臭氧水体消毒技术是未来最有前景的水体消毒技术之一,臭氧消毒反应器的研究和发展中,主要侧重于传统消毒接触池的结构和设计优化,对于新型的、高效的、非传统结构的消毒反应器的研究、开发和应用涉及较少。本研究首次采用旋转填充床(RPB)作为臭氧消毒反应器,应用于水体消毒领域,评估了超重力臭氧消毒反应器的性能;同时,从臭氧-水吸收过程的基础传质研究出发,首次采用神经网络方法建立了传质系数预测模型,并探索了 RPB高效制备臭氧水的工艺;另外,针对典型实际水体检验了超重力臭氧消毒反应器对其处理效果,拓展了超重力技术在环境和水处理领域的研究和应用范围。主要研究内容概述如下:(1)通过对超重力环境下臭氧-水物理吸收过程的实验研究,得到了旋转填充床中各操作条件对该过程液相传质系数的影响规律。结果表明:旋转填充床的转速提高一方面可以增加气液界面面积,另一方面亦可降低气液接触时间,两种因素在不同阶段主导作用的强弱差异导致了液相传质系数先上升后稍降低。气体流量的增大会增加气体对液体的扰动作用,导致流体湍动的增强和气液界面面积的增加,有利于传质过程的进行,提高了液相传质系数。液体流量对液膜控制的臭氧-水吸收过程的液相传质系数影响较为显著,其增加会增强气液湍动、液滴数量和填料内液膜面积,使得液相传质系数显著增大。在传质过程研究的基础上,首次将旋转填充床作为高效生产臭氧水的装置,考察了工艺参数(转速、气量、液量、气相浓度、单位填料处理量)对臭氧水品质和工艺传质系数的影响,确定了该工艺的最佳操作条件,为超重力技术应用于臭氧水生产提供了基础数据。(2)通过神经网络方法,基于系列液相传质系数实验和无量纲数群计算方法,建立了超重力环境下臭氧-水吸收过程液相传质系数的神经网络预测模型,并使用格栅法和交叉验证法对模型参数和结构进行了优化,得到神经网络结构有3层神经元,每层分别有15、25、25个神经元,该模型在训练集和测试集上分别取得了 R2为0.9896和0.9877的模型性能,结果的预测偏差小于15%,证明了神经网络建模方法在超重力下臭氧-水吸收领域传质系数预测方法的可行性和有效性。(3)通过消毒领域常用微生物指示物E.coli在超重力臭氧环境下的失活效果研究,首次将超重力技术应用于水体消毒领域。结果显示:E.coli臭氧灭活反应的Hatta系数为7.72,属于膜控制过程,超重力技术适用于强化该反应;在相当的E.coli消毒水平下,超重力臭氧消毒反应器的Ct值与传统消毒反应器相比仅为十分之一至三分之一。超重力臭氧消毒反应器对臭氧传质过程的有效增强和液体混合的均一性提高,本研究中超重力臭氧消毒反应器对水体中E.coli的灭活效果较传统鼓泡反应器提高1-2个Log水平。基于传统臭氧消毒接触池中功能区域的结构和特性,结合超重力反应器的传质强化区域和结构,从理论上分析并提出旋转填充床填料区的端效应区可以认为是臭氧消毒剂的高效溶解区,剩余填料区和空腔区则可以认为是臭氧消毒剂均匀与水体混合及灭活微生物的接触区。旋转填充床中进行水体消毒过程的区域其气液传质和液体混合效率要高于传统消毒接触池中相应的区域,因此可以作为一种新型高效的臭氧消毒反应器。(4)通过两种实际水体在超重力臭氧消毒反应器中的消毒试验研究,证明超重力臭氧消毒反应器可以应用于典型实际水体的消毒处理,具体地:针对某河道水体的研究结果表明,旋转填充床转速的增加可以提高对水体中总菌群的灭活效果;在相同的处理量下,超重力臭氧消毒反应器与搅拌曝气反应器相比,灭活效果仍高0.5-1.5个Log水平。针对北京某市政污水处理厂二沉池出水的消毒处理结果表明,超重力臭氧消毒反应器对水体中总菌群和大肠菌群的灭活效果可以达到北京市相关排放标准。