（环境科学专业论文）应用常压脉冲电场处理畜禽粪污厌氧消化液的研究.pdf

a b s t r a c t p u l s ee l e c t r i cf i e l d ( p e f ) n o n t h e r m a lt e c h n o l o g yi sa ne m e r g i n gh i g he f f i c i e n t m e t h o do fp a s t e u r i z a t i o n i th a ss o m eo b v i o u st e c h n o l o g ya d v a n t a g e s ，s u c ha ss h o r t e r t r e a t n l e n tt i m e ，l o w e re x p e n d e de n e r g ya n dn o n - p o l l u t i o n i no r d e rt oe x p a n dp e f a p p l i c a t i o ni nt h ef i e l do ft r e a t e dw a s t ew a t e r , t h ep a p e rf i r s t l yi n t r o d u c e sp e f i n t ot h e p o s t - t r e a t m e n to ft h ed r o v e sf e c e sa n a e r o b i c d i g e s t e de f f l u e n to nt h eb a s eo ft h e n o r m a lv o l t a g ep u l s ed e v i c eh a v i n gb e e nm a d ei n d e p e n d e n t l y t h e nt h es y s t e m i c s t u d yo nt h es a n i t i z i n gm e c h a n i s ma n de n v i r o n m e n tf a c t o r sh a sa l r e a d y b e e n a c c o m p l i s h e d t h ec o n c l u s i o n sa r ea sf o l l o w s ： ( 1 ) t h ep a r a m e t e r so ft h ed e v i c ea r ed e f i n e da sf o l l o w s ：i n p u tv o l t a g ei s2 2 0 v ； a n dp u l s ew i d t hi s1 m s ；a n dp u l s ei n t e r m i s s i o ni s9m s ；a n dp u l s ef r e q u e n c yi s1 0 0 h z ； a n dp u l s ew a v es h a p ei ss q u a r e m o s f e ti sa d o p t e di n t ot h ee l e c t r i ca n de l e c t r o n i c s w i t c h r e a c t i v et i m et h a ti sa u t o - c o n t r o l l e db yt h ed e v i c ea r r a n g e s1 0 s ，3 0 s ，l m i n ， 3 r a i na n d5 m i n m o r e o v e r , t h er e a c t o r o u t l i n et a k e so nr e c t a n g l e ；a n di t sm a t e r i a l b e l o n g st ot h eg l a s s ；i t sv o l u m ec o n t a i n s1 0 0 0 m l ；i t sp o l el o o k sc l u b s h a p e da n di s m a d eo fs t a i n l e s ss t e e la n di t sd i a m e t e ri sm o r eo rl e s s1c m t h ed e v i c ec o s ti sl o w , s o t h ed e v i c ep r e f e r a b l ys u i t st h i st i n y - p r o f i ti n d u s t r i a lt od e a lw i t ht h ep o l l u t i o na n dc a r l b ed i f f u s e da n dc o m m e r c i a l i z e de a s i l y ( 2 ) b yt h ee x p l o r i n gd i s i n f e c t i o nm e c h a n i s me x p e r i m e n t s ，t h ec o n c l u s i o ni s d r a w n ：t h es a n i t i z i n g i m p a c to fp e fa l m o s tl i e so ne l e c t r o m a g n e t i c ，m e c h a n i c a l ， a c o u s t i ca n do p t i cr e a c t i o n sa l m o s tw i t h o u te l e c t r o l y s i s ，c a l o r i f i ca n do z o n ee f f e c t s ； ( 3 ) t r e a t i n gt i m ei st h ek e yf a c t o r t h er e m o v i n gr a t i oo ff e c a lc o l i f o r mg r o u pi s e v i d e n t l ye r d a m a c e df r o m1 0 s e ct o1 m i n w h e nt h et i m ei sb e y o n dl m i n ，t h e i n c r e a s i n ge x t e n to f t h es a n i t i z i n gr e s u l tt u r n st ob em u c hm i l d e r ( 4 ) i nt h es t a t i ct r e a t m e n ts y s t e m ，w h e nt h eg a po f t w oc l u b - s h a p e dp o l e si sf r o m 0 9 c mt o2 5 c m t h er e m o v i n gr a t i oo ff e c a lc o l i f o r mg r o u pm a k e sn od i f f e r e n c e b u t d i s i n f e c t i o ne f f e c tw i l lb es t r i k i n gd e t e r i o r a t eb e y o n d2 5 c m ( 5 ) t h ep ho fa n a e r o b i c - d i g e s t e de f f l u e n td i s t i n c t l yi n f l u e n c e st h es a n i t i z i n g e f f e c t ，a n dt h es t e r i l i z i n ge f f e c ti sm u c hs t r o n g e ru n d e rt h ea l k a l is i t u a t i o n s t h e r e a s o nm a yb et h a tt h ef e c a lc o l i f o r mg r o u pu s e di nt h i se x p e r i m e n tb e l o n g st oa k i n do fa n t i a c i dm i c r o b e ( 6 ) b a s e do nt h ee x i s t i n gc o n f i g u r a t i o no fp r o c e s ss y s t e m ，t h ep a p e rd i s c u s s e st o f i n do u tt h eo p t i m a lc o n d i t i o no f t h et h r e ef a c t o r ：t r e a t m e n tt i m e ，v a l u ea n di n i t i a lp h i i c o do fd i g e s t i v ej u i c e n a m e l y ：d e a l i n gw i t ht i m e5 m i n ，i n i t i a lp hi s7 ，3 ，w h e n c o di sa d j u s t e df o r5 0 0m g l ，t h er e s u l to fd i s i n f e c t i o no ft h ep u l s ee l e c t r i cf i e l di s t h eb e s t ，t h er e m o v i n gr a t i oo f t h ef e c a lc o l i f o r mg r o u pi su p9 0 k e y w o r d s ：n o r m a lv o l t a g ep u l s ee l e c t r i cf i e l d ；d r o v e sf e c e s ；a n a e r o b i c d i g e s t e d e f f l u e n t ；s a n i t i z i n g ；s a n i t a r yr e s u l t ；i n f l u e n c ef a c t o r s 1 i i 幸如井学浇 学位论文原创性声明 本人郑重声明：所呈交的论文是本人在导师的指导下独立进行研 究所取得的研究成果。除了文中特别加以标注引用的内容外，本论文 不包含任何其他个人或集体已经发表或撰写的成果作品，也不包含为 获得中南林学院或其他教育机构的学位或证书所使用过的材料。对本 文的研究作出重要贡献的个人和集体，均已在文中以明确方式表明。 本人完全意识到本声明的法律后果由本人承担。 赫赫浚礼 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解学校有关保留、使用学位论文 的规定，同意学校保留并向国家有关部门或机构送交论文的 复印件或电子版，允许论文被查阅或借阅。本人授权中南林 学院可以将本学位论文的全部或部分内容编入有关数据库 进行检索，可以采用影印、缩印或扫描等复制手段保存和汇 编本学位论文。 本学位论文属于： l 、保密口，在年解密后适用本授权书。 2 、 不保密口。 ( 请您在以上响应方框打“ 作者签名：王静岸 导师签名： 2 c , 0 5 年 大肠杆菌，这也可能是因为二者细胞壁的组分b 1 ，3 葡聚糖和 肽聚糖的机械强度不同。b 、无芽孢菌较有芽孢菌更易杀灭；革兰氏阴性菌 易于阳性菌被杀灭。在相同条件下，几种常见菌的的存活率为：霉菌 乳酸 菌 大肠杆菌 酵母菌。c 、对象菌所处的生长周期，对数期易杀灭。研究中 还发现，细菌数高的比菌数低的样品菌数下降的对数值要多。但也有研究结 果与之相悖【3 l 】。( 5 ) 脉冲电场的杀菌时间较短，在初始阶段，随着杀菌时间 的延长，对象菌存活率急剧下降，然后平缓，逐渐变平，最后再增加杀菌时 间灭菌效果几乎不再提高【3 2 l 。( 6 ) 适当提高样品温度( 2 4 6 0 范围内) ， 可以增强杀菌效果，一般在1 0 倍以内【3 ”。( 7 ) 电场杀菌的效果与被处理液 的酸碱度有关。被处理液的p h 值是最重要的环境影响因子【34 1 ，较低的p h 环境更有利于p e f 灭菌1 3 ”。 1 3 4 处理系统的设计和发展 脉冲处理系统一般包括脉冲发生器和处理室两部分。脉冲电源的电压 值、脉宽、脉问可以通过脉冲发生器来产生和控制。处理室的功能是将脉冲 电场传递给流经此室的被处理基质f 1 1 36 1 。 脉冲处理系统从基质流态上可分为静态分批式和流动连续式两种。其 中，静态分批式处理器规模小，考虑影响因素较少。不适合大规模工业化应 用。为此，人们设计了各种流动式处理器，主要有平行盘式、线圈绕柱式、 柱柱式、柱盘式和同心轴式【1 1 , 3 6 - 3 8 。 由于杀菌机制不同，棒状电极比平板电极的杀菌效果好。前者包括两 种灭菌机制，一是力学效应，当液体中放电时，放电通道周围的液体瞬时气 化并形成气泡，高速剧烈膨胀而爆炸，所产生的冲击波能将细菌的细胞打碎 7 致死：二是光学效应，即放电产生的强紫外线和电晕现象都能杀死细菌。而 平板电极系统的灭菌原因仅是电场的作用，无液电效应。目前，棒状电极的 不足之处为：杀菌过程中有电解反应发生，容易腐蚀电极表面 3 9 j ；它一般用 1 i 锈钢制作，直径3 m m 具有9 0 0 的圆锥形尖角。不过，由于平板电极所产生 的电场比棒状电极的均匀，也比较受青睐，板间距为2 e r a 左右，容积为 l o m l 40 1 。同轴圆柱形电极的灭菌机理属于强电场灭菌，国外一些专家认为它 的灭菌性能优于平板电极和棒状电极，且能耗较小。 1 3 5 脉冲电场消毒技术在粪污厌氧消化液后处理中的应用前景 水处理消毒技术发展到今天大致分为两类：一类为加热处理，另一类为 非加热处理。加热高温消毒方法能耗较大、处理时间长。国外在畜禽污染物 处置中现在仍然有采用巴氏高温消毒灭菌方法【5j ，但是投资和运行费用很 高。从技术发展趋势来讲，加热消毒法不具备优势。近年来，国内外多致力 于非加热消毒方法的研究，并取得了一定的成就1 4 。“j 。 脉冲电场与其他非加热消毒方法的比较见下表。氯法、臭氧消毒技术已 经广泛地应用于污水深度处理中【4 ”。紫外线一c ( u v c ) 技术近年来发展很 快，被认为是氯法消毒的替代技术，已经进入大规模生产应用 4 “47 1 ，该技术 的研发历程对于脉冲电场技术的发展有借鉴作用。 表1 2 紫外线一c 、氯气、臭氧、电脉冲四种消毒方法的比较 t a b l e1 2t h ec o m p a r i s o no ff o u rk i n d so fd i s i n f e c t i n gm e t h o d s ( u l t r a v i o l e t r a y - c ，c h l o r i n e ，o z o n ea n de l e c t r i cp u l s e ) 脉冲电场技术的优势主要有这样几点【4 8 5 1 1 ：( 1 ) 消毒时间很短；( 2 ) 能耗低：( 3 ) 高消毒广谱性；( 4 ) 无二次污染；( 5 ) 在一定浓度范围污染物 浓度几乎不干扰。污染物浓度对于氯法、臭氧的消毒效果影响很大，有机污 染物将多消耗消毒剂；对于紫外线一c 杀菌也有一定程度影响，但是对于脉 8 冲电场则影响不大，这可能与脉冲电场的灭消毒作用机理有关。目前国内氯 法、臭氧和紫外线c 污水消毒的设备投资和处理成本可以分别控制在1 4 0 0 元m 3 和0 5 元，m 3 范围i ”4 。 国外脉冲电场杀菌的应用研究在实验室水平已经取得了丰硕的成果， 距离生产应用已不遥远( 首先在食品、饮料业) 。目前国内关于这方谣的研 究仍处于实验室阶段，且主要集中在饮料、食品行业，而在水处理领域至今 尚鲜有报道。 脉冲电场技术虽然还存在许多技术问题、设备价格仍然很高，但已经显 现了在灭菌消毒业的发展优势：其高效广谱的杀菌能力和抗干扰能力能够满 足作为沼气发酵后出水深度处理设施的技术要求，具有很好的应用前景。根 据脉冲电场的灭菌特性和畜禽粪便厌氧消化液后处理的特点，有针对性地开 展实验研究将加快脉冲电场技术在畜禽养殖污染防治领域的生产应用。 这是一种很有前途的消毒叛技术；我们应该大力研发它的杀菌潜力，拓 宽其应用范围；预计在粪便深度处理中脉冲电场方法的使用前景看好。同时， 我们要注意到：养殖业属微利产业，受到自然和市场的双重压力，不可能投 入巨资用于畜禽废弃物处理。这样，研发投资较少、运行成本低、管理方便、 处理效果好的设施和工艺是非常有必要的，以尽可能地使畜禽粪便处理后得 以无害地资源化利用。 1 4 结语 结合脉冲电场消毒的特性和畜禽粪便厌氧消化渡后处理韵要求，今后可 从以下几个方面加强研发工作： ( 1 ) 加强常规脉冲电场实验研究。常规脉冲电场处理系统虽然处理时间较 长( 几分钟) ，但是具有设备投资较省、使用比较安全和操控性较好的 潜在优势【5 2 5 ”，可能更适合于污水深度处理要求( 比饮料、医药行业 的卫生要求更粗放) 。 ( 2 ) 借鉴紫外线一c 成功的产业化经验，加快脉冲电场用于畜禽粪污消化 液后处理装置的研制和开发。 ( 3 ) 实验研究沼液成分和浓度及外界条件对脉冲电场灭菌效果的影响。 ( 4 ) 进行脉冲电场灭活寄生虫卵的实验研究。过去对于细菌、酵母和真菌 均有较多的实验研究报道。 9 2 常规电压脉冲电场处理畜禽粪污厌氧消化液装置的研制 2 1 引言 高压脉冲电场( h p e f ) 是近年来研究较多的非热灭菌技术之一，且主 要应用在食品与医药行业。它利用瞬时产生的高压电场作用于两个电极问的 食品介质。处理后，液体食品的色泽、品味保持不变，维生素、氨基酸等营 养成份基本不受破坏，克服了常规加热巴氏消毒在这些方面的不足1 5 4 5 “。例 如，m i n g y uj i a 和q h o w a r dz h a n g 等人采用p e f ( 电场强度为：3 0 k v c m ， 处理时间为：2 4 0 u s ) 和加热( 9 0 。c ) 蟑7 l 两种方法处理橘子果汁，结果发现果汁 中用于产生味道的化学物质( a 松油精、柠檬烯、癸烷等) 损失率差异较大， p e f 处理的为3 。o ，丽热热处理后损失率离达2 2 。o 。另外，脉冲电场灭菌 过程中利用的是电能，能耗低、二次污染很小，符合目前能源利用趋势。畜 禽粪污污染治理程序遵循“谁开发谁保护，谁破坏谁恢复，谁利用谁补偿” 的环境保护防针【5 8 】，贯彻达标排放原则，是一种恢复及改善物质和元素在自 然界中存在的比重及形态的过程。相对于食品加工业的灭菌保鲜处理来说， 畜禽养殖业属于微利产业，其污染治理是善后性行为，非营利性生产过程， 这就限制畜禽粪污污染的治理技术研发和工程设备的资金投入量。在处理后 的卫生效果方面。畜禽粪污的排放要求更粗放一些，相应成本要降的更低一 点。例如：我们不再关心在处理过程中是否有温升和电弧放电现象，被处理 液的某些理化性质的变化也可忽视。这些要求的降低直接反映为：用于处理 畜禽粪污厌氧消化液的脉冲电场发生装置就与食品非热脉冲电场灭菌装置 在结构和元件选择上存在很大的不同。 目前，国内外学者对脉冲电场非热灭菌技术的研究都是以实验室水平的 系统为基础的，该技术在国际上仍处于实验室研究向工业化小试发展的阶 段，其中以美国俄亥俄州立大学成绩最为突出，他们已经成功研制出了一套 小试系统在进行商业化试运行【5 9 6 ，表2 1 为当前较为成熟的p e f 灭菌处理 系统参数。从表2 1 可以看出，前人在作电脉冲实验研究时，采用的灭菌电 压值几乎都高达1 0 5 0 k v c m ，脉冲宽度为1 2 0 r t s ，而处理室容积却很小一般 2 0 0m l 。高电压、强电场和极小的脉冲宽度就意味着在很短的时间内，脉 冲发生系统向处理室( 负载) 输入强大的能量流；而在处理室的容积又是十 分有限的条件下，最终平均分配到每毫升被处理液甚至每个微生物群落的能 量相应就很大，足以杀死其中的弱势病菌。因为有研究表明：当加到细胞上 表2 1 国内外较为成熟的p e f 灭菌处理系统的参数比较表 t a b l e2 1p a r a m e t e r so fp u l s e de l e c t r i cf i e l ds y s t e m s 的电压超过o 4 2 o v 时，细胞膜就能被不可逆击穿，细胞彻底死亡 6 2 1 。所以 认为在脉冲电场灭菌系统研制时，可以尝试降低电压，从电场强度的分配方 面着手改进此项技术的灭菌效果。国内，大连理工大学的吴为民教授，吉林 大学的殷涌光教授以及华中科技大学的邓元修教授等人利用脉冲电容储能， 触发放电产生的振荡波高压脉冲电场分别对酵母菌、大肠杆菌、四链球菌、 枯草杆菌及细胞芽孢等进行过灭菌钝酶实验研究，并取得了较好的效果 6 3 + 6 7 1 。高压脉冲电场非热灭菌是通过高强度脉冲电场瞬时破坏微生物的细胞 膜使细菌致死。它是一种高电位而非商电流灭菌。然而p e f 技术经历了仅十 年的实验室研究开发还没达到实用化应用水平，笔者认为在装置方面主要存 在以下两点障碍： 一、脉冲发生系统装置的设计、建造技术不完善，造价高难以令消费市 场接受。关键是由于商电压大电流的电力电子开关器件和脉冲变压器的成本 高，抬高了整个脉冲发生装置的造价。 二、处理室容积较小 2 0 0m l ，不适于机械化的大型工业企业使用，也 限制了脉冲电场灭菌技术的进一步研究与商业推广。 那么，在节省能量、降低装置造价的前提下，认为研制和开发常规电压 脉冲电场的灭菌装置应该可以解决以上两个问题。于是，为了详细研究常规 电压脉冲电场在畜禽粪污厌氧消化液后处理中的可行性，深入地研究常规电 压脉冲电场灭菌效应的各种影响因素，降低装置制作和运行成本，促进p e f 高效污水处理技术向工业化阶段发展，我们在借鉴高压脉冲电场在食品非热 处理方面开发及应用经验的基础上，研制了一套常规电压脉冲发生、处理装 置。 2 2 常规电压脉冲处理系统的主电路及参数确定 为了便于详细地研究各因素对处理效果的影响和保证操作人员的安全， 本文研制了如下参数的常规电压脉冲电源： 输入电压为：2 2 0 v 脉冲宽度为：lm s 脉冲间歇为：9 m s 脉冲频率为：1 0 0 h z 脉冲波形为：方波 负载为：棒状电极且间距可调的玻璃制长方体处理室 常规电压脉冲发生器电路可分为主回路与控制电路部分，主回路由充电 和放电组成。控制电路包括处理时间分档与控制电路、系统故障保护电路和 残余电压释放电路。 为了得到良好的脉冲波形，而且脉冲频率、脉冲宽度和作用时间的长短 可以精确控制，本文选择了如图2 1 所示的r c 充放电回路、m o s f e t ( 金 属氧化物半导体场效应管) 精密电子开关元件、微处理控制器的主电路方案。 利用普通变压器一次升压，全桥可控整流，实现输入电压在一定范围内波动 时，储能电容器上的电压能够保持稳定，其峰值低于1 0 0 0 v 。电子开关器件 选用适于低电压 1 0 0 0 v ，输出电1 能 2 0 0 k h z ，具有很高导 通截止转换速度的m o s f e t l 6 引。另外，本装置具备彻底放电的系统及按钮， 在实验结束后，可以将电容器上残余豹电压完全释放，确保操作人员的安全。 与高压脉冲电源发生器相比，本装置利用m o s f e t 代替了i g b t 6 叭，并省去 了技术难度大、精密度要求较高的脉冲变压器的设计和研制过程，输入电压 固定不变。这几点的变革，使脉冲处理装置的费用大大降低、安全系数也有 所提高。 1 2 电阻 图2 1 常规电压脉冲电源主电路结构图 f i 9 2 1m a i nc i r c u i to fn o r m a lv o l t a g ep u l s eg e n e r a t o r 2 3 电极处理室的制作 目前，在针对食品非热灭菌所研发的脉冲电场作用系统中，电极类型有 三种分别是：平行板电极、同轴圆柱形电极和棒状电极：其中，平行板电极 和同轴圆柱形电极使用的比较多。棒棒电极中的电场分布属于极不均匀电 场，两电极间电场强度远远高于其它区域的电场强度，当脉冲电压波作用到 电极上时，电极间产生强烈的火花放电。并伴随有猛烈的机械冲击波和强烈 的紫外线等高能射线，这两种效瘟( 力效应和光效应) 也被认为是在这种条 件下对灭菌起决定作用的，它们造成处理后的样品颜色浑浊，并有局部升温， 营养成分被破坏的负效应1 3 9 7 0 - 7 1 。当我们把处理对象换为膏禽粪污厌氧消化 液时，棒状电极的负面效应就不再考虑了。那么，捧状电极比平行板电极和 同轴圆柱形电极的消毒作用更强，故本文选用棒状电极制作处理室。 由于脉冲电场消毒装置是依靠放电产生的一系磁效庭来消毒的，所以要 求处理容器的制槔材料必须绝缘度商，盛不易分解，累姆厌氧消化液发生任 何化学反应。另外，棒状电极必须选用具有高的导电性，可焊性等特性的材 料。综合这些因素，容器材料采用玻璃，棒状电极材料选用不锈钢。 为了保证消毒处理室中电场强度可变，且具有一定的处理能力，棒状电 极的间距可调，初始值为1 o m m ，处理室的容积定为1 0 0 0 m l ，长、宽、高 分别为2 0 c m 、1 0 c m 、8 c m 的立方槽，将两端打孔，棒状电极固定其中，形 成一长方体容器，其实物的主视图和侧视图分别如图2 2 所示。 a 主视图 b 侧视图 图2 2 棒状电极处理室的实物视图 f i g 2 2p h o t oo fc u d g e lt r e a t m e n tc h a m b e r 2 4 整机调试与波形测试 为了保证装置能在正式试验中运行的稳定和安全，在选好开关器件，电 路板连接完毕并装箱以后，对实验装置的整机开展了系统调试。图2 3 是利 用美国泰克公司t d s 2 0 0 0 示波器测得的处理室上的调试电压的触发信号和 门极信号的波形、脉宽和脉间。其中门极信号代表处理室实际接收到的信号。 由图可以看出：脉冲波形为方波，脉冲宽度为1m s ，脉冲间歇为9m s ，经 整流后形成的电场为直流电场，测试时负载为普通自来水。 a 触发信号波形 b f - j 极信号波形 图2 3 棒状电极处理室的脉冲电压波形 f i g 2 3t e s tv o l t a g ep u l s ew a v e f o r mo fc u d g e lt r e a t m e n tc h a m b e r 1 4 图2 4 脉冲电场消毒系统实物图 f i g 2 4p h o t oo fap e fp r o c e s ss y s t e m 综上所述，本章在分析和借鉴国内外高精度脉冲电源和负载的设计基础 上，结合厌氧消化液这种处理对象的特性，提出了利用m o s f e t 电力电子开 关和r c 电路来设计常规电压脉冲消毒系统。经正式实验开始前的整机调试 可以得出以下结论：从电场强度、脉冲波形、脉冲宽度、脉冲间歇等方面来 讲本套脉冲发生及处理装置完全合乎设计要求，且操作方便：它能够满足常 规电压脉冲电场用于厌氧消化液消毒处理技术的理论与实验研究的需要。 3 常压脉冲电场处理畜禽粪污厌氧消化液消毒效果研究 3 1 引言 未经无害化处理的畜禽粪污中含有大量的致病微生物，这些病菌随粪便 排入水体后，有可能导致区域性传染病的爆发流行，对人类健康造成极大的 威胁。这种经水传播的水致传染病，主要有肠道传染病，如伤寒、霍乱、痢 疾以及马鼻疽、钩端螺旋体病、肠炎、病毒性肝炎、脊髓灰质炎( 小儿麻痹 症) 等。症状表现为：腹泻、痛性痉挛、恶心、头痛或其它症状。传播这些 疾病的病原微生物有细菌和病毒。此外还有一些借水传播的寄生虫病，如蛔 虫、血吸虫病等。因此，从源头上防治传染病发生，开发有效且成本较低的 消毒治理生物性污染的技术显得尤为重要，是环境保护的一项关键任务 7 2 - 7 5 1 。 畜禽粪污经厌氧消化处理后能部分减少一些微生物，但不能保证大部分 的病原微生物消亡，因此需要对厌氧消化液进行进一步的消毒。消毒的目的 就是要杀死其中的病原细菌和其它对人体健康有害的微生物。当然，消毒和 灭菌不同。消毒并非要杀灭消化液中的一切微生物，而只要求将其中的病原 微生物部分除去【8 。近年来国内外出现了以脉冲电场处理技术为代表的新的 非热物理杀菌方法，它具有高消毒广谱性，且能在较短的时间内起到较强的 消毒作用，不会对环境产生二次污染。 在前面第一、二章中详细分析了脉冲电场对厌氧消化液中微生物的作用 机理，装置的构成及消毒作用的产生原理。由于微生物的种类、数量、形态、 组成结构各不相同，即使同一种类微生物的细菌也存在大小、生长期的差别， 对脉冲电场的敏感性不一样的现象。另外，厌氧消化液的理化性质( 化学需 氧量、初始温度和p h 值) 的不同也可能影响着消毒作用的效果。为了能使 这一崭新的消毒处理技术向工业化应用阶段发展，必须结合所处理的厌氧消 化液的理化性质特征对脉冲电场消毒处理技术中各关键因素做详尽的研究， 这些研究结果可为以后处理技术规范的建立、设备参数的改进储备必要的数 据，以供参考。 由于粪大肠杆菌对细菌性病原体的指示性很好，所以在废水检测分析方 面，如果要判断废水中是否存在粪便污染现象及其污染的程度如何，大多把 粪大肠杆菌作为指示微生物。因此，在本次试验研究过程中，就根据消毒前 后厌氧消化液中粪大肠杆菌群的数量变化幅度，判断不同因素条件下常规电 压脉冲电场消毒技术消除病原微生物的效果。 3 2 实验设计 本节将利用前面所研制的常规电压脉冲电场处理实验系统，详细研究脉 冲电场对厌氧消化液中粪大肠杆菌的存活率的影响。并寻求存活率与脉冲强 度( 通过调节两电极间的距离实现) 脉冲作用时间之间的关系；定量的分析 厌氧消化液的p h 值、化学需氧量( c o d ) 对消毒效果的影响作用。根据脉 冲电场作用前后厌氧消化液中相关物质的存在情况判断是否有臭氧产生，并 探讨消毒作用中是否含有电解作用的贡献；从而，分析验证探讨脉冲电场非 热效应的机理。本试验将为常规电压脉冲电场非热消毒处理这一全新的消毒 技术向实用阶段发展奠定基础。 3 2 1 实验目的及原理 通过实验研究，挖掘脉冲电场消毒法在厌氧消化液后处理方面的应用潜 力，探讨消毒机理，拓宽此项利用非热原理使病菌灭活的新技术的应用层面。 在实验设计中，充分考虑对处理效果产生影响的各个因素，弄清楚它们各自 的影响程度。 电脉冲消毒的原理：在脉冲产生的短时强电场作用下，微生物细胞膜上 的蛋白质和磷脂双分子层会发生取向极化和位移极化，使膜内外的电位差增 大并超出自然电位差，导致细胞膜通透性增加。此时，在浓度差的驱动下， 细胞内容物和环境中物质可自发流过细胞膜，这种改变将破坏微生物的正常 新陈代谢，致使细胞失活，微生物死亡。 3 2 2 实验流程 本实验的流程如图3 1 所示，以厌氧消化液为消毒处理对象，实际操作 中，分批取养殖场沼气处理工程的出水，静止后取上清液过筛，去除悬浮物 和沉淀物质；同时，在进行常规电压脉冲电场消毒处理前，要预先搅拌均匀。 最后检验处理后排出水的卫生状况。 图3 1 常规电压脉冲电场处理厌氧消化液实验研究流程简介 f i g 3 1b r i e fi n t r o d u c t i o no fp r o c e d u r eo fu s i n gn o r m a lv o l t a g ep u l s ee l e c t r i c f i e l dt ot r e a ta n a e r o b i c d i g e s t e de f f l u e n t 1 7 3 2 3 影响因素分类 影响脉冲电场消毒效果的因素有很多，现从以下三个方面进行分类： ( 1 ) 处理技术方面：电场强度( 改变电极问的距离实现) ；处理时间； 脉冲波形及脉冲频率。 ( 2 ) 厌氧消化液方面：消化液的电阻率；p h 值；化学需氧量( c o d ) ， 温度。 ( 3 ) 微生物方面：微生物种类；微生物的数量和它们所处的生长阶段 3 3 实验材料与方法 3 3 1 实验原水 本实验所用原水是由生活污水、鸡粪厌氧消化液和猪粪沼气池出水三种 不同来源的粪污按实验测试项目要求勾兑而成。这三种废水的来源分别为： 鸡粪厌氧消化液取自农业部沼气科学研究所内国家重点厌氧微生物开放实 验室，经过小型厌氧好氧装置( 容积2 5 l 左右) 处理后的排出水( c o d ： 8 4 5 4 7 0 m g l ，粪大肠杆菌数：9 2 x1 07 个，l ) ；猪粪水来源；成都市食菌研 究中心沼气池出水( c o d ：8 8 5 8 0 m g l ，粪大肠杆菌数：2 5 0 x1 0 7 个l ) ： 生活污水来源：农业部沼气科学研究所家属院下水道( c o d ：7 0 9 m g l ，粪 大肠杆菌数：1 6 1 0 8 个l ) ，用纱布过滤去除固体悬浮物和沉渣，静置十几 分钟，取上清液。 原水的配制一方面为了使实验所用水质贴近所模拟的厌氧消化液。另一 方面，便于调控原水的各项指标使实验顺利开展，并能得到预期的效果。具 体配制方法如下： ( 1 ) 经实验室厌氧和好氧处理后的鸡粪水，放置2 0 分钟，取上清液体， 防止消化液出水中的悬浮物及沉淀物影响微生物的极化效果。 ( 2 ) 猪粪经沼气发酵后的消化液与生活污水按1 ：l 的比例配制；先搅拌 1 分钟使其充分混匀，再放置2 0 分钟，取上清液体，同样，是为了防止配成 的实验用水中的悬浮物和沉淀固体物质影响微生物的极化效果。 ( 3 ) 不同c o d 水平的原水配制方法为：由于在测定c o d 时是以蒸馏水 为空白对照，所以在配制实验用水时可以假定蒸馏水中的c o d 值为0m g l 。 那么，3 0 0 0m g l 的原水由3 6 鸡粪沼液和6 4 的蒸馏水组成。2 0 0 0m g l 的 原水是由鸡粪沼液与蒸馏水按2 3 7 ：7 6 3 的比例配制而成。1 0 0 0m g l 的原 水中含有9 8 5 的猪粪沼液和1 5 的鸡粪沼液。配制c o d 为5 0 0m g l 的原 水是猪粪沼液与蒸馏水的混合比例是5 6 4 ：4 3 6 ；最后化学需氧量为2 0 0 m g l 的原水的配制是在蒸馏水中添加总量的2 2 6 的猪粪沼液。 配制成的实验用水水质概况见表3 1 表3 1 实验原水水质 t a b l e3 1t h eq u a l i t yo fr a ww a s t e w a t e rf o rt e s t 3 3 2 实验仪器 z p y - b 型生化培养箱( 上海仕博生物技术有限公司) h h s l1 6 电热恒温水浴锅( 江苏沙洲医疗器械厂) l a c 5 0 4 0 s 高压蒸汽灭菌锅( 成都市生科仪器有限责任公司) s v e 4 a 1 超净工作台( 新加坡e s c o ) m c s f l8 3 美的电磁炉 d g 2 0 - 0 0 2 台式干燥箱( 重庆试验设备厂) c o d 测定仪( 加热消解器，s 6 光电比色计，德国) 台式p h 测试仪( 德国) t e s 2 7 3 0 数字式万用表( 台湾t e s ) t d s 2 0 0 0 数字存储示波器( t e k t r o n i x ，上海) 3 3 3 实验装置 实验所用的常规电压脉冲电场消毒处理装置由作者自己研制。 它主要由脉冲电场发生器和放电处理室( 消毒室) 两部分构成。其中脉 冲电场发生器是根据r c 电路的原理制作。放电处理室的容积为1 2 0 0m l ( 其 中有效容积1 0 0 0 m 1 ) ，材质为玻璃制品：电极形状为撵状，制作材料为不锈 钢，直径为1 0 m m ，间隙可调，初始间隙为1 5 m m 。 3 3 4 实验药品 粪大肠杆菌测试所需药品：乳糖 酚紫乙醇溶液；蒸馏水；磷酸氢二钾 盐三号；胰蛋白胨。 蛋白脓；牛肉膏：氯化钠；1 6 溴甲 磷酸二氢钾；2 伊红：5 美兰：胆 测定化学需氧量所用试剂：优级纯重铬酸钾；硫酸银；浓硫酸；六水台 硫酸亚铁铵：邻菲罗啉和硫酸亚铁。 调p h 值所用试剂及配制方法：4 5 n 的n a o h ( 称取1 8 0 9 的氢氧化钠溶 于l l 蒸馏水中)；4 m 的h c i ( 由化学纯的盐酸溶液稀释2 5 倍得到) 。 其他材料：发酵管( 内含德汉氏小倒管) ；分液器：灭菌针管；淀粉k i 试纸；无菌水( 9 m 1 ) ，自制等。 3 3 5 实验方法 3 3 5 1 分析项目与监测方法 本实验中所使用的监测方法，都来源于中国环境科学出版社于2 0 0 2 年 出版的，国家环境保护总局与水和废水监测分析方法编委会主编的水和废 水监测分析方法第四版。具体方法见表3 - 2 ： 表3 2 各指标的分析测定方法 t a b l e3 2t h ed e t e r m i n i n gm e t h o d so fe a c hi n d e x 3 3 5 2 脉冲电场消毒处理方法 a 、待处理样的准备 根据每次实验的目的调制厌氧消化液的p h 值、c o d 等理化指标。搅 拌后，倒入消毒室接受电场处理。 图3 2 复发酵后粪大肠杆菌的生长状况 f i g3 2t h eg r o w i n go ff e c a lc o l i f o r ma f t e l r e f e r m e n t b 、消毒处理 ( 1 ) 测试厌氧消化液( 实验原水) 的初始粪大肠杆菌数。 ( 2 ) 将1 0 0 0m l 的实验原水装入消毒室中，然后接上电极线。 ( 3 ) 调整好处理时间，接通电源，按下开始工作按钮，进行电容充电；当 储能电容两端的电压达到击穿电压时，再按消毒处理开关，完成一系列的放 2 0 电杀菌过程。 ( 4 ) 在迸行一次杀菌后，让脉冲电场发生器停止工作几分钟，释放热量， 这样将能避免由于电阻过热烫坏电路板的情况发生。 ( 5 ) 在对沼液进行消毒处理后，应立即监测出水中的粪大肠杆菌数。 3 4 实验结果与数据分析 3 4 1 消毒机理探讨试验 关于常规电压脉冲电场消毒机理及在处理液体中产生的灭菌效应的假 说，可谓百家争鸣，众说不一。归纳起来可分为以下六种效应【7 “。 电磁学效应：脉冲发生器对消化液放电的过程，会在两电极间产生梯度 较大的电磁场，迫使两极间溶液中微生物细胞的组成离子，改变移动方向与 存在状态，从而破坏生物体、病菌及病毒的生活能力。 力学效应：在放电时，两电极问及其周围的液体会瞬时气化并形成气泡， 高速剧烈膨胀而爆炸，产生强烈的冲击波，其压强可达到1 0 0 k p a 以上，有的 高达1 0 g p a 冲击波的前沿速度达1 0 - 5 0 k m s ，同时施加给不可压缩的液体及 其中的物质。对微生物产生一定的影响。 热学效应：在放电通道内，由于等离子体( 带电离子) 的高速运动，相 互碰撞，会产生大量的热，使通道温度相当高，而产生局部高温消毒结果。 声学效应：在力学效应发生时，气泡膨胀爆炸的现象普遍存在。那么， 伴随产生的强力超声波也会起捌小部分的消毒作用。 光学效应：在消化液中放电时会发光和产生电晕琚象。同时，还会产生 极强的紫外光，起强烈的藏菌消毒作用。 臭氧效应：认为在电场作用下液体介质电解产生臭氯，在低浓度下臭氧 已能有效地杀灭细菌。 电解效应：在电极上施加电场时，电极附近的液体中的电解质电离产生 阴阳离子，这些阴阳离子在强电场作用下极为活跃，穿过本来通透性就被提 高的细胞膜，与细胞内生命物质如虽白质、核糖核酸等结合丽使之变性。 在实际消毒处理过程中，到底是哪几种效应起到了消毒作用，哪些占主 导作用，哪些作用可以忽略。这些问题是本章机理探讨实验所研究的对象并 需要做出回答的。 3 4 1 1 奥氧效应验证实验 取1 0 0 0 m l 比例为1 1 的生活污水与猪粪厌氧消化液的混合液，装入消 毒室，进行脉冲放电处理。在处理过程中取样3 m l 左右，滴4 m 的h c l 三滴， 2 l 迅速放入淀粉k i 试纸，若试纸由白色变为蓝色则说明放电时有臭氧产生， 否则无臭氧生成。实验结果列于表3 3 。由表3 3 可直观看出：脉冲电场消毒 过程中没有臭氧产生，也即病原微生物的失活是依赖脉冲放电对消化液产生 的其它效应的作用，而非放电产生臭氧导致病菌死亡的。 表3 3 淀粉k i 试纸变色情况 t a b l e3 3t h ec o l o rc h a n g es t a t eo fp o t a s s i u mi o d i d es t a r c ht e s tp a p e r 3 4 1 2 力学、声学及光学效应的验证 无论处理时间的长短，脉冲电场处理过程中，都有白色泡沫出现，并随 时间的推移，新旧气泡不断进行更替，破裂。若从微观物理现象方面考虑， 认为放电处理时会存在力学、声学及光学效应。 图3 3 消毒处理中的冒泡现象 f i g3 3t h ef r o t h i n gp h e n o m e n o nd u r i n gt h ed i s i n f e c t i n gt r e a t m e n t 通过观察消毒处理过程的液体颜色变化，我们发现在电极与脉冲发生装 置接头的地方，消化液中有黑色不明物质生成，并随处理时间的延长而加重 色度。从图3 4 ，可以清晰地看出颜色变化与处理时间之间存在的正比关系。 处理后水样置于冰箱中经过2 4 小时色度有所减轻( 可能是沉淀起大部分作 用) 。装置运行到第5 天时，电极接头处的非不锈钢部分几乎遍布锈斑。 对于黑色不明物质的形成原因，认为可能是由于电极与放电装置接头处 的材料为铁制品，而放电过程中发生的化学反应的产物具有氧化性将把铁氧 化为二价或三价铁。从而，出现处理后颜色变黑的