圓孔多孔板水力空化殺滅大腸桿菌的實驗研究

劉 昶,董志勇,陳 樂,張 茜,張 凱

?

圓孔多孔板水力空化殺滅大腸桿菌的實驗研究

劉 昶,董志勇*,陳 樂,張 茜,張 凱

(浙江工業(yè)大學建筑工程學院,浙江 杭州 310014)

在以圓形孔口多孔板為空化空蝕發(fā)生器的水力空化裝置中,對含有大腸桿菌的水樣進行滅菌處理.通過檢測大腸桿菌的滅菌率,研究了水力空化對水中大腸桿菌的滅活效果.分析了大腸桿菌初始濃度,水流空化數(shù),孔口流速,孔口排布,孔口數(shù)量,孔口大小,空化空蝕作用時間等參數(shù)對滅菌效果的影響.試驗結(jié)果表明:提高流速,降低空化數(shù),選取適當?shù)某跏紳舛?延長空化空蝕作用時間,增加孔口數(shù)量,減小孔口大小以及改進孔口排布可以進一步提高大腸桿菌的殺滅率.水力空化的空化空蝕作用能夠殺滅水中的大腸桿菌,是一種飲用水消毒的新技術(shù).

水力空化；圓孔多孔板；大腸桿菌；飲用水消毒

隨著人們生活水平的不斷提高,對飲用水質(zhì)量的要求也越來越高.傳統(tǒng)的飲用水消毒技術(shù)是加氯消毒,但近年來發(fā)現(xiàn),氯在消毒的同時與水中有機化合物反應生成消毒副產(chǎn)品DBPs,其中最為常見的DBPs為三鹵甲烷THMs(即三氯甲烷、一氯二溴甲烷、二氯一溴甲烷、三溴甲烷的總稱),鹵乙酸HAAs等[1],這些副產(chǎn)品具有“三致”(致癌、致畸、致突變)作用,嚴重威脅著人們的身體健康.水力空化是一種新型的飲用水處理技術(shù),空泡潰滅時形成的沖擊波和微射流可殺滅水中的病原微生物[2],并且不產(chǎn)生加氯消毒副產(chǎn)品.當水中產(chǎn)生空化現(xiàn)象后,水中會形成空泡,在空泡潰滅瞬間,產(chǎn)生102~103MPa的高強壓力脈沖,同時伴有強烈的沖擊波和微射流,使固體壁面發(fā)生空蝕破壞.水流空化后形成空泡,在空泡潰滅瞬間產(chǎn)生超高壓,超高溫,其中超高壓形成的沖擊波和微射流作用于病原微生物壁面上使其發(fā)生空蝕破壞,超高溫則使水分子裂解形成羥基來氧化病原微生物,從而達到殺滅病原微生物的效果.微射流直徑約為2~3μm,微射流速度可達70~180m/s ,邊壁受到微射流沖擊次數(shù)約為100~1000次/(s·cm2),沖擊脈沖作用時間每次只有幾ms,在水流中形成一定尺度的脈動漩渦和脈沖壓力場.馮中營等[3]認為空泡在潰滅瞬間產(chǎn)生的能量雖然只集中在空化核的附近,但是這些大量的能量梯度使水分子結(jié)合鍵斷裂為羥基自由基和氫自由基,同時潰滅產(chǎn)生的微射流和沖擊波讓這些自由基與溶液混合,OH,H2O2具有極強的氧化性能夠破壞微生物的細胞壁,細胞膜,從而使細胞質(zhì)流出,使細胞酶及轉(zhuǎn)運系統(tǒng)受到破壞[4].Doulah等[5]認為,當脈動漩渦尺度與細胞尺度相近時,引起細胞震動,一旦振動能量超過細胞壁可承受的范圍,細胞壁破裂,若空化脈動頻率與細胞自振頻率一致,則會發(fā)生共振效應,加速細胞壁破碎細胞裂解.Hughes認為[6],細胞破裂發(fā)生在空泡潰滅階段,并且是由瞬間產(chǎn)生在細胞壁面的壓力梯度引起的,在沖擊壓力作用下細胞膜通透性屏障受損,細胞結(jié)構(gòu)和功能成分遭破壞,導致細菌死亡.

Save等[7-8]用水力空化方法進行酵母菌破壁實驗,發(fā)現(xiàn)水力空化裝置更能節(jié)省能量,而且水力空化可以更大范圍地實現(xiàn)微生物細胞壁的破裂.Jyoti等[9-10]用水力空化孔板裝置進行飲用水消毒實驗,并與傳統(tǒng)的化學消毒方法做了對比,認為水力空化水處理方法具有高效,無二次污染,能夠建立大規(guī)模處理工業(yè)化設(shè)備等優(yōu)勢,是極具應用潛力的新型水處理技術(shù).

本文基于浙江工業(yè)大學水利與市政工程研究所自主研發(fā)的多孔板式水力空化反應器,以大腸桿菌為指示菌,試驗研究多孔板的孔口大小,孔口數(shù)量,孔口排布,空化數(shù),孔口流速以及初始濃度等對殺滅大腸桿菌的影響.

1 實驗裝置與測試方法

實驗裝置是以水力空化反應裝置(圖1)為核心組成的封閉水力循環(huán)系統(tǒng),水箱中的水經(jīng)兩臺串聯(lián)離心泵,抽送到空化管段然后分流,一部分水通過主管線進入空化反應器,經(jīng)轉(zhuǎn)子流量計匯入水箱,另一部分水通過旁通管回流水箱,調(diào)節(jié)實驗流量實現(xiàn)循環(huán).水力空化反應裝置由圓形孔口多孔板段組成,喉部兩側(cè)及頂部用有機玻璃加工而成.另一部分為圓形孔口多孔板水力空化發(fā)生裝置,孔板為50×50×5mm的不銹鋼板.其后為方形觀察段,其兩側(cè)及頂部用有機玻璃加工而成,多孔板嵌入在觀察段進口處,前后端皆通過方圓接口與管路連接.

實驗用水為自來水,以大腸桿菌為指示菌.首先在Luria-Bertani液體培養(yǎng)基中接種大腸桿菌,消毒工作在高壓快速滅菌器中進行,在超凈工作臺中進行無菌環(huán)境接種,接著在臺式恒溫振蕩器中以恒溫37℃,轉(zhuǎn)數(shù)130r/min振蕩培養(yǎng)24h.根據(jù)實驗要求,為了達到菌液中細菌的數(shù)量級將其分成:1.4×103CFU/mL,4×104CFU/mL,7.2×105CFU/mL,4.7×106CFU/mL,2.6×107CFU/mL,然后加入到30L實驗用水中待處理.實驗時取一定劑量的菌液加入反應器中混合均勻,打開反應器水冷裝置,反應器內(nèi)溫度控制在一定范圍內(nèi),開啟水泵使大腸桿菌水樣通過多孔板空化空蝕段,調(diào)節(jié)支路上的閥門改變水力空化的條件.實驗流量采用轉(zhuǎn)子流量計進行測量.每5min取一次水樣,采用平板計數(shù)法對大腸桿菌的殺滅率進行定量分析,用動態(tài)數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)實時采集多孔板空化空蝕段的壓力變化;采用生物顯微鏡對處理后的水樣進行鏡檢,觀察空化空蝕作用后大腸桿菌的形態(tài)變化,將1~2滴菌液滴加在載玻片上,室溫靜置待表面菌液干燥,將結(jié)晶紫染色液滴加在已固定的涂片上,染色1min用蒸餾水洗去,再滴加革蘭氏碘液1min后洗去剩余染料,然后滴加95%的酒精,脫色30s后蒸餾水洗凈,最后滴加沙黃染色液復染1min最后用蒸餾水洗去待鏡檢.

另外,用1mL的無菌移液管配合10mL的試管,對試驗中不同時間點水樣進行一定比例稀釋,然后取0.1mL所得稀釋液均勻涂布在2個伊紅美藍瓊脂培養(yǎng)基表面,在37℃的恒溫培養(yǎng)箱中培養(yǎng)48h后取出培養(yǎng)基,根據(jù)統(tǒng)計的菌落數(shù),計算出該水樣2個平板培養(yǎng)基上的菌落平均數(shù).用下列公式進行計算:

每毫升水樣活菌形成單位數(shù)(CFU/mL)=

平均菌落數(shù)′稀釋倍數(shù) (1)

采用平板菌落計數(shù)法,能直接反映各水中活大腸桿菌的濃度,再根據(jù)所得的活菌濃度就可計算出試驗中各個時間點的殺滅率:

式中:1和2分別為空化空蝕作用前后水樣中大腸桿菌的存活數(shù)量,為殺滅率.對實驗中各變量采用單因素分析法分析大腸桿菌的殺滅率.

2 結(jié)果與討論

2.1 生物顯微鏡分析

空化空蝕作用時段內(nèi)每5min取一次水樣,制成玻片觀察大腸桿菌形態(tài)變化,采用生物顯微鏡油鏡400倍.現(xiàn)選取棋盤式排布孔板加入150mL菌液,反應前與反應30min之后圖片進行對比,由圖3可以看出,未經(jīng)反應的大腸桿菌表面光滑,形態(tài)完整,有明顯的細胞邊界,經(jīng)過水力空化30min后,大腸桿菌的形態(tài)發(fā)生了變化,細胞結(jié)構(gòu)嚴重破損,無明顯的細胞邊界,外表面粗糙,細胞的內(nèi)容物外滲.由此可見,實驗水力空化裝置對大腸桿菌造成了嚴重的破壞,對細胞具有明顯的殺滅作用.

2.2 空化數(shù)的影響

空化數(shù)是描述水流空化特性的重要指標,它表征了流場中是否發(fā)生空化并且反映了空化的發(fā)生程度,其實質(zhì)是一個壓力系數(shù),反映了壓力變化對流體特性的影響[11].水流空化數(shù)可定義為:

式中:0為測點的絕對壓強;P為飽和蒸汽壓強;為孔口流速.

分別選取3塊板型,初始加入菌液濃度均為1mL,兩臺水泵同時運轉(zhuǎn),多孔板幾何參數(shù)和水力參數(shù)列于表1中,水的飽和蒸氣壓取4.24kPa,將相關(guān)參數(shù)代入式(3)得到空化數(shù).不同多孔板的殺滅率見表2.

表1 多孔板水力參數(shù) Table 1 Hydraulic parameters of multi-orifice plates

從圖4的結(jié)果可以看出,三種孔板的殺菌率隨著空化數(shù)的減小而增加.因為空化數(shù)越小,水流中形成的空泡就越多,從而加大空泡潰滅時形成的高速微射流和沖擊波[11]對大腸桿菌細胞的破壞作用,所以殺滅率提高.

2.3 孔口流速的影響

表3 孔口流速對殺滅率的影響 Table 3 Effect of orifice velocity on killing rate

以多孔板1為考察對象,配制初始濃度為10mL的水樣(7.2×107CFU/mL),改變流速,分別運行30min,試驗結(jié)果見表3.圖5表明:孔口流速越大,殺滅率越高,這是因為孔口流速越高,孔口下游壓力下降越大,更容易產(chǎn)生空化.同時,流速的提高導致主管路流量的增大,但水樣的體積一定,從而增加空化空蝕對大腸桿菌細胞的作用時間.

2.4 孔口排布的影響

表4　孔口排布對殺滅率的影響 Table 4 Effect of orifice arrangement on killing rate

在相同工況下,選取圓形孔口多孔板2和3處理不同濃度的大腸桿菌水樣,初始的大腸桿菌加入量為150mL(4.6×106CFU/mL),結(jié)果如表4所示.由圖6可見,在多孔板總過流面積,孔口直徑相同的情況下,孔口交錯式排布比棋盤式排布殺滅效果要好.孔口按棋盤式排布,多孔板下游的脈動能量主要分布在低頻區(qū),優(yōu)勢頻率集中在低頻,功率譜屬于低頻窄帶譜型;孔口按交錯式排布,脈動能量分布較寬,優(yōu)勢頻率增大[13].這表明孔口按棋盤式排布使孔口射流出口更為規(guī)則,而孔口按交錯式排布使孔口射流呈上下交錯狀,這使多股射流間更易摻混而引起脈動和剪切,從而提高空化空蝕和切應力對大腸桿菌細胞的破壞作用.

2.5 空化空蝕作用時間的影響

選取圓形孔口多孔板3處理初始加入量為1mL(4′104CFU/mL)的大腸桿菌水樣,考察大腸桿菌殺滅率隨時間的變化,結(jié)果如表5和圖7所示.可以看出,隨著空化空蝕作用時間的增加,殺滅率隨之升高.這是由于隨著空化空蝕作用時間的增加,水樣經(jīng)過空化空蝕工作段的次數(shù)增多,增加了空泡潰滅產(chǎn)生的沖擊波,微射流以及多孔板產(chǎn)生的多股射流的剪切作用,所以延長空化空蝕作用時間可以提高殺滅率.

表5　空化空蝕作用時間對殺滅率的影響 Table 5 Effect of cavitation time on killing rate

2.6 初始濃度的影響

選擇多孔板1,雙泵開啟(孔口流速為27.47m/s),取5種不同的初始濃度,分別為0.5mL(1.4×103CFU/mL),1mL(4×104CFU/mL),10mL(7.2×105CFU/mL),150mL(4.7×106CFU/mL),600mL(2.6×107CFU/mL)大腸桿菌菌液,實驗結(jié)果如表6和圖8所示.結(jié)果表明,濃度較大實驗組在0~15min時段內(nèi)斜率較大,這表明高濃度(大于1×107CFU/mL)殺菌效率更高.這是因為濃度越大,大腸桿菌通過空化空蝕工作段的幾率越大,殺滅大腸桿菌的效果就越明顯.由此可知,初始濃度高的水樣在該裝置中的處理效率更高.

表6 初始濃度對殺滅率的影響 Table 6 Effect of initial concentration on killing rate

2.7 孔口數(shù)量的影響

在多孔板總過流面積相同的情況下,多孔板1,多孔板2,多孔板3的開孔數(shù)分別為9,25,25,現(xiàn)選取板1和板2,板1和板3進行實驗比較,初始加入菌液量為0.5mL(1.4×103CFU/mL),其殺滅率隨時間的變化關(guān)系如表7和圖9所示.開孔數(shù)越多,殺滅率越大.這是由于增加孔口數(shù)量,多股射流摻混更為劇烈,促使水流的紊動剪切作用增加,因此,孔口數(shù)量越多,對大腸桿菌的殺滅率越高.

表7 孔口數(shù)量對殺滅率的影響 Table 7 Effect of orifice number on killing rate

2.8 孔口大小的影響

選取孔口直徑為5mm的多孔板1和孔口直徑為3mm的多孔板2作為研究對象,開啟雙泵,實驗水樣30升水中加入1mL大腸桿菌菌液(4′104CFU/mL),實驗結(jié)果如表8和圖10所示.可以看出,板2的殺滅率要高于板1,這是由于在總過流面積相同的情況下,孔口越小則孔板上的孔口數(shù)量越多,導致孔板后射流束增加,多股射流之間的摻混更加劇烈,所以殺滅率隨之提高.

表8　孔口大小對殺滅率的影響 Table 8 Effect of orifice size on killing rate

3 結(jié)論

3.1 水力空化能夠殺滅水中的病原微生物,不存在加氯消毒副產(chǎn)品的危害.

3.2 孔口流速越大,空化數(shù)越低,殺滅效果越好;當孔口流速大于27m/s時,在15min內(nèi)可完全殺滅量級為107CFU/mL的大腸桿菌.

3.3 由于孔口交錯式排布多孔板形成的多股射流比棋盤式更易摻混,因此孔口交錯式排布的殺滅效果比棋盤式要好.

3.4 當大腸桿菌CFU/mL>106時,適當增加初始濃度會得到更高的處理效率.

3.5 在孔口總面積一定的情況下,殺滅率隨孔徑的減小和孔口數(shù)量的增加而提高.

[1] 黃 河,徐 斌,朱文倩,等.長江沿線城市水源氯(胺)化消毒副產(chǎn)物生成潛能研究 [J]. 中國環(huán)境科學, 2014,34(10):2497- 2504.

[2] 董志勇,夏國文,張 珍,等.組合式水力空化反應器去除難降解污染物的試驗研究 [J]. 浙江工業(yè)大學學報, 2014(2):178-181.

[3] 馮中營.空化及其在殺菌中的應用 [J]. 科學技術(shù)與工程, 2010(5):1208-1210.

[4] 何少華,謝水波.幾種水處理工藝去除小隱孢子蟲卵囊的效果 [J]. 中國給水排水, 2004,20(3):26-29.

[5] Doulahm S, Hammond T H, Brookman J G. A Hydrodynamic Mechanism for the Disintegration of Saccharomyces cerevisiae in an Industrial Homogenizer [J]. Biotechnology & Bioengineering, 1975,17(6):845-858.

[6] 張曉冬,楊會中,李志義,等.水力空化對水中微生物的滅活作用及特性 [J]. 化學工程, 2007(10):53-56.

[7] Save S S, Pandit A B, Jos J B. Use of hydrodynamic cavitation for large scale microbial cell disruption [J]. Food and Bioproducts Processing, 1997,75(C1):41-49.

[8] Save S S, Pandit A B,Joshi J B. Microbial Cell Disruption - Role Of Cavitation [J]. Chemical Engineering Journal and the Biochemical E, 1994,55(3):B67-B72.

[9] Jyoti K K, Pandit A B. Water disinfection by acoustic and hydrodynamic cavitation [J]. Biochemical Engineering Journal, 2001,7(3):201-212.

[10] Jyoti K K, Pandit A B. Effect of cavitation on chemical disinfection efficiency [J]. Water Research, 2004,38(9):2249- 2258.

[11] 張敬威,張亞磊.初生空化數(shù)公式的優(yōu)化研究 [J]. 吉林水利, 2014(5):25-28.

[12] Gogate P R. Cavitation: an auxiliary technique in wastewater treatment schemes [J]. Advances in Environmental Research, 2002,6(3):335-358.

[13] 韓 偉,董志勇,邴 斌,等.多孔板壓力特性的試驗研究 [J]. 水力發(fā)電學報, 2014(6):126-131.

Experimental study of Escherichia coli killed by hydrodynamic cavitation due to circular multi-orifice plates

LIU Chang, DONG Zhi-Yong*, CHEN Le, ZHANG Xi, ZHANG Kai

(College of Civil Engineering and Architecture, Zhejiang University of Technology, Hangzhou 310014, China). China Environmental Science, 2016,36(8)：2364~2370

Water samples containing Escherichia coli was treated by a hydrodynamic cavitation device with circular multi-orifice plates. The inactivation effects of hydrodynamic cavitation on Escherichia coli in water was experimentally studied by detecting the killing rate. The effects of initial concentration of Escherichia coli, cavitation number, orifice velocity, orifice arrangement, orifice number, orifice size and cavitation time on the killing rates were analyzed. The experimental results showed that increasing the orifice velocity, lowering cavitation number, choosing the appropriate initial concentration, improving the cavitation time, increasing the orifice number, decreasing the orifice size and improving orifice arrangement can further increase the killing rates of Escherichia coli in water.

hydrodynamic cavitation；circular multi-orifice plate；；drinking water disinfection

X143,X52,TV131

A

1000-6923(2016)08-2364-07

劉 昶(1990-),男,湖北孝感人,碩士研究生,主要從事水力學與飲用水消毒技術(shù)方面研究.

2016-01-08

國家自然科學基金資助項目(51479177)

, 教授, dongzy@zjut.edu.cn