空化空蚀对供水工程原水中病原微生物影响的研究

Currently,in water supply engineering,the conventional technique of disinfection by chlorination is employed to kill pathogenic microorganisms in raw water.However,chlorine reacts with organic compounds in water and generates disinfection byproducts(DBPs),such as trihalomethanes(THMs),haloacetic acids(HAAs) etc.These byproducts are of carcinogenic,teratogenic and mutagenic effects,which seriously threaten human health.In addition,the cost of chlorination is very high.Therefore a novel technique of which is both safe and economic has been expected for dringking water disinfection. This proposal utilizes cavitation characteristics to kill pathogenic microorganisms in water.In hydrodynamic cavitation reactor,effects of orifice shape,orifice number,orifice size and orifice layout of multiorifice plate,throat length-diameter ratio and diffusion section angle of Venturi tube,combination between Venturi tube and multiorifice plate,different velocities,cavitation numbers,initial concentrations of pathogenic microorganisms,cavitation action times,free radical yields,thrbulent stresses and intensities on killing pathogenic microorganisms by cavitation will be investigated experimentally.The action mechanisms of killing pathogenic microorganisms by cavitation will be uncovered.A type of appropriate reactor to kill pathogenic microorganisms in raw water by cavitation will be proposed by comparison of multiorifice plate,Venturi tube and their combined types of hydrodynamic cavitation reactors.

研究意义：目前，在供水工程中采用常规的加氯消毒技术来杀灭原水中病原微生物，但氯在消毒的同时与水中有机化合物反应生成消毒副产品DBPs（三卤甲烷THMs、卤乙酸HAAs等），这些副产品具有"三致"（致癌、致畸、致突变）作用，严重威胁着人们的身体健康。此外，加氯消毒成本很高。因此，亟需一种既安全又经济的饮用水消毒新技术。 研究内容：本项目利用空化空蚀的特性杀灭水中病原微生物。在水力空化反应器中，试验研究多孔板的孔口形状、孔口数量、孔口大小和孔口排列，文丘里管的喉部长径比、扩散段扩散角，文丘里管与多孔板的组合效应，不同流速、空化数、病原微生物初始浓度、空化空蚀作用时间、自由基产量、紊动切应力、紊动强度等对空化空蚀杀灭水中病原微生物的影响，揭示空化空蚀杀灭水中病原微生物的作用机理。通过对多孔板式、文丘里式及其组合式水力空化反应器的比较，提出空化空蚀杀灭原水中病原微生物的适宜反应器型式。

目前，在供水工程中采用常规的加氯消毒技术来杀灭原水中病原微生物，但氯在消毒的同时与水中有机化合物反应生成消毒副产物DBPs（三卤甲烷THMs、卤乙酸HAAs等），这些副产物具有致癌、致畸、致突变作用，严重威胁着人们的身体健康。此外，加氯消毒成本很高。因此，亟需一种既安全又经济的饮用水消毒新技术。本项目利用空化空蚀特性来杀灭水中病原微生物，以菌落总数、大肠杆菌作为病原微生物的指示菌,原水菌落总数初始浓度为1.56×10**4-1.23×10**6CFU/mL,原水大肠杆菌初始浓度为0.15×10**4-1.86×10**4CFU/mL，人工配制大肠杆菌初始浓度梯度为10**3、10**4、10**5、10**6及10**7 CFU/mL，原水占比为25%,50%,75%及100%。在多孔板式水力空化反应器中，当多孔板的总过流面积相同时，孔口形状对杀灭率的影响依次为三角孔优于方孔优于圆孔；孔口数量（n=9, 16, 25, 64）越多，其杀灭率越高；孔口边长（当量直径d=1.9, 3.0, 3.8, 5.0mm）越小，其杀灭率越高；多孔板的孔口交错式排布比棋盘式排布更容易使多股射流掺混，其杀灭效果更好；孔口流速越高或空化数越低，相应的羟基自由基产量越高、雷诺应力和紊动强度越强，其杀灭率越高；原水占比为50%-75%时，杀灭率最高，低浓度时10min以内可以杀灭，高浓度时15-20min可以完全杀灭；杀灭率与空化空蚀作用时间成正比；在文丘里式水力空化反应器中，当文丘里喉部长径比L/R=10,30,60,100，扩散段扩散角θ＝1.9°，2.9°，4.3°, 5.7°，8.5°时，L/R=30-100和θ＝2.9°-5.7°可进一步提高杀灭率；喉部流速越高或空化数越低，相应的自由基产量越高，雷诺应力和紊动强度越强，其杀灭率越高；杀灭率随原水占比的增加呈先增大后减小的趋势；杀灭率仍与空化空蚀作用时间成正比；在多孔板与文丘里组合式水力空化反应器中，三角孔或方孔25孔交错式多孔板与喉部长径比L/R=30-60和扩散角4.3°-5.7°的文丘里组合可获得最佳的杀灭效果。试验结果表明，水力空化消毒时不仅不产生消毒副产物，同时还能去除原水中的难降解污染物。