脉冲放电等离子体杀菌灭藻及其藻毒素去除的研究

论文摘要

随着水资源短缺和饮水水质的不断恶化,如何在不产生二次污染的情况下,去除水中微生物以及微生物产生的有毒物质是水处理工作的重点与难点,但目前现有的处理方法难以满足这样的要求。作为高级氧化技术之一的脉冲放电技术因操作简单、处理效率高、无二次污染等优点而日益受到国内外研究者的普遍关注。本论文利用脉冲放电等离子体杀灭大肠杆菌、灭活铜绿微囊藻并去除铜绿微囊藻死亡后或细胞破裂后产生的微囊藻毒素。论文首先考察了双向窄脉冲放电灭活大肠杆菌过程中影响大肠杆菌存活率、灭活速率常数的电气参数和气液参数,发现加电时曝气使大肠杆菌存活率明显降低,灭活速率常数明显提高,且系统的最佳曝气量为0.75 m3/h;提高脉冲峰值电压和脉冲重复频率均能降低大肠杆菌的存活率和灭活速率常数;溶液初始电导率的改变对大肠杆菌存活率和灭活速率常数的影响不明显,弱碱性系统大肠杆菌存活率低于弱酸性的。在脉冲峰值电压54 kV,频率50 Hz,曝气量0.75 m3/h,放电处理25 min时,大肠杆菌细胞数下降了4.00个对数,存活率低于0.01%,灭活速率常数为1.36×10-1min-1。详细考察了气液两相和气液固三相放电反应系统对放电特性、铜绿微囊藻灭活效果和过氧化氢浓度的影响,并讨论双电介质层位置、单双电介质层、放电电极直径、材料和数目对藻灭活的影响,确定了多电极三相脉冲放电系统灭活铜绿微囊藻。在多电极三相脉冲放电系统中,延长藻细胞在放电系统中的处理时间在一定程度上提高了藻的灭活效果;增加脉冲峰值电压、脉冲重复频率和曝入气体量（小于0.75 m3/h）均能提高藻的灭活效果;在藻适宜生长的pH范围内,放电处理弱碱性藻液的灭藻效果好于弱酸性的;在脉冲峰值电压40 kV,频率50 Hz,气量0.75 m3/h,放电处理40 min后的第5天,铜绿微囊藻的光密度去除率达到93.4%,细胞数和叶绿素a的去除率达到100%。通过测定脉冲放电对铜绿微囊藻生物量（细胞数、光密度和叶绿素a）、细胞形态、藻灭活的剩余效应、MDA含量、细胞膜通透性、吸收光谱以及溶液DOC的变化,探讨了脉冲放电等离子体灭活铜绿微囊藻的机理。通过比较微囊藻毒素MC-LR的提取方法与提取液浓缩富集方法,确定乙酸法提取藻毒素MC-LR,低浓度甲醇溶液梯度淋洗、高浓度甲醇洗脱富集在固相萃取柱上的藻毒素MC-LR。研究了影响脉冲放电去除藻毒素MC-LR的电气参数和气液参数,结果表明提高脉冲峰值电压和脉冲重复频率或降低溶液初始电导率均能提高MC-LR的去除效率和去除速率常数;碱性条件下放电去除MC-LR得到的去除效率稍好于酸性的。在脉冲峰值电压40 kV,频率50 Hz,曝气量0.75 m3/h,放电处理20 min时,0.20 mg/L的MC-LR完全被去除。溶液中TOC和TC值降低,IC值增加说明了放电产生的过氧化氢、臭氧以及·OH破坏了MC-LR原有的分子结构。

论文目录

• 摘要
• Abstract
• 1 绪论
• 1.1 我国水资源现状
• 1.2 水体中藻类与细菌的污染
• 1.2.1 饮用水水源的藻类污染
• 1.2.2 饮用水的二次污染
• 1.3 饮用水安全问题
• 1.4 传统的水处理技术
• 1.5 放电低温等离子体水处理技术
• 1.5.1 等离子体概述
• 1.5.2 低温等离子体的优点
• 1.5.3 低温等离子体的产生方式
• 1.5.4 介质阻挡放电概述
• 1.6 脉冲放电等离子体水处理技术研究进展
• 1.6.1 水中脉冲放电基本原理
• 1.6.2 脉冲放电等离子体去除水中污染物的研究进展
• 1.6.3 脉冲放电等离子体去除水中污染物的理论依据
• 1.7 本文的研究内容与意义
• 2 双向窄脉冲放电灭活大肠杆菌的研究
• 2.1 引言
• 2.2 实验部分
• 2.2.1 目标物
• 2.2.2 实验装置
• 2.2.3 实验原料
• 2.2.4 实验仪器
• 2.2.5 实验及分析方法
• 2.3 脉冲放电系统中曝气量与大肠杆菌灭活的关系
• 2.3.1 曝气对大肠杆菌细胞数的影响
• 2.3.2 曝气量与大肠杆菌灭活的关系
• 2.4 脉冲放电系统中电气参数对大肠杆菌灭活的影响
• 2.4.1 脉冲峰值电压对大肠杆菌灭活的影响
• 2.4.2 脉冲重复频率对大肠杆菌灭活的影响
• 2.4.3 放电处理时间对大肠杆菌灭活的影响
• 2.5 脉冲放电系统中溶液参数对大肠杆菌灭活的影响
• 2.5.1 溶液初始电导率对大肠杆菌灭活的影响
• 2.5.2 溶液初始pH值对大肠杆菌灭活的影响
• 2.6 脉冲放电等离子体杀灭大肠杆菌机理的研究
• 2.6.1 溶液处理前后温度的变化
• 2.6.2 PEF的作用
• 2.6.3 紫外光的作用
• 2.6.4 带电离子的作用
• 2.6.5 冲击波的作用
• 2.6.6 强氧化剂的作用
• 2.6.7 脉冲放电系统杀灭大肠杆菌机理初探
• 2.7 本章小结
• 3 脉冲放电等离子体灭活铜绿微囊藻的研究
• 3.1 引言
• 3.2 实验部分
• 3.2.1 目标物
• 3.2.2 实验装置
• 3.2.3 实验原料
• 3.2.4 实验仪器
• 3.2.5 实验及分析方法
• 3.3 脉冲放电反应系统特征参数的确定
• 3.3.1 脉冲放电反应系统的确定
• 3.3.2 双电介质层位置的确定
• 3.3.3 单双电介质层系统对铜绿微囊藻灭活与过氧化氢浓度影响的对比
• 3.3.4 放电电极直径对铜绿微囊藻灭活的影响
• 3.3.5 多电极系统放电参数的确定
• 3.4 多电极三相脉冲放电对铜绿微囊藻灭活的影响
• 3.4.1 脉冲放电系统中电气参数对铜绿微囊藻灭活的影响
• 3.4.2 脉冲放电系统中气液参数对铜绿微囊藻灭活的影响
• 3.5 本章小结
• 4 脉冲放电等离子体灭活铜绿微囊藻机理的研究
• 4.1 引言
• 4.2 实验部分
• 4.2.1 实验原料
• 4.2.2 实验仪器
• 4.2.3 实验与分析方法
• 4.3 脉冲放电等离子体对铜绿微囊藻生物量的影响
• 4.3.1 脉冲放电对铜绿微囊藻细胞数的影响
• 4.3.2 脉冲放电对铜绿微囊藻光密度的影响
• 4.3.3 脉冲放电对铜绿微囊藻Chl-a含量的影响
• 4.4 脉冲放电等离子体对铜绿微囊藻细胞形态的影响
• 4.4.1 肉眼观察和光学显微镜观察
• 4.4.2 扫描电镜观察
• 4.4.3 透射电镜观察
• 4.5 脉冲放电等离子体对铜绿微囊藻灭活的剩余效应研究
• 4.5.1 ECP溶液中放电对过氧化氢浓度的影响及其在ECP溶液中的稳定性
• 4.5.2 外加过氧化氢对铜绿微囊藻生长的影响
• 4.5.3 放电处理的ECP溶液对铜绿微囊藻生长的影响
• 4.6 脉冲放电等离子体对铜绿微囊藻MDA含量的影响
• 4.7 脉冲放电等离子体对铜绿微囊藻细胞膜通透性的影响
• 4.8 脉冲放电等离子体对铜绿微囊藻吸收光谱的影响
• 4.9 脉冲放电等离子体对铜绿微囊藻DOC含量的影响
• 4.10 本章小结
• 5 多电极三相脉冲放电去除微囊藻毒素MC-LR的研究
• 5.1 引言
• 5.2 实验部分
• 5.2.1 目标物
• 5.2.2 实验装置
• 5.2.3 实验原料
• 5.2.4 实验仪器
• 5.2.5 实验及分析方法
• 5.3 微囊藻毒素的提取
• 5.3.1 微囊藻毒素提取方法的确定
• 5.3.2 乙酸法提取时间的确定
• 5.4 SPE条件的确定
• 5.5 脉冲放电等离子体对微囊藻毒素MC-LR去除的研究
• 5.5.1 脉冲峰值电压对MC-LR去除的影响
• 5.5.2 脉冲重复频率对MC-LR去除的影响
• 5.5.3 溶液初始电导率对MC-LR去除的影响
• 5.5.4 溶液初始pH值对MC-LR去除的影响
• 5.6 脉冲放电等离子体去除微囊藻毒素MC-LR的机理研究
• 5.6.1 总有机碳的变化
• 5.6.2 放电过程中的物理和化学作用
• 5.7 本章小结
• 6 结论与建议
• 6.1 结论
• 6.2 建议
• 参考文献
• 创新点
• 攻读博士学位期间发表学术论文情况
• 致谢