射流泵空化反应器(JPCR)去除铜绿微囊藻的机械与化学协同效应研究及结构优化

本研究针对藻华治理中传统方法成本高、易产生二次污染等问题，开发了基于射流泵空化反应器(JPCR)的藻类去除装置，建立了空化云羟基自由基(•OH)产量模型，揭示了临界工况下机械效应(微射流/冲击波)与化学效应(•OH氧化)的协同机制。通过结构优化(面积比m=1.78、喉长径比Lth/Dth=6、扩散角β=16°)，藻去除效率提升至39.9%，能耗仅为超声空化的18%，为大规模水处理提供了新方案。

　　

水体富营养化引发的蓝藻水华已成为全球性环境难题。铜绿微囊藻(Microcystis aeruginosa)等藻类爆发性增殖不仅导致水体缺氧、藻毒素积累，还会破坏水生生态平衡。传统治理方法如粘土絮凝、化学氧化等存在成本高、二次污染风险，而超声空化虽有效却受限于高能耗。在此背景下，中国国家自然科学基金资助的研究团队在《Journal of Environmental Management》发表论文，提出了一种基于射流泵空化反应器(Jet Pump Cavitation Reactor, JPCR)的创新解决方案。

研究团队通过耦合气泡动力学模型与实验验证，首次量化了JPCR中空化云的羟基自由基(•OH)产量。采用高速摄像技术观测空化云形态演变，结合甲基蓝法检测•OH浓度，系统评估了不同工况下机械效应(微射流/冲击波)与化学效应(•OH氧化)的贡献比例。结构优化后的JPCR在临界压力比(h=0.322)下实现39.9%的藻去除率，能耗较超声空化降低82%。添加NaHCO₃抑制实验证实化学效应贡献率达25%，揭示了机械-化学协同破藻机制。

关键技术方法

1. 建立JPCR三维模型，通过参数化设计研究面积比m、喉长径比L_th/D_th和扩散角β对空化性能的影响
2. 基于Keller-Miksis方程构建气泡动力学模型，耦合气泡尺寸分布函数预测•OH产量
3. 采用甲基蓝分光光度法检测羟基自由基浓度
4. 通过叶绿素a含量测定和显微镜观察评估藻细胞破坏程度

研究结果

内部结构优化
当面积比m=1.78、喉长径比L_th/D_th=6、扩散角β=16°时，JPCR产生最密集的空化云结构。高速摄像显示此时空化泡群在喉部形成周期性溃灭，产生强烈冲击波。

气泡动力学特征
数值模拟表明，临界工况下气泡溃灭温度可达5000K，单个气泡每次溃灭产生约1.2×10⁷个•OH分子。气泡群相互作用使•OH产量提升3-5倍。

空化效应量化
添加NaHCO₃后藻去除率下降至29.9%，证实化学效应贡献25%。机械效应主要通过微射流(速度>100m/s)直接破坏藻细胞壁。

结论与意义
该研究首次阐明了JPCR空化过程中机械-化学效应的协同机制：

1. 结构优化使能量转化效率提升47%，为同类反应器设计提供参数标准
2. 建立的•OH产量模型填补了宏观空化云化学效应量化空白
3. 证实JPCR能耗仅为超声系统的18%，具备万吨级水处理潜力
   研究团队指出，未来可通过耦合光催化进一步提升•OH产量，该成果为绿色藻华治理提供了可工业化的技术路径。