基于變頻脈沖磁場(chǎng)處理技術(shù)的火電廠循環(huán)水抑菌效果的研究

齊　超

(大唐黑龍江發(fā)電有限公司 哈爾濱第一熱電廠,哈爾濱 150078)

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基于變頻脈沖磁場(chǎng)處理技術(shù)的火電廠循環(huán)水抑菌效果的研究

齊超

(大唐黑龍江發(fā)電有限公司 哈爾濱第一熱電廠,哈爾濱 150078)

筆者利用自制的脈沖磁場(chǎng)水處理裝置對(duì)某火電廠循環(huán)冷卻水進(jìn)行異養(yǎng)菌滅活實(shí)驗(yàn),研究頻率、方波占空比、DDS信號(hào)發(fā)生器輸出電壓等因素對(duì)殺菌率的影響。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明:當(dāng)水溫為30 ℃、流量為170 L/h、頻率為1000 Hz、方波占空比為50%、DDS信號(hào)發(fā)生器輸出電壓為10 V時(shí),且連續(xù)殺菌10 h后,殺菌率可達(dá)到最大值(84.5%)。由此表明,脈沖磁場(chǎng)對(duì)循環(huán)冷卻水中的異養(yǎng)菌具有顯著的抑制作用。

變頻脈沖磁場(chǎng);火電廠;循環(huán)冷卻水;抑菌效果

在火電廠的用水系統(tǒng)中,50%～80%為循環(huán)冷卻水,20%～40%為水力輸送用水,僅2%～4%為鍋爐補(bǔ)給水,因此火電廠的節(jié)水重點(diǎn)是水力輸送系統(tǒng)的優(yōu)化設(shè)計(jì)和減少冷卻水排污[1]。然而,傳統(tǒng)的控制微生物方法不僅加劇了水體菌藻類的繁殖,污染環(huán)境,而且在實(shí)際運(yùn)作中存在操作難度大、運(yùn)行費(fèi)用高、處理效果差等問(wèn)題[2],迫切需要一種方法高效快捷、簡(jiǎn)單可靠的循環(huán)冷卻水處理方法。變頻脈沖磁場(chǎng)水處理技術(shù)具有處理效果好、無(wú)污染物排放、運(yùn)行費(fèi)用低等特點(diǎn),在工業(yè)循環(huán)冷卻水處理領(lǐng)域受到廣泛關(guān)注。所以本文以某火電廠的循環(huán)冷卻水為研究水樣,利用自制的脈沖磁場(chǎng)水處理裝置對(duì)循環(huán)冷卻水進(jìn)行異養(yǎng)菌滅活實(shí)驗(yàn),通過(guò)改變相關(guān)實(shí)驗(yàn)參數(shù)(脈沖頻率、占空比和DDS信號(hào)發(fā)生器輸出電壓等),研究不同因素對(duì)殺菌率的影響,從而得出脈沖磁場(chǎng)水處理的最佳殺菌參數(shù)。

1　循環(huán)冷卻水系統(tǒng)

火電廠常用的冷卻水系統(tǒng)分別為敞開式循環(huán)冷卻水系統(tǒng)和密閉式循環(huán)冷卻水系統(tǒng)[3-4]。本文采用的水為黑龍江省某火電廠敞開式循環(huán)冷卻水系統(tǒng)的冷卻水。敞開式循環(huán)冷卻水系統(tǒng)中的冷卻水是暴露在大氣中的,其特點(diǎn)是隨著水分蒸發(fā),鹽類不斷濃縮,極易形成水垢,造成金屬腐蝕，也助長(zhǎng)了水中微生物的滋生,從而形成生物粘泥。敞開式循環(huán)冷卻水系統(tǒng)如圖1所示。

圖1　敞開式循環(huán)冷卻水系統(tǒng)示意圖

2　變頻脈沖磁場(chǎng)水處理殺菌機(jī)理

2.1變頻脈沖磁場(chǎng)的殺菌機(jī)理

變頻脈沖磁場(chǎng)的殺菌機(jī)理很復(fù)雜,主要表現(xiàn)在以下幾個(gè)方面:

1) 由DDS信號(hào)發(fā)生器產(chǎn)生脈沖磁場(chǎng),當(dāng)直流脈沖電流在高電平轉(zhuǎn)入低電平時(shí),積聚在感應(yīng)線圈的能量由于電路的突然關(guān)閉，因此在線圈兩端產(chǎn)生反沖高壓,造成了水管中感應(yīng)電壓的瞬間猛增,形成很大的瞬間電流,直接影響細(xì)菌細(xì)胞膜的離子通透性,破壞細(xì)胞膜,從而達(dá)到殺菌效果。

2) 當(dāng)存在外加磁場(chǎng)時(shí),在磁場(chǎng)洛倫茲力的影響下,細(xì)菌細(xì)胞內(nèi)帶電粒子的運(yùn)動(dòng)軌跡被束縛在某一區(qū)域內(nèi),導(dǎo)致了細(xì)胞內(nèi)離子和電子不能正常傳遞,對(duì)細(xì)胞正常的生理功能造成影響[5],使細(xì)胞結(jié)構(gòu)發(fā)生變化,從而導(dǎo)致細(xì)菌死亡。

3) 每種生物都有自身的固有頻率,當(dāng)外加磁場(chǎng)的頻率與循環(huán)冷卻水中異養(yǎng)菌的固有頻率接近或相同時(shí),就會(huì)引起異養(yǎng)菌共振,使細(xì)菌細(xì)胞膜穿孔,從而導(dǎo)致細(xì)菌的徹底死亡。

2.2異養(yǎng)菌存活量的計(jì)算

實(shí)驗(yàn)采用平皿計(jì)數(shù)法,在無(wú)菌環(huán)境下,按稀釋度依次稀釋水樣,用1 mL移液管取1 mL稀釋后的水樣,倒入裝有溫度為50 ℃的牛肉膏蛋白胨培養(yǎng)基的平皿中,晃動(dòng)培養(yǎng)皿,使培養(yǎng)基與水樣混合均勻,待培養(yǎng)基凝固后將平皿倒置于恒溫培養(yǎng)箱中,并在37 ℃的溫度下培養(yǎng)24 h。然后,取出培養(yǎng)皿,每個(gè)單細(xì)胞已生長(zhǎng)繁殖成肉眼可見(jiàn)的菌落,統(tǒng)計(jì)出現(xiàn)的菌落數(shù),并將其乘以稀釋倍數(shù),即可得到1 mL原始水樣中存活的細(xì)菌數(shù)。

在恒溫培養(yǎng)箱中將實(shí)驗(yàn)水樣所制成的培養(yǎng)皿培養(yǎng)24 h,篩選、統(tǒng)計(jì)菌落數(shù)在30～300之間的培養(yǎng)皿,一個(gè)稀釋度為一組實(shí)驗(yàn),每個(gè)稀釋度進(jìn)行三次重復(fù)實(shí)驗(yàn),存活的菌落總數(shù)取其平均值。

實(shí)驗(yàn)中用到的殺菌率公式(即處理后致死的細(xì)菌數(shù)與對(duì)照組細(xì)菌數(shù)的比值[6])為

(1)

式中:η為殺菌率,%;c0為對(duì)照組中異養(yǎng)菌存活量平均值,個(gè)/mL;c1為實(shí)驗(yàn)組電磁處理后異養(yǎng)菌存活量平均值,個(gè)/mL。

3　變頻脈沖磁場(chǎng)水處理殺菌實(shí)驗(yàn)

3.1試驗(yàn)儀器

實(shí)驗(yàn)裝置由電磁脈沖殺菌水處理器、流量計(jì)、CS501恒溫水浴器及噴頭組成,如圖2所示。

圖2　電磁脈沖殺菌實(shí)驗(yàn)裝置

3.1.1電磁脈沖水處理器

電磁脈沖水處理器由電磁脈沖水處理箱和DDS信號(hào)發(fā)生器組成。

1) 電磁脈沖水處理箱如圖3所示。

圖3　電磁脈沖水處理箱

電磁水處理箱由10 mm厚的PVC板做成,尺寸為:長(zhǎng)350 mm、寬140 mm、高90 mm。箱內(nèi)繞制的電磁線圈安裝在處理箱內(nèi)部的兩側(cè),線圈電感為4.22 mH。兩個(gè)相對(duì)線圈的距離為4 cm,兩個(gè)相鄰線圈的距離為3 cm,密封盒兩端留有進(jìn)、出水口。電磁水處理箱內(nèi)兩個(gè)相對(duì)線圈的繞向相同,將線圈的首尾相連,并分別連接DDS信號(hào)發(fā)生器,將中間部分分開,使水流從中間通過(guò),做切割磁力線運(yùn)動(dòng),從而達(dá)到殺菌效果。

圖4　DDS信號(hào)發(fā)生器工作原理圖

2) DDS信號(hào)發(fā)生器利用數(shù)字合成方法產(chǎn)生數(shù)據(jù)流,并經(jīng)過(guò)數(shù)模轉(zhuǎn)換器預(yù)先設(shè)定成模擬信號(hào),克服了傳統(tǒng)模擬信號(hào)需要借助振蕩器的不利條件,具有頻率精度高、失真度小、分辨率小、使用靈活等特點(diǎn),其工作原理如圖4所示。

3.1.2CS501恒溫水浴器

實(shí)驗(yàn)將CS501型恒溫水浴器作為溫度控制和循環(huán)水動(dòng)力裝置。恒溫水浴器內(nèi)置的水泵可使水體循環(huán)流動(dòng),恒溫水浴器內(nèi)置的電加熱器可使系統(tǒng)的水溫保持平衡,其結(jié)構(gòu)如圖5所示。

圖5　CS501型恒溫水浴器結(jié)構(gòu)圖

3.2實(shí)驗(yàn)內(nèi)容

將該熱電廠的循環(huán)冷卻水加入營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)后,預(yù)處理20 h,使初始異養(yǎng)菌的存活量達(dá)到107個(gè)/mL。然后,加入水樣(約為17 L),調(diào)節(jié)水流速度,使水溫等參數(shù)保持一致。正常運(yùn)行后,間隔固定時(shí)間取樣,將取樣后的循環(huán)冷卻水進(jìn)行稀釋和接種,并將接種的水樣倒入蛋白胨牛肉膏培養(yǎng)基中。待培養(yǎng)基凝固后,將其放入電熱恒溫培養(yǎng)箱中,在37 ℃的溫度下培養(yǎng)24 h之后,取出計(jì)數(shù),每組實(shí)驗(yàn)做三次重復(fù)實(shí)驗(yàn),取平均值,并通過(guò)殺菌率衡量殺菌效果。

由于方波信號(hào)具有磁感應(yīng)強(qiáng)度大、信號(hào)衰減小、穩(wěn)定度高等特點(diǎn),因此實(shí)驗(yàn)中使DDS信號(hào)發(fā)生器產(chǎn)生方波信號(hào)。然后,通過(guò)改變脈沖頻率、方波占空比、DDS信號(hào)發(fā)生器輸出電壓等參數(shù),得出脈沖磁場(chǎng)殺菌的最佳值。

3.2.1脈沖頻率對(duì)殺菌率的影響

將中間兩組相對(duì)線圈分別連接脈沖信號(hào)發(fā)生器,選擇方波波形,占空比為50%、輸出電壓為10 V、整個(gè)循環(huán)系統(tǒng)的流速為170 L/h、水溫為30 ℃,并分別選擇幾組不同的脈沖頻率,取5 min、1 h、4 h、6 h、10 h的水樣進(jìn)行實(shí)驗(yàn)。不同頻率下殺菌率隨時(shí)間的變化曲線如圖6所示。

圖6　不同脈沖頻率下的殺菌率曲線對(duì)比

由圖6可以看出:殺菌率隨時(shí)間的改變而變化,當(dāng)脈沖頻率為100 Hz和10 000 Hz時(shí),殺菌率先下降后上升,并在實(shí)驗(yàn)初期呈現(xiàn)負(fù)增長(zhǎng)趨勢(shì),在實(shí)驗(yàn)后期才開始起到殺菌作用;當(dāng)脈沖頻率為1500 Hz時(shí),整個(gè)實(shí)驗(yàn)過(guò)程幾乎都處于負(fù)增長(zhǎng)狀態(tài);當(dāng)脈沖頻率為1000 Hz時(shí),殺菌率始終保持正增長(zhǎng)狀態(tài),并且殺菌率隨著時(shí)間的增加而增大,最終在10 h的時(shí)候,殺菌率達(dá)到最大值,最大值為84.47%。由此可知,殺菌效果最佳的脈沖頻率為1000 Hz。

通過(guò)分析實(shí)驗(yàn)結(jié)果可知:每種生物都有自身的固有頻率,當(dāng)外加磁場(chǎng)頻率符合循環(huán)冷卻水中細(xì)菌的固有頻率時(shí),細(xì)菌將產(chǎn)生共振,其生理結(jié)構(gòu)受到破壞從而達(dá)到滅菌效果。但是,如果所選頻率為細(xì)菌所能吸收的頻率,則會(huì)刺激細(xì)菌的繁殖。

3.2.2方波占空比對(duì)殺菌率的影響

脈沖頻率選為1000 Hz,水溫為30 ℃,DDS信號(hào)發(fā)生器輸出電壓為10 V,選擇方波波形,整個(gè)循環(huán)系統(tǒng)流速為170 L/h,并分別選擇幾組不同的方波占空比,取5 min、1 h、4 h、6 h、10 h的水樣進(jìn)行實(shí)驗(yàn)。不同占空比下的殺菌率隨時(shí)間的變化曲線如圖7所示。

圖7　不同方波占空比下的殺菌率曲線對(duì)比

由圖7可以看出:當(dāng)方波占空比為10%與90%時(shí),在不同時(shí)間里殺菌率均出現(xiàn)負(fù)值,整個(gè)殺菌率曲線的走向波動(dòng)較大;當(dāng)方波占空比為50%時(shí),在10 h的時(shí)候,殺菌率達(dá)到最大值,最大值為84.47%。由此可知,殺菌效果最佳的方波占空比為50%。

3.3.3DDS信號(hào)發(fā)生器輸出電壓對(duì)殺菌率的影響

脈沖頻率選為1000 Hz,水溫為30 ℃,選擇方波波形,占空比為50%,整個(gè)循環(huán)系統(tǒng)流速為170 L/h,并分別選DDS信號(hào)發(fā)生器輸出電壓5 V、10 V、20 V,取5 min、1 h、4 h、6 h、10 h的水樣進(jìn)行實(shí)驗(yàn)。不同輸出電壓下的殺菌率隨時(shí)間的變化曲線如圖8所示。

圖8　不同輸出電壓下的殺菌率曲線對(duì)比

由圖8可以看出:當(dāng)輸出電壓為5 V時(shí),殺菌率隨著時(shí)間的變化先增加后減小,并在6 h之后小幅增加,最大殺菌率僅為29.1%;當(dāng)輸出電壓為10 V和20 V時(shí),殺菌率曲線隨著時(shí)間的增加而上升,但輸出電壓為20 V時(shí)的殺菌曲線上升速度低于輸出電壓為10 V時(shí)的殺菌曲線,當(dāng)輸出電壓為10 V時(shí),殺菌率達(dá)到最大值,最大值為85%。因此,當(dāng)DDS信號(hào)發(fā)生器輸出電壓為10 V時(shí),殺菌效果最明顯。

4　結(jié)　論

本文利用自制的電磁脈沖水處理箱連接DDS信號(hào)發(fā)生器做成的脈沖磁場(chǎng)水處理裝置對(duì)循環(huán)冷[LL]卻水進(jìn)行了異養(yǎng)菌滅活實(shí)驗(yàn),實(shí)驗(yàn)結(jié)果顯示,脈沖磁場(chǎng)對(duì)循環(huán)冷卻水中的異養(yǎng)菌具有如下抑制作用。

1) 循環(huán)冷卻水中的異養(yǎng)菌具有特定的致死頻率,只有當(dāng)外加頻率與異養(yǎng)菌的固有頻率相同或接近時(shí),才會(huì)與細(xì)菌發(fā)生共振現(xiàn)象使細(xì)菌死亡,但是當(dāng)外加頻率為細(xì)菌自身所能吸收的頻率時(shí),反而會(huì)刺激細(xì)菌生長(zhǎng)繁殖。在1000 Hz頻率下,殺菌效果較好,運(yùn)行10 h后,殺菌率能達(dá)到最大值(84.47%)。

2) 脈沖信號(hào)發(fā)生器的輸出電壓對(duì)殺菌率也有影響,但是殺菌率不是隨著輸出電壓的增大而增大,只有特定的輸出電壓才會(huì)達(dá)到較好的滅菌效果。當(dāng)輸出電壓為10 V時(shí),殺菌效果最好。

3) 當(dāng)方波的占空比不同時(shí),殺菌率也不同。方波占空比為50%時(shí),殺菌效果最好;占空比分別為10%和90%時(shí),殺菌曲線波動(dòng)起伏較大,均出現(xiàn)負(fù)增長(zhǎng)現(xiàn)象。

[1] 李良濤.電廠循環(huán)冷卻水化學(xué)穩(wěn)定處理試驗(yàn)研究[D].保定：華北電力大學(xué),2007.

LI Liangtao. Research on chemical stabilizing treatment of cooling water in power plant[D]. Boding:NCEPU, 2007.

[2] 吳澤舜,王寶貞.荷電納濾膜對(duì)無(wú)機(jī)物的分離[J].水處理技術(shù),2000,26(5):253-257.

WU Zeshun, WANG Baozhen. Study of ion solute removal with charged NF membrane[J]. Technology of Water Treatment, 2000,26(5):253-257.

[3] 劉智安.電廠水處理技術(shù)[M].北京:中國(guó)水利水電出版社,2009.

LIU Zhian. Technology of water treatment in power plant[M]. Beijing: China Water and Power Press, 2009.

[4] 劉智安.城市中水回用于火電廠循環(huán)冷卻水的處理工藝研究[D].保定：華北電力大學(xué),2007.

LIU Zhian. Research on the application of intermediate water of city in cooling water treatment in thermal power plant[D]. Boding:NCEPU, 2007.

[5] 馬海樂(lè),鄧玉林,儲(chǔ)金宇.生啤酒的磁激發(fā)脈沖電磁場(chǎng)殺菌的試驗(yàn)研究[J].食品科學(xué),2003,24(4):52-55.

MA Haile, DENG Yulin, CHU Jinyu. Sterilization of crude beer with magnetic inspired pulse electromagnetic field and analysis of its mechanism[J]. Food Science, 2003,24(4):52-55.

[6] 孫敏華,劉智安,吳昌將.脈沖變頻電磁場(chǎng)對(duì)電廠循環(huán)冷卻水微生物的控制研究[J].工業(yè)用水與廢水.2010,41(3):49-51.

SUN Minhua, LIU Zhian, WU Changjiang. Control of microorganism in circulating cooling water of power plant by pulsed magnetic field with varying frequency[J]. Industrial Water & Wastewater, 2010,41(3):49-51.

(責(zé)任編輯郭金光)

Research on sterilizing effect of cooling water based on variable frequency pulse electromagnetic field in thermal power plant

QI Chao

(Datang Harbin No.1 Thermal Power Plant,Harbin 150078, China)

This paper used self-designed pulse electromagnetic field water treating equipment to make sterilization experiments on cooling water in a thermal power plant, and studied the influence of the factors, including the frequency, square-wave duty ratio and output voltage of DDS signal generator, on sterilization rate. The results show that, when the water temperature, the flow velocity, the frequency, the square-wave duty ratio, the output voltage of DDS signal generator and the continuous sterilization time are respectively 30 ℃, 170 L/h, 1000 Hz, 50%, 10 V and 10 hours, the sterilization rate can reach the maximum value (84.5%). Therefore, it is proved that pulse electromagnetic field has a good sterilizing effect for cooling water.

variable frequency pulse electromagnetic field; thermal power plant; circulating cooling water; sterilizing effect

2016-01-02；

2016-01-16。

齊超(1988—),男,助理工程師,研究方向?yàn)檗r(nóng)業(yè)電氣化與自動(dòng)化、火電廠安全監(jiān)察管理。

TM621.8

A

2095-6843(2016)03-0278-05