超声波与紫外线耦合脱气杀菌_谢迎春.pdf

化工进展Chemical Industry and Engineering Progress2023 年第 42 卷第 3 期超声波与紫外线耦合脱气杀菌谢迎春1，2，王倩倩2，马永丽2，孙国强1，刘明言2，3（1 中核坤华能源发展有限公司，浙江 杭州311113；2 天津大学化工学院，天津 300350；3 化学工程联合国家重点实验室（天津大学），天津 300350）摘要：鉴于地热尾水的脱气或杀菌主要是通过脱气罐和杀菌剂进行处理，本文提出了一种超声波-紫外线耦合的脱气杀菌处理技术。采用超声波-紫外线耦合技术对含微气泡含细菌水进行脱气杀菌处理。分别考察了不同水流量下的超声波脱气效率，不同流量、不同紫外线照射强度下的杀菌效率，以及超声波-紫外线耦合之后的脱气杀菌效率。结果表明，在较小水流量下，可除去部分气体；随着流量的增大，水中的气含率基本不变，脱气效果增加不再明显。在一定的紫外线照射强度下，较大流量时，杀菌效率约为90%以上；在较小流量时，杀菌效率为60%80%。考虑是由于较大流量下，湍动程度相对较高以及停留时间较短所致。与单独超声波脱气相比，耦合技术的脱气效率基本不变，杀菌效率在90%左右，确定最优的实验操作参数为20kHz、0.15m3/h和2000W/cm2。关键词：超声波；脱气；紫外线；杀菌；地热水；流动；停留时间分布；气含率中图分类号：TQ028.8 文献标志码：A 文章编号：1000-6613（2023）03-1629-09Ultrasonic and ultraviolet coupling degassing and sterilizationXIE Yingchun1，2，WANG Qianqian2，MA Yongli2，SUN Guoqiang1，LIU Mingyan2，3(1 CNNC Kunhua Energy Development Company Limited,Hangzhou 311113,Zhejiang,China;2 School of Chemical Engineering and Technology,Tianjin University,Tianjin 300350,China;3 State Key Laboratory of Chemical Engineering(Tianjin University),Tianjin 300350,China)Abstract:At present,the degassing and sterilization treatment of geothermal tail water is mainly carried out by degassing tanks and bactericides.This paper proposed an ultrasonic-ultraviolet coupling degassing and sterilization treatment technology.Ultrasonic-ultraviolet coupling technology was used to degas and sterilize water containing microbubbles and bacteria.The ultrasonic degassing efficiency under different flow conditions,the sterilization efficiency under different flow rates and different ultraviolet irradiation intensity,and the degassing and sterilization efficiency after ultrasonic-ultraviolet coupling were investigated respectively.The results showed that part of the gas can be removed under small flow rate;with the increase of the water flow rate,the gas holdup in the water was basically unchanged and the degassing effect does not increase significantly.Under a certain ultraviolet irradiation intensity,when the water flow was small,the sterilization efficiency was 60%80%;when the water flow was large,the sterilization efficiency was more than 90%,which was considered to be due to the relatively high turbulence degree and short residence time at large flow rates.Compared with the ultrasonic degassing alone,the degassing efficiency of ultrasonic-ultraviolet coupling was basically unchanged,and the 研究开发DOI：10.16085/j.issn.1000-6613.2022-0893收稿日期：2022-05-16；修改稿日期：2022-08-28。第一作者：谢迎春（1973），女，博士研究生，研究员级高级工程师，研究方向为能源与环保。E-mail：。通信作者：马永丽，讲师，硕士生导师，研究方向为多相流反应工程。E-mail：。引用本文：谢迎春,王倩倩,马永丽,等.超声波与紫外线耦合脱气杀菌J.化工进展,2023,42(3):1629-1637.Citation：XIE Yingchun,WANG Qianqian,MA Yongli,et al.Ultrasonic and ultraviolet coupling degassing and sterilizationJ.Chemical Industry and Engineering Progress,2023,42(3):1629-化工进展，2023，42（3）sterilization efficiency was about 90%.The optimal experimental operating parameters are finally determined to be 20kHz,0.15m3/h and 2000W/cm2.Keywords:ultrasonic;degassing;ultraviolet;sterilization;geothermal water;flow;residence time distribution;gas holdup地热能是五大非碳基能源（太阳能、水能、风能、核能、地热能）之一，是一种不排放二氧化碳的可再生能源。地热能的利用不受季节等因素的影响，具有稳定、可靠、环保等特点1。因此，开发利用地热能，对于改善能源结构、实现碳达峰和碳中和目标，具有十分重要的意义。随着地热能开发利用的不断扩大和深入，地热储层压力下降，地质环境和生态受到了影响。为了实现地热能资源的可持续利用，必须结合热储特征进行地热水回灌，即将地热尾水或常温地下水等灌入热储中，达到采灌平衡，避免热储压力降低、产能下降、采出液温度下降、尾水排放和地层下沉等问题2-6。但是，在地热水回灌过程中，通常会出现不同类型的物理或化学堵塞，例如悬浮物堵塞、气体堵塞、微生物堵塞、化学沉淀堵塞、黏性颗粒膨胀和颗粒重组等，从而造成回灌效率衰减，表现为回灌压力高、回灌量减少3-4,7-14。地热回灌水的悬浮物、化学沉淀和黏粒膨胀等堵塞现象可以采用除砂过滤等方法，在地热水回灌之前加以处理15-16。本文旨在研究地热水回灌中的气体堵塞和微生物堵塞原理及控制技术。其中，地热尾水气体堵塞是指由于温度、压力等的变化，地热尾水中的伴生气体释放，或者被热储截留产生气泡造成的气堵。地热水发生气体堵塞的气体来源之一是回灌水中携带的氧气和二氧化碳等气体17-19。因此，需要采用一定方法，除去部分气体，防止地热水回灌过程中气体堵塞的发生。地热水中微生物堵塞是指回灌水中的微生物繁殖产生的生物膜沉积，使多孔介质的渗透率下降，造成回灌系统中介质孔隙的堵塞20-21。通常引起回灌水发生堵塞的微生物有铁细菌、硫酸盐还原菌和腐生菌等，其中腐生菌在地层中广泛滋生，硫酸盐还原菌广泛出现在富含硫酸盐的地层水中。本文所模拟的是地热水传输过程，在地热水传输过程中，铁细 菌与铁质输水管接触后会加速Fe2+的氧化，形成 Fe(OH)3沉淀，从而发生堵塞22，因此本文实验中采用铁细菌进行杀菌实验。针对地热尾水回灌出现的这些堵塞问题，国内外进行了不少堵塞机理及防堵方法的研究23-26。对于地热水中伴生的较大尺寸气泡的脱除，通常在地热水回灌之前设置排气罐加以解决。但是，对于地热水中溶解性微气泡的脱除则难度较大，需要进一步研究新的强化脱气方法。对于地热水中微生物的堵塞，可以考虑地热水回灌之前采用杀菌技术进行处理。同时，将地热尾水中微气泡的脱除与杀菌技术联用也是一个很不错的方法。鉴于此，本文拟开展地热水中超声波辅助脱气和微生物紫外线杀菌防堵及其联用技术的研究。超声波脱气自20世纪 20 年代开始研究，并逐渐应用至铝合金等行业。Eskin27探究了在金属熔体中超声波脱气的空化机理，发现存在三个空化区域：预空化区，只能观察到轻微的脱气；空化阈值区，脱气量增加，之后趋于稳定；发展空化区，脱气效率随着超声强度的增加而线性增加。铝合金熔体脱气的空化核结构与水溶液脱气的不同。Li等28研究了超声波处理时间以及功率对于金属锭的影响，结果表明，当超声波强度高于空化阈值时，脱气效果显著，在合适的处理时间内，超声波脱气效果较为明显，当处理时间超过一定范围时，铸锭密度减小。随着超声波脱气的进一步发展，出现了超声波与其他技术联用脱气的现象，如Xu等29研究了在铝合金熔体中温度对超声波脱气的影响，同时比较了超声波脱气、真空脱气和超声波联合真空脱气的效率，以及超声波联合氩气脱气与单独氩气脱气的效率。Puga等30比较了在铝合金溶液中的超声波脱气、旋转氩气脱气和氮气脱气，证明超声波脱气的效率比旋转氩气脱气和氮气脱气效率高，同时超声波脱气还有形成浮渣少的优势。超声波脱气在铝合金行业展现了其优势，但在地热领域的应用还很少。紫外线杀菌以其无污染的优点在污水处理方面广泛应用。如Wang等31利用紫外杀菌技术处理大庆油田采出水中的硫酸盐还原菌，结果表明，可杀灭99%的细菌。但是紫外线杀菌技术在地热水处理中的应用较少。罗立新等32用有效功率为4W的紫外灯对腐生菌（Metatrophic Bacteria，TGB）进行杀菌，在流量不超过35m3/h，TGB的杀菌率不低于 95%。通过紫外发光二极管（ultra violet-light emitting diode，UV-LED）对 硫 酸 盐 还 原 菌 16302023年3月谢迎春等：超声波与紫外线耦合脱气杀菌（Sulfate-Reducing Bacteria，SRB）、铁细菌（Iron Bacteria，IB）和 TGB 进行灭菌，波长为 280nm、350nm的UV-LED的组合使用对TGB有很好的协同杀菌作用7,33。防止生物堵塞主要应该避免地热水在地面设备传输过程中受到污染。通常回灌水处理杀菌的方法是投加消毒药剂或采用超滤膜过滤，但是投加药剂会污染地下水，而超滤系统投资成本较高34。与