紫外/光催化法压载水处理系统

2018-02-28李晓晓窦凤祥

船舶标准化工程师 2018年1期

李晓晓，窦凤祥

（九江精密测试技术研究所，江西九江 332000）

0 引言

远洋船舶在注入和排放压载水的同时，易引起有害水生物和病原体的跨海域传播。压载水的无控制排放对海洋生态、公众健康造成严重危害，由此引起的海洋生态破坏事故不胜枚举，全球环保基金组织（GEF）将其列为海洋四大危害之一[1]。

为了有效控制船舶压载水排放导致的海洋生物入侵对本地海洋生态环境造成影响或破坏，2004年2月13日，国际海事组织（IMO）在伦敦组织召开的国际船舶压载水管理外交大会上通过了具有法律效力的《国际船舶压载水与沉积物控制与管理公约》（简称：《压载水公约》）。

随着《压载水公约》生效日期的临近，世界各国纷纷展开船舶压载水处理技术研究。从原理上分析，能够实现压载水处理的方法和途径较多，但涉及实际的应用必须考虑效能、装船可行性、运行成本和对船总体的影响等一系列问题[2]。本文介绍了一种采用过滤作为预处理方式，结合紫外照射和光催化氧化的压载水处理系统。该系统运行维护简便，所有操作一键完成，运行过程自动控制、自动监测、自动报警、自动提示。

1 系统组成

光催化法压载水处理系统主要由过滤单元、光催化反应单元和控制单元组成（见图1）。过滤单元采用过滤精度为50 μm的自动反冲洗过滤器，滤除压载水中直径大于50 μm的水生物；光催化反应单元一方面通过低压汞灯发射紫外光，进行紫外线杀菌，另一方面通过紫外光照射光催化反应膜，产生羟基自由基，利用羟基自由基的强氧化能力，杀灭压载水中的浮游生物和微生物；控制单元主要包括控制柜和电源柜，用于提供系统正常工作所需的电源，实现系统压载、排放和应急旁通压载的自动控制、数据记录及故障报警等功能。

图1 系统组成

2 基本原理

压载水经管路进入过滤单元，滤去最小尺寸大于或等于50 μm的生物和颗粒后，进入光催化反应单元。在光催化反应单元内，以能发射紫外光的低压汞灯为光源，通过紫外照射抑制或杀灭压载水中的浮游生物和微生物。同时，紫外光照射光催化反应膜（TiO2纳米薄膜）表面，产生具有极强氧化性的羟基自由基（OH），迅速夺取生物细胞膜内的氢元素（H），分解细胞膜，破坏生物的蛋白质、碳水化合物以及DNA等物质，彻底杀灭压载水中的浮游生物和微生物，使处理后的压载水满足《压载水公约》第D-2条标准要求，生物不会复活。图2描述了系统的基本原理。

图2 基本原理

2.1 过滤技术

采用过滤精度为 50 μm、具有自动反冲洗功能的过滤器，滤除流入压载水中尺寸大于或等于50 μm的有机和无机粒子。过滤单元有效地阻止最小尺寸大于或等于50 μm的颗粒物和有机物伴随压载水进入压载舱。当进出口的压差大于设定值，过滤器自动反冲洗，保持系统的连续运行。

2.2 紫外照射灭菌

光催化法压载水处理系统采用低压紫外杀菌技术，紫外波长范围为UVC 240 nm～280 nm。UV照射是一种有效的杀菌方法，在长达数十年的时间内被广泛用于减少和杀灭微生物。相关研究表明，当生物接收到波长为200 nm～300 nm的紫外光照射后，生物体内的DNA（DNA中的腺嘌呤，鸟嘌呤）、RNA（RNA中的胞嘧啶，胸腺嘧啶）和蛋白质等物质吸收紫外线，产生光化学反应，诱导胸腺嘧啶二聚体的形成和DNA链的交联，抑制DNA的复制，使微生物失去复制和再生的能力，从而达到灭菌的目的[3]。

2.3 光催化氧化灭菌

半导体 TiO2是由不连续的充满电子的低能价带和空的高能导带构成。价带和导带之间存在禁带，当能量等于或大于禁带宽度（Eg= 3.2 eV）的光照射在半导体表面时（即照射光的光子能量(E)满足：E= hν≥Eg时），价带上的电子被激发跃迁到导带，同时在价带上产生相应的空穴，从而在催化剂表面生成电子—空穴对（e−— h+）。光生电子—空穴对如果不被及时分离，就会产生复合，放出热量、降低TiO2的催化性能，如果存在合适俘获剂，电子和空穴的复合就会受到抑制。

通常情况下，催化剂表面吸附的H2O和O2是光生电子—空穴对的俘获剂，催化剂表面吸附的H2O或OH−会与光生空穴反应形成具有强氧化性的羟基自由基（OH）。见反应式(1)～式(3)。

羟基自由基能迅速夺取微生物细胞膜内的氢元素（H），使微生物的细胞膜分解，并进一步破坏生物的蛋白质、碳水化合物以及DNA等物质。同时能分解微生物生长与繁殖所必需的有机营养物质，抑制其生长和发育。因此，强化光催化氧化技术能有效抑制微生物的暗修复复活功能，不会产生耐紫外性或生物变异，从而彻底杀灭藻类、细菌和病毒等微生物[4-5]。

图3是传统紫外线杀菌和光催化氧化杀菌原理的示意图。

图3 光催化杀死有机微生物与传统紫外线杀菌的示意图

3 光溜耦合仿真分析

为评估光催化反应单元内灭菌剂量是否满足常见10 μm～50 μm微生物灭活所需剂量，采用Fluent软件对装置内部的流场分布、光场分布及剂量分布进行仿真，作为系统设计和优化的依据。常见微生物灭活剂量见表1[6]。

表1 常见微生物灭活所需剂量

Fluent仿真计算内容包括结构建模、网格划分、模型设置、迭代和后处理等。

首先使用Pro/E建立光催化反应单元的三维模型，然后采用TGrid类型划分成Tet/Hybrid网格。采用RNGk-ε湍流模型计算光催化反应单元内部的水动力特性。进口边界条件设置成流量入口类型，出口设置成自由出流类型。由此得到光催化反应单元内部的流场分布，如图4所示。

图4 流场分布图

采用DO模型作为辐射模型计算光催化反应单元内的光强分布。考虑紫外灯使用过程中的输出效率、灯管与石英管间空气中的衰减系数、灯管起垢的衰减系数、石英管的衰减系数，再由每个灯管在254 nm波段的输出功率和灯管的有效面积，计算出每个灯管表面的初始光强，以此作为输入参数。由此得到光催化反应单元内部的光场分布，如图5所示。

图5 光场分布图

以光催化反应单元内部的流场状态作为初始条件，采用discrete phase model将与水的密度相同的球形颗粒（直径1 μm）在入口处注入光催化反应单元，采用UDF（user-defined function）程序进行流场与光场的耦合仿真，通过计算每个颗粒从入口到出口的紫外辐射剂量，得到紫外辐射剂量分布和剂量流线分布[7]，如图6和图7所示。