臭氧-光催化高效生物滅活及在船舶壓載水處理中的應(yīng)用.pdf

1、船舶壓載水是現(xiàn)代遠(yuǎn)洋船舶航海安全和高效營(yíng)運(yùn)的保證，但是隨之帶來(lái)的外來(lái)有害生物入侵性傳播已成為海洋面臨的四大威脅之一，成為亟待解決的世界性的環(huán)境問題。現(xiàn)有的壓載水處理技術(shù)都存在著一定的缺點(diǎn)，還沒有一種單一方法能滿足國(guó)際海事組織關(guān)于壓載水處理的要求。UV/Ag-TiO2和O3是兩種高效的水體消毒技術(shù)，二者聯(lián)用可生成更多的氧化性自由基，提高處理效果。本文采用UV/Ag-TiO2/O3來(lái)對(duì)水體進(jìn)行快速滅菌、殺藻，并對(duì)其滅活機(jī)理進(jìn)行了探討，為尋求

2、一種有效的船舶壓載水處理工藝提供理論依據(jù)。
　　為研究復(fù)合工藝的可行性，首先考察了臭氧、紫外及紫外/臭氧各自滅菌性能。結(jié)果表明，紫外輻射和臭氧本身都具有較強(qiáng)的殺菌性能，二者的聯(lián)合使用顯著增強(qiáng)了殺菌效果，并在反應(yīng)的初始階段表現(xiàn)出了一定的協(xié)同作用。臭氧和紫外聯(lián)用時(shí)，臭氧分解加速，生成的?OH相應(yīng)增加，滅菌后細(xì)菌的光復(fù)活得到顯著抑制。
　　采用在純鈦表面陽(yáng)極氧化法制備高效、耐沖擊 TiO2催化劑，對(duì)制備條件進(jìn)行了考察，并通過光化學(xué)

3、沉積法對(duì)制備的TiO2催化劑進(jìn)行了載銀改性，研究了其在 UV-C輻射下的光催化滅菌性能和滅菌機(jī)理。結(jié)果表明，制備出的多孔 TiO2薄膜催化劑由銳鈦礦型和金紅石型 TiO2組成。隨電壓升高，金紅石型的含量逐漸增多，微孔孔徑增大，電流密度的適當(dāng)增大，以及適當(dāng)提高電解液濃度有助于提高 UV/TiO2滅菌性能。通過表面光沉積銀修飾，可進(jìn)一步提高薄膜光催化活性，銀納米簇在催化劑表面均勻細(xì)密分布。在1.0 mol/L硫酸溶液中，140 V，150

4、mA/cm2條件下制備的TiO2薄膜，經(jīng)3 g/L硝酸銀溶液中載銀修飾后光催化滅菌效果最佳。UV/Ag-TiO2滅菌較單獨(dú)紫外滅菌對(duì)細(xì)菌殺滅更徹底，細(xì)菌光復(fù)活減少。
　　通過對(duì)過濾系統(tǒng)，臭氧投加方式，光源及光催化反應(yīng)器的設(shè)計(jì)和選取，建立了以微孔過濾為前處理的UV/Ag-TiO2/O3復(fù)合船舶壓載水處理系統(tǒng)和裝置，并應(yīng)用該系統(tǒng)對(duì)海水中大腸桿菌、糞腸球菌和溶藻弧菌等三種細(xì)菌以及杜氏鹽藻、前溝藻屬甲藻和三角褐指藻等三種海洋微藻進(jìn)行滅活研

5、究，測(cè)定殺滅效果，分析了相關(guān)影響因素的作用，并對(duì)反應(yīng)過程中總殘余氧化物（TRO）的生成，衰減及其持續(xù)滅活作用進(jìn)行了測(cè)定，從而考察 UV/Ag-TiO2/O3復(fù)合技術(shù)在處理壓載水中的有效性和可行性。
　　結(jié)果表明，UV/Ag-TiO2和O3均具有較強(qiáng)的殺菌性能，但UV/Ag-TiO2對(duì)微藻滅活效果較差。UV/Ag-TiO2/O3復(fù)合體系較 UV/Ag-TiO2和O3單獨(dú)殺菌、滅藻效果均有較大提高，殺菌時(shí)在較短水力停留時(shí)間時(shí)更明顯。紫

6、外光強(qiáng)6.5 mW/cm2，臭氧投加量9.84 mg/L時(shí)，水力停留時(shí)間3.0 s時(shí)即可達(dá)到對(duì)水體的滅菌要求，對(duì)杜氏鹽藻，前溝藻屬甲藻和三角褐指藻的滅藻率分別可達(dá)0.92，0.60和0.57 log。UV/Ag-TiO2/O3復(fù)合體系中?OH可能對(duì)系統(tǒng)殺滅微生物起到了一定的輔助作用。臭氧投加量和紫外輻射強(qiáng)度對(duì)復(fù)合滅菌、殺藻有重要影響，隨著臭氧投加量的增加，復(fù)合滅菌、殺藻效果顯著提高。紫外輻射強(qiáng)度的增加以及在較高的pH值和較低的水溫更有利

7、于復(fù)合滅菌，海水中NH3濃度對(duì)滅菌效果影響不大。UV/Ag-TiO2/O3復(fù)合處理對(duì)海水的pH值基本沒有影響，出水中TRO濃度隨臭氧投加量的提高而增加，且在初始階段衰減很快，而后變緩。較高初始濃度和較低的水溫使TRO衰減更慢。20℃時(shí)，當(dāng)初始 TRO濃度大于2.89 mg/L時(shí)，出水中的殘余活菌可在0.5 h內(nèi)被全部殺滅。
　　為對(duì) UV/Ag-TiO2/O3工藝的可行性和實(shí)用性進(jìn)行更深入的分析，同時(shí)為處理不同水體時(shí)工藝參數(shù)的選擇

8、尋求依據(jù)，對(duì) UV/O3和UV/Ag-TiO2滅菌過程中細(xì)菌的死亡機(jī)理進(jìn)行了探討，并通過建立靜態(tài)循環(huán)實(shí)驗(yàn)，減緩反應(yīng)速率，研究了 UV/Ag-TiO2/O3殺滅海水中細(xì)菌和微藻的機(jī)理，從微觀的角度考察不同反應(yīng)體系殺滅微生物的過程，確定各要素的作用。
　　結(jié)果表明，單獨(dú)紫外輻射對(duì)細(xì)菌細(xì)胞結(jié)構(gòu)的破壞較輕，在細(xì)菌被殺滅時(shí)，細(xì)菌細(xì)胞表面未出現(xiàn)在明顯損傷。UV/Ag-TiO2較 UV對(duì)細(xì)菌細(xì)胞結(jié)構(gòu)的破壞有所加劇，可逐步破壞大腸桿菌細(xì)胞表層結(jié)構(gòu)

9、，使胞內(nèi)物質(zhì)發(fā)生外泄，但相對(duì)較緩慢。臭氧可對(duì)微生物細(xì)胞結(jié)構(gòu)產(chǎn)生明顯的破壞，而 UV/O3/Ag-TiO2作用下的破壞程度更高，細(xì)胞膜脂質(zhì)過氧化產(chǎn)物 MDA含量迅速增多，K+和蛋白質(zhì)大量泄漏，并降解微藻的葉綠素 a。由此，在 UV/O3/Ag-TiO2復(fù)合體系中，紫外輻射主要通過對(duì)微生物的DNA破壞來(lái)殺滅微生物，而臭氧則可對(duì)微生物的細(xì)胞結(jié)構(gòu)產(chǎn)生不可逆的破壞。當(dāng)紫外輻射下臭氧和Ag-TiO2的聯(lián)合應(yīng)用，可對(duì)微生物進(jìn)行雙重破壞和殺滅，同時(shí)反應(yīng)