人才强校 | 水院李云开教授团队提出一种磁化-紫外线联合控制农业灌溉管网附着污垢的新技术

近日,水利与土木工程学院李云开教授团队在《水研究》( Water Research )在线发表了题为《磁化-紫外线联合控制农业灌溉管网系统附着复合污垢》( Combination of magnetic field and ultraviolet for fouling control in saline wastewater distribution systems )的研究论文。本研究开发了一种磁化-紫外线协同控制农业灌溉管网系统附着复合污垢的绿色高效新方法,并深入揭示了磁化-紫外线协同对地表微咸水灌溉管网生物-析晶-颗粒复合污垢的控制机理。

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采用微咸水、再生水、沼液等复杂劣质水源进行灌溉已成为缓解农业水资源紧缺的有效方法。然而,复杂劣质水源中同时含有大量微生物、盐分离子及悬浮颗粒物,极易导致农业灌溉管网系统生物-化学-颗粒复合污垢形成,进而引发严重的工程、经济和健康问题,极大制约了复杂水源灌溉技术的应用和发展。常用的加酸、加氯技术主要控制单一类型污垢,且极易导致环境污染,目前还缺少针对复合污垢的绿色高效控制技术。紫外线技术(UV)已被广泛地应用在农业、工业等领域生物污垢的控制。然而,UV也难以有效控制复合污垢,这是由于微咸水等复杂水源中高浓度的悬浮固体颗粒物会遮挡和散射紫外线,使紫外线的透射率降低,紫外线的阻垢效率也受到细菌光复活和暗修复的影响。此外,紫外线对于缓解化学和颗粒污垢几乎没有控制效果。解决上述问题的一种有潜力的方法是将磁化处理(MaF)和紫外线(UV)联合使用(图1)。

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图1 磁化-紫外线抑制污垢技术模式

研究结果表明磁化-紫外线联合产生协同阻垢作用,显著降低了生物污垢的含量并降低了微生物网络的复杂性(图2)。这是由于磁化作为预处理有效促进了颗粒物的絮凝并降低了水的浊度,改善了紫外线消毒的进水水质并增加了紫外线的透射率,消除了紫外线散射和屏蔽的不利影响,从而提高了紫外线消毒过程的灭活效果。磁化辅助紫外线还减少了抗紫外线细菌的丰度,并抑制了细菌光活化和暗修复的风险。本研究也发现磁化-紫外线联合使用增强了CaCO3晶体从致密方解石到疏松水合无定形CaCO3的转化率和颗粒物絮凝,并减少了生物污垢的生物矿化能力和对颗粒物的吸附能力,从而大幅降低了析晶和颗粒污垢的含量。此外,磁化和紫外的组合顺序也会影响污垢的抑制效率,本研究发现在紫外线处理之前进行磁化预处理为最优模式。

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图2 磁化和紫外联合对生物污垢的影响及调控机理

中国农业大学水利与土木工程学院李云开教授团队博士研究生刘泽元和博士后肖洋为文章的共同第一作者,李云开教授为通讯作者。这是该团队关于磁化控制农业灌溉管网附着污垢的第二篇在《 Water Research 》上发表的研究论文,首篇论文《 Electromagnetic fields for biofouling mitigation in reclaimed water distribution systems 》明确了磁化对再生水灌溉管网生物污垢内微生物总量、微生物分泌的胞外聚合物和微生物群落结构的影响,解析了磁化在微生物群落结构(关键/优势菌)-污垢成分(EPS/沉淀)-污垢行为的链级作用机理。

水利与土木工程学院周云鹏副教授,团队博士生侯鹏、查映东、沈岩、马长健等参加了相关工作,该研究得到了国家自然科学基金重大项目、面上等项目的资助。

原文链接1:https://doi.org/10.1016/j.watres.2024.121118

原文链接2:https://doi.org/10.1016/j.watres.2020.115562

供稿:水利与土木工程学院

供图:水利与土木工程学院

编辑:马文哲

责编:李杨

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