紫外/光催化法壓載水處理系統(tǒng)

李曉曉，竇鳳祥

（九江精密測試技術(shù)研究所，江西九江 332000）

0 引言

遠(yuǎn)洋船舶在注入和排放壓載水的同時，易引起有害水生物和病原體的跨海域傳播。壓載水的無控制排放對海洋生態(tài)、公眾健康造成嚴(yán)重危害，由此引起的海洋生態(tài)破壞事故不勝枚舉，全球環(huán)保基金組織（GEF）將其列為海洋四大危害之一[1]。

為了有效控制船舶壓載水排放導(dǎo)致的海洋生物入侵對本地海洋生態(tài)環(huán)境造成影響或破壞，2004年2月13日，國際海事組織（IMO）在倫敦組織召開的國際船舶壓載水管理外交大會上通過了具有法律效力的《國際船舶壓載水與沉積物控制與管理公約》（簡稱：《壓載水公約》）。

隨著《壓載水公約》生效日期的臨近，世界各國紛紛展開船舶壓載水處理技術(shù)研究。從原理上分析，能夠?qū)崿F(xiàn)壓載水處理的方法和途徑較多，但涉及實際的應(yīng)用必須考慮效能、裝船可行性、運行成本和對船總體的影響等一系列問題[2]。本文介紹了一種采用過濾作為預(yù)處理方式，結(jié)合紫外照射和光催化氧化的壓載水處理系統(tǒng)。該系統(tǒng)運行維護(hù)簡便，所有操作一鍵完成，運行過程自動控制、自動監(jiān)測、自動報警、自動提示。

1 系統(tǒng)組成

光催化法壓載水處理系統(tǒng)主要由過濾單元、光催化反應(yīng)單元和控制單元組成（見圖1）。過濾單元采用過濾精度為50 μm的自動反沖洗過濾器，濾除壓載水中直徑大于50 μm的水生物；光催化反應(yīng)單元一方面通過低壓汞燈發(fā)射紫外光，進(jìn)行紫外線殺菌，另一方面通過紫外光照射光催化反應(yīng)膜，產(chǎn)生羥基自由基，利用羥基自由基的強(qiáng)氧化能力，殺滅壓載水中的浮游生物和微生物；控制單元主要包括控制柜和電源柜，用于提供系統(tǒng)正常工作所需的電源，實現(xiàn)系統(tǒng)壓載、排放和應(yīng)急旁通壓載的自動控制、數(shù)據(jù)記錄及故障報警等功能。

圖1 系統(tǒng)組成

2 基本原理

壓載水經(jīng)管路進(jìn)入過濾單元，濾去最小尺寸大于或等于50 μm的生物和顆粒后，進(jìn)入光催化反應(yīng)單元。在光催化反應(yīng)單元內(nèi)，以能發(fā)射紫外光的低壓汞燈為光源，通過紫外照射抑制或殺滅壓載水中的浮游生物和微生物。同時，紫外光照射光催化反應(yīng)膜（TiO2納米薄膜）表面，產(chǎn)生具有極強(qiáng)氧化性的羥基自由基（OH），迅速奪取生物細(xì)胞膜內(nèi)的氫元素（H），分解細(xì)胞膜，破壞生物的蛋白質(zhì)、碳水化合物以及DNA等物質(zhì)，徹底殺滅壓載水中的浮游生物和微生物，使處理后的壓載水滿足《壓載水公約》第D-2條標(biāo)準(zhǔn)要求，生物不會復(fù)活。圖2描述了系統(tǒng)的基本原理。

圖2 基本原理

2.1 過濾技術(shù)

采用過濾精度為 50 μm、具有自動反沖洗功能的過濾器，濾除流入壓載水中尺寸大于或等于50 μm的有機(jī)和無機(jī)粒子。過濾單元有效地阻止最小尺寸大于或等于50 μm的顆粒物和有機(jī)物伴隨壓載水進(jìn)入壓載艙。當(dāng)進(jìn)出口的壓差大于設(shè)定值，過濾器自動反沖洗，保持系統(tǒng)的連續(xù)運行。

2.2 紫外照射滅菌

光催化法壓載水處理系統(tǒng)采用低壓紫外殺菌技術(shù)，紫外波長范圍為UVC 240 nm～280 nm。UV照射是一種有效的殺菌方法，在長達(dá)數(shù)十年的時間內(nèi)被廣泛用于減少和殺滅微生物。相關(guān)研究表明，當(dāng)生物接收到波長為200 nm～300 nm的紫外光照射后，生物體內(nèi)的DNA（DNA中的腺嘌呤，鳥嘌呤）、RNA（RNA中的胞嘧啶，胸腺嘧啶）和蛋白質(zhì)等物質(zhì)吸收紫外線，產(chǎn)生光化學(xué)反應(yīng)，誘導(dǎo)胸腺嘧啶二聚體的形成和DNA鏈的交聯(lián)，抑制DNA的復(fù)制，使微生物失去復(fù)制和再生的能力，從而達(dá)到滅菌的目的[3]。

2.3 光催化氧化滅菌

半導(dǎo)體 TiO2是由不連續(xù)的充滿電子的低能價帶和空的高能導(dǎo)帶構(gòu)成。價帶和導(dǎo)帶之間存在禁帶，當(dāng)能量等于或大于禁帶寬度（Eg= 3.2 eV）的光照射在半導(dǎo)體表面時（即照射光的光子能量(E)滿足：E= hν≥Eg時），價帶上的電子被激發(fā)躍遷到導(dǎo)帶，同時在價帶上產(chǎn)生相應(yīng)的空穴，從而在催化劑表面生成電子—空穴對（e?— h+）。光生電子—空穴對如果不被及時分離，就會產(chǎn)生復(fù)合，放出熱量、降低TiO2的催化性能，如果存在合適俘獲劑，電子和空穴的復(fù)合就會受到抑制。

通常情況下，催化劑表面吸附的H2O和O2是光生電子—空穴對的俘獲劑，催化劑表面吸附的H2O或OH?會與光生空穴反應(yīng)形成具有強(qiáng)氧化性的羥基自由基（OH）。見反應(yīng)式(1)～式(3)。

羥基自由基能迅速奪取微生物細(xì)胞膜內(nèi)的氫元素（H），使微生物的細(xì)胞膜分解，并進(jìn)一步破壞生物的蛋白質(zhì)、碳水化合物以及DNA等物質(zhì)。同時能分解微生物生長與繁殖所必需的有機(jī)營養(yǎng)物質(zhì)，抑制其生長和發(fā)育。因此，強(qiáng)化光催化氧化技術(shù)能有效抑制微生物的暗修復(fù)復(fù)活功能，不會產(chǎn)生耐紫外性或生物變異，從而徹底殺滅藻類、細(xì)菌和病毒等微生物[4-5]。

圖3是傳統(tǒng)紫外線殺菌和光催化氧化殺菌原理的示意圖。

圖3 光催化殺死有機(jī)微生物與傳統(tǒng)紫外線殺菌的示意圖

3 光溜耦合仿真分析

為評估光催化反應(yīng)單元內(nèi)滅菌劑量是否滿足常見10 μm～50 μm微生物滅活所需劑量，采用Fluent軟件對裝置內(nèi)部的流場分布、光場分布及劑量分布進(jìn)行仿真，作為系統(tǒng)設(shè)計和優(yōu)化的依據(jù)。常見微生物滅活劑量見表1[6]。

表1 常見微生物滅活所需劑量

Fluent仿真計算內(nèi)容包括結(jié)構(gòu)建模、網(wǎng)格劃分、模型設(shè)置、迭代和后處理等。

首先使用Pro/E建立光催化反應(yīng)單元的三維模型，然后采用TGrid類型劃分成Tet/Hybrid網(wǎng)格。采用RNGk-ε湍流模型計算光催化反應(yīng)單元內(nèi)部的水動力特性。進(jìn)口邊界條件設(shè)置成流量入口類型，出口設(shè)置成自由出流類型。由此得到光催化反應(yīng)單元內(nèi)部的流場分布，如圖4所示。

圖4 流場分布圖

采用DO模型作為輻射模型計算光催化反應(yīng)單元內(nèi)的光強(qiáng)分布?？紤]紫外燈使用過程中的輸出效率、燈管與石英管間空氣中的衰減系數(shù)、燈管起垢的衰減系數(shù)、石英管的衰減系數(shù)，再由每個燈管在254 nm波段的輸出功率和燈管的有效面積，計算出每個燈管表面的初始光強(qiáng)，以此作為輸入?yún)?shù)。由此得到光催化反應(yīng)單元內(nèi)部的光場分布，如圖5所示。

圖5 光場分布圖

以光催化反應(yīng)單元內(nèi)部的流場狀態(tài)作為初始條件，采用discrete phase model將與水的密度相同的球形顆粒（直徑1 μm）在入口處注入光催化反應(yīng)單元，采用UDF（user-defined function）程序進(jìn)行流場與光場的耦合仿真，通過計算每個顆粒從入口到出口的紫外輻射劑量，得到紫外輻射劑量分布和劑量流線分布[7]，如圖6和圖7所示。

圖6 紫外輻射劑量分布圖

圖7 劑量流線分布圖

仿真結(jié)果表明，紫外與光催化氧化協(xié)同作用的反應(yīng)單元內(nèi)劑量多分布在60 mJ/cm2～70 mJ/cm2區(qū)間內(nèi)，最小劑量也大于30 mJ/cm2，遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于常見微生物滅活所需劑量。

4 系統(tǒng)特點

系統(tǒng)結(jié)合過濾、紫外和光催化氧化協(xié)同技術(shù)，具有如下特點。

4.1 系統(tǒng)優(yōu)勢

1）殺滅徹底有效。紫外照射和光催化氧化協(xié)同作用，滅菌劑量滿足微生物滅活所需劑量，處理后的壓載水完全滿足D-2標(biāo)準(zhǔn)要求，確保獲得高品質(zhì)的處理水；

2）經(jīng)濟(jì)節(jié)約，運行和維護(hù)成本低。運行過程中不需要添加任何化學(xué)物質(zhì)；排放時不需要中和，可以直接排放；關(guān)鍵部件壽命周期長，紫外燈和催化膜使用壽命長達(dá)8 000 h；

3）一次處理，無保存時間限制。處理后的壓載水隨時可以排放，適用于半潛船復(fù)雜、頻繁地更換壓載水情況；排放時不需要進(jìn)行中和等過程，適用于突發(fā)需要排放壓載水情況；

4）環(huán)境友好。不添加任何化學(xué)物質(zhì)，所排放的壓載水對船員無害，對船舶和生態(tài)環(huán)境無污染，不增加海水的腐蝕特性；

5）自動化程度高。系統(tǒng)具有自動檢測和自動清洗功能；所有操作一鍵完成，運行過程自動控制、自動監(jiān)測、自動報警、自動提示。

4.2 系統(tǒng)不足

在單一的光催化反應(yīng)單元內(nèi)結(jié)合紫外與光催化兩種技術(shù)，加工工藝復(fù)雜。

5 結(jié)論

紫外/光催化法壓載水處理系統(tǒng)已在實際中得到很好地運用，試驗效果很理想，最終結(jié)果滿足壓載水性能標(biāo)準(zhǔn)（D-2標(biāo)準(zhǔn)）要求。

[1]杜萱, 李志文.論協(xié)調(diào)WTO規(guī)則的壓載水管理立法[J].中南大學(xué)學(xué)報, 2013,19(6): 125-131.

[2]謝承利, 翁平, 李小軍, 等.船舶壓載水處理技術(shù)應(yīng)用綜述[J].航海工程, 2012,39(6): 86-90.

[3]劉飛.船舶壓載水紫外線滅菌系統(tǒng)研究[D].遼寧大連: 大連海事大學(xué), 2008.

[4]王姝.改性納米二氧化鈦的光催化性能研究[D].吉林: 吉林大學(xué), 2014.

[5]申玉芳, 龍飛, 鄒正光.半導(dǎo)體光催化技術(shù)研究進(jìn)展[J].材料導(dǎo)報, 2006,20(6): 28-31.

[6]孟夢, 包國治, 陳寧.船舶壓載水 UV 處理裝置的設(shè)計與仿真.江蘇科技大學(xué)學(xué)報[J].2015,4(29): 338-344.

[7]NISIPEANU E, SAMI M.Computer Simulation Optimizes Design of UV Disinfection Reactors[J].Water Conditioning & Purification, 2004(2): 85-89.