（环境工程专业论文）高压静电及微电解对水中大肠杆菌灭活的实验研究.pdf

北京工业大学工学硕 ：学位论文 a bs t r a c t h i 出v o l t a g ec l e c t r o s t a t i ca n dm i c r o e l e c 仃o l y s i sa r ea l lt l l en e ww a t e r 仃c a n n e n t m e t h o d si nr e c e n ty c a r s t h e s e t e c l l l l o l o g i c sn o t0 1 1 l yh a v et l l e c t i o n so ft 1 1 e a 1 1 t i f o u l i n g ，c o n d s i o ni l l l l i b “i o na i l d 毗r i l i z i n g ，b u ta l s oa r ev e r ye n v i r o n m e 毗p r o t e c t a 1 1 de n e r g ys a v i n g t h e yh a v eb e c o m et h ef o c i l sc o m p e t i t i v e i yb o t l la th o m ea n d a b r o a d i nt h i sp 印e r w eg t i l d i e dt h ee 丘b c to fs t e r i l i z a t i o no f m i c r o e l e c t r o l y s i sa i l dh i 吐 v o l t a g ee l e c 仃0 s t a t i c 丘e l du n d e rt 1 1 es t a t i ce x p 嘶m e n t a lc o n d i t i o n ，a i l dg o tt h ee 日觇to f d i 拜h e mf a c t o r s ，s l l c h 髂m a t e r i a lo ft h ee l e c t r o d e ，v o l t a g ea 芏1 dc o n d u c t a i l c et ot l l e s t e r i l i z a t i o nw i t ht h em i c r o e l e c t r o l y s i s a n dt h e nw ec o n d u c t e dt l l ed v n a m i c e x p e r i m e n tt oc o m p a r cm ed i 丘毫r e n tr e s u l t so ft h cs t a t i ca r l dd y n a r n i ce x p e r i m e ma n d a p p r o a c h e dt b em e c h a n i s mo fs t e r i l i z a t i o n i nt h es t a t i ce x p 面m e n t ，t l l eh i 幽v o l 切g ee l e c t r o s t a t i ct i e l dh a st l l ee 行色c to f s t 秭l i z a t i o nf o rt 1 1 ee c o l i ，b u ti tw i l lt a k eal o n gt i m ea n dt h ec a p a b i l i t yi sn o ts t e a d y t h ee f f e c to ft h es t e r i l i z a t i o ni n c r c a s e db y 也ei n c r e a s e so fm ev o l t a a n dt f e a t m e m t i m e t h ec o n d u c t a n c ed ft h ew a t e rd o e sn o th a v es o m e 廿l j n gt 0w i t l lt | 1 ee 丑e c to f s t e m i z a t i o n n 谢l le n h a n c et h ee 位c to ft l l es t e 棚i z a t i o nf b ra d d i n 2t h ec ri m ot l l e w a t e lo t h e r w i s e t h em i c r o e l e c t r o l v s i sh a st i l eo b v i o u se n 宅c t0 ft h es t e r i l i z a t i o no n t h ee c o l i t h ee f f 毫c ti n c r e a s e db yt h ei n c r c a s e so ft h ev o l t a g e 锄dt h ec o n c e n t m t i o n o f t h ec 1 t h el e s sc o n c e m r a t i o no f t h eb a c t e r i aa n dt l l em o r et i m e 内懂t r e a n e mb o 也 c a ne n h 柚c et l ee 丘色c to ft h es t e r i l i z a t i o n a n dw es t i l d ym ee a e c to fs t e r i l i z a t i o nf b r 血em i c r o e i e c t r o l y s i sw i t ht h et ia n dg r a p h i t ea st l l ee l e c t r o d e s ，ns a y st l l a tt l l et i e l e c t r o d ei st 1 1 eb e t t e rt h a l lt l l e 掣a p h i t ee l e c t r o d ef o rm i c r 0 e l e c t m l y s i st os t i ：m i z e m o r e o v e ri nt h ed ”l a m i ce x p e r i m 咖，w e 咖d y 吐i ee 任b c to ft h es t e r i l i z a t i o no n 也ee c o l io ft h em i c r o e l e c 住o l y s i si nm ef l o wr e g i m e i ti n c l u d e so n c et h r o u g ht h e p m c e s s o ra n dc i r c u l a t i n gt h ep r o c e s s o r t h er e s u l ts h o w st 1 1 ec a p a b i l i t yo ft h e m i c r o e l e c t r o i v s i si sd i r e c tr a t i ow i mt 1 1 ev o l t a g ea n dt 1 1 et r e a m l e mt i m e t h ee 仃毫c ti s v e r yo b v i o u s c ra d d e dc a l le n h a n c et h ee 豌c to ft t l es t e r i l i z a t i o no b v i o u s ly t h e b a c t e r i ak i l l i n gr a t ec a nr e a c ht ol o o f o ro n c et 1 1 m u 曲t h ep m c e s s o rt ot l l ew a t e r w t l i c hi n c l u d e ss o m ec l a tl a s t ，u n d e rt 1 1 es i m u l a t ei n d u s t r i a lc i r c u l a t i n gc o o l 、张t e rs y s t e m ，a n t i f o l l l i n g a n ds t e r i i i z a t i o ne x d e r i m e n tw e r ec o n d u c t e da tt h es a m et i m ew i t l lm eo n l i n e m o i l i t o r i n g 印p a r a t u so ff o u l i n gr e s i s t a i l c e m e a i l w l l i l ew es t u d i e de 丘毫c to f 血e m i c r 0 一e l e c t r o l y s i st ot h ef o u l i n ga r l db a c t e r i ai nm ec i r c u l a t i n gw a t e li ts h o w st h a tt h e m i c r o - e l e c t r o i y s i sc a ns o l v et h e 铆op r o b i e m so ft l l ec i r c u l 砒i n gw a t c rw h i c ha r e f o u l i n gf o m a t t i n ga n db a c t e r i ag r o w t i le 仃c c t i v c l y i tc a nb el l s e di nt 1 1 ec i r c u l a t i n g c o o lw a t e rn a t m e n t k e yw o r d s ：h i 曲v 0 1 t a g ee l e c t r o s 诅t i c ，m i c r o e l e c t r o l y s i s ，e c 0 1 i ，s t e r i l i z a t i o n ， w a t e rt r e a t m e m - i i 独创性声明 本人声明所呈交的论文是我个人在导师指导下进行的研究工作及取得的研 究成果。尽我所知，除了文中特别加以标注和致谢的地方外，论文中不包含其 他人已经发表或撰写过的研究成果，也不包含为获得北京工业大学或其它教育 机构的学位或证书而使用过的材料。与我一同工作的同志对本研究所做的任何 负献均已在论文中作了明确的说明并表示了谢意。 签名： 力点 关于论文使用授权的说明 开期；、母勺1 ，历1 本人完全了解北京工业大学有关保留、使用学位论文的规定，即：学校有 权保留送交论文的复印件，允许论文被查阅和借阅；学校可以公布论文的全部 或部分内容，可以采用影印、缩印或其他复制手段保存论文。 ( 保密的论文在解密后应遵守此规定) 签名： 终玉 导师签名： 圄 日期：潲- 7 1 第1 章绪论 1 1 概述 1 1 1 水资源现状 我国是一个水资源短缺的国家。按联合国有关机构的标准，人均水资源占有 量3 0 0 0 m 3 以下为轻度缺水，人均2 0 0 0 m 3 以下为中度缺水，1 7 5 0 m 3 为用水紧张 警戒线，人均1 0 0 0 m 3 以下为严重缺水，人均5 0 0 m 3 以下为极度缺水。据水利部 门统计，我国目前人均水资源量为2 2 0 2 m 3 ，是世界平均量的i 4 ，是世界1 3 个 缺水国家之一，北方地区的人均水资源量，是世界平均水平的l 3 0 ，是极度缺水 的地区。河北省人均水资源为3 3 0 m 3 ，北京则不足3 0 0 m 3 。同时，水资源在时空 上分布不均匀，使一些地区处于严重的缺水状态。随着我国经济的发展和城市化 进程的加快，城市缺水问题日益突出。据资料统计，目前在全国6 6 9 个城市中， 4 0 0 个城市常年供水不足，其中1 1 0 个城市严重缺水，日缺水量达1 6 0 0 万m 3 ， 年缺水量6 0 亿m 3 。由于缺水，每年都将影响工业产值2 0 0 0 多亿元，水资源短 缺已成为制约我国经济发展的重要因素。 随着社会工业化的不断发展，近年来我国水环境也在不断的恶化，地表水和 地下水均已不同程度的受到污染，并且日趋严重。全国污、废水排放量以每年 1 8 亿吨的速度增加，水利部门近年来对全国7 0 0 条大中河流近十万公里的河段 进行水质检测，其结果是近一半的河段河水已经失去使用价值，全国从南到北七 大江河都已不同程度的受到污染。目前全国9 0 以上城市水污染严重，有7 亿 人在饮用大肠杆菌含量超标的水，1 7 亿人饮用被有机物污染的水，饮水形式十 分严峻，同时也给工业生产带来巨大的经济损失。研究表明水是许多传染性疾病 的病原体传播的主要渠道之一，世界卫生组织( w h o ) 统计表明，8 0 的传染 病都是因为饮用水污染造成的。 因此迫切需要采取行之有效的方法和手段来控制微生物对自然水体的污染。 保障人们的身体健康，减少各种损失，促进社会和经济的可持续发展。 1 1 2 循环水处理的必要性 工业生产中，大多数是用水作为传热冷却介质的。这是因为水具有下列特点： 北京t 业人学t 学蛳f 学位论上 ( 1 ) 化学稳定性好，不易分解；( 2 ) 热容量大，在常用温度范围内，不会产生 明显的膨胀或压缩：( 3 ) 沸点较高，在通常使用条件下，在换热器中不致气化： ( 4 ) 水的来源较广泛，流动性好，易于输送和分配，相对来说价格也较低。在 冶金、化工、纺织、化纤等行业中都使用大量的水作为冷却介质。近年来，随着 人们对生活和生产环境要求只益增高，空气调节技术引起了各国的重视并取得了 巨大的发展。空调系统中水冷凝器所用的水通常都是经过冷却塔迸行循环的，在 循环过程中，换热面上不可避免的会形成结垢和淤泥从而降低冷却塔系统的性 能。水垢的生成会带来一系列的危害，重要表现在以下几个方萄：一、浪费燃料 ( 能源) 。据有关资料统计，当结垢厚度达到8 毫米的时候，燃料( 能源) 浪费 将达到3 0 4 0 ，二、破坏水循环。在系统管段直径较大的地方结垢后，会 导致传热不良，降低设备效率。若在直径较小的管段内结垢，会使流通面积减少， 增加水循环阻力，严重时会使管段完全堵塞，造成事故。三、缩短设备寿命。由 于水垢的形成，阻止了设备的有效换热，使换热表面的会属长期处于高温热负荷 状态，导致金属疲劳，另外垢下的腐蚀还会导致换热设备穿孔泄漏，缩短设备的 使用寿命。另外，循环冷却水还存在有腐蚀和微生物滋生的问题。这些都对工厂 设备的有效利用危害很大，既导致生产效率的下降，成本的提高，还有可能引起 设备和人员事故。所以，必须采取合理的水处理技术对用水加以处理，最大限度 的解决这些问题，达到合格的用水指标。 1 1 3 微生物的危害 微生物繁殖能够给工业循环冷却水带来严重的问题。在工业循环水中，由于 循环冷却水系统的环境，为微生物繁殖提供了优越的条件：适宜微生物滋长的水 温( 一般2 5 4 0 ) 、饱和的溶解氧、适中的p h 值、丰富的营养源( n 、p 、c 等) 、浓缩倍数提高、含盐量的增加、化学药剂的添加、空气及水源中存在的大 量菌藻等，都为循环冷却水中微生物滋长营造了一个理想的环境，所以微生物在 循环水中大量繁殖不可避免。 微生物的繁殖不仅能诱导换热器和输水管道的结垢，而且能引起管道的腐 蚀。给水管道和用水设备内的锈垢是由比较复杂的物理化学作用形成的，受到许 多方面的影响。在管道或设备内的锈垢一般都含有种类繁多的微生物，包括丝状 铁细菌、硫酸盐还原菌、硝酸盐还原菌、硝化菌、硫氧化菌、不明种类的异养菌 第1 节绪论 和藻类等。它们产生的大量黏泥聚集，产生结垢，阻碍热传导，藻类的大量繁殖 阻碍了水的流速，严重的会堵塞管道，既增加了能耗又使水质恶化。在管道的锈 垢中普遍存在的丝状铁细菌，是一种特殊的自养细菌，依靠铁和氧生存和繁殖， 其在管道内壁新陈代谢的结果，可产生大量的氢氧化铁鞘层，形成密集的锈瘤， 造成会属管道的缩小和堵塞，加速了结垢的形成，l 。 另外微生物的滋长也会引起管道的腐蚀，由于循环水中有些元素可以促进微 生物的代谢过程，某些微生物的代谢物又成为另种微生物的营养源，而微生物 的滋生繁殖可加速金属的腐蚀。因此，微生物的繁殖给循环水带来了极大的危害。 微生物的滋生主要通过以下三个方面对金属进行腐蚀f 】： 1 微生物的代谢产物对金属的腐蚀 微生物的代谢产物多种多样，有些能直接或间接造成金属腐蚀。如砭硝化杆 菌和硝化杆菌能利用溶解氧依次将氨氮氧化为亚硝酸和硝酸，从而可使局部区域 的p h 值降到1 啦! 4 ，对该局部金属直接发生腐蚀。还有厌氧性硫酸盐还原菌，其 还原产物h 2 s 具有强腐蚀性，能腐蚀冷却水系统几乎所有金属材料。还有些产物 会影响金属的氧化还原电位，使缓蚀处理失效。 2 形成氧浓差电池腐蚀 由微生物代谢作用引起氧和其他化合物的消耗，从而形成浓差电池在氧浓差 电池中，缺氧区的金属表面成为阳极，发生金属的溶解；有氧区的金属表面成为 阴极，发生氧区极化作用。氧浓差电池的建立促进了金属的腐蚀。其它化合物的 浓差电位的作用原理同此。 3 阴极去极化作用 荷兰学者提出的阴极去极化理论为：在缺氧的条件下，含有氢化酶的硫酸盐 7 。原菌可以从铁的阴极表面除掉氢原子，并利用它使硫酸盐还原，从而使阴极反 应加快，促进阳极溶解，加速腐蚀。比如说，由于在金属表面和沉积物之间缺乏 氧，因此一些厌氧菌( 主要是硫酸盐还原菌) 得以繁殖，当温度为2 5 - 3 0 时， 繁殖更快。它分解水中的硫酸盐，产生h 2 s ，引起碳钢腐蚀，其反应如下 s 0 4 2 + 8 h + + 8 e s 2 + 4 h 2 0 + 能量( 细菌生存所需) f e 2 + + s 2 一f e s i 铁细菌是钢铁锈瘤产生的主要原因，它能使f e 2 + 氧化为f c 3 + ，释放的能量供 北京丁业大学t 学硕f 学位论文 细菌生存需要。 f c 2 + 塑旦，f e 3 + + 能量( 细菌生存所需) 因此控制微生物特别是菌藻的生长对循环冷却水处理来说非常关键。 1 ，2 微生物的控制方法 1 2 1 化学方法 水处理中利用化学方法消毒的技术主要是往水中加入化学物质进行消毒的。 加入的化学物质主要分为氯、二氧化氯、臭氧和高分子有机杀生剂等。 1 2 1 1 氯消毒法： 自2 0 世纪4 0 年代起，氯消毒就已经成为使用最为广泛的水消毒方法，在预 防水传播疾病方面起着主要的作用。氯是一种优质杀菌灭藻剂，同时还有一定的 杀灭病毒的能力。此外，它对去除水中的铁和镁具有很高的效率，因此成为目前 应用最为广泛的杀菌剂。但是氯消毒的主要缺陷在于它的高危险性。如果对产生 次氯酸钠的化学原料处理不当，原料会在贮运过程中造成火灾、爆炸甚至是人员 伤亡事故。而且氯气本身就有毒性，其贮运和使用亦有相当的危险。另外在氯消 毒后的水中已经被检出有三卤甲烷等“三致”物质生成。故迫切需要一种更为环 保、绿色的消毒方法来替代氯消毒。 1 2 1 2 二氧化氯消毒法： 二氧化氯是有效的杀菌剂，具有快速灭活细菌的能力。许多研究都表明二氧 化氯在广泛的p h 条件下对细菌和病毒的杀灭效果要好于氯。通常二氧化氯的浓 度在2 5 m l ，接触时阃在5 1 5 分钟就可以达到良好的消毒效果舢。另外二氧化 氯氧化能力较强，能够氧化破坏染料的发色基团和助色基团达到脱色效果，也能 ，j 效地氧化硫醇、硫醚和其他无机硫化物以及仲胺和叔胺类霉臭物质，迅速消除 水体及空气中的臭味p j 。 二氧化氯用于消毒，不易产生氯化副产物( 如三氯甲烷等) ，但在碱性条件下， 会发生岐化反应生成氯酸盐( c 1 0 3 ) 和亚氯酸盐( c 1 0 2 。) ，这两种化合物在动物 体内累计，会产生过氧化氢，把血红朊氧化成没有颜色的正铁血红朊，造成溶血性 的贫血，危害生物健康j 。 二氧化氯用于城市污水消毒，成本较高，目前在国内用于医院污水处理较多。 第1 章绪论 另外，采用二氧化氯和氯复合消毒城市污水也有报道，其优点是减少了消毒副产 物、增加了持续消毒能力等。有关于这方面的研究，还有待继续。 1 2 1 3 臭氧消毒法： 1 8 9 3 年，臭氧消毒首先在荷兰被应用于水处理。随后，法国和德国也建设了利 用臭氧消毒的水厂，1 9 7 5 年在美国首先用于污水消毒。在我国，臭氧水处理技术 首先应用于废水处理，主要用于胶片、石油化工、印染等废水处理及传染病院的 污水杀菌。 臭氧在水处理中的作用主要是杀菌消毒、除色、除臭味和氧化有机物。臭氧 氧化作用强，反应速度快，不仅能有效杀灭细菌、病毒，而且对抗药性很强贾第鞭 毛虫病、似隐孢菌素等原生寄生虫也有很好的效果。通常，对于城市污水二级和 三级处理出水，臭氧消毒剂量通常在几个m l ，对一级处理，则可能需要十几 m l 【”。臭氧用于城市污水二级处理出水的消毒时，在水中大肠杆茵的数量超过 1 0 7 个l 的情况下，在消毒接触反应时间1 0 m j n 时可以达到9 9 9 的去除率【1 i 。另外 臭氧消毒也增加了水中的溶解氧，同时解决了色、臭、味的问题。 臭氧在水中的分解速度很快，不易贮存，通常是在现场制取、使用。目前，主 要采用无声放电法生产臭氧。臭氧消毒受p h 值、水温及水中氨量的影响较小，但 当水中存在溴化物和碘化物的时候，会产生溴酸盐和碘酸盐的消毒副产物。其中， 当溴酸盐浓度大于5 0 p g ，l 时，对人体有害【8 j 。 臭氧消毒技术在欧洲广泛的用于给水消毒，但由于在生产、操作、维护等方 面的问题，在城市污水消毒中的应用到目前为止较少。 1 2 1 4 高分子杀生剂消毒法： 不同的杀生剂作用机理也是不同的，有的可穿透细胞壁进入到细胞质中，破 。细胞体内的蛋白质基因，使微生物死亡。有的能破坏微生物中的酶，使微生物 的新陈代谢失调，酶活性丧失，从而使微生物窒息死亡或抑制繁殖。有的阳离子 表面活性剂可破坏细胞结构，减少细胞壁的透性，影响微生物吸收营养及排泄体 内废物，使微生物死亡。 1 2 2 生物方法 生物杀生技术也是近年来新兴起的一种技术，主要是利用微生物之间的各 种关系，在水样中加入某种特定的微生物来消灭其它微生物的一种方法。主要分 北京t 业人学t 学硕i 学位论文 为噬菌体法、酶法和蛭弧菌法。 噬菌体是一种能够吃掉细菌的微生物，也称为细菌病毒。这种细菌病毒与 动物病毒，植物病毒不同，它们只对细菌的细胞发生作用。噬菌体靠寄生在叫做 “宿主”的细菌里进行繁殖，繁殖的结果使“宿主”裂解，被其它微生物吞食。 酶法9 0 年专利( e p 3 3 8 “5 ) 利用纤维素酶或葡萄糖酶与a 一淀粉酶， 蛋白酶的混合酶，其最佳剂量为b 一葡糖酶：淀粉酶：蛋白酶= 2 ：1 ：l 。一般投 加剂量为2 l o m l ，就能有效的去除黏泥。其机理和过程为：旺一淀粉酶 首先破坏葡萄糖分子的键，使黏泥外部产生裂纹，从而使b 一葡萄搪酶进 入其中，破坏其中所含的碳水化合物。蛋白酶则破坏细胞外的蛋白分子。 关于蛭弧菌，国内外用蛭弧菌控制水体的细菌进行了大量的研究。国内 司稚东9 墩授等研究蛭弧菌对模拟自然水条件的河水种细菌总数的影响，结 果表明，加蛭弧菌3 6 5 0 p 如m l 实验组9 天后，细菌总数由2 7 1 0 7 个m l 减少 到9 l o 个m l ，和对照组存在明显差异。但应用于循环水时效果如何，有待进 一步研究。 1 2 3 物理方法 物理法主要是指电、磁、声、光等技术和相应设备的应用，其效果一般 不如化学法有效，但这些技术往往集阻垢、缓蚀、杀菌、灭藻等多项功能于 一身，使用方便、成本低、无污染，因此在我国从上世纪八十年代后迅猛发 展，据估计有一定规模的生产物理法水处理器的企业已有2 0 0 多家，其产品 已在中小型水处理系统中获得了十分广泛的应用，且已渐据主导地位。综述 文献，目前比较成熟的物理法主要有磁化法、电磁处理法、高压静电法和电子 处理法。 1 2 3 1 磁化法： 磁场水处理是其中一个较特殊的领域。磁处理在水处理领域目前集中在防 垢、除垢、缓蚀、分离净化等方面，有关磁处理在杀菌、灭藻方面的研究还 较为少见。磁场的生物学效应是非常复杂的问题，其对生命系统的影响是多层次、 多水平的，而且生物对磁场作用具有自我调节功能。有关磁场生物学效应的报道 已不鲜见，但作用机理至今仍不清楚，理论上的缺乏影响了磁场水处理技术在杀 菌、灭藻方面的应用。这种磁场一般指的是定磁场。目前都只能是从经过磁处理 6 第1 节绪论 的水的物理性质的改变来解释。比如：如折射率、电导率、介电常数、表面张力、 粘度、红外吸收光谱等处理前后都发生了变化o ”。而且磁处理对溶液中发生的 溶解、结晶、聚合、润湿、凝聚、凝固、沉淀过程及生物系统的代谢过程也会发 生影响旺】。研究还发现，磁场对水系统的作用具有明显的记忆效应( 即当撤掉外 磁场后水系统的物理化学性质能保持数小时或数天) t ”：。 王祥三等在磁场强度为4 0 0 0 g s 时用蒸馏水作实验，其杀菌效率达到了 8 0 以上。郭银松；、等提出磁化杀菌可以从两个方面解释：1 ) 磁场的直接作用 引起b o d 和c o d 降低，使异养微生物的能源和c 素营养物质减少，导致水体 异养菌死亡速度大于繁箔速度；2 ) 磁场力直接作用于细菌细胞内的水和酶，使 酶钝化或失活，从而使细菌的新陈代谢作用受阻。 虽然国内外对磁处理法的研究一直没有中断，也取得了很大的进展，但是 对于磁处理杀菌、阻垢的机理，至今尚未形成统一的理论基础，而且磁化法的应 用效果也不稳定，有时甚至出现负效应，所以在实际应用中受到了很大的限制。 1 2 3 2 电磁处理法： 电磁处理是用一根导线绕在换热器进口管上，形成一个螺线管，将此导线的 两端接到一个电磁控制单元上。让交变的脉冲电流通过该螺线管，从而在管子内 产生交变的磁场，继而交交的磁场又在管予内产生交变的电场。 研究表明，脉冲磁场比其它类型的磁场具有更强的生物学效应“。磁场强度 和处理时间是决定脉冲磁场杀菌效果最为关键的因素。低强度的磁处理对生物体 的生长具有促进作用，长时间高强度的磁处理才会对生物体产生抑制或致死作用 。 李梅雎等做了脉冲磁场在杀菌、灭藻方面的研究，证明脉冲电磁场具有明显 岣杀菌作用：增加磁场强度、处理时间和脉冲频率可以提高杀菌效果，并且脉冲 磁场的灭藻功能对强度和频率的选择。当停留时间为3 0 m i n ，磁场强度5 0 0 m t ， 脉冲频率4 0 k h z 实验条件下，循环处理后水中细菌总数的存活率为o 0 1 ，藻 类基本死亡。 目前，国内外对电磁场处理水的机理还处在初步探讨阶段。对电磁场处理水 的有关物理参数的改变及机理尚无定论。而且电磁处理法在我国的应用凡经反 复，从目前市场上的情况来看，电磁处理方法的应用还是有限的。 北京t 业人学t 学耐! i 学位论文 1 2 3 3 高压静电法： 随着静电技术和绝缘材料的发展，静电应用技术的发展也是同新月异。静电 水处理技术是近几十年来才发展起来的技术，但是由于静电技术在水处理中显现 出的独特性能使得该技术的研究和应用同益得到众多科研工作者的重视，并取得 一系列的阶段性成果。目前静电水处理技术研究基本形成系统性，其方向涉及给 水处理( 循环冷却水处理) 、污水处理等。各种研究结果表明：静电水处理技术， 尤其是高压静电场水处理技术是一种低能耗、无污染、高效率的水处理技术，是 一种极具有应用前景并急需研究开发的新型水处理技术。在不久的将来，静电水 处理应用技术将为水处理技术的发展注入新的活力。 高压静电法是给水体施加恒定的高压电场，但水体中电流几乎为零，使水体 中产生一些自由电子，这些电子最后生成0 2 和h 2 0 2 等物质。其典型的产品就是 离子棒。工作原理示意图如下： h 曲涮t 赠e - 铀怡t y - i n 住崩怕n e 刮b 叫t p 田 - h 曲c o s t o f h s 刨h f o “ 图_ l 一1 静电法水处理原理图 f i 9 1 - 1t h e p f i l l c i p l em a g f a mo f d o c 吣s 叫c w a 衙廿协l t 高压静电场杀菌消毒和灭藻技术研究现状 消毒是水处理工艺中的重要组成部分。自来水厂出厂前要经过严格的消毒； 许多生活用水系统的构筑物( 如蓄水池、水箱、游泳池) 中的水体都需要消毒， 灭菌的。工业循环水体更加需要控制滋生细菌和藻类；生活污水和工业废水经过 污水厂处理之后仍然含有大量的细菌，尽管大部分细菌是无害的，但是其中还有 一些对人体健康有危害的病原菌和寄生虫卵将引起肠道传染病( 主要是伤寒、副 伤寒和痢疾) ，一旦含有这些病原体的水排入水体，将会污染地表水体和地下水， 引起传染病的流行，所以二沉池出水也要进行杀菌消毒。另外目前的中水处理所 用的杀菌消毒工艺还都是加入化学药剂来达到杀菌消毒的目的。这种方法不仅对 环境造成一定的危害，而且操作繁琐，需要专门的技术人员操控。因此也需要一 第l 节绪论 种绿色的、无污染的杀菌消毒方法来取代。 高压静电场消毒技术因其适用水质范围广泛，管理方便，运行成本低，不会 产生二次污染等优点而迅速发展。到目j ； 为止，有关高压静电场消毒技术的研究 比较多，而且在工程中也有实例。徐洪斌【”之：等人利用高压静电场对天然水体进 行杀菌灭藻处理，发现在最佳电场强度2 0 k v m ，处理6 h 的条件下，杀菌率为 7 0 1 0 0 ，平均杀菌率为9 1 3 。利用高压静电场处理二沉池出水，消毒效果 也很好。向阳；2 2 + 2 4 j 等人利用高压静电场对城市水厂的二沉池出水进行处理，结果 表明在4 0 0 0 v 的电压下，处理o 5 h 以后，杀菌率可达9 8 以上，而且该设备能 耗很低( 1 w ) 。 华东理工大学黄竹、陆柱”在模拟工业循环水系统进行了离子棒的阻垢、缓 蚀及杀菌性能的实验研究。其中通过改变溶液的p h 值、水温和处理时间分别测 试离子棒的杀菌性能，结果杀菌率为9 0 9 9 9 ，且杀菌效率随p h 值升高而 略有提高，随着水的温度升高而提高。 同济大学韩柏平2 6 | 等人进行了静电场对水和水中生物体作用机理的研究。认 为静电作用于水，产生了超氧阴离子自由基0 2 和h 2 0 2 等，能杀灭水中细菌。且 杀菌率随处理时间和放置时间而变化。 东南大学徐洪斌( 1 7 等人，作了高压静电杀菌灭藻技术研究，结果表明高压静 电场处理水伴随其电导率、溶解氧、p h 值等物理化学参数的变化具有显著的杀 菌灭藻效果。其最佳工作电场强度为2 0 l ( v ，循环处理6 h 以上时杀菌率可达9 0 以上，作用1 4 h ，藻类的杀灭率可达1 0 0 。 宝钢钢铁集团郅】在制氧空冷循环水系统上应用了离子棒，作用明显，其对水 中的异氧菌有明显的杀灭作用，效果优于化学杀菌灭藻剂。 从电场对水结构本身的影响上看，陈家森f 2 9 】等认为：高压静电场处理水之后， 使水中发生了物理和化学变化，产生了超氧阴离子自由基0 2 、过氧化氢和自由 质子等物质。而且能使水的电导率增大，溶解氧增大，p h 值减小口9 】。静电场的 作用初期，由于水中溶解氧含量增加，具有强氧化作用的物质如超氧化物阴离子 自由基0 2 和过氧化氢浓度还比较少，从而加快了微生物r n a 和蛋白质的合成速 度，改变了微生物的基因表达，改变了生物体中各种酶的活性，同时电场的作用 改变了活性污泥中微生物细胞膜两侧离子浓度，使跨膜电位发生改变，从而提高 北京工业大学丁学碗i 擘位论文 膜的透过性m 。“，加快了物料的交换速度，从而加快微生物的生命活动。但是当 电场长期作用时，使水中的具有强氧化作用的物质发挥作用，渐渐破坏了微生物 的生物膜和细胞核，导致其破裂，从而达到杀菌和灭藻的且的。这和南京大学用 签卿教授的研究结论( 在电场强度( e ) 2 0 0 0 4 3 0 0 v ，c m 内，细菌呈现先快速繁殖， 随后快速死亡) 相一致f 3 2 】。 朱现信 站l 在高压静电场处理活性污泥实验中发现在2 m a ( 电压1 0 k v ) ，处理 3 0 m i n 的条件下，镜检发现，污泥中的原生动物个体( 主要是钟虫) 9 0 以上细 胞破裂死亡，而实际高压静电场在处理水的过程中，电流( 电场在1 0 0 0 v c m 缴) 应该在1 0 “a 以下。 其中，电流对微生物的生命活动影响非常大，适当提高电流强度也可以增加 杀菌灭藻的效果。同济大学静电杀菌课题组研究结果表明在电流为3 0 0 r n a ，处理 l o m i n 的条件下，曝气池出水的杀菌率可以达到9 0 p “。 以现有的文献中可以看出高压静电场技术以其灭菌效率高、能耗低等优势已 成为现在物理方法水处理中的一支新生力量。 1 2 3 4 电子处理法： 电子场法就是以直接向水中通以微电流达到处理目的的。其实质是电化学 消毒，即利用电化学的氧化还原原理进行水处理，既能杀灭细菌，改善水的浊度、 嗅、味以及增加溶解氧，又能除去水中的铜、汞、铅、镍、铁等重金属离子和硫 酸盐、磷酸盐、氯酸盐等无机离子杂质以及有机污染物等3 5 】。七十年代末美国 国家航空和宇航局( n a s a ) 首先研制出来，八十年代逐步发展，据不完全统 计，1 9 7 3 至1 9 8 5 年仅亚洲就有5 0 0 余家企业使用。在我国，首先由核工业部南京格 林水处理设备厂研制生产，1 9 9 0 年获国家专利，1 9 9 1 年4 月获第二届北京国际博 览会金奖。国内经过进十年的研究，目前已开始在部分工业循环冷却水和居民区 生活引用水的二次消毒中应用，起杀菌灭藻的作用。它由直流稳压电源和处理器 组成。处理器为一管状体，其中心有一金属阳极，壳体为阴极。 其原理可能是：电极接通电源后，水分子在电场作用下，在阴，阳两极产生 电化学反应。阳极主要由h 2 0 分子在水解时产生的0 h 。放电形成新生态的氧，新 生态的氧在互相结合形成0 2 ，产生的0 2 水解并在阴极上还原产生过氧化氢阴离 子，并进一步分解形成过氧化氢等活性氧物质，h 2 0 2 与0 2 。经h a b e r w c i s s 反 第1 节绪论 应则可以产，圭毒性更强的羟基自由基弘】，另外h 2 0 2 也可在还原念会属离子的作 用下经f e i l t o n 反应形成o h 。大致的反应如f ： 2 0 h 斗2 e + h 2 0 + 【o 】 2 【o 】一0 2 0 2 + h 2 0 + 2 e _ h ( ) 2 。+ o h h 0 2 斗h 2 0 + 2 e h 2 0 2 + o h 0 2 。+ h 2 0 2 0 2 + o h 一+ o h 反应所产生的【o 】、h 2 0 2 和o h 具有极强的氧化能力，对水中的无机及有机 物质均可进行氧化f 。微生物细胞膜中的不饱和脂肪酸被氧化，产生大量的脂 质过氧化物，使细胞膜柔韧性降低，膜的脆性增加，溶酶体膜通透性增强，释放 溶酶体酶，导致细胞裂解死亡。 王雪峰f ：1 的微电解杀菌实验中，在电流密度j ；2 0 m a 伽2 下，微电解水处理 器的杀菌率随着水质的不同而有差异，电导率越高，杀菌率越高。作用3 0 0 s 对于 工业循环水中的大肠杆菌的杀灭率为8 3 5 。 吴星五等人指出，以电化学原理设计的水处理器，水流l o s 单程通过处理 器，杀菌率可以达到9 9 9 9 以上，耗电量仅为0 1 k w h m 3 。 刁惠芳蚓等人以电化学方法处理二级生物处理、生物活性炭过滤后的生活 污水，水力停留时间2 0 s ，耗电量o 3 0 1 k w h m 3 时，出水放置1 h 后可以达到生活 杂用水的卫生学指标：总大肠菌群数 3 个，l ，而且根据电化学消毒和加氯消毒对 细胞形态影响结果的不同说明二者杀菌机理方面的不同。 常玉【4 0 在电化学杀菌试验中水流2 0 s 单程通过微电解处理器，电流密度大于 2 m a c i i l 2 的条件下，杀菌率可达9 9 9 9 。 陈繁忠”1 等人指出，电化学方法能完全杀灭水中的细菌，达到生活饮用水 的要求，而且经电化学处理后的水具有一定的持续杀菌能力，使用钛电极的灭菌 效果优于不锈钢电极。 低压微电解水处理技术相对于磁处理及高压静电水处理而言起步比较晚，但 是目前市场上的相关产品已经很多，不过对于其机理的研究，至今尚未形成统一 的理论基础，所以对其杀菌机理的研究还有很多工作可做，只有这样才能在微电 解水处理技术的应用当中，根据具体情况确定最佳参数，从而促进这项技术的进 一步发展。 1 3 本课题的主要研究内容 由于前人对于高压静电场和微电解作用的应用研究主要集中在防垢和缓蚀 的效应上，在此过程中也发现了该类装置有一定的杀菌灭藻作用，但是机理不详， 效果不一；实际应用中的最佳适用工况条件也不确定，而且机理也多为理论推测， 少见有深入的研究和报道。 目前利用微电解或高压静电场作用丌发出的自来水净化设备已经在一些地 方投入使用，为了更好的探索微电解水处理装置和高压静电水处理装置的杀菌灭 藻效果及最佳应用场合，本文拟通过自制的高压静电和微电解水处理简单装置， 分析在不同水样中大肠杆菌的杀灭条件与杀灭效果的关系；试图探讨其杀菌机 理，摸清其作用规律，为在生产实践中推广和合理应用该类装置提供理论依据。 由前所述，归纳起来，本课题研究的主要任务可以概括为以下几个大部分： 1 ) 设计、搭建杀菌实验台，确定实验及分析方法 2 ) 高压静电杀灭大肠杆菌效果的静态实验研究及分析 3 ) 微电解杀灭大肠杆菌效果的静态及动态的实验研究及分析 4 ) 工业循环冷却水条件下微电解杀灭大肠杆菌性能的实验 第2 节静态杀菌实验方注 第2 章静态杀菌实验方法 2 1 实验用水 实验用水由分析纯n a 2 s 0 4 和n a c l 和去离子水按照不同的比例配制而成， 根据实验的不同配制而成，按照实验要求，在去离子水中加入不同质量的n a 2 s o - 和n a c 】，以调整水溶液电导率及溶液中a 一的浓度进行实验。 2 2 实验菌种 1 大肠杆菌( ec o l i ，2 8 5 ) 是一种革兰氏阴性杆菌，大小0 ，5 1 3 微米。多数不致病，为人和动物肠 道中的正常菌群，随粪便排出，广泛分布于自然界。它们寄居在肠道，一方面能 合成维生素b 及k ，供机体吸收利用；另一方面能抑制腐败菌及有致病性的细 菌和真菌的过度增殖。但当它们离开肠道的寄生部位进入机体其他部位时，能引 起感染“】。本研究所用的菌种均是e c o l i 2 8 5 株。 2 3 实验仪器和试剂 1 h z q f l o o 全温度振荡培养籀 用于微生物、病毒、动植物、药物细胞组织的培养与酶工程等方面的研究。 一江苏太仓市华美生化仪器厂生产。 2 m c 0 1 7 a cc 0 2 培养箱 用于微生物、病毒、动植物、药物细胞等的培养。日本s a n y o 产品。 3 d 1 自动蒸汽灭菌锅 全系统采用微机控制，全不锈钢缸体，硅橡胶密封圈，内藏式排气桶，自动 0 ，户风扇降温。可用于高压灭菌。北京发恩科贸有限公司产品。 4 t e l s t a ri i 级生物安全柜( b i o - i i - a ) 【4 2 】 能提供对人员、环境、产品的保护。气流从操作者的周围被抽吸到安全柜前 i f i i 的格栅，提供人员保护。下降的层流可最大程度地减少安全柜工作台面上发生 交叉污染的机会，从而提供了产品保护。由于安全柜派往的空气通过一个经认证 的h e p a ( 高效空气粒子过滤器) 过滤器过滤，对环境无污染，排出的风可以循 环回流入实验室或排放到建筑物外。 北京t 业人学丁学硕i 学位论文 西班牙t e l s t a r 公司产品。 5 ，s h i n e s o 自动菌落分析仪 主要用于平皿中菌落的计数。国产s h i n e s o 公司产品。 6 培养基 本试验采用的是l b 培养基( l u r i a b e t a n i ) 。 配制方法为：配置l l 的培养基，应在9 5 0 m l 去离子水中加入： 胰化蛋白胨 1 0 9 酵母提取物 5 9 氯化钠 1 0 9 摇动容器至溶质溶解。加入1 m o l l 的n a o h 溶液l m l 调节溶液的p h 值至 7 o 。然后用去离子水定容至1 l ，最后放入高压灭菌锅内在1 5 p s i ( 1 0 5 k c m 2 ) 条 件下蒸汽灭菌2 0 m i n 即可，4 下密封保存备用。 7 平皿 取配置好的l b 培养基1 l ，加入1 5 9 琼脂，用玻璃棒搅拌至琼脂完全溶解， 然后放入高压灭菌锅内1 5 p s i ( 1 0 5 k c n l 2 ) 高压下蒸汽灭菌2 0 m i n 。等温度冷却至 7 5 左右，打开锅盖，拿出后迅速放入生物安全柜内，然后在每个空白平皿内都 倒入2 0 m l 左右的溶液，待溶液冷却凝固后4 下密封保存备用。 8 磷酸盐缓冲液( p b s ) 【4 3 l 成分： 1 3 7 m m o 儿n a c l 2 7 m m o l lk c l l o m m o l ln a 2 h p 0 4 2 m m o 此k h 2 p 0 4 配置方法：用8 0 0 “左右的蒸馏水分别加入8 9 n a c l ，o 2 9 k c l ，1 4 4 斟a 2 h p 0 4 和o 2 4 甜m 2 p 0 4 。搅拌均匀后，用h c l 调节溶液的p h 值至7 4 ，加水定容至1 l 。 分装后在高压灭菌锅内1 5 p s i ( 1 0 5 k c m 2 ) 高压蒸汽灭菌2 0 m i i l ，或通过过滤除 菌，保存于室温。 2 4 实验原理 根据实验目的，配制一定电导率水平( 同北京市自来水) 的实验用水，分别 第2 章静态杀菌实验方法 用高压静电和微电解的方法处理加入一定细菌浓度的实验用水。然后在不同时间 取样，检测水体中剩