义 现今，全世界面临淡水资源危机问题，主要原因有水污染严重、水资源开发 不合理、水资源利用效率低、用水量急剧增加及水资源浪费严重等。目前，全球 主要通过加强全民节水意识、开源节流、保护水资源、减少面源污染、提高用水 效率等措施保护淡水资源，人

7、们通过多种方法获得淡水资源，其中，中水回用是 解决水资源危机问题的重要方法。中水可以回用于灌溉、道路洒水、冲洗厕所、 工业冷却水和循环水等1-3。 在中水的处理方法中，每种方法的最后一道工序都是消毒，而消毒的主要目 的就是要把水中的水生病原体的数目降到安全值以下，保证人们的安全性。常用 的中水回用的消毒方法有液氯法、氯胺法、二氧化氯法、臭氧法、紫外线法、微 波法等，均存在一些问题，如消毒副产物、光复活现象、设备复杂、占地面积大， 运行费用高，能耗大，处理时间长、二次污染等问题。 微波 （Microwave， MW） 作为一种电磁波， 发射频率范围在 310831011Hz 之间，对应的波长在

8、1mm1m 之间。在一定条件下物质由于热运动产热，通过 产生的热量加热和干燥物质，同时，伴随生物效应达到杀灭微生物的目的4。紫 外线（Ultraviolet，UV）是波长在 100400nm 的电磁波，主要利用短波紫外线 UVC（200280nm）对微生物进行杀菌消毒。微波无极紫外消毒作为一种新型的 消毒技术，具有杀菌谱广、杀菌效率高、节省能耗、节约成本、灭菌效率持续时 间长、无消毒副产物、对营养成分的破坏小等优点。本课题采用微波-紫外联合 消毒技术，以微波无极紫外灯作为光源，根据哈尔滨市某二沉池出水中的活菌数 配水，开展消毒工艺研究，设计并调试运行微波紫外消毒的连续式反应装置，考 察各影响因

9、素的灭菌规律，寻求最佳工艺参数，建立节能、省时、可操作性强的 中水微波无极紫外消毒工艺，使二沉池出水达到城市杂用水水质标准 (GB/T18920-2002)( 细菌总数100cfu/mL，总大肠菌群数3 个/L)，为微波紫外 灭菌技术应用于中水消毒提供相关的技术参数；同时，对微波无极紫外消毒反应 器建立 CFD 模型， 模拟水流的流态， 达到优化反应器设计的目的； 通过比较 CFD 优化后微波无极紫外消毒反应器的性能，验证 CFD 模拟的结果；研究微波无极 紫外消毒用于二沉池出水的处理效能，确定微波无极紫外消毒的优势。 哈尔滨工业大学工程硕士学位论文 -2- 1.2 中水的性质、处理工艺及回用

10、 1.2.1 中水的性质 中水的水质标准处于饮用水和污水之间，主要是指污水经过一定的处理后， 又不能饮用，只能用来冲厕、用于消防、道路洒水、洗车、工业冷却水、沼泽地 的扩大等。因此，中水又叫回用水、再生水或杂用水5。 中水回用的水质，从卫生学方面，必须满足微生物的指标及理化指标；从感 官方面，必须满足色度、浊度、臭味等指标；从设备方面，必须满足硬度、pH、 溶解性物质的指标。 1.2.2 中水的处理工艺 根据污水的处理状况及中水回用的标准， 中水回用技术主要包括物理化学技 术、生物处理技术及膜处理技术。物理化学技术主要有过滤、混凝、气浮、吸附 等，处理后的水质比二级处理好，但是运行费用及成本较

11、高；生物处理技术主要 通过微生物的吸附、 氧化作用达到去除污染物的目的； 膜处理技术主要有反渗透、 超滤、纳滤等，污染物的去除率很高，但是成本及运行费用很高6。 根据中水的水源及用途选择中水的处理工艺，主要以生物处理为主，最后经 过消毒杀菌工艺即可达到回用的要求。 当中水的水源是城市污水处理厂的二级出 水，可经调节池、过滤池、消毒池，然后回用；当中水的水源是生活污水时，可 经过调节池等物理处理再经生化池（生物接触氧化或生物转盘） 、过滤池，然后 消毒后即可回用；当中水的水源是雨水时，可经过过滤加消毒即可回用。综上所 述， 无论中水的水源是什么， 经过中水处理工艺后的最后一道工序均是消毒处理，

12、可见，消毒在中水处理中有着举足轻重的作用7。 1.2.3 国内外中水的回用现状 我国的中水回用已实行了十年之多，由于水资源紧张，中水回用逐渐受到重 视。我国最大的中水回用工程位于北京，高碑店污水处理厂每天回用水大道 30 万 m3，回用的水主要用来喷洒道路、工业冷却水、绿化等。河北邯郸市的回用 水工程，每天经处理后可回用的水达 6 万 m3，回用的水主要用于电厂的冷却水。 天津的污水处理厂将二级出水经过滤与消毒处理后回用，每天可回用 7 万 m3的 水。山东青岛市的中水回用工程，每天回用的水达 4 万 m3，回用的水主要用于 冲厕、绿化等。一些采油厂通过中水处理工艺将水回用与循环冷却水，比如大

13、庆 的采油厂、北京华能热电厂等8。 在国外，中水回用历史悠久且规模很大。最早采用污水再生利用的国家是美 国，污水回用点 500 多项，回用的水主要用于城市绿化、灌溉、地下回灌、道路、 哈尔滨工业大学工程硕士学位论文 -3- 娱乐、工业循环水与冷却水等，其中 62%的回用水用于灌溉，31.5%的回用水用 于工业方面，6.5%用于其他方面。日本从 20 世纪 60 年代开始中水回用，经深度 处理后的水达到给水的要求， 污水处理厂的水经处理后主要回用于工业循环水与 冷却水、景观用水，其余回用水用于季节性滑雪、灌溉等9。印度孟买将中水回 用与商业大楼的空调冷却水， 每天回用水达 150250m3。 以

14、色列人均占有水量低， 每年再生的回用水占全国总用水量的 60%， 回用水主要用于冲厕、 工业循环水与 冷却水、地下水回灌、灌溉、绿化等10。南非经中水处理工艺后的水不仅可以 作为饮用水，而且也可以在工业中应用，每天再生的饮用水达 0.94105m311。 除此之外，西欧各国、纳米比亚、俄罗斯等国将污水经处理后回用于景观用水、 城市绿化、灌溉等。由此可知，世界上越来越多的国家逐渐加强对中水回用的重 视，中水回用的意义远大。 1.3 国内外中水消毒方法的研究现状 目前中水主要的消毒方法有物理消毒法、化学消毒法和生物消毒法。物理消 毒法是利用物理因子作用于病原微生物，将其杀灭活清除，多用加热（煮沸、

15、高 热蒸汽、干热灭菌、火烧、流动蒸汽） 、膜过滤（反渗透、纳滤、微滤、超滤） 、 辐射（紫外线、微波等）等方法。化学消毒法就是用化学消毒剂进行消毒，主要 有液氯、氯胺、二氧化氯、臭氧消毒方法。 1.3.1 加热法 加热法的原理是在高温高压下蛋白质发生凝固变性达到杀菌效果。 热处理消 毒可以将细菌、病毒等完全杀死，即有效性很高；但由于热消毒处理时间长、能 耗高、适用范围比较窄、操作复杂、运行费用高等缺点，因此，加热法适用于水 质要求比较高且危险性很高的废水。这种方法在德国的基因工程工厂、医院以及 屠宰场等方面得到应用，研究表明，消毒效果很好12。 1.3.2 膜过滤法 膜过滤法消毒的主要机理有物

16、理筛分截留作用与吸附截留作用。 物理筛分截 留主要通过多孔介质形成一层筛网， 当孔径比膜孔径大或相当的颗粒到达膜表面 时被截留去除。吸附截留作用主要是颗粒进入膜内部并在其中完成吸附沉积过 程，从而达到去除的目的。膜过滤法可以去除细菌、病毒、溶液中的大分子，分 离沸点相近的物质或共沸物，药品、果汁等对热敏感的物质的分离、浓缩与富集 也可以用膜过滤实现，这种方法不需要添加化学试剂、装置简单易行、占地面积 小、基建费用低、能耗低、处理水量大；但是，膜过滤还存在一些问题：膜污染 现象严重，膜的使用寿命短，在消毒方面不能持续消毒。Ordonez 等用超滤和纳 哈尔滨工业大学工程硕士学位论文 -4- 滤法

17、对生活污水进行处理，研究表明：经超滤和纳滤处理后的水中微生物菌数小 于 1cfu/mL13。 1.3.3 液氯和氯胺消毒法 液氯和氯胺的消毒原理是通过次氯酸的强氧化作用破坏细菌的酶系统达到 消毒杀菌的目的。液氯和氯胺消毒的优点有：消毒效果稳定可靠、成本低；液氯 消毒会产生消毒副产物从而引起二次污染， 并且消毒后的水的口感不好， 氯胺 消 毒减少了消毒副产物的产生，经氯胺消毒后的水的口感比液氯好，氯胺在给水管 网中的持续时间比液氯长。研究表明：对水中的隐孢子虫和贾第虫达到相同的灭 菌率时，液氯和氯胺消毒均需要达到很高的 CT 值，但是实际上难以达到14。 1.3.4 二氧化氯消毒法 二氧化氯消毒

18、原理：二氧化氯作为一种强氧化剂，能有效地吸附并穿透细菌 的细胞壁， 进而氧化细菌的酶系统与核酸， 抑制蛋白质的合成， 达到消毒的目的。 其消毒效果比液氯好，消毒持续时间长，成本较低，不产生消毒副产物，但是， 二氧化氯的运行费用比较高，产生的 ClO2-及 ClO3-具有二次污染，二氧化氯本身 具有腐蚀性，对操作设备的要求比较高。研究表明：当温度为 20，pH=8.0， CT 值为 100130mgmin/L 时，经二氧化氯消毒后，隐孢子虫的灭菌率达到 99%15。 1.3.5 臭氧消毒法 臭氧具有很高的氧化电位，容易通过微生物细胞膜扩散，氧化微生物细胞的 有机物或破坏有机体的链状结构而杀灭微生

19、物， 对病毒、 芽孢等有强大的杀伤力。 臭氧的杀菌广谱性一般，无持续杀菌能力，产生的消毒副产物有溴酸盐、醛类、 酮类、羧酸、二溴丙酮腈，基建、运行费用都高，臭氧的毒性与强氧化性使操作 管理要求高。臭氧对水中各种微生物都有良好的去除效果，研究表明，室温条件 下，CT 值为 3 和 8mgmin/L 时，对水中的隐孢子虫的去除率分别为 2 倍和 3 倍的对数16。 1.3.6 生物消毒法 生物消毒法的原理就是利用一些生物及其分泌的代谢产物破碎或裂解细菌 的细胞壁、细胞膜及外壳蛋白质，裂解细菌的 DNA 或 RNA，从而达到杀灭细菌 的目的。目前通过基因工程技术生产了一些生物消毒剂，如：酵母胞壁溶解

20、酶、 溶葡萄菌酶、细菌胞壁溶解酶、霉菌胞壁溶解酶等物质。虽然生物消毒剂的生产 成本较高， 但是， 生物消毒法不会对环境产生破坏作用， 安全可靠， 消毒作用好。 哈尔滨工业大学工程硕士学位论文 -5- 在国外水的卫生消毒中已经投入使用了生物消毒剂17。 1.3.7 紫外线消毒法 紫外线按照波长划分为四种波段：A 波段（UV-A）波长为 320400nm，B 波段（UV-B）波长为 275320nm，C 波段（UV-C）波长为 200275nm，D 波段 （UV-D）波长为 100200nm，其中具有杀菌消毒作用的是 C 波段，又称灭菌紫 外线。紫外线消毒的原理是微生物细胞中的 DNA 或 RNA

21、 主要吸收 C 波段范围 内的紫外能量，在光化学的作用下，DNA 中的胸腺嘧啶受到破坏，并且在相邻 的嘧啶之间产生二聚作用生成二聚物，二聚物阻止了细菌细胞的 DNA 或 RNA 进行复制，最终使得细胞死亡，达到消毒的目的。紫外线消毒具有明显的优点： 在很短的时间内有较高的灭菌率， 没有消毒副产物，无需添加化学试剂。但是， 紫外线消毒也存在一些不足：对于水质较差、悬浮物较多的水，灭菌率比较低； 能耗比较大；消毒后的微生物具有自我修复能力，消毒持续时间短18。 1.3.7.1 紫外线消毒技术在给水处理中的应用研究 最近几年，国内一些自来水厂采用紫外线消毒技术进行消毒19。欧洲已有 2000 多座饮

22、水处理厂采用紫外线技术进行消毒，在一些国家，比如瑞士、挪威、 荷兰和奥地利，将紫外线消毒做为饮用水消毒的唯一方法20。 1.3.7.2 紫外线消毒技术在污水处理中的应用研究 香港石湖墟污水处理厂于 1999 年投入运行，采用紫外线消毒技术消毒后， 水中的粪大肠杆菌数目小于 10 个/mL。2001 年 8 月 13 日，上海闵行水质净化厂 引进了我国第一套紫外线污水消毒处理设备， 改变了用液氯消毒对水质产生消毒 副产物的局面。继此，深圳、上海、无锡等地的污水处理厂均采用紫外线消毒系 统21。 1.3.8 微波法 微波作为一种较新的灭菌方法，具有节约时间、节省能耗、反应速率快、操 作便捷、对营养

23、破坏作用小等优点，广泛应用于食品、临床、医疗器械、组织培 养、制药等领域。 1.3.8.1 微波技术在食品中的应用研究 微波技术在食品方面主要起杀菌作用，但又不会减少食品中的营养成分。齐 津权等用微波灭菌法考察汉堡包中的细菌总数和大肠杆菌数，研究表明：当微波 功率为 850w，微波辐照时间为 2min 时，细菌总数小于 104cfu/g，大肠杆菌数小 于 30 个/100g，而未经微波灭菌的汉堡包中的细菌总数为 106cfu/g，大肠杆菌数 为 103个/100g22。 周蔚红等分别用连续波和瞬态电磁脉冲波对酱油进行灭菌实验比较， 研究表 明： 在相同的条件下， 连续波辐照时间为 90s， 灭

24、菌后的细菌总数为 20000cfu/mL， 哈尔滨工业大学工程硕士学位论文 -6- 瞬态电磁脉冲波辐照时间为 25s，细菌总数为 1500cfu/mL。这说明达到相同的灭 菌率时，连续波比瞬态电磁脉冲波节约时间、节省能耗23。 国外也有人将微波应用于食品灭菌。 Yury S 等对含有大肠杆菌和金黄色葡萄 球菌的生肉进行微波多次照射和微波一次照射，研究表明：在高频微波功率下， 经多次微波辐射的生肉的灭菌效率比一次微波辐射的生肉的灭菌率高， 说明微波 的非热效应起了一定的作用24。Duhain 等用微波加热蔬菜，对蔬菜中的隐孢子 虫的去除率达到 93%25；Tang 等采用 915MHz 的微波频

25、率对袋装牛肉筋杀菌研 究，研究表明：对袋装牛肉的杀菌率高，同时，对于包装不均匀的食物，如鸡肉 等也可以达到理想的灭菌效果26。 1.3.8.2 微波技术对常见病菌的应用研究 姚远等将毛巾与牙刷浸泡于相同浓度的草绿色链球菌、铜绿假单胞菌、大肠 埃希氏菌、白色念珠菌及金黄色葡萄球菌的混合菌液中，用微波灭菌法考察染菌 的毛巾与牙刷的灭菌情况， 研究表明： 当微波功率为 850w， 微波辐照时间为 3min 时，毛巾达到完全灭菌；微波功率保持不变，微波辐照时间为 2min 时，牙刷达 到完全灭菌27。 潘玉欣等用微波灭菌法对金黄色葡萄球菌、白色念珠菌、大肠杆菌、枯草芽 孢杆菌进行灭菌，研究表明：当微波

26、功率为 700w，微波辐照时间为 8min 时，金 黄色葡萄球菌、白色念珠菌及大肠杆菌能达到完全灭菌；微波功率不变，微波辐 照时间为 20min 时，枯草芽孢杆菌达到完全灭菌28。 用微波法对日本清酒中的乳酸菌进行灭菌实验，研究表明：当微波功率为 1150w，采用间歇式灭菌，微波辐照总时间为 1s，乳酸菌的灭菌率可达 100%29。 Fang 等用低辐射剂量的微波对寄生曲霉进行灭菌，消毒效果很好30；Siavash 等 用微波法对大肠杆菌及一些致病性微生物进行处理，得到了很好的消毒效果31。 1.3.8.3 微波技术在临床中的应用研究 近年来，在临床工作中开始采用微波灭菌技术。Robert 等

27、用家用微波炉对污 染了枯草芽孢杆菌和金黄色葡萄球菌的股骨头进行灭菌实验，研究表明：微波功 率为 800w，微波辐照时间为 2min 时，污染的股骨头已经完全灭菌，并且没有光 复活情况；同样条件下的对照组（未经过微波辐射） ，股骨头上的微生物生长成 阳性反应，即微生物仍存在。在骨移植方面，微波灭菌是一种价格便宜、操作简 便、有效的处理污染的骨的方法32。 韦阳等首先用去离子水浸泡手术器械或者用滑石粉浆糊掩埋器械或者用石 膏泥涂抹器械的方法防治手术器械由于金属表面干扰微波炉内的电磁波， 其次将 处理后的手术器械置于家用微波炉中，研究表明：以上三种方法在微波辐照时间 为 3min 时，乙肝病毒、金黄

28、色葡萄球菌和大肠杆菌灭菌率均达到 100%，且临 床追踪调查发现没有感染现象发生33。 1.3.8.4 微波技术在组织培养中的应用研究 国内研究学者表明，在组织培养灭菌方面，微波灭菌可替代高压蒸汽灭菌， 哈尔滨工业大学工程硕士学位论文 -7- 具有节约时间、节省能耗，便于操作等优点。 梁霞等用微波法对固体培养基和液体培养基灭菌， 考察微波对固体培养基和 液体培养基的灭菌效果， 研究表明： 当微波频率为 2450MHz， 微波功率为 1200w， 培养基的体积为 80mL，微波辐照时间为 10min 时，固体培养基灭菌率为 100%； 同样的条件下，微波辐照时间为 8min 时，液体培养基灭菌率

29、为 100%34。 应月青等通过用微波法对金龟子绿僵菌固体培养基灭菌， 考察微波对固体培 养基的灭菌效果，研究表明：当固体培养基为 100g，水为 60g，浸润时间为 3h， 微波辐照功率为 800w，微波辐照时间为 3min 时，能达到最佳灭菌效果35。 1.3.8.5 微波技术在制药业中的应用研究 微波在制药行业中主要用来提取药材、干燥药物及药品的合成。 在提取天然药物（多糖、苷类、黄酮、单宁、生物碱、有机酸、挥发油等） 方面，与传统的提取方法（超声波萃取法、搅拌萃取法、索氏提取法）相比，微 波法具有操作便捷、节约时间与能耗、无污染、提取效率高等优点36。 于治国等利用微波技术考察硫酸钙、

30、无水碳酸钠、苯甲酸钠、扑热息痛的失 重情况，并与常规烘箱干燥法比较，研究表明：达到相同的失重率下，微波法所 需时间短、节省能耗、工作效率高37。 邓兰等用微波技术合成药物的中间体，并与传统方法进行比较，研究表明： 当微波功率为 420w，微波辐照时间为 8min 时，对-氯苯胺的产率为 85%，在相 同的条件下，达到相同的产率时，传统方法却需要 25h。这说明微波在药物中间 体的合成过程中，具有节约能耗、节省时间的优点38。 考虑到每种消毒方法都有自身的局限性，现在有了复合消毒方法，比如，采 用紫外或臭氧作为消毒的第一步工艺，再投加液氯、氯胺或二氧化氯等维持消毒 效果39。 1.4 国内外微波

31、无极紫外处理技术的研究现状 1.4.1 无极紫外灯的原理 无极紫外灯顾名思义就是不带电极的紫外灯，内充物质的可选择性强，一般 地，选择一种可蒸发金属物质和一种惰性气体共同组成无极紫外灯的填充物质， 常用的可蒸发金属物质有钠、硒、硫、镉、钠，卤族元素亦可作为填充物质，常 见的惰性气体有 Ar、He、Xe、Kr，根据惰性气体在无极紫外灯中的作用也可叫 启辉气体或缓冲气体。根据无极紫外灯的放电方式可分为：电容放电，也称为 E 型放电，原理是在电容器的高频电场下，无极紫外灯产生的放电现象；感应 放电，也称为 H 型放电，原理是在感应线圈内外的高频磁场的作用下，无极紫 外灯产生的放电现象；微波放电，原理

32、是在微波发生器中的磁控管的作用下， 经过波导管在谐振腔中产生高频的谐振， 处于谐振腔中的无极紫外灯由于高频谐 哈尔滨工业大学工程硕士学位论文 -8- 振作用而产生放电现象； 表面波放电， 原理是首先存在一个足够大的放电电场， 此时，产生等离子体，等离子体在与其中的无极紫外灯管壁碰撞产生更多的等离 子体，在碰撞过程中由于能量的转移使无极紫外灯的产生紫外辐射放电的现象 40。 惰性气体在无极紫外灯中有着不可替代的作用： 惰性气体使无极紫外灯内 的电子的温度处于一个合适的温度值，有利于提高发光物质的激发机率；由于 无极紫外灯内充入了稀有气体，电子的平均自由程相应的减少，从而增大了金属 物质与稀有气体

33、之间的碰撞机率，缩短了无极紫外灯点燃的时间，有利于快速启 动无极紫外灯； 惰性气体的量影响无极紫外灯的光强大小及无极紫外灯的功率 41。 1.4.2 微波无极紫外灯的原理、优点及影响因素 微波无极紫外灯的原理为，首先微波产生高频电磁波，高频电磁波使处于其 中的无极紫外灯产生交变电场，电子电场的作用开始运动，并与基态的惰性气体 碰撞，其次，惰性气体获得能量而激发，处于激发态的惰性气体在与金属原子碰 撞的过程中，产生能量的转移，金属原子由于获得能量从基态跃迁到激发态，最 后，激发态的金属原子由于具有高能量不稳定有向稳定状态运动的趋势，在返回 基态时会产生 254nm 的紫外光42。 作为 21 世

34、纪新型的、高效的、有前景的能替代普通紫外灯的光源，微波无 极紫外灯具有无可替代的优点：灯的结构简单，形状、大小可任意选择，应用 范围广泛；灯的价格低廉；使用寿命长，最长可达 10 万小时以上43；灯 内的填充物质的种类及比例可以任意选择， 且不同的填充物质的种类和比例对应 不同的光谱， 进而产生不同的光强； 灯的启动快， 操作方便； 没有电极装置， 不会产生短路与漏电等现象，使用安全便捷，且没有灯管器壁发黑现象44。 影响微波无极紫外灯发光的因素很多，但主要受以下因素影响。 （1）填充气体 微波无极紫外灯内充入惰性气体是为了减小电子的平均 自由程， 增加惰性气体与金属物质碰撞的机率， 有利于激

35、发启动微波无极紫外灯。 但是，过多的惰性气体增加能量的损失，微波无极紫外灯产生的紫外光强减弱， 可见光强增强。同时，过多的惰性气体会增加微波无极紫外灯内的整体压力，党 压力达到一定值会发生灯的破裂45。 （2）灯的表面积 微波无极紫外灯的表面负载和无极紫外灯的表面积息 息相关，表面积过大，减小了带电粒子与灯管壁的复合机率，从而用于激发灯内 金属物质的电子的能量增加，损失的能量减小，提高了光效，但是，过高的表面 积，增加了惰性气体对 254nm 紫外光的自吸收机率，降低了光效。同样，表面 积不能过小，原因是金属物质激发到高能级的机率增加，在返回基态时，由于能 量的大小的改变，使得 254nm 的

36、紫外光减少，185nm 的辐射增多，降低了光效， 哈尔滨工业大学工程硕士学位论文 -9- 同时也减小了灯的寿命46。 （3） 外壳材质 光的透过性与微波无极紫外灯的外壳材质有一定的关系。 研究表明，用硼硅玻璃制成的无极紫外灯能吸收本身产生的不同波长的光47； 研究也表明，用 Simax 材质的无极紫外灯对目标物没有产生降解作用，相反，用 石英材质的无极紫外灯对目标物产生了光降解作用， 这说明无极紫外灯的材质的 选择是个关键因素48。 （4）灯管温度 无极紫外灯的光谱与无极紫外灯的表面温度有一定的关 系，随着温度的升高，无极紫外灯产生的 254nm 的光强逐渐增强，当温度达到 一定值后，温度再升

37、高，254nm 的光强开始减弱，长波长的光逐渐增强。但是， 灯表面的温度不能无限增大，随着温度的升高，无极紫外灯的光效逐渐降低直到 无极紫外灯猝灭并停止发光。研究表明，在相同的溶剂中，相同的微波输出功率 下，初始温度越高，无极紫外灯的启动所需时间越短，越有利于反应49-51。研究 也表明， 当温度为 50左右时， 微波无极紫外灯的产生的 254nm 的紫外光最多、 最强，持续时间也最长，消毒效率越高52。 （5）微波输出功率 微波的输出功率对无极紫外灯有一定的影响，随着 微波输出功率的增加， 更多的惰性气体被激发， 更多的金属物质被激发到激发态， 在金属物质返回基态时，产生更多的 254nm

38、的紫外光。但是，当无极紫外灯内 的惰性气体完全激发后，再增加微波的输出功率，紫外光强将不再变化，此时， 微波的能量将被浪费。 1.4.3 微波无极紫外处理技术的应用现状 根据微波无极紫外的特点及原理，微波无极紫外可以应用于有机物的合成、 水和空气的消毒杀菌以及难降解废水中的难降解物质的处理。 1.4.3.1 有机物的合成 Cirkva 等利用微波无极紫外技术催化四氢呋喃与全氟代石油反应， 并与单独 的紫外实验进行比较，研究表明：当微波无极紫外辐照时间为 1h 时，四氢呋喃 和全氟代石油的转化率为 91%；单独的紫外辐照时间为 3h 时，反应物的转化率 为 93%，由此可知，达到相同的转化率时，

39、微波无极紫外比单独的紫外需要更短 的时间，反应速率更高53。Karunakaran 等采用微波方法合成纳米材料 ZnO 和 Ag-ZnO，研究表明：经微波合成的纳米材料具有较高的抗菌性，且掺杂了 Ag 的纳米材料提高了抗菌性和光催化活性54。 1.4.3.2 水的消毒 谢国利用微波无极紫外杀菌技术对某处二沉池出水中的大肠杆菌进行消毒 处理，通过改变微波无极紫外灯的个数及微波的功率寻求最佳工艺参数，研究表 明，微波功率为 450w，无极紫外灯的个数为 1 时，相应的灭菌率已达 99%55。 楼朝纲等利用微波无极紫外消毒技术对自来水中的枯草芽孢杆菌和大肠杆 哈尔滨工业大学工程硕士学位论文 -10-

40、 菌进行消毒处理，研究表明，当微波无极紫外辐照时间为 3min 时，大肠杆菌完 全被杀死，枯草芽孢杆菌完全被杀死的时间比大肠杆菌长 2min56。 杨红旗等利用微波无极紫外消毒技术对食品中的微生物进行灭菌研究， 研究 表明， 单独的紫外杀菌作用或单独的微波杀菌作用均没有微波无极紫外联合杀菌 作用强，且在相同的灭菌率下，微波无极紫外所需的时间比单独作用下短很多 57。 夏东升等利用微波无极紫外消毒技术对水中的大肠杆菌进行消毒处理， 研究 表明，当水流流量小于 350L/h 时，经连续式微波无极紫外消毒反应装置处理后 的水满足城市回用水的标准58。 Barkhudarov 等通过用微波无极紫外对分

41、散于薄膜层及液滴中的大肠杆菌进 行灭菌，研究表明，分散于薄膜层中的大肠杆菌更容易被杀死；同时，研究也表 明，这种无极紫外灯也可应用于液体中微生物的灭活59。 英国百事可乐公司从开始运行微波无极紫外消毒系统，灭菌率一直维持在 100%，且没有出现灯管损坏等问题60。 1.4.3.3 空气的消毒 曾庆福等研究了一种可以净化空气的装置， 这种装置主要通过微波激发无极 紫外灯对空气进行消毒，从而达到净化空气的目的61。 1.4.3.4 气相污染物的处理 微波无极紫外不仅对空气起到杀菌消毒的作用， 而且在气相污染物的处理方 面起着举足轻重的作用。 邵春雷等利用微波无极紫外技术降解 CS2废气，研究表明：

42、在一定的流速和 湿度下，CS2的转化率随其初始浓度的增加呈现降低的趋势；在一定的初始浓度 和湿度下，CS2的转化率随流量的增加呈现升高的趋势；在一定的初始浓度和流 速下，CS2的转化率随湿度的增加而呈现升高的趋势；以上几种情况下无极汞灯 对 CS2的降解效果均比无极碘灯好62。 郑宜等在微波无极紫外的作用下考察 SO42-/TiO2催化剂对 C2H2的光催化氧 化能力，研究表明：单独紫外作用下，C2H2的转化率为 41%，微波无极紫外联 合作用下，C2H2的转化率为 62%，通过微波无极紫外的机理实验可知，在微波 无极紫外联合作用下，SO42-/TiO2的催化作用明显提高63。 1.4.3.5

43、 水中污染物的降解 施银桃等用自制的微波无极紫外灯及H2O2联合作用构成MW/UV/H2O2体系 处理染料废水中的活性艳红 X-3B，研究表明：当染料废水溶液初始浓度小于 200mg/L，H2O2的用量为 2.5g/L，处理时间为 30min 时，活性艳红 X-3B 染料废 水的脱色率达到 100%； 在相同的反应时间， 相同的染料废水溶液的初始浓度下， MW/UV/H2O2体系对活性艳红X-3B染料废水的脱色率比MW/UV及单独的MW 体系高64。 夏东升等利用微波无极紫外光催化及活性炭吸附催化对上海市某印染废水 哈尔滨工业大学工程硕士学位论文 -11- 进行处理以达到回用的目的，研究表明：

44、处理后，COD 由 200800mg/L 降到 50mg/L 以下，SS 由 45mg/L 降到 5mg/L 以下，色度由 2004000 降到 10 以下， pH 降低了 0.30.7，臭氧含量为 0mg/L，达到了车间内部的回用目的65。 Satoshi 等自制了一种双石英圆柱形的光化学反应装置（DQCPP） ，该装置由 微波激发无极紫外灯产生不同波长的光对阳离子染料罗丹明-B（rhodamine-B， 以下简称 RhB）进行降解，研究表明：当微波无极紫外辐照时间为 15min，微波 无极紫外对 RhB 的脱色率约为 62%，将时间再延长 15min，RhB 的脱色率达到 100%；而单独

45、的紫外辐照时间为 30min 时，RhB 的脱色率只有 36%。考察了微 波无极紫外对 TOC 去除率的影响，当微波无极紫外辐照时间由 15min 增加到 30min 时，TOC 的去除率由 43%提高到 62%；当单独的紫外辐照时间由 15min 增加到 30min 时， TOC 的去除率由 11%提高到 30%。这说明，微波可以加强对 有机污染物的光催化作用，对 RhB 的降解也是可行的66。 Ta 等用微波无极汞灯降解溶液中的阿特拉津，并考察了阿特拉津的初始浓 度、溶液的体积、无极汞灯的个数、pH 值对阿特拉津去除率的影响，研究表明： 阿特拉津的初始浓度、溶液的体积、无极汞灯的个数、pH

46、 值对阿特拉津的去除 有很大的影响，通过对阿特拉津的降解机理研究发现，脱烃基作用、脱氯-烃基 作用、氧化作用及分层作用影响阿特拉津的降解，但是，通常的降解途径是阿特 拉津的侧链完全丢失67。 1.5 计算流体力学 1.5.1 计算流体力学的概述 计算流体力学（Computational Fluid Dynamics，简称 CFD）是在质量守恒方 程、能量守恒方程和动量守恒方程的基础上，采用计算机进行数值计算和图像显 示， 分析流体的流动和热传导等物理现象的一门新型独立学科。 它的应用范围广、 适应性强、不受实验模型的限制、快速省钱、灵活性强，并且可以模拟实验室中 不能模拟的条件（如毒性、高温、

47、易燃等条件） 。但是，它也有一些不足之处： 它是一种近似的离散计算方法，具有一定的计算误差68。 CFD 的模拟过程主要包括前处理、模型的计算和结果的生成以及后处理。 目前，CFD 的模拟最好的前处理器为 GAMBIT，它可以对几何图形建模、生成 网格并定义边界条件。计算软件 FLUENT 主要对前处理软件中生成的网格文件 设定求解条件、 建立求解模型并计算， FLUENT 自身带有的后处理功能可以对计 算的结果很好的进行处理69。CFD 的求解流程图如图 1-1 所示。 哈尔滨工业大学工程硕士学位论文 -12- 图 1-1 CFD 求解流程图 1.5.2 CFD 技术的应用现状 CFD 技术

48、可以应用在沉淀、絮凝和消毒过程中，采用 FLUENT 模拟软件模 拟其中的流场、湍流耗散率、湍动能、颗粒的浓度分布，通过改变不同的模拟条 件达到优化反应器的几何结构的设计的目的。 1.5.2.1 CFD 技术在沉淀中的应用 采用 CFD 技术模拟沉淀池中的流场，改善水流的流态，优化水力特性。 Rostami 等采用重整化湍流模型模拟初沉池中的流场，考察进水孔的数量和位置 对流场的影响，研究表明：进水孔的数量和位置对初沉池中水流的流态有一定的 影响，随着进水孔数量的增多，进水口处的动能减少，短路现象减少，水流变得 更加均匀70。Al-Sammarraee 等采用大涡模型模拟颗粒的浓度分布和流场，

49、研究 表明：较小的颗粒在流场中的分布更均匀，而较大的颗粒分布不均匀，同时，模 拟的模拟为沉淀池的几何形状的设计提供了技术参数，从而提高沉淀效率71。 Salem 等采用 CFD 技术考察斜板沉淀池的水力特性，研究表明：通过绘制水力 停留时间曲线很好的反映了斜板沉淀池的水力特性， 合理设置进水口可以提高沉 建立几何模型 网格划分 确定出入口位置 并设定边界条件 选择计算模型 设置操作环境 定义流体的物理性质 并设置边界条件 设置求解参数并初始化 求解 输出结果并后处理 哈尔滨工业大学工程硕士学位论文 -13- 淀池的水力特性，改善固体颗粒的去除效果72。 1.5.2.2 CFD 技术在絮凝中的应用 采用 CFD 技术通过模拟絮凝过程中的流场、污泥的浓度场、湍动耗散率， 达到优化絮凝池的设计的目的。尉鹏翔利用 FLUENT 软件模拟搅拌反应器中的 湍流耗散率和湍动能，研究搅拌速度和反应器的形状对絮凝效果的影响，研究表 明：搅拌速度越小