紫外线海水消毒受试微生物剂量标定与海水消毒设备的设计应用

摘要

紫外线的微生物灭活作用应用广泛，其在水处理方面具有稳定、安全、低耗和高效性等特点，受到普遍认可。在海洋领域，紫外线的微生物灭活作用在水产疫情、压载水的生物入侵防范方面已实现应用。但是，在实际操作过程中，紫外线设备的高效、准确、全面的有效剂量标定一直是该领域的技术瓶颈。本文基于紫外平行光剂量计算方法，筛选了海水条件下的剂量验证微生物，开发了紫外的生物联合剂量标定法;配合流场模拟计算，设计并优化了中型螺旋流紫外线水消毒设备，利用多种生物联合标定了螺旋流紫外设备在7种透光率情况下的实用紫外剂量。论文取得如下成果。 通过对适宜于海水环境的6种受试微生物的紫外线灭活效应研究，确定了海水紫外线消毒装备的验证剂量范围在0-450mJ/cm2。由于单物种的紫外剂量标定龄期差异、敏感范围有限，本课题选用了MS2噬菌体、黑曲霉孢子和青岛大扁藻、亚心形扁藻、盐生杜氏藻、球等鞭金藻共6种适宜海水环境的生物开展了紫外平行光束灭活效应研究。采用的紫外线剂量分别是0-200mJ/cm2、0-500mJ/cm2和0-450mJ/cm2。通过噬菌斑计数、孢子萌发、显微荧光与流式细胞活性计数，计算生物存活率，建立了紫外线剂量与6种生物的响应关系曲线。结果表明，两种浓度MS2的紫外线剂量-灭活率关系存在显著性差异(P＜0.05);紫外线剂量对高浓度的MS2形成更有效的灭活率曲线，MS2在1×107pfu/ml和1×108pfu/ml时，取得4个对数级灭活率所需的紫外剂量分别为61.23和59.51mJ/cm2;MS2噬菌体浓度为1×108pfu/ml时的紫外线剂量-灭活曲线可在0-160mJ/cm2范围内置信度95％以上，其中在20-80mJ/cm2的剂量范围内曲线呈线性关系。黑曲霉孢子对应60-200mJ/cm2剂量范围内曲线呈线性关系。相对于噬菌体和黑曲霉来说，微藻则对紫外线有一定的抗性，其对较高剂量紫外敏感，四种藻分别在60-180mJ/cm2，120-200mJ/cm2，150-450mJ/cm2灭活率呈线性关系。结合设备应用性，最终选取MS2、球等鞭金藻、曲霉孢子、青岛大扁藻的紫外灭活率线性范围20-80mJ/cm2、60-180mJ/cm2、100-150mJ/cm2、150-450mJ/cm2作为海水紫外线消毒设备有效剂量验证范围。至此，紫外装备的生物剂量验证在4种受试微生物的联合剂量验证范围在0-450mJ/cm2内得以完善，为紫外线海水消毒设备剂量标定提供了数据基础。 利用CFD数值模拟分析了叶轮与导流板管式消毒设备形成的螺旋流流场并计算了紫外线剂量模拟值，设计安装了螺旋流紫外线水消毒设备。以光强、流态分布及颗粒分散剂量拟合三个方面建立了螺旋流紫外线水消毒设备模型，优化后的水消毒设备在UVT=95％水质情况下理论剂量88mJ/cm2。采用金藻、MS2联合剂量标定，等流量调整UVT=65％-95％。受试微生物的灭活率随着UVT变化呈梯度增加趋势。最终标定螺旋流紫外线水消毒设备在5m3/h流量UVT=95％条件条件下获得75.8mJ/cm2实际紫外剂量，与CFD模拟值有14％偏离度。 结合低压紫外平行光的剂量运算理论，搭建了实验级5.3W功率紫外平行光平台。通过对微型生物龄期同步条件优化，对多种验证生物进行了紫外灭活实验;建立海水型螺旋流紫外线水消毒设备CFD计算模型，提出了螺旋流理论的管式紫外线水消毒设备应用性优化方案，设计了5m3流量设备，并利用选定的生物验证了管式紫外线消毒设备的实际剂量。在海洋微生物有效性活体检验方法学、联合剂量标定、螺旋流流场管式紫外线消毒设备设计方面进行了数据分析与应用性探讨。

目录

声明

摘要

缩略词

第1章绪论

1．1课题背景

1．2国内外研究现状

1．2．1紫外线的基本理论

1．2．2紫外线的剂量计算

1．2．3紫外线水消毒设备应用现状

1．3研究目的与技术路线

第2章紫外线剂量验证微生物龄期同步培养优化

2．1噬菌体MS2的扩增

2．2黑曲霉孢子悬液制备与同步萌发

2．3微藻高密度培养与细胞周期同步化

2．4本章小结

第3章受试微生物对紫外线准平行光束的灭活响应关系

3．1紫外线平行光束

3．1．1紫外线辐照面系数

3．1．2紫外线平行光束设备结构

3．1．3紫外线平行光束的剂量计算

3．1．4光复活的避免与给光波长

3．2紫外线平行光束对噬菌体MS2的灭活效应

3．2．1紫外线平行光束强度修正

3．2．2紫外线平行光剂量控制

3．2．3噬菌体紫外线的灭活结果与分析

3．3紫外线平行光束对黑曲霉孢子的灭活效应

3．3．1紫外线平行光束强度修正

3．3．2紫外线平行光剂量控制

3．3．3黑曲霉孢子的活体检测法

3．3．4孢子紫外线的灭活结果与分析

3．4紫外线平行光束对微藻的辐照灭活率

3．4．1紫外线平行光束强度修正

3．4．2紫外线平行光束剂量控制

3．4．3微型藻类的显微荧光活体计数

3．4．4微藻的紫外线灭活率结果分析

3．5本章小结

第4章两种紫外线水消毒设备的优化设计

4．1低压灯紫外线剂量的影响因素

4．1．1环境因素对紫外线发射的影响

4．1．2流场湍流对紫外线剂量的影响

4．2螺旋流紫外线水消毒设备的设计与应用

4．2．1螺旋流在紫外线辐照研究的理论依据

4．2．2两种类型的螺旋流的流体设计

4．2．3直列紫外线水消毒设备的建模

4．2．4有效剂量模拟结果

4．2．5紫外线水消毒设备的安装实例

4．3紫外水消毒设备的生物验证

4．3．1生物验证剂量技术路线

4．3．2生物验证剂量结果

4．4本章小结

第5章结论和建议

5．1结论

5．2建议

附录

参考文献

致谢

攻读学位期间的学术成果

学位论文评阅及答辩情况表