污水廠出水超聲波協(xié)同消毒技術(shù)和機理研究

本研究包含超聲波協(xié)同臭氧污水消毒技術(shù)的效果及機理、超聲波協(xié)同次氯酸鈉消毒技術(shù)的效果及機理和超聲波協(xié)同紫外線（UV）污水消毒技術(shù)的效果及機理三個子課題，以北京市某城鎮(zhèn)污水處理廠二級處理出水為對象，以基本水質(zhì)參數(shù)、細菌總數(shù)、糞大腸菌群、沙門氏菌和SC噬菌體為主要監(jiān)測指標，開展實驗室及中試研究，探索開發(fā)污水消毒新技術(shù)和新工藝。 研究項目以研究超聲波空化效應(yīng)為基礎(chǔ)，深入研究了與臭氧、次氯酸鈉、紫外線和納米ZnO消毒密切相關(guān)的水質(zhì)指標在超聲波作用下的變化情況、協(xié)同作用效果與消毒機理，研究了協(xié)同作用對微生物光復(fù)活影響，分析了超聲波空化效應(yīng)與協(xié)同作用效果的內(nèi)在聯(lián)系及相關(guān)性，為工藝的推廣應(yīng)用提供理論支持。 研究表明，超聲波作用對水質(zhì)參數(shù)有較大影響，其空化作用和機械剪切效應(yīng)對水體消毒可以形成促進作用；超聲波通過改善水體懸浮顆粒的粒徑分布，破碎菌膠團以強化消毒劑的作用。超聲波協(xié)同臭氧、次氯酸鈉和紫外線消毒的效果明顯優(yōu)于消毒劑單獨或者二者分別消毒效果之和，有明顯的協(xié)同作用效應(yīng)。超聲波的加入可以降低約50%的次氯酸鈉使用量和25%的臭氧投加量，提高消毒效率，縮短消毒作用時間，減少消毒副產(chǎn)物的生成。同時，超聲波與消毒劑的協(xié)同作用，可有效抑制微生物的光復(fù)活，保證持續(xù)的殺菌能力，減少排放水體后潛在的生態(tài)安全風(fēng)險。 本研究設(shè)計的超聲波/紫外線一體化消毒裝置已獲得發(fā)明專利，研發(fā)的中試試驗裝置在國內(nèi)尚屬首次，運行監(jiān)測結(jié)果表明，超聲波能量密度為2.64kJ/L，UV劑量為24mJ/cm2，水力停留時間為30s時的協(xié)同消毒可以很好的適應(yīng)水質(zhì)波動的影響，出水糞大腸菌群指標滿足排放標準，具有很好的實際應(yīng)用價值和推廣潛力。 2100433B

《城鎮(zhèn)污水處理廠污染物排放標準》（GBJ8918－2002）中已將微生物指標列為控制指標，要求市政污水廠出水必須進行消毒處理。近年來世界范圍內(nèi)各種傳染性疾病的不斷爆發(fā)，更使人們意識到消毒的重要性。同時，在以回用為目的的水處理過程中，消毒更是人們關(guān)注的焦點問題。最新頒布的生活飲用水衛(wèi)生標準增加了許多對消毒工藝和消毒劑方面要求和限制，消毒成本在水處理廠建設(shè)和運行中所占的比重越來越大。由于傳統(tǒng)的液氯、二氧化氯、臭氧和紫外線等消毒技術(shù)在實際應(yīng)用和運行中存在諸多例如產(chǎn)生對環(huán)境和人體有害的消毒副產(chǎn)物、不具備持續(xù)殺菌能力和設(shè)備復(fù)雜昂貴等缺點，研究開發(fā)經(jīng)濟和高效的消毒技術(shù)迫在眉睫。課題著重研究一種新興的消毒技術(shù)- - 超聲波消毒技術(shù)，深入研究其消毒機理和滅菌關(guān)鍵因子及控制方法；采用超聲波與其它消毒劑聯(lián)合使用消毒，發(fā)揮各單一消毒劑的優(yōu)勢，深入研究超聲波和其它消毒劑的協(xié)同作用機理及關(guān)鍵因子的控制技術(shù)。

煤礦開采的一個關(guān)鍵問題是巷道圍巖穩(wěn)定性控制，且錨網(wǎng)索錨固已成為主導(dǎo)的控制方式。然而，由于對錨固機理及技術(shù)的研究和應(yīng)用還存在不足，一方面帶來錨固系統(tǒng)子系統(tǒng)內(nèi)部因素之間的協(xié)同作用不足，導(dǎo)致子系統(tǒng)功能得不到強化；另一方面造成子系統(tǒng)之間的協(xié)同作用不足，導(dǎo)致錨固系統(tǒng)沒有產(chǎn)生應(yīng)有的協(xié)同效應(yīng)，從而帶來整體錨固效能不足。 　　本項目以煤礦巷道工程為研究對象，將協(xié)同學(xué)原理應(yīng)用于巷道圍巖穩(wěn)定性控制。首先，通過分析巷道圍巖位移與錨固系統(tǒng)控制變量和狀態(tài)參量的相互關(guān)系，提出以位移作為錨固系統(tǒng)的序參量，以此建立錨固系統(tǒng)的力學(xué)模型。其次，通過理論分析、模型試驗、數(shù)值模擬和工程實踐等多種方法，多層面、多角度研究錨固系統(tǒng)協(xié)同作用和協(xié)同效應(yīng)。提出協(xié)同增量、協(xié)同指數(shù)的概念和計算方法，分別作為協(xié)同作用、協(xié)同效應(yīng)程度的評價指標。建立預(yù)緊力協(xié)同、結(jié)構(gòu)協(xié)同、變形協(xié)同、錨固時機協(xié)同等協(xié)同錨固機制，獲得不同作用機制的實現(xiàn)方式。建立包括高預(yù)緊力技術(shù)、高錨固技術(shù)、錨固巖體高強度技術(shù)等協(xié)同錨固技術(shù)體系，實現(xiàn)協(xié)同錨固機理與技術(shù)應(yīng)用一體化研究。 　　研究表明，錨桿（索）預(yù)緊力、布置密度、桿體長度、鉆裝角度等錨固變量之間存在協(xié)同關(guān)系，且可以通過調(diào)整和優(yōu)化錨固變量參數(shù)來進行滿足，促使錨固系統(tǒng)產(chǎn)生協(xié)同作用和協(xié)同效應(yīng)，從而帶來系統(tǒng)功能在宏觀整體上大于各子系統(tǒng)功能之簡單總和，即產(chǎn)生“1＋1＞2”的協(xié)同效應(yīng)。協(xié)同錨固設(shè)計使巷道變形、圍巖應(yīng)力分布、錨桿（索）受力等更加均勻協(xié)調(diào)，有效提高錨固巖體的整體強度和剛度，從而顯著地提高其承載能力和抗變形能力。通過現(xiàn)場實踐，有效地解決了巷道圍巖穩(wěn)定性控制所遇到的許多問題和難題，取得了顯著的社會經(jīng)濟效益，從而使項目研究更加具有實際價值和深遠意義。 2100433B

針對目前錨桿(索)錨固缺乏系統(tǒng)協(xié)同性考慮，導(dǎo)致巷道錨固失效、浪費或錨固不足等問題，本課題以煤礦巷道錨固系統(tǒng)為研究對象，將錨桿(索)、圍巖、粘結(jié)材料等作為子系統(tǒng)，基于協(xié)同原理，采用理論分析、模型試驗、數(shù)值模擬和現(xiàn)場試驗等方法，通過研究各子系統(tǒng)之間的協(xié)同作用及演化規(guī)律、系統(tǒng)協(xié)同效應(yīng)的實現(xiàn)機制、序參量的基本特性及選定方法、序參量方程的建立和求解、序參量在系統(tǒng)發(fā)展過程中的調(diào)控作用及演化規(guī)律、序參量與子系統(tǒng)控制變量的相互關(guān)系及作用機制等內(nèi)容，從而獲得煤礦巷道協(xié)同錨固作用機理，形成協(xié)同錨固技術(shù)并應(yīng)用于工程實踐。本課題既深化協(xié)同原理在煤礦巷道穩(wěn)定性控制方面的研究和應(yīng)用，促進巷道錨固理論及技術(shù)水平的發(fā)展，又可以為其它工程巖體穩(wěn)定性控制研究提供新的思路和方法，具有重要的現(xiàn)實意義和廣闊的研究前景。

傳統(tǒng)的電化學(xué)陽極氧化分解水產(chǎn)臭氧技術(shù)和陰極還原氧產(chǎn)過氧化氫技術(shù)存在能耗較高及較多副反應(yīng)的缺點。本項目基于前期實現(xiàn)了在同一個電解池中協(xié)同陽極產(chǎn)臭氧和陰極產(chǎn)過氧化氫的電流效率分別達到11%和28%的基礎(chǔ)上，進一步深入研究臭氧和過氧化氫協(xié)同產(chǎn)生的規(guī)律及機理。. 課題通過研究陽極、陰極、電解質(zhì)以及隔膜的不同配置方法對協(xié)同產(chǎn)生臭氧和過氧化氫的電流效率和能耗的影響，探討臭氧和過氧化氫電化學(xué)協(xié)同產(chǎn)生的規(guī)律。通過電化學(xué)穩(wěn)態(tài)極化曲線研究電極過程動力學(xué)，通過電化學(xué)暫態(tài)技術(shù)分析表證電極過程中的活性中間粒子，通過現(xiàn)代分析測試技術(shù)研究電極構(gòu)效關(guān)系，結(jié)合反應(yīng)的熱力學(xué)平衡計算，闡明在同一電解池中協(xié)同產(chǎn)生臭氧和過氧化氫的機理及動力學(xué)規(guī)律。進而改進技術(shù)，進一步提高臭氧和過氧化氫協(xié)同產(chǎn)生的效率，降低能耗。. 通過該研究，將為臭氧和過氧化氫的高效電化學(xué)協(xié)同產(chǎn)生技術(shù)的放大和實用化提供理論依據(jù)并奠定實驗基礎(chǔ)。