組合式水力空化殺滅原水中病原微生物的試驗

李大慶,董志勇,楊 杰,張邵輝,柳文菁

(浙江工業(yè)大學(xué)建筑工程學(xué)院,浙江 杭州 310023)

水是人們?nèi)粘Ｉ畈豢苫蛉钡馁Y源,飲用水的安全與否影響著人們的身體健康狀況。隨著我國經(jīng)濟(jì)社會的快速發(fā)展,人們對飲用水的質(zhì)量要求也隨之提高。在傳統(tǒng)的飲用水消毒工藝中,以加氯消毒為主,這種消毒方法存在諸多問題,其在消毒的同時,氯與水體中有機(jī)物會因化學(xué)反應(yīng)而產(chǎn)生消毒副產(chǎn)物[1]。已有研究表明,這些消毒副產(chǎn)物具有致癌、致畸、致突變危害,時刻威脅著飲用水消費(fèi)者的健康[2]。水力空化是一種新型的飲用水處理技術(shù),水力空化瞬間產(chǎn)生1 000～5 000 K的高溫及1×109～5×109Pa的高壓可以強(qiáng)化一些物理化學(xué)過程?？栈轁绠a(chǎn)生巨大能量的同時伴有強(qiáng)烈的沖擊波和微射流[3],細(xì)胞會在這種極端條件下發(fā)生溶解,同時由于水分子的分裂反應(yīng)及鏈?zhǔn)椒磻?yīng)等化學(xué)過程產(chǎn)生羥基(·OH)和雙氧水(H2O2),破壞細(xì)胞的分子組成,使其失活,且不產(chǎn)生消毒副產(chǎn)物[4]。

近年來,國內(nèi)外學(xué)者針對水力空化技術(shù)在水處理中的應(yīng)用做了大量研究。1993年P(guān)andit等[5]首次利用水力空化技術(shù)水解紅花油與蓖麻油,結(jié)果表明水力空化的能耗比傳統(tǒng)方法低很多。其后武君等[6-8]通過試驗發(fā)現(xiàn)空化流場的流動特性受空化反應(yīng)器的水力參數(shù)影響顯著,而流動特性決定了處理效果。Arrojo等[9]以大腸桿菌作為指示菌,利用文丘里管作為水力空化發(fā)生器對水中大腸桿菌進(jìn)行了消毒處理,發(fā)現(xiàn)文丘里管的構(gòu)造參數(shù)會對大腸桿菌殺滅率產(chǎn)生影響,可以調(diào)整其參數(shù)充分利用水力空化效應(yīng),發(fā)現(xiàn)水力空化消毒法具有優(yōu)于常規(guī)物化消毒法的優(yōu)勢。楊亮等[10]通過對三角形孔口多孔板水力空化特性研究發(fā)現(xiàn),空化數(shù)的大小受三角形孔口多孔板幾何參數(shù)及開孔率的影響顯著。張凱等[11]利用粒子圖像測速儀(PIV)對三角形孔口多孔板下游空化流場進(jìn)行了測量,發(fā)現(xiàn)適當(dāng)調(diào)整孔口參數(shù)對多孔板下游紊動影響較大。張茜等[12]、陳樂等[13]進(jìn)行了水力空化殺滅大腸桿菌的試驗研究,分別選取三角形孔口多孔板、方形孔口多孔板作為水力空化發(fā)生器,得出一定范圍內(nèi)增加孔口的水流速度和孔口數(shù)量,適當(dāng)?shù)匮娱L水處理作用時間,選取合適的孔口排列方式和孔口尺寸,水力空化的消毒效果更好。劉昶等[14]進(jìn)行了圓孔多孔板水力空化殺滅大腸桿菌的試驗研究,結(jié)果表明適當(dāng)增加初始大腸桿菌濃度會得到更高的殺菌效率。王磊等[15]通過對變擴(kuò)散角文丘里式水力空化殺滅原水中病原微生物的試驗研究,得出選取合適的原水體積比、最佳的擴(kuò)散角以及適當(dāng)?shù)牧魉倏墒勾竽c桿菌殺滅率達(dá)到一個最大值。董志勇等[16]進(jìn)行了變喉部長徑比文丘里空化空蝕殺滅原水中病原微生物的試驗研究,結(jié)果表明流速較低時，殺滅率隨喉部長徑比的增大而增大；流速較高時，殺滅率幾乎與喉部長徑比無關(guān)。

以上研究都是采用單一類型的水力空化裝置,本文采用自主研發(fā)的由三角形孔口多孔板與文丘里管構(gòu)成的組合形式水力空化裝置,選取菌落總數(shù)和大腸桿菌為兩種指示微生物,研究水力空化對水中菌落總數(shù)和大腸桿菌的殺滅效果,分析三角形孔口多孔板的孔口數(shù)量、孔口排列方式、文丘里的擴(kuò)散段擴(kuò)散角、原水體積比等對大腸桿菌和菌落總數(shù)殺滅率的影響。

1 試驗方法

1.1 試驗設(shè)備

1—反應(yīng)內(nèi)桶;2—水泵組合;3—閘閥;4—壓力測量表;5—工作段組合;6—轉(zhuǎn)子流量計圖1 水力空化裝置

試驗在浙江工業(yè)大學(xué)水力學(xué)實驗室中進(jìn)行,主要試驗設(shè)備包括:生物顯微鏡(YYS-300)、醫(yī)用超凈工作臺(SW-CJ-1FD)、臺式恒溫振蕩器(THZ-312)、臺式快速蒸汽滅菌器(TM-XB24J)、生化培養(yǎng)箱(LRH-150)、水力空化裝置等。其中水力空化裝置是一套自主研發(fā)的封閉式水力循環(huán)系統(tǒng)(圖1),兩臺串聯(lián)離心泵將內(nèi)筒中的水抽送到工作段然后分流,一部分水經(jīng)過轉(zhuǎn)子流量計回流至內(nèi)筒,另一部分水通過旁通管直接回流至內(nèi)筒。工作段為空化空蝕反應(yīng)器,由三角形孔口多孔板與文丘里管段組合而成,孔板為邊長50 mm、厚5 mm的不銹鋼板,其后為方形觀察段,多孔板嵌入在觀察段入口處,前后端通過方圓接口與管道系統(tǒng)相連。文丘里管為不銹鋼板,觀察段和喉部兩側(cè)及頂部由有機(jī)玻璃加工而成,各管段底部均勻設(shè)有測壓點。

試驗設(shè)計3塊三角形孔口多孔板對應(yīng)4種文丘里管,共12種組合方式。多孔板均為邊長50 mm的方形,板內(nèi)過水?dāng)嗝婷娣e(即孔口總面積)相同,3塊多孔板分別為:交錯式排列25孔三角孔多孔板,孔口邊長4 mm;棋盤式排列25孔三角孔多孔板,孔口邊長4 mm;棋盤式排列9孔三角孔多孔板,孔口邊長6.7 mm(見圖2)。文丘里擴(kuò)散段設(shè)計有2種不同的擴(kuò)散角,分別是α=4.3°、5.7°,喉部設(shè)計有2種不同的長度,分別是L=150 mm、200 mm。

圖2 三角形孔口多孔板

1.2 試驗水樣

試驗原水水樣取自杭州市區(qū)非飲用水源勝利河,選取原水中大腸桿菌和菌落總數(shù)作為指示菌,原水水樣依次按照體積比為0%、25%、50%、75%、100%與自來水混合均勻,配制成112 L試驗水樣,待試驗處理。原水水樣菌落總數(shù)初始濃度為1.1×104～1.4×104CFU/mL,大腸桿菌初始濃度為0.7×105～1.1×105CFU/mL。

1.3 試驗過程與分析方法

試驗前先將冷卻外筒注滿自來水以備冷卻試驗水樣,再往反應(yīng)內(nèi)筒內(nèi)倒入配制好的試驗水樣,然后按照試驗所需開啟或關(guān)閉管路控制閥門,先后開啟雙泵,使試驗水樣依次通過多孔板與文丘里管,用標(biāo)好編號并經(jīng)高壓蒸汽滅菌鍋滅菌30 min后的有蓋試管在循環(huán)內(nèi)筒中分別提取0 min、2 min、5 min、10 min、15 min共5個時間點水樣。分析取得的水樣,將取得的水樣在無菌操作臺上接種至瓊脂培養(yǎng)基上,然后置于培養(yǎng)箱內(nèi)培養(yǎng)48 h后計數(shù)。最后通過實際計數(shù)結(jié)果分析大腸桿菌和菌落總數(shù)的殺滅效果和殺滅機(jī)理。為保證數(shù)據(jù)可靠性,試驗設(shè)置多組平行樣本以及對照組。

試驗中經(jīng)水力空化作用后的菌落總數(shù)和大腸桿菌活菌的數(shù)量均采用EMB(伊紅美藍(lán)瓊脂培養(yǎng)基)平板計數(shù)法來檢測,菌落總數(shù)和大腸桿菌殺滅率計算公式為

%

(1)

式中:ε為大腸桿菌或菌落總數(shù)殺滅率;Nq為取樣時間為第q分鐘的水樣菌落數(shù);N為該組實驗原水中水樣菌落數(shù)。

2 試驗結(jié)果與分析

2.1 擴(kuò)散角對殺滅率的影響

文丘里管擴(kuò)散角的改變會導(dǎo)致整個水力空化環(huán)境的改變,從而影響空化空蝕作用對病原微生物的殺滅效果。選取25孔棋盤式排列三角形孔口多孔板,原水體積比為50%,L=150 mm,空化空蝕作用時間為15 min,其他條件一致情況下,改變擴(kuò)散角α進(jìn)行試驗,試驗結(jié)果如圖3所示。

圖3 文丘里管擴(kuò)散角對殺滅率的影響

由圖3可知,相同條件下,α=4.3°的水力空化裝置雙泵運(yùn)行15 min后對菌落總數(shù)和大腸桿菌的殺滅率分別為90.16%和97.44%,而α=5.7°的水力空化裝置殺滅率分別為84.54%和88.17%。這是因為在一定范圍內(nèi),壓力隨著擴(kuò)散角的增大而減小,水力空化作用相應(yīng)減弱,殺滅率隨之降低。

2.2 孔口數(shù)量對殺滅率的影響

孔口數(shù)量是影響水力空化作用的重要因素,其改變會影響多孔板多股射流摻混效果,從而影響空化空蝕作用,導(dǎo)致殺滅率的差異。選取原水體積比為50%,α=4.3°,L=150 mm,排列方式為棋盤式排列,空化空蝕作用時間為15 min,在其他條件一致的情況下,改變孔口數(shù)量進(jìn)行試驗,得到孔口數(shù)量對殺滅率的影響如圖4所示。

圖4 孔口數(shù)量對殺滅率的影響

由圖4可知,相同條件下雙泵運(yùn)行15 min,25孔棋盤式排列多孔板與文丘里管組合對菌落總數(shù)和大腸桿菌的殺滅率分別為90.16%和97.44%,9孔棋盤式排列多孔板與文丘里管組合對菌落總數(shù)和大腸桿菌的殺滅率分別為82.29%和95.31%。這是因為當(dāng)孔口數(shù)量由9孔增至25孔時,水流通過多孔板時的多股射流摻混作用增強(qiáng),空化程度增強(qiáng),殺滅率隨之增大。

2.3 孔口排列方式對殺滅率的影響

選取孔口數(shù)量為25孔的三角形孔口多孔板,原水體積比為50%，α=4.3°,L=150 mm,空化空蝕作用時間為15 min,在其他條件一致的情況下,改變孔口排列方式(分別為棋盤式排列和交錯式排列)進(jìn)行試驗?？卓谂帕蟹绞綄缏实挠绊懭鐖D5所示。由圖5可知,交錯式排列的多孔板與文丘里管組合對菌落總數(shù)和大腸桿菌的殺滅率分別為92.37%和98.60%,大于棋盤式排列的多孔板與文丘里管組合對菌落總數(shù)和大腸桿菌的殺滅率90.16%和97.44%,表明交錯式排列的多孔板摻混作用更強(qiáng),處理效果更好。

圖5 孔口排列方式對殺滅率的影響

2.4 原水體積比對殺滅率的影響

選取α=4.3°、L=150 mm的文丘里管與3種三角形孔口多孔板:25孔交錯式排列、25孔棋盤式排列、9孔棋盤式排列的組合(為簡化,下文及圖6中3種組合分別以B1、B2、B3表示),空化空蝕作用時間為15 min,在其他條件一致的情況下,改變原水的體積比進(jìn)行試驗,得到原水體積比與殺滅率的關(guān)系如圖6所示。

圖6 原水體積比與殺滅率的關(guān)系

從圖6中可以看出,對于B1、B2 、B3這3種組合,菌落總數(shù)和大腸桿菌的殺滅率變化趨勢是一致的:殺滅率隨原水體積比上升先增大后減小。B1、B2、B3這3種組合下,原水體積比為75%時大腸桿菌殺滅率最大,分別為98.74%、98.48%、96.25%;B1、B3組合下原水體積比為75%時菌落總數(shù)殺滅率最大,分別為94.12%、83.26%,B2組合下原水體積比為50%時菌落總數(shù)殺滅率最大,為90.16%。這是因為一定范圍內(nèi),原水體積比增加會使微生物參與水力空化反應(yīng)的概率增加,從而使殺滅率增大;當(dāng)殺滅率達(dá)到最大值,繼續(xù)增加原水體積比,水力空化作用不足以殺滅更多的病原微生物,殺滅率降低。

2.5 空化數(shù)對殺滅率的影響

根據(jù)有關(guān)文獻(xiàn)[17],空化數(shù)σ通常用來描述流動條件與空化強(qiáng)度的關(guān)系,其表達(dá)式為

(2)

式中:p為測點絕對壓強(qiáng);pv為飽和蒸汽壓強(qiáng);ρ為液體密度;v為多孔板孔口流速。

圖7 不同孔板各測壓點的空化數(shù)

圖8 不同組合方式與殺滅率的關(guān)系

選取B1、B2、B3這3種組合為例,試驗水溫為57℃,對應(yīng)的飽和蒸氣壓為17.312 kPa,原水體積比為50%,雙泵運(yùn)行下水力空化作用時間為15 min,采用YE6263壓力數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)采集各測壓點壓力值,不同孔板各測壓點的空化數(shù)如圖7所示,不同組合方式對殺滅率的影響如圖8所示。結(jié)合圖7和圖8可以得出,空化數(shù)較低的25孔交錯式排列殺滅效果會更好一些,處理15 min菌落總數(shù)和大腸桿菌殺滅率分別可以達(dá)到92.37%和98.60%。這是因為空化現(xiàn)象發(fā)生于空化數(shù)小于初生空化數(shù)時,且隨著空化數(shù)的減小,空化現(xiàn)象愈加劇烈,流動狀態(tài)由空化發(fā)生初期單相流向二相空泡流轉(zhuǎn)變,再發(fā)展為二相環(huán)形噴射流[18],對病原微生物的殺滅率也就更好一些。

3 結(jié) 論

a. 孔口總面積相同的情況下,孔口數(shù)量增加,能夠提高多股射流的摻混效果,增強(qiáng)空化空蝕作用,增大菌落總數(shù)和大腸桿菌的殺滅效果。

b. 相較于棋盤式排列的多孔板與文丘里管組合,交錯式排列的多孔板與文丘里管組合可提高水流摻混強(qiáng)度,增大菌落總數(shù)和大腸桿菌的殺滅率。

c. 對于不同的多孔板與文丘里管組合,菌落總數(shù)和大腸桿菌存在不同的最佳原水體積比。選取適合的原水體積比能夠更高效地利用空化效應(yīng)殺滅病原微生物。

d. 較低空化數(shù)具有更強(qiáng)烈的水力空化現(xiàn)象,可以通過調(diào)整空化反應(yīng)器參數(shù)來降低空化數(shù),提高病原微生物的殺滅率。