基于變頻脈沖磁場處理技術的火電廠循環水抑菌效果的研究

齊　超

(大唐黑龍江發電有限公司 哈爾濱第一熱電廠,哈爾濱 150078)

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基于變頻脈沖磁場處理技術的火電廠循環水抑菌效果的研究

齊超

(大唐黑龍江發電有限公司 哈爾濱第一熱電廠,哈爾濱 150078)

筆者利用自制的脈沖磁場水處理裝置對某火電廠循環冷卻水進行異養菌滅活實驗,研究頻率、方波占空比、DDS信號發生器輸出電壓等因素對殺菌率的影響。實驗結果表明:當水溫為30 ℃、流量為170 L/h、頻率為1000 Hz、方波占空比為50%、DDS信號發生器輸出電壓為10 V時,且連續殺菌10 h后,殺菌率可達到最大值(84.5%)。由此表明,脈沖磁場對循環冷卻水中的異養菌具有顯著的抑制作用。

變頻脈沖磁場;火電廠;循環冷卻水;抑菌效果

在火電廠的用水系統中,50%～80%為循環冷卻水,20%～40%為水力輸送用水,僅2%～4%為鍋爐補給水,因此火電廠的節水重點是水力輸送系統的優化設計和減少冷卻水排污[1]。然而,傳統的控制微生物方法不僅加劇了水體菌藻類的繁殖,污染環境,而且在實際運作中存在操作難度大、運行費用高、處理效果差等問題[2],迫切需要一種方法高效快捷、簡單可靠的循環冷卻水處理方法。變頻脈沖磁場水處理技術具有處理效果好、無污染物排放、運行費用低等特點,在工業循環冷卻水處理領域受到廣泛關注。所以本文以某火電廠的循環冷卻水為研究水樣,利用自制的脈沖磁場水處理裝置對循環冷卻水進行異養菌滅活實驗,通過改變相關實驗參數(脈沖頻率、占空比和DDS信號發生器輸出電壓等),研究不同因素對殺菌率的影響,從而得出脈沖磁場水處理的最佳殺菌參數。

1　循環冷卻水系統

火電廠常用的冷卻水系統分別為敞開式循環冷卻水系統和密閉式循環冷卻水系統[3-4]。本文采用的水為黑龍江省某火電廠敞開式循環冷卻水系統的冷卻水。敞開式循環冷卻水系統中的冷卻水是暴露在大氣中的,其特點是隨著水分蒸發,鹽類不斷濃縮,極易形成水垢,造成金屬腐蝕，也助長了水中微生物的滋生,從而形成生物粘泥。敞開式循環冷卻水系統如圖1所示。

圖1　敞開式循環冷卻水系統示意圖

2　變頻脈沖磁場水處理殺菌機理

2.1變頻脈沖磁場的殺菌機理

變頻脈沖磁場的殺菌機理很復雜,主要表現在以下幾個方面:

1) 由DDS信號發生器產生脈沖磁場,當直流脈沖電流在高電平轉入低電平時,積聚在感應線圈的能量由于電路的突然關閉，因此在線圈兩端產生反沖高壓,造成了水管中感應電壓的瞬間猛增,形成很大的瞬間電流,直接影響細菌細胞膜的離子通透性,破壞細胞膜,從而達到殺菌效果。

2) 當存在外加磁場時,在磁場洛倫茲力的影響下,細菌細胞內帶電粒子的運動軌跡被束縛在某一區域內,導致了細胞內離子和電子不能正常傳遞,對細胞正常的生理功能造成影響[5],使細胞結構發生變化,從而導致細菌死亡。

3) 每種生物都有自身的固有頻率,當外加磁場的頻率與循環冷卻水中異養菌的固有頻率接近或相同時,就會引起異養菌共振,使細菌細胞膜穿孔,從而導致細菌的徹底死亡。

2.2異養菌存活量的計算

實驗采用平皿計數法,在無菌環境下,按稀釋度依次稀釋水樣,用1 mL移液管取1 mL稀釋后的水樣,倒入裝有溫度為50 ℃的牛肉膏蛋白胨培養基的平皿中,晃動培養皿,使培養基與水樣混合均勻,待培養基凝固后將平皿倒置于恒溫培養箱中,并在37 ℃的溫度下培養24 h。然后,取出培養皿,每個單細胞已生長繁殖成肉眼可見的菌落,統計出現的菌落數,并將其乘以稀釋倍數,即可得到1 mL原始水樣中存活的細菌數。

在恒溫培養箱中將實驗水樣所制成的培養皿培養24 h,篩選、統計菌落數在30～300之間的培養皿,一個稀釋度為一組實驗,每個稀釋度進行三次重復實驗,存活的菌落總數取其平均值。

實驗中用到的殺菌率公式(即處理后致死的細菌數與對照組細菌數的比值[6])為

(1)

式中:η為殺菌率,%;c0為對照組中異養菌存活量平均值,個/mL;c1為實驗組電磁處理后異養菌存活量平均值,個/mL。

3　變頻脈沖磁場水處理殺菌實驗

3.1試驗儀器

實驗裝置由電磁脈沖殺菌水處理器、流量計、CS501恒溫水浴器及噴頭組成,如圖2所示。

圖2　電磁脈沖殺菌實驗裝置

3.1.1電磁脈沖水處理器

電磁脈沖水處理器由電磁脈沖水處理箱和DDS信號發生器組成。

1) 電磁脈沖水處理箱如圖3所示。

圖3　電磁脈沖水處理箱

電磁水處理箱由10 mm厚的PVC板做成,尺寸為:長350 mm、寬140 mm、高90 mm。箱內繞制的電磁線圈安裝在處理箱內部的兩側,線圈電感為4.22 mH。兩個相對線圈的距離為4 cm,兩個相鄰線圈的距離為3 cm,密封盒兩端留有進、出水口。電磁水處理箱內兩個相對線圈的繞向相同,將線圈的首尾相連,并分別連接DDS信號發生器,將中間部分分開,使水流從中間通過,做切割磁力線運動,從而達到殺菌效果。

圖4　DDS信號發生器工作原理圖

2) DDS信號發生器利用數字合成方法產生數據流,并經過數模轉換器預先設定成模擬信號,克服了傳統模擬信號需要借助振蕩器的不利條件,具有頻率精度高、失真度小、分辨率小、使用靈活等特點,其工作原理如圖4所示。

3.1.2CS501恒溫水浴器

實驗將CS501型恒溫水浴器作為溫度控制和循環水動力裝置。恒溫水浴器內置的水泵可使水體循環流動,恒溫水浴器內置的電加熱器可使系統的水溫保持平衡,其結構如圖5所示。

圖5　CS501型恒溫水浴器結構圖

3.2實驗內容

將該熱電廠的循環冷卻水加入營養物質后,預處理20 h,使初始異養菌的存活量達到107個/mL。然后,加入水樣(約為17 L),調節水流速度,使水溫等參數保持一致。正常運行后,間隔固定時間取樣,將取樣后的循環冷卻水進行稀釋和接種,并將接種的水樣倒入蛋白胨牛肉膏培養基中。待培養基凝固后,將其放入電熱恒溫培養箱中,在37 ℃的溫度下培養24 h之后,取出計數,每組實驗做三次重復實驗,取平均值,并通過殺菌率衡量殺菌效果。

由于方波信號具有磁感應強度大、信號衰減小、穩定度高等特點,因此實驗中使DDS信號發生器產生方波信號。然后,通過改變脈沖頻率、方波占空比、DDS信號發生器輸出電壓等參數,得出脈沖磁場殺菌的最佳值。

3.2.1脈沖頻率對殺菌率的影響

將中間兩組相對線圈分別連接脈沖信號發生器,選擇方波波形,占空比為50%、輸出電壓為10 V、整個循環系統的流速為170 L/h、水溫為30 ℃,并分別選擇幾組不同的脈沖頻率,取5 min、1 h、4 h、6 h、10 h的水樣進行實驗。不同頻率下殺菌率隨時間的變化曲線如圖6所示。

圖6　不同脈沖頻率下的殺菌率曲線對比

由圖6可以看出:殺菌率隨時間的改變而變化,當脈沖頻率為100 Hz和10 000 Hz時,殺菌率先下降后上升,并在實驗初期呈現負增長趨勢,在實驗后期才開始起到殺菌作用;當脈沖頻率為1500 Hz時,整個實驗過程幾乎都處于負增長狀態;當脈沖頻率為1000 Hz時,殺菌率始終保持正增長狀態,并且殺菌率隨著時間的增加而增大,最終在10 h的時候,殺菌率達到最大值,最大值為84.47%。由此可知,殺菌效果最佳的脈沖頻率為1000 Hz。

通過分析實驗結果可知:每種生物都有自身的固有頻率,當外加磁場頻率符合循環冷卻水中細菌的固有頻率時,細菌將產生共振,其生理結構受到破壞從而達到滅菌效果。但是,如果所選頻率為細菌所能吸收的頻率,則會刺激細菌的繁殖。

3.2.2方波占空比對殺菌率的影響

脈沖頻率選為1000 Hz,水溫為30 ℃,DDS信號發生器輸出電壓為10 V,選擇方波波形,整個循環系統流速為170 L/h,并分別選擇幾組不同的方波占空比,取5 min、1 h、4 h、6 h、10 h的水樣進行實驗。不同占空比下的殺菌率隨時間的變化曲線如圖7所示。

圖7　不同方波占空比下的殺菌率曲線對比

由圖7可以看出:當方波占空比為10%與90%時,在不同時間里殺菌率均出現負值,整個殺菌率曲線的走向波動較大;當方波占空比為50%時,在10 h的時候,殺菌率達到最大值,最大值為84.47%。由此可知,殺菌效果最佳的方波占空比為50%。

3.3.3DDS信號發生器輸出電壓對殺菌率的影響

脈沖頻率選為1000 Hz,水溫為30 ℃,選擇方波波形,占空比為50%,整個循環系統流速為170 L/h,并分別選DDS信號發生器輸出電壓5 V、10 V、20 V,取5 min、1 h、4 h、6 h、10 h的水樣進行實驗。不同輸出電壓下的殺菌率隨時間的變化曲線如圖8所示。

圖8　不同輸出電壓下的殺菌率曲線對比

由圖8可以看出:當輸出電壓為5 V時,殺菌率隨著時間的變化先增加后減小,并在6 h之后小幅增加,最大殺菌率僅為29.1%;當輸出電壓為10 V和20 V時,殺菌率曲線隨著時間的增加而上升,但輸出電壓為20 V時的殺菌曲線上升速度低于輸出電壓為10 V時的殺菌曲線,當輸出電壓為10 V時,殺菌率達到最大值,最大值為85%。因此,當DDS信號發生器輸出電壓為10 V時,殺菌效果最明顯。

4　結　論

本文利用自制的電磁脈沖水處理箱連接DDS信號發生器做成的脈沖磁場水處理裝置對循環冷[LL]卻水進行了異養菌滅活實驗,實驗結果顯示,脈沖磁場對循環冷卻水中的異養菌具有如下抑制作用。

1) 循環冷卻水中的異養菌具有特定的致死頻率,只有當外加頻率與異養菌的固有頻率相同或接近時,才會與細菌發生共振現象使細菌死亡,但是當外加頻率為細菌自身所能吸收的頻率時,反而會刺激細菌生長繁殖。在1000 Hz頻率下,殺菌效果較好,運行10 h后,殺菌率能達到最大值(84.47%)。

2) 脈沖信號發生器的輸出電壓對殺菌率也有影響,但是殺菌率不是隨著輸出電壓的增大而增大,只有特定的輸出電壓才會達到較好的滅菌效果。當輸出電壓為10 V時,殺菌效果最好。

3) 當方波的占空比不同時,殺菌率也不同。方波占空比為50%時,殺菌效果最好;占空比分別為10%和90%時,殺菌曲線波動起伏較大,均出現負增長現象。

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(責任編輯郭金光)

Research on sterilizing effect of cooling water based on variable frequency pulse electromagnetic field in thermal power plant

QI Chao

(Datang Harbin No.1 Thermal Power Plant,Harbin 150078, China)

This paper used self-designed pulse electromagnetic field water treating equipment to make sterilization experiments on cooling water in a thermal power plant, and studied the influence of the factors, including the frequency, square-wave duty ratio and output voltage of DDS signal generator, on sterilization rate. The results show that, when the water temperature, the flow velocity, the frequency, the square-wave duty ratio, the output voltage of DDS signal generator and the continuous sterilization time are respectively 30 ℃, 170 L/h, 1000 Hz, 50%, 10 V and 10 hours, the sterilization rate can reach the maximum value (84.5%). Therefore, it is proved that pulse electromagnetic field has a good sterilizing effect for cooling water.

variable frequency pulse electromagnetic field; thermal power plant; circulating cooling water; sterilizing effect

2016-01-02；

2016-01-16。

齊超(1988—),男,助理工程師,研究方向為農業電氣化與自動化、火電廠安全監察管理。

TM621.8

A

2095-6843(2016)03-0278-05