扫频脉冲磁场对电厂循环冷却水中异养菌的灭活研究.pdf

扫频脉冲磁场对电厂循环冷却水中 异养菌的灭活研究 * 武红梅刘智安常英薛金英刘洋周斐博 内蒙古工业大学能源与动力工程学院， 呼和浩特 010051 摘要 研究了扫频脉冲磁场对电厂循环冷却水中异养菌的影响， 并对灭活关键因素进行了分析。实验结果表明， 脉冲 磁场对电厂循环冷却水中的异养菌有灭活作用。灭活率对频率和输出电压具有选择性， 并且随着作用时间和温度的 升高而升高。在扫频 范 围 100 ～ 1 000Hz、 输 出 电 压3 V、 单 次 作 用 时 间 为15 s， 温 度45 ℃ 时， 异 养 菌 灭 活 率 可 达 78. 8 。 关键词 扫频脉冲磁场;异养菌;灭活;循环冷却水 STUDY ON INACTIVATION OF HETEROTROPHIC BACTERIA IN THE CIRCULATING COOLING WATER SYSTEM OF POWER PLANT BY SWEET PULSED MAGNETIC FIELD Wu HongmeiLiu ZhianChang YingXue JinyingLiu YangZhou Feibo College of Energy and Power Engineering，Inner Mongolia University of Technology，Hohhot 010051，China AbstractThe effect of sweep pulsed magnetic field on heterotrophic bacteria of power plant circulating cooling water was studied and the inactivation key factors were analyzed． It was found that pulsed magnetic field has an inactivated role in heterotrophic bacteria． The efficiency depends on the frequency and output voltage． The inactivated rate of magnetic field is increased with the increasing of the temperature and the single magnetic treatment time． With the sweep pulse magnetic field 100 ～ 1 000 Hz，the single magnetic treatment time 15s，output voltage 3V，temperature 45℃ the inactivated rate is 78. 8 ． Keywordssweep pulse magnetic field;heterotrophic bacteria;inactivation;circulating cooling water * 内蒙古自治区自然科学基金 2009MS0605 ; 内蒙古高等学校科学研 究项目 NJ10086 。 循环冷却水系统中， 容易出现水垢、 腐蚀、 微生物 滋生等现象。其中菌类等微生物的大量繁殖不仅会 污染循环水质， 而且微生物粘泥会附着在管道上使换 热效率降低， 严重时会造成管道堵塞和设备的垢下腐 蚀。为控制菌类等微生物的生长， 一般向循环水体中 投加化学药剂， 但这一方法不仅操作管理复杂还容易 对水体造成二次污染。电磁法作为一种新型的无污 染水处理技术， 有着良好的应用前景。现在常用的电 磁水处理器大多数是利用交变电流在固定频率下进 行工作， 其运行效果往往不够理想和稳定 ［1］。研究 发现脉冲磁场比恒定磁场具有更强的生物效应 ［2］。 本文通过对某热电厂循环冷却水进行变频脉冲磁场 灭菌实验， 考察不同因素对循环冷却水中异养菌灭活 效果的影响。 1脉冲磁场的灭活机理 利用置于水中的电磁线圈将电磁波感应到水体 中， 当强大的直流脉冲电流在通、 断瞬间， 积聚在线圈 的能量由于电路的突然关闭， 释放反冲高压， 使水槽 中感应的电压瞬间增大 ［3］， 进而影响微生物细胞膜 的离子通透性和膜两侧的电位， 导致细胞膜破坏， 使 细胞内原生质溢出而死亡。而且磁场会使得水分子 氢氧键断裂， 在水中生成过量的超氧阴离子自由基、 过氧化氢和自由质子等， 这些强氧化物质破坏了微生 物分子中的 DNA［4］， 达到灭活效果。磁场的生物效 应主要发生在细胞膜上， 在脉冲磁场的作用下， 由于 脉冲时间短， 磁场的变化率很大， 导致穿过细胞的磁 通量变化并激励起细菌细胞内的感应电流。感应电 流与磁场的相互作用力可以破坏细胞正常的生理功 能， 达到杀灭细菌的目的 ［5］。 21 环境工程 2011 年 10 月第 29 卷第 5 期 2实验部分 2. 1实验装置 循环冷却水动态模拟杀菌实验装置见图 1。装 置主要由动态循环恒温水浴器、 脉冲发生器、 脉冲磁 场处理器、 流量计等构成。 图 1脉冲磁场杀菌的实验装置 改装后的 CS501 型恒温水浴器作为动态循环水 装置， 在内置20 W水泵的作用下， 水体按图 1 所示箭 头方向循环流动。信号发生器利用数字合成方法产 生一连串脉冲电磁波作用于线圈， 脉冲磁场处理器为 自制1 000 mm 110 mm 130 mm的玻璃水槽， 实验 时将线圈放到水槽中， 使产生的磁场直接作用于循环 水体。 线圈由线径0. 51 mm的防水铜芯漆包线密绕在 长60 mm、 直径20 mm的塑料架上而制成， 主要参数 为 铜 芯 线 径 0. 51 mm、400 匝、空 芯 电 感 系 数 1. 98 mH、 电阻值3. 9 Ω。 2. 2测试方法 为了消除微生物自身特性、 水样特性等参数的影 响， 采用横向对比法进行灭活实验 在相同环境下， 接 通两组循环系统， 一组作为实验组， 根据图 1 所示流 程运行一定时间， 另一组作为对照实验。分别测定实 验组和对照组运行前后水样中的异养菌数。异养菌 灭活率为实验死亡的细菌数与对照组细菌数的比值。 实验用水取自某热电厂循环冷却水， 异养菌总数 采用琼脂平板计数法测定。每次读数取 3 个平板做 平行检测， 每次检测重复 2 ～ 3 次。 2. 3脉冲波形的选取 脉冲波形主要包括指数衰减波、 方波、 振荡波等。 方波有陡峭的上升和下降沿， 并且有相对稳定的平 顶， 可以在整个脉宽的时间内以最大电压对微生物持 续作用， 灭活效果较好。在所有波形中， 方波灭活最 好， 指数衰减波次之， 振荡波的效率最低 ［6- 7］。因此， 本实验选定波形为方波。 3实验分析 3. 1固定频率对灭活效果的影响 实验选 定 波形 为方波占空比 90 ， 输出 电 压 3 V， 水温度30 ℃ ， 线圈间距60 mm， 运行时间6 h。每 隔一段时间取样， 得出不同固定频率下的异养菌灭活 曲线见图 2。 图 2不同脉冲频率下的异养菌灭活曲线 在电压、 温度水流速度等条件不变的情况下， 不 同固定频率下的灭活率随运行时间的变化而变化。 由图 2 可知 100 Hz时灭活率随运行时间的增加而增 大， 运行时间6 h灭活率达 60. 34 。2 000 Hz时异养 菌的灭活率随运行时间的增加在 － 5. 08 ～ 30. 12 之间呈不规则变化。当频率选择10 000 Hz时异养菌 灭活率基本都为负值， 即对异养菌没有杀灭效果， 反 而促进循环水中细菌生长。可见固定频率杀菌效果 一般。 3. 2扫频频率对灭活效果的影响 实验选定波形为方波， 占空比 90 ， 输出电压 3 V， 循环水温度30 ℃ ， 两线圈间距60 mm， 设置步进 频率50 Hz进行扫频， 单向扫描， 脉冲间隔时间10 ms， 测定作用时间1 h异养菌灭活率， 结果如表 1 所示。 表 1不同扫频范围时 1 h 异养菌的灭活率 扫频范围 /Hz灭活率 / 扫频范围 /Hz灭活率 / 100 ～ 2 00060. 8200 ～ 2 00063. 64 100 ～ 1 00078. 1200 ～ 1 00049. 2 500 ～ 3 000－ 6. 38 由表 1 可知 在 200 ～ 2 000 Hz、 100 ～ 1 000 Hz 和 100 ～ 2 000 Hz情况下灭活率都在 60 以上; 而在 500 ～ 3 000 Hz时灭活率出现负值。故在此实验条件 下， 扫频 范 围 100 ～ 1 000 Hz 时 的 灭 活 率 最 高， 达 78. 1 ， 为最佳扫频范围。 循环冷却水中的异养菌是一类细菌的总称， 包含 好氧的铜绿假单胞菌、 水生黄杆菌和枯草芽孢杆菌以 及兼性厌氧的嗜水气单胞菌和大肠菌群等 ［8］。由于 31 环境工程 2011 年 10 月第 29 卷第 5 期 异养菌中每种细菌都存在特定的生物场， 对致死频率 有选择性， 固定频率时往往不能有效的杀灭细菌。只 有在外加频率符合细菌对频率的选择性时才会有好 的杀灭效果。因此， 利用信号发生器的扫频功能， 由 低至高发出一系列变化频率， 形成扫频脉冲波形， 达 到异养菌灭活目的。 3. 3电压对灭活效果的影响 控制扫频范围 100 ～ 1 000 Hz， 步进频率50 Hz， 脉冲间隔时间10 ms， 方波占空比 90 ， 水温度30 ℃ 。 分别改变脉冲发生器的输出电压值， 计算1 h灭活率， 实验结果见图 3。 图 3电压对灭活效果的影响 由图 3 可见 输出电压对灭活率有影响， 输出电 压 ＜ 3 V时灭活率基本随输出电压的升高而升高。而 当输出电压增加到3. 5 V时灭活率降低到 － 8. 6 。 这是因为循环水中的各种细菌都有特定的生物场， 对 致死电压具有选择性， 即电压高低对不同种类的细菌 具有不同的杀灭效果， 只有在致死电压下才会达到较 好的杀灭效果。本实验中电压为3 V时为最佳电压， 灭活率为 70. 2 。 3. 4线圈间距对灭活效果的影响 在扫频范围 100 ～ 1 000 Hz， 方波占空比 90 ， 水温度30 ℃ ， 线圈间距对灭活效果的影响见图 4。 图 4线圈间距对灭活效果的影响 由图 4 可见 灭活率随线圈间距的增加而降低， 当线圈间距为60 mm时灭活率为 56. 3 ， 间距增加到 75 mm时灭活率降到 13. 5 。这是因为在通电线圈 的两端磁场最强， 在通电线圈外磁场随距离呈减弱态 势 ［9］， 当线圈间距增大时磁场逐渐减弱， 对异养菌的 灭活能力降低， 因此灭活率呈降低趋势。 3. 5作用时间对灭活效果的影响 磁作用时间是指水样流经脉冲磁场一次所用的 时间。 控 制 扫 频 范 围 100 ～ 1 000 Hz，步 进 频 率 50 Hz， 脉冲间隔时间10 ms， 方波占空比 90 ， 水温度 30 ℃ 。磁作用时间对灭活效果的影响见图 5。 图 5磁作用时间对灭活效果的影响 从图 5 可见 随着磁作用时间的增加， 细菌在磁 场中的停留时间增加， 灭活能力上升。当单次磁作用 时间为5 s时灭活率仅为 8. 15 ， 增加到15 s时灭活 率达 65. 8 。 从磁场开始作用到出现生物效应， 一般有一段延 迟时间， 产生效应的磁场必须作用一段时间后， 细菌 才会发生明显的生物效应， 而且有时磁场所产生的生 物效应微小， 需要一定的反应时间累积才显出可见的 生物效应 ［10］。 3. 6温度对灭活效果的影响 在扫频范围 100 ～ 1 000 Hz、 方波占空比 90 、 输出电压3 V的条件下， 不同温度对灭活率影响见 图 6。 图 6水温对灭活效果的影响 由图 6 可见 在实验的水质条件下， 灭活率随温 度的 升 高 而 升 高。 当 温 度 为 25 ℃ 时 灭 活 率 为 46. 5 ， 温度升高到30 ℃ 时灭活率达 60. 8 。但当 温度达到一定值时， 这种上升趋势趋于平缓， 继续升 温对灭活率没有太大影响。这是因为， 升高温度微生 物的活动能力也相应提高， 磁场更容易影响到蛋白 质、 核酸等生物大分子的结构与功能、 细胞膜的流动 下转第 27 页 41 环境工程 2011 年 10 月第 29 卷第 5 期 表 4复配实验数据 絮凝剂絮凝剂比例 /助滤剂 G 比例 /r/ 1012m kg － 1 过滤时间 /min滤饼含水率 / 实验现象 0018. 724083. 84滤液澄清， 滤饼成形性尚可 PAM0. 103. 00. 05374. 16滤液澄清， 滤饼成形性好 PAC0. 333. 00. 11378. 32滤液微黑， 滤饼成形性好 3结论 1含油污泥中投加适量助滤剂 G 可改善过滤效 果， 提高滤速， 降低过滤比阻， 并使过滤完成后的滤饼 含水率较空白样降低， 助滤剂 G 最佳投加量为 2 。 2含油污泥中投加絮凝剂 PAM 可有效提高滤 速， 降低过滤比阻。PAM 投加量超过 0. 1 ， 滤饼比 阻可下降一个数量级之多， 但压滤结束时滤饼含水率 均在 80 左右， 成形性不理想， 不易从滤布上剥离。 3含油污泥中投加 0. 33 的絮凝剂 PAC 亦可 使比阻由空白样的 18. 7 1012m/kg下降到 3. 5 1012m/kg， 滤速也有明显提高， 过滤完成时滤饼含水 率为 80. 71 。但投加 PAC 时滤液发黄， 随着加药量 的增加， 滤液的浑浊度也随之增加。 4PAM 0. 1 与助滤剂 G 3. 0 复配， 可有效改 善压滤效果， 3 min即可使滤饼含水率降至 74. 16 ， 滤液澄清， 滤饼成形性好， 较仅添加絮凝剂 PAM 时， 更容易从滤布上剥离。 参考文献 ［1］周陵生， 姜秀民， 刘建国， 等． 胜利油田含油污泥的燃烧特性分 析［J］． 上海交通大学学报， 2010， 44 1 80- 84． ［2］刘会娥， 沈国平， 陈爽， 等． 油罐底泥的脱水性能实验［J］． 环境 工程， 2009， 27 6 ，18- 21． ［3］Hwa T J，Jeyaseelan S． Conditioning of oily sludge with alum［J］． Environmental Monitoring and Assesment，1997，44 263- 273． ［4］BuyukkamaciN， KucukselekE．Improvementofdewatering capacity of a petrochemical sludge ［J］．Journal of Hazardous Materials，2007，144323- 327． ［5］谈天恩， 麦本熙， 丁惠华． 化工原理 ［M］． 二版． 北京 化学工业 出版社， 1994． 作者通信处刘会娥266555青岛市经济技术开发区长江西路 66 号中国石油大学化学工程学院 E- mailliu_huie 126． com 2010 － 09 － 29 櫅櫅櫅櫅櫅櫅櫅櫅櫅櫅櫅櫅櫅櫅櫅櫅櫅櫅櫅櫅櫅櫅櫅櫅櫅櫅櫅櫅櫅櫅櫅櫅櫅櫅櫅櫅櫅櫅櫅櫅櫅櫅櫅櫅櫅櫅櫅櫅櫅櫅 收稿 上接第 14 页 性以及完整性， 进而影响微生物的生长、 繁殖， 从而提 高微生物对脉冲磁的敏感度， 提高脉冲磁场对微生物 的杀灭效果。 4结论 1 利用扫频脉冲磁场对电厂循环冷却水中的异 养菌进行灭活实验表明， 灭活率随着作用时间和水温 的升高而升高， 并对频率和电压有选择性。 2 实验发现， 某些固定频率抑制循环水中异养 菌生长， 但某些固定频率刺激异养菌生长。循环冷却 水中的异养菌是一大类细菌的总称， 不同种类细菌的 致死频率和电压均不相同， 只有选择合适的脉冲扫频 范围和电压才能达到使水中异养菌灭活目的。 3 当扫频范围 100 ～ 1 000 Hz， 步进频率50 Hz， 脉冲间隔时间10 ms， 单次作用时间15 s， 输出电压 3 V， 温度为45 ℃ 时， 循环冷却水中的异养菌数总数 从 1. 84 106个 /mL 下降到 6. 9 104个 /mL， 灭活率 达 78. 8 。 参考文献 ［1］Jaouhari C Gabrielle． Magnetic water treatment［J］． Wat Re， 2001， 35 13 3249- 3259． ［2］周蔚红， 张钧． 电磁脉冲灭菌研究［ J］ ． 微波学报， 2000， 16 3 320- 321． ［3］梁文艳， 曲久辉． 脉冲变频电磁场对水中藻类的抑制及去除效 能［J］． 环境科学， 2004， 25 4 38- 42． ［4］崔凤磊． 高频电场磁化水垢、 杀菌方面的研究［J］． 工业水处 理． 1997， 17 6 20- 21． ［5］刘涛， 马海乐． 脉冲电磁场的杀菌实验研究［J］． 南开大学学 报， 2006， 39 4 54． ［6］卢家暄， 连宾． 高压脉冲电场杀菌机理及影响因素分析［J］． 安 徽农业科学， 2007， 35 2 7601- 7603． ［7］张喜海， 张长利． 高强度脉冲电场灭菌关键因素的分析［J］． 东 北农业大学学报， 2005， 36 6 825- 827． ［8］武红梅， 刘智安， 王玮， 等． 电厂循环冷却水中异养菌的检测与 分析［J］． 能源工程， 2010 4 49． ［9］赵春旺， 王克勋， 刘前． 有限长螺线管磁场的数值计算与分析 ［J］． 工科物理， 1997 4 16- 17． ［ 10］刘普和． 物理因子的生物效应［M］． 北京 科学出版社， 1992． 作者通信处武红梅010051呼和浩特市内蒙古工业大学能源与 动力工程学院 E- mailwhm0622 yahoo． cn 2011 － 01 － 24 收稿 72 环境工程 2011 年 10 月第 29 卷第 5 期