（环境工程专业论文）高强度脉冲磁场处理含菌废水的实验研究.pdf

独创性声目月 本人郑重声明：所呈交的学位论文，是本人在导师的指导下，独立 进行研究工作所取得的成果。除文中已注明引用的内容以外，本论文不 包含任何其他个人或集体已经发表或撰写过的作品成果。对本文的研究 做出重要贡献的个人和集体，均已在文中以明确方式标明。本人完全意 识到本声明的法律结果由本人承担口 f # 学位论文作者签名j王伟 日期：如年占月ye l r k n 3 - 一 挂 高强度脉冲磁场处理含菌废水的实验研究 o n h i g h - i n t e n s i t yp u l s e dm a g n e t i cf i e l dd i s p o s i n g s e w a g et h a tc o n t a i n sb a c t e r i u m 姓 2 0 0 6 年6 月 一 _ l k 嘶 7 i 江 苏 大 学 硕士 学 位论 文 摘要 脉冲磁场杀菌是一种物理非热杀菌技术，与传统的物理和化学灭菌法相比， 杀菌能力强，作用快，且无毒害残留因而不会造成二次污染，是一种新的很有前 景的杀菌技术。因此近年来受到人们越来越多的关注。 论文在对处理室进行设计并对磁场分布进行计算的基础上，以污水杂菌、大 肠杆菌、金黄色葡萄球菌和枯草芽孢杆菌为代表菌种，研究了磁场强度、脉冲数 等物理因素和温度、初始菌落数、p h 值等介质特性对不同菌种的杀灭效果。根据 实验、计算和分析结果探讨了杀菌的主要作用机制，分析了不同实验因素对杀菌 效果的影响规律及主次关系，并找出最佳参数组合。 研究表明： ( 1 ) 当脉冲电流频率较小时，处理室内磁场可近似看成均匀分布。随着 的增大，管内磁场的分布将变成非均匀，且中心处磁场较大，边缘处磁场较小。 ( 2 ) 随着磁场强度的增大，杀菌率先升高再降低后又升高；杀菌率随着脉冲 数的增加总体趋于上升，但存在一定的波动；介质温度越高，杀菌效果越好，但 这个温度远低于热致死温度范围；杀菌率随p h 值的升高而先升高后降低，在p h 值为4 5 左右时出现峰值，杀菌效果最好，即介质偏酸性时杀菌效果较好：杀菌率 随着初始菌落数的增加而升高，初始菌落数越高，杀菌效果越好。 ( 3 ) 杀菌的主要作用机制都是脉冲磁场对细胞膜特性的影响，最终导致细胞 膜上的信号转换系统紊乱，离子在细胞内液和外液中的浓度失衡由此改变基因转 录及细胞代谢活动和生理功能。 ( 4 ) 影响脉冲磁场对污水细菌总数杀菌效果的因素主次顺序为磁场强度 温 度 脉冲数 p h 值；影响脉冲磁场对污水大肠菌群杀菌效果的因素主次顺序为磁场 强度 温度 p h 值 脉冲数。最佳参数组合为磁场强度6 3 3 t ，污水温度4 0 ，脉 冲数为2 0 ，p h 值为6 。最佳参数组合下，污水的细菌总数和大肠菌群数杀菌率分 别为9 6 8 和9 7 2 。 关键词：生活污水，脉冲磁场，杀菌技术，细菌，大肠杆菌 一 a b s t r a c t p u i s e dm a g n e t i cf i e l ds t e r i l i z a t i o ni sa k i n do fp h y s i c a ln o n t h e n n a ls t e r i l i z a t i o n t e c h n o l o g y , c o m p a r e dw i t ht r a d i t i o n a lp h y s i c a la n dc h e m i c a ls t e r i l i z a t i o nm e m o d s i t n a ss 叻n gs t 鲥l i z a t i o na b i l i t ya n dq u i c kf u n c t i o n ，d o s e n t c a u s es e c o n dp o l l u t i o nf o r n a v l n g p o m o n 阳s i d u e ，s oi t sap r o m i s i n gn e ws t e r i l i z a t i o nt e c h n o l 哪胁i t h a s b e e np a i dm o r ea n dm o r e a t t e n t i o ni nr e c e n ty e a r s 1 q t i sa r t l c l e1 sb a s e do nt h ed e s i g no f t h ep r o c e s s i n gr o o ma z l do n 舭c a i c u i a t i o n o f 舭m a g n e t i cf i e l dd i s t r i b u t i o n , t a k i n gt h ei m p u r i t yf u n g u so ft h es e w a g e ，e s c h e r i c l l i a c o l i , g o l d e ns t a p h y l o c o c c u sa n db a c i l l u s s u b t i l i sa s r e p r e s e n t a t i v e ， s t u d i e dt h e s t e n l l z a n o ne f f e c to fp h y s i c a lf a c t o r ss u c ha s m a g n e t i cf i e l ds 臼e n 蚰，p u l s en 啪b e ra 1 1 d 腓d i mc h 觚t e r i s t i cs u c ha st e m p e r a t u r e ，i n i t i a ln u m b e ro f m i c r o o r g 砌s ma 1 1 dp ho n d l n e r e n tb a c t e r i a s p e c i e s i tp o i n t e do u tt h em a i nm e c h a i l i s mo ft h e s t e r i l i z a t i o n a c c o r d m gt ot h ee x p e r i m e n t ，t h ec o m p u t a t i o na n dt h ea n a l y s i sr e s u l t s i ta l s oa z l a l v z e d t l l e1 时1 呦c i 甜d i s c i p l i n a r i a na n dt h ef a c t o ro r d e r o fd i f f e r e n te x p e r i m e n t a lf a c t o r st o 也e s t e r i l i z a t i o ne f f e c t ，a n df o u n do u tt h eo p t i m a l p a r a m e t e r s r e s u l t ss h o w ： ( 1 ) t h ed i s t r i b u t i n go fm a g n e t i cf i e l di su n i f o r mi nt h et r e a t m e n tc h 锄b e r 、池e n t 1 1 e t r e q u e n c yo fp u l s ec u r r e n t ( ) i sl e s s nb e c o m e sn o u n i f o r m w i t h i n c r e a s i 工l g ，a 1 1 di t i sb i gi nt h ec e n t e r , s m a l li nt h ee d g e ( 2 ) t h er e m o v a le f f i c i e n c yo fb a c t e r i u mf i r s tr i s e st h e nd r o p sa n dm e n r i s e sa g a i n ， w i t ht h e1 n c r e a s i n go f t h em a g n e t i cf i e l ds t r e n g t h t h er e m o v 2 l le 筒c i e n c y0 f b a c t 嘶u m b a s l c l yn s e sw i t l lt h e i n c r e a s i n g o ft h e p u l s en u m b e r t h er e m o v a l r a t eo f 删c r o o r g 砌s mn s e s 谢廿la ni n c r e a s ei nt h et e m p e r a t u r e f u r t h e r m o r e ，t h et e m d e r a t u r e s e m p l o y e dmt h ep r e s e n ts t u d ya r ef a rb e l o wp a s t e u r i z a t i o nt e m p e r 栅e mr e m o v a l e 蛳e m yo fb a c t u mf i r s tr i s e sa n dt h e n d r o p s ，w i t ht h ei n c ：r e a s i n go fp h t h e r e m o v a le 丘1 c l e n c yo fb a c t e r i u mr i s e sw i t ht h e i n c r e a s i n go fi n i t i a lb a c t e r i u m t h em o r e t h ei n i t i a lb a c t e r i u m i s ，t h eb e t t e rt h er e l n o v 甜e c ti s t h em 锄m h a n i s mo ft h es t e r i l i z a t i o ni st h ei n f l u e n c eo f t h ep u i s e dm a g n e t i c f i e l dt 0t l l ec e l lm e m b 姗c h a r a c t e r i s t i c ，w h i c h f i n a l l yc a u s e sd i s o r d e ro ft h es i g n a l 订a 1 1 s f o m l a t l o ns y s t e mi nt h ec e l lm e m b r a n ea n dt h eu n b a l a n c eo fi o n c o n c e n m l t i o n 麟1 d em en u i da n do u t s i d et h ef l u i d ，a n dt h e r e f o r e c h a n g e sg e n e t i ct r a n s c r i p t i o na 1 1 d 恤 m e t a b o l i s ma c t i v i t ya n dt h ep h y s i o l o g i c a lf u n c t i o no f t h ec e l l 江 苏 大 学 硕 士 学 位论 文 ( 4 ) f a c t o ro r d e ro fb a c t e r i c i d a le f f e c to ft h ep u l s e dm a g n e t i cf i e l do ns e w a g ei s ： m a g n e t i cf i e l ds t r e n g t h t e m p e r a t u r e p u l s e dn u m b e r p h o p t i m a lp a r a m e t e ra s s e m b l e i sm a g n e t i cf i e l ds t r e n g t h6 3 3 t , t e m p e r a t u r e4 0 c ，p u l s e dn u m b e r2 0a n dp h6 u n d e r t h eo p t i m a lp a r a m e t e ra s s e m b l i n g ，t h er e m o v a lr a t eo ft o t a lb a c t e r i u ma n dc o l i f o r mi s 9 6 8 a n d9 7 2 r e s p e c t i v e l y k e yw o r d s ：s e w a g e ，p u l s e dm a g n e t i cf i e l d ，s t e r i l i z a t i o nt e c h n o l o g y , b a c t e r i u m ， c o l i f o r l t l i i i t 江 苏大 学 硕士 学 位论文 第一章 1 1 1 2 1 3 1 4 第二章 2 1 2 2 2 3 第三章 3 1 3 4 第四章 4 1 目录 绪论1 选题的目的和意义l 国内外研究现状3 研究的实际应用价值和现实意义6 研究的主要内容”7 处理室的设计与磁场计算8 处理室中的磁场分布计算8 2 1 1 磁场均匀分布的条件9 2 1 2 交变磁场的分布9 2 1 3 螺线管中无导体情况下的磁场分布1 0 介质温度的时空分布1 1 2 2 1 实验材料1 1 2 2 2 仪器设备1 1 2 2 3实验方法1 1 2 2 4 结果与讨论1 2 以、结“1 6 脉冲磁场对不同菌种的杀灭效果1 7 实验材料与仪器设备1 7 3 1 1 实验材料1 7 3 1 2 仪器设备1 8 实验方法18 3 2 1 菌种的培养一1 8 3 2 2 样品制作1 8 3 2 3 脉冲磁场杀菌设备的操作1 8 3 2 4 杀菌效果的检验l9 结果与讨论“2 0 3 3 1脉冲磁场特征因素对杀菌效果的影响2 0 3 3 2 介质特性对杀菌效果的影响2 2 小结“2 4 脉冲磁场对含菌废水的杀菌效果及其分析2 5 仪器设备及采样2 5 4 1 1仪器设备2 5 江 苏大 学 硕 士 学 位论文 4 2 4 4 第五章 5 1 5 2 5 3 4 1 2 水样采集2 5 实验方法2 6 4 2 1电磁杀菌设备的操作2 6 4 2 2 培养基及其制备2 6 4 2 3 水中细菌总数的测定”2 8 4 2 4 水中总大肠菌群的测定3 1 结果与讨论”3 4 4 3 1 磁场强度对杀菌效果的影响3 4 4 3 2 脉冲数对杀菌效果的影响一3 4 4 3 3 温度对杀菌效果的影响3 5 4 3 4 p h 值对杀菌效果的影响3 5 4 3 5 杀菌效果的最佳参数组合3 6 小结”4 5 脉冲电磁场杀菌机理分析”4 6 现有的脉冲电磁场杀菌的理论学说”4 6 5 1 1高压脉冲电场杀菌的几种理论学说”4 6 5 1 2 常规电压自发脉冲放电杀菌的机理”4 7 5 1 3 脉冲磁场杀菌的几种理论学说4 8 脉冲磁场杀菌机理探讨5 0 关于生物模型对杀菌机理的分析51 5 3 1磁场强度与杀菌效果的关系分析5 l 5 3 2 脉冲数与杀菌效果的关系分析5 2 5 3 3 温度与杀菌效果的关系分析5 3 5 3 4 p h 值与杀菌效果的关系分析5 3 5 3 5 初始菌落数与杀菌效果的关系分析5 4 5 4 小结5 4 第六章总结与展望 5 5 6 1全文总结5 5 6 2 尚需进一步研究的方向。5 6 参考文献 致谢 硕士在读期间发表的论文 v 6 0 k f 江 苏 大 学 硕 士 学位论文 第一章绪论 1 1 选题的目的和意义 消毒灭菌法主要分为化学消毒灭菌法和物理消毒灭菌法。传统的化学消毒方 法在给水和污水处理中被普遍采用，常用的有臭氧消毒法、加氯消毒法以及加入 其它净水剂和消毒剂如二氧化氯、次氯酸钠、氯胺等的方法；物理消毒法有紫外 线消毒等【i 】。但是由于加药消毒法一般都会或多或少产生有害的消毒副产物，而臭 氧消毒消耗量大，不经济，而且尾气处理不当会造成空气污染。水处理界的人士 又曾经把目光集中到紫外线消毒法上，紫外线消毒法也有如下缺点：紫外线的灭 菌作用只在其辐照期间有效，所以被处理的水一旦离开消毒器就不具有残余的消 毒能力，容易遭受二次污染 2 1 。于是近年来世界各国正在研究新的杀菌技术，电磁 杀菌技术便是其中很有前景的一种技术。 电磁杀菌属于物理非热杀菌( 即物理冷杀菌) 。非热效应( a t h e r m a le f f e c t ) 是生 物电磁学关注的热点。所谓磁场的非热效应，是指磁场通过使生物体温度升高的 热作用以外的方式改变生理生化过程的效应【3 】。这种观点提出以后经历了否定之否 定的过程，而至今也没有得到完全彻底的确认。非热效应的特点是非线性、相干 性、协同性以及阈值性和窗特性，由于这种技术在杀菌过程中温度不升高或升高 很低，有利于保持物料成分的生理活性，尤其在难于采取加热方式的环境下以及 对于不宜被加热的物料，弥补了热力杀菌的不足 4 1 。非热杀菌技术应用了压力、电 场、磁场、辐射场等能量场技术，且使用电、磁场杀菌技术由于装备较为容易实 现，更具经济性，因此是一项具有巨大潜力的杀菌新技术【5 6 1 。 电磁杀菌可分为电杀菌和磁杀菌。使生物体放出巨大的能量，利用电磁脉冲的 生物学效应来杀菌主要是利用非热效应【7 】。电杀菌主要利用脉冲放电产生的电化学 效应、热学和力学效应等杀菌，有高压脉冲电场杀菌、常规电压自发脉冲放电杀 菌及静电杀菌等方法【8 】。磁杀菌主要利用强磁场作用来杀菌。 电磁场的杀菌原理：电磁场与生物系统相互作用，将导致不同生物层次上诸如 形态、结构、功能等方面的变化。这种生物学效应又分为热效应与非热效应两种。 热效应指生物体吸收电磁波的能量后，体温度升高，从而产生的各种生物功能变 化。而非热效应即在电磁波的作用下，生物体内不产生明显的升温，却可以产生 江 苏大学 硕 士 学位论 文 强烈的生物响应，使生物体内发生各种生理、生化和功能的变化，并表现出频率 和功率选择，非热效应往往发生在远离平衡态的情况下，生物体对电磁波的响应 是非线性的，由外界小能量的诱导可以使生物体放出巨大的能量。 生物材料的磁导率与真空中的磁导率相近，因此磁场更容易透入生物体【9 j 。对 细菌细胞而言，在脉冲磁场的作用下，由于脉冲时延短，磁场的变化率很大，将 激励起细胞内的感应电流【l o 】。研究表明：脉冲磁场对细胞的效应取决于细胞的种 类和大小，不同种类、大小的细胞对脉冲磁场的承受程度不同。脉冲磁场对细胞 产生生物效应的机理如下：由于磁场的瞬间出现和消失，必然在细胞内产生一瞬 变的磁通量，由于磁通量的变化产生感应电势e = d 巾d t = s d b d t u j ，s 是磁场垂直穿 过细胞的截面。 感应电流密度j - e ( s r ) = r l d b d t 。此感应电流的大小、方向和形式是对细胞产 生生物效应的主要原因。感应电流越强，生物效应就越明显。感应电流与磁场的 相互作用力可以破坏细胞正常的形态、结构和功能，如使细胞表面发生破损变形 等。另一方面由于细胞膜具有一定的电阻，感应电流在膜的两侧产生一定的电位 差，从而改变了细胞的膜电位，使细胞膜受到破坏【5 】。在磁场作用下，带电粒子特 别是质量较小的电子和离子运动受到束缚，被限制在一定的范围内，不能正常地 跨膜迁移，因此细胞正常的生理功能无法实现。对于大分子生命物质( 如酶) 来 说，它们的构相会发生扭曲或变形，正常的生理功能同样遭到破坏。 利用电磁场能量进行水处理是一个相当复杂的过程，在整个处理过程中伴随着 各种物理反应、化学反应和生物反应。实验证明，各种在水中产生的反应和作用都 不是在同一磁场驱动下产生的，而是分别对应于某种频率的磁场进行的有效反应。 研究表明，脉冲磁场与恒定磁场相比，产生的生物效应更为明显。磁场对微生物细 胞产生生物学效应的过程，不是对某个或某些组分的一种或几种作用的结果，而是 对这个细胞中的各个组分多方面作用的综合反映。某一个作用因素的变化有可能就 会出现不同的结果。 脉冲电磁场的生物学效应是生物电磁学最新的一个领域，生物学效应主要发 生在细胞膜上，生物体在脉冲电磁场的作用下使细胞膜在原有静息膜电位的基础 上，产生一个新的跨膜电位。由外场产生的激励电流随入射到细胞膜上的电磁波 的变化而变化，脉冲磁场产生的电磁脉冲包含有丰富的频谱，易于被细胞吸收。 随着磁场的增强，入射的电磁波激励的电流也增强，从而导致膜电压上升，一旦 2 夕 k 黾_ 0 江 苏大学 硕士 学位论文 达到临界值，就可能导致细胞膜的破坏，从而影响细菌的存活率。 脉冲磁场对细胞特性的影响：当用脉冲磁场辐射细胞时，可认为细胞是静止 不动的，但由于磁场的瞬间出现和消失，必然在细胞内产生一瞬间的磁通量，细 胞在磁场的辐射下产生的感应电流与磁场相互作用的力将细胞破坏。磁场下，细 胞中的带电粒子尤其是质量小的电子和离子，由于受到洛仑兹力的影响，其运动 轨迹被束缚在拉默半径内，磁场越大拉默半径越小，导致了细胞内的电子和离子 不能正常传递，从而影响细胞正常的生理功能【1 2 1 。对于带有不同电荷基团的大分 子( 如酶) 等则因在磁场下，不同电荷的运动方向不同而导致大分子构相的扭曲 或变形，从而改变了酶的活性，因而细胞正常的生理活动受到影响。 目前，电磁杀菌技术的研究和应用已越来越受到人们的重视，许多研究人员 都对其展开了研究，提出了一些理论见解。有关学者提出对磁场的作用也应考虑 到其变化的情况，即交变磁场和脉冲磁场的作用与恒定磁场的作用有所不同，而 对其研究却甚少。同时电磁杀菌技术在环境工程中的应用则主要是作为环保水处 理技术，对于电磁水处理的研究多是集中在其防垢、除垢作用上，应用电磁杀菌 对废水和污水进行杀菌处理的研究则不多见。对于电磁水处理灭菌机理的解释有 多种，并没有统一完善的认识，对于电磁灭菌作用的各个影响因素的研究也很少 见。 基于这种思想，课题提出对脉冲磁场杀菌的研究。课题研究主要是利用自行 研制的脉冲磁场杀菌设备对工业废水和生活污水进行处理，进一步探讨电磁杀菌 的机理，并对影响电磁杀菌效果的各个因素诸如磁场强度、脉冲数( 作用时间) 等物理因素和温度、初始菌落数、p h 值等介质特性进行研究，分析各因素对杀菌 效果的影响规律，探寻对不同水质在不同条件下进行杀菌处理的最佳参数组合。 1 2国内外研究现状 高压脉冲电场杀菌的原理是在2 个电极间产生瞬间高压，以脉冲电场作用于物 质。关于高压脉冲电场杀菌的机理，现有多种假说，主要有：细胞膜穿孔效应、 电磁机制模型、粘弹极性形成模型、电解产物理论、臭氧效应理论等。大多数学 者认同电磁场对细胞膜的影响。国内外众多学者就适当强度的脉冲电磁场作用下 细胞膜发生电穿孔的现象展开了机理研究与应用实践。 细胞膜穿孔效应假说认为，细胞膜由镶嵌蛋白质的磷脂双分子层构成，它带 江苏大 学 硕 士 学位论 文 有一定的电荷，具有一定的通透性，也具有一定的强度。膜的外表面与膜内具有 一定的电势差。当细胞膜上加一个外加电场时，这个电场会使膜内外电势差增大。 此时，细胞膜的通透性也增强，当电场强度增大到一个临界值时，细胞膜的通透 性剧增，膜上出现许多小孔，使膜的强度降低。同时所加电场为一脉冲电场，在 极短时间内电压剧烈波动，在膜上产生了振荡效应。孔的加大和振荡效应的共同 作用能使细胞发生崩溃。 常规电压自发脉冲放电杀菌是在常压或低压下，通过脉冲放电来杀菌。常规 电压比高压电场杀菌更具安全性和经济性。目前此方法的理论研究主要集中在液 态原料的杀菌上。常规电压自发脉冲放电杀菌的机理主要是电化学杀菌、冲击波 空化杀菌、磁力杀菌和热杀菌等综合作用的结果。电化学杀菌及冲击波空化杀菌 起主导作用。在液体中脉冲放电会形成1 个主放电通道和无数个弱放电通道。在 放电杀菌时主放电通道中心温度极高，微生物不能存活，但由于主放电通道区间 极小，在测量处理液体温度时发现，离主放电通道较近和较远处的液体温度相差 较大，这说明放电时被处理液体没有产生比较强烈的对流。另外，即使是主放电 通道周围液体，其温度也不高，不足以完全杀灭细菌。因此放电杀菌的主要机理 不是热杀菌。 静电杀菌是用静电电晕放电所产生的离子雾和臭氧处理食品。例如在酱油的 静电杀菌处理中就是采用负电晕电场。静电杀菌的“电子雪崩”学说介绍液体表面与 电晕线之间留有一定的间隙。由于空气中存在少量的电子和正离子( 约2 ( 1 0 2 - 一1 0 3 ) 个e m 3 ) ，故带电粒子在强电场的作用下被加速，与中性粒子或原子不断发生碰撞， 使分子电离，在电离线附近产生“电子雪崩”。此外，高压静电场还可引起细菌细胞 膜的“压缩”( 电致压缩) ，当这种“压缩”超过膜的压缩弹性模量时，细菌细胞膜即 出现“击穿”，从而达到杀菌的目的。 目前，有关学者对磁力杀菌的理论解释为振荡磁场对生物体细胞的抑制效应。 苏联生物物理所v a l e r il e d n e r 提出，振荡磁场能松驰离子和蛋白质之间的键，键的 松弛可能影响细胞的代谢活动而使微生物失活。英国研究人员观察到，在有稳定 的背景磁场如地磁场存在的情况下，在特定频率即离子回旋加速度共振频率附近， 振荡磁场对生物影响更加明显。当回旋加速共振发生时，能量有选择地转移到具 有等价于磁场频率的离子上，从而导致速度和离子迁移的增加，离子网状运动的 增加，使磁场强度的反应在物料组织中慢慢扩散。这种扩散使微生物的正常代谢 4 江 苏 大 学 硕士 学位论 文 受到影响而失活。 h o f m a n n 基于振荡磁场可能将能量偶合到大临界分子女h d n a 的磁化活性部分 的理论来解释微生物失活。不断地振动和偶极的集聚，足够的局部活化可能产生 d n a 分子中共价键的分解，从而使微生物生长受到抑制。 电磁法作为一种绿色环保水处理技术已有1 0 0 多年的历史，目前主要应用于工 业循环水的除垢和抑垢领域。近年来，电磁场的生物效应愈来愈受到人们的关注。 对于水的杀菌消毒问题目前主要采用化学药剂的方法，这种方法的缺陷在于投加 的杀菌剂会改变水的化学成分，带入有毒的化学副产物造成处理水质的二次污染。 因此物理方法就成为替代化学药剂的研究热点，主要包括高压静电场、脉冲磁场、 强光脉冲等。利用脉冲磁场灭菌研究已不少见，但其杀菌效果一直是人们争论的 焦点。普遍来讲，电磁场能使细胞发生形态、结构和功能的变化这一事实己被认 同，即使是弱磁场也能强烈地影响生物系统。例如，磁处理可降低血小板的活性， 使细胞破裂，酶钝化。研究发现脉冲磁场比恒定磁场具有更强的生物效应【1 3 1 。目 前有些电磁装置，采用变频直流脉冲发生器与缠绕在过水管外壁的电感线圈相连， 利用直流脉冲电磁场产生瞬间反冲高压，提高了电磁场能量的传递效率。这种直 流脉冲电磁场既具有交流感应性能，又具有直流电场的电离作用，还具有脉冲特 性，因此与以往的电子除垢器相比，其消毒灭菌作用更为显著；加之采用变频模 糊控制可自动实现水处理过程中的扫频、移频、选频功能，大大提高了设备的水 处理效果。 现行的电磁水处理器多是利用交变电流在固定频率下进行工作的装置，由于 其频率固定，主要用于过水管道的除垢和防垢，杀菌除藻效能较差。将直流脉冲 和变频扫频原理进行有机结合，采用直流脉冲方法，使强大的直流脉冲电流在高 电平转入低电平的瞬间，在线圈两端反冲高压，导致水管中感应的电压瞬间猛增， 产生了一个很大的瞬间电流，从而使细菌灭活或杀死；采用变频式工作方式，实 现了自动周期性、有规律性地产生各种频率的强大的直流脉冲电磁场 4 8 5 2 1 。在这 种脉动的电磁场作用下，水中产生各种极性离子的微弱电能在反抗外加脉冲电场 的过程中相互碰撞，从而得以消耗，各种离子的运动强度和运动方向因此被束缚。 由于金属管壁接阴极，管内水体为阳极，水体中的各个质点与管壁形成一个脉冲 电场。在这个脉冲电场作用下，水中各种离子分别组合成脉动的正负离子集团， 使之产生电极反应，形成易排除物质。同时，水体的p h 值值、二氧化碳、活性氧 江 苏大 学 硕 士 学 位论 文 及o h 等的含量也发生变化，水在直流脉冲电场作用下，迅速发生微弱的氧化还原 反应，在阳极区附近产生一定量的氧化性物质，这些氧化性物质与细菌作用，破 坏其正常的生理功能，使细胞膜过氧化而死亡，达到灭菌的目的。 华南理工大学研究了高压、高频电磁杀菌对蛋白质的分解作用，采用高压、高 频电磁场的技术作为处理手段，研究了该技术对酱油氨基酸的影响和对细菌的杀 灭作用。他们采用一定强度的电磁场处理酱油沉淀前体物，一方面破坏其胶体结 构，使大分子物质迅速絮凝沉淀，从而过滤除去；另一方面将大分子蛋白质( 多 肽) 降解，在酱油氨基酸氮提高约6 的同时，将其2 次沉淀前体物除去，并对酱油 起到灭菌作用，具有较强的创新性和实用性【5 3 】。他们还研制出一套“酱油沉淀处理 装置”和“高压脉冲电场灭菌装置”，经南方部分调味品企业试用，自动化控制程度 高、处理效果好，可调控性好、能耗低、安全性好。处理后酱油样品存放6 个月细 菌明显减少，基本无沉淀，可达到国家卫生标准。 高压、高频电磁场处理技术还可用于液态食品杀菌( 冷杀菌) ，从而获得高氨 基氮及澄清的高蛋白液体食品，保护食品外观、营养和风味。该技术也是食品领 域的一大创新，有重要的社会和经济价值。非热杀菌技术用了压力、电场、磁场、 辐射场等能量场技术，其中电、磁场杀菌技术由于装备较为容易实现，更具经济 性，因此是一项有巨大潜力的杀菌新技术。 1 3 研究的实际应用价值和现实意义 由于目前大量的工业废水和生活污水不经处理就直接排入自然界，造成了水 体的污染。而经过比较和筛选得出：传统的杀菌方式对污水的处理或者不能达到 预期效果，或者能达到效果但处理比较复杂甚至会引起二次污染，从而给人类带 来危害，而电磁杀菌属于比较理想的杀菌方式。因此本项目即高强度脉冲磁场处 理含菌废水的实验研究对环境保护和人类健康都有着十分重要的意义。 电磁场杀菌可用于对工业废水和生活污水进行后期杀菌净化处理，使之可以 用来作为景观用水、农田灌溉用水、街道绿化洒水以及冲厕用水等，对较好水质 如自然水源经深度处理可成为饮用水或生活用水，而对较差的水质经处理后使其 达标排放。电磁杀菌技术还为制药用水、野外军用水以及矿泉水水源的杀菌消毒 提供了广阔的应用前景。 因此在地球水资源日益紧张的今天，课题无疑有着重要的实际应用价值和现 实意义，课题研究具有很高的学术价值。 6 江苏大 学 硕 士 学 位论文 1 4 研究的主要内容 ( 1 ) 设计电磁杀菌设备的处理室，并进行相关的磁场计算。 ( 2 ) 以污水杂菌、大肠杆菌、金黄色葡萄球菌和枯草芽孢杆菌为代表菌种，研究 各因素如磁场强度、脉冲数、温度和p n 值等对其杀菌效果的影响规律。 ( 3 ) 根据实验和计算结果分析在本实验条件下杀菌机理的作用范围，进而探讨电 磁杀菌的主要作用机制。 ( 4 ) 研究不同实验因素对生活污水杀菌效果的影响规律及主次关系，并探寻最佳 参数组合。 7 江 苏 大 学 硕 士 学 位论 文 第二章处理室的设计与磁场计算 对自行研制的脉冲磁场杀菌设备的处理室进行设计计算，处理室为一螺线管 线圈，通过对其内部的磁场分布进行计算，得出当脉冲电流频率c 0 较小时，处理室 内的磁场可近似看成均匀分布，而且介质处于处理室内不同空间位置进行杀菌以 及杀菌不同时间时，介质温度升高不大，进而验证脉冲磁场杀菌属于冷杀菌，通 过对处理室中介质温度的时间和空间位置分布的分析和计算，找出较适宜的杀菌 位置。 2 1处理室中的磁场分布计算 实验采用的是自行研制的脉冲磁场杀菌设备，设备原理如图2 1 所示【1 4 1 。这 是一个典型的r l c 放电电路。当开关接通a 时，高压直流电源通过凡限流电阻 对电容器c 充电，直到电容器两端的电压达到v ，然后将开关k 接通b ，则电容 c 通过线圈l 和电阻r 放电；由于线圈l 和回路中的电阻很小，放电回路中便有 强大的电流，线圈l 中就会产生很强的磁场。接着，开关k 接通a ，高压直流电 源又向电容器c 充电直至接近v 值，如此循环，便在线圈中得到了周期性脉冲磁 场。被处理的废水即放置在线圈l 中。 a1 3 l 图2 1 脉冲磁场装置原理图 f i g u r e ls c h c r n a t i cd i a g r a mo f e q u i p m e n to f p u l s e d m a g n e t i cf i e l d k 开关；a ，卜开关k 的两个触点；c o 一电容器； 卜高压直流电源； r 。，r 。一电阻；l - - - - - 磁铁线圈 反应器示意图如图2 2 所示，处理室为一螺线管线圈，其内部的磁场分布是后 续研究工作的基础，也是后续实验现象解释的依据。因此，本章首先对其进行理 8 江 苏大学硕 士 学位论 文 论计算。由于线圈中传导电流的改变并不直接影响磁场b 的分布【1 7 1 9 1 ，也为了简 化问题，假定电流为正弦交流电，处理室为长直螺线管。 豆= 屡篡 协- ， 江苏大 学 硕 士 学位论 文 的磁场也将产生交变的涡旋电场，该电场将反作用于磁场，对磁场的分布产生影 响。由于线圈中传导电流的改变并不直接影响磁场b 的分布，所以只讨论位移电 流和涡旋电流对b 分布的影响。设位移电流j d = 百，涡旋电流j c2 届，则有麦 ：扣 一 克斯韦方程： v 豆= 胁( c + 五) ( 2 2 ) 。 v 百：0 ( 2 3 ) v 豆：0 ( 2 4 ) vx 豆：一望 ( 2 5 ) 其中，歹d 和歹c 分别为位移电流密度和涡旋电流密度( 单位均为a m 2 ) ，d 为电位 移( 也叫电通量密度，单位为c m 2 ) ，丫为欧拉常数，t = o 5 7 7 2 ，风为自由空间( 真 空) 磁导率，盹= 4 冗1 0 h m 。 2 1 3 螺线管中无导体情况下的磁场分布 由于无导体存在，故j ：c = 0 。由正弦变化得 j 豆= 豆。e 叫哦( 2 - 6 ) 【b = b o e l 哦 由式( 2 2 ) 取旋度，并将式( 2 3 ) 、( 2 5 ) 、( 2 6 ) 代入 v 2 秀o + o 占o ( - 0 2 百o = 0 ( 2 7 ) 其中，为脉冲电流角频率( 单位为r a d s ) ，民是指自由空间( 真空) 介电常量， 岛：二1 0 。9 f m ，b o 为螺线管磁感应强度( 也叫磁通量密度，单位t ) 。考虑到 3 0 冗 b o 的分布是柱对称的，且与磁通量、阻抗z 无关，则柱坐标式( 2 7 ) 可写成： 婆+ 三拿+ o o e 0 国2 b 。：0 ( 2 - 8 ) d r 。rc l r 令k 2 = 鳓毛国2 且取x = k r 代入式( 2 8 ) 则： 百d 2 b o + 一1 堕+ b 。：o ( 2 9 ) d x 2xd x ” 式( 2 9 ) 为零阶b e s s e l 方程，其通解为： b o2a j o ( x ) + b y 0 ( x ) 0 k k 江 苏 大 学 硕士 学位论 文 由于b o 在x = 0 处为有限值，而y o ( 0 ) = o o ，所以有b = 0 ，故 b o = a 3 0 ( x ) = a 3 0 ( k r ) ( 2 1 0 ) 设边界条件：r = r 时，b o = b o r 。则： a ：_ 呈坠( 2 1 1 ) j o ( k r ) b 。= 丽b o r j 。( 1 【r ) ( 2 1 2 ) 即： 一b o ：且堕 ( 2 1 3 ) b o rj o ( k r ) 因p = 山o 2 ，当较小时，长直螺线管内磁场可近似看成均匀分布。随着 的增大，管内磁场的分布将变成非均匀，且中心部分磁场大，边缘处磁场小。 2 2 介质温度的时空分布 2 2 1实验材料 o 9 的生理盐水 2 2 2 仪器设备 脉冲磁场杀菌设备( 理论最大磁场强度可达1 2 t )自行研制 x m z 1 0 2 型数字显示仪镇江市京口宏旺机电厂 w z p k 1 3 3 型铠装热电阻镇江市京口宏旺机电厂 w c 0 9 - - - 0 5 型超级恒温器重庆试验设备厂 2 2 3 实验方法 实验操作如下： ( 1 ) 把铠装热电阻的探头放在装有介质为0 9 的生理盐水的样品瓶( 圆柱玻 璃瓶r x l = 8 x 2 0 m m ) ，将样品瓶放入线圈的不同位置： ( 2 ) 接通电源，将电压调到需要的电压值，进行充电；当储能电容两端的电 压达到规定的放电电压时，按下“放电”按钮，完成一个脉冲数的放电杀菌。施加足 够的磁场脉冲数后，完成一次杀菌实验。 ( 3 ) 在进行一次杀菌后，让脉冲磁场发生器停止工作几分钟，然后再进行下 一次的杀菌实验( 重复1 ，2 步骤) 。 ( 4 ) 测得每次温度的最大变化值，重复3 次，取其平均值。 江 苏 大 学 硕 士 学位论 文 ，x ； 二誓 脉冲数 p i - i 值；影响脉冲磁场对污水大肠菌群杀菌效果的因素主次顺序为磁场强度 温度 p h 值 脉冲数。最佳参数组合为磁场强度6 3 3 t ，污水温度4 0 c ，脉冲数为2 0 ， p h 值为6 。最佳参数组合下，污水的细菌总数和大肠菌群数杀菌率分别为9 6 8 和 9 7 2 ，细菌总数由杀菌前的5 2 x 1 0 4 + m l 减少到杀菌后的1 6 6 x 1 0 3 + r r a ，大肠菌 群由杀菌前的3 1 x 1 0 3 个几减少到杀菌后的8 7 个l 。 g b 5 7 4 9 8 5 规定生活饮用水的水质标准：细菌总数10 0 + r n l ，总大肠菌群3 个几；而作为生活饮用水水源的水质，应符合下列要求：若只经过加氯消毒即供作生 活饮用的水源水，总大肠菌群平均每升不得超过1 0 0 0 个，经过净化处理及加氯消毒 后供作生活饮用的水源水，总大肠菌群每升不得超过1 0 0 0 0 个矧。根据c j t 4 8 1 9 9 9 规定生活杂用水水质中总大肠菌群3 个几。g b l 8 4 8 6 2 0 0 1 规定污水海洋处置工程排 放浓度中大肠菌群1 0 0 个r n l 【5 引。 g b l1 6 0 7 8 9 规定渔业水质中总大肠菌群弋 5 0 0 0 个几。根据c j t 9 5 - 2 0 0 0 再生水