三角孔多孔板水力空化殺滅原水中病原微生物

柳文菁,董志勇,楊 杰,李大慶,張邵輝,黃大偉

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三角孔多孔板水力空化殺滅原水中病原微生物

柳文菁,董志勇*,楊 杰,李大慶,張邵輝,黃大偉

(浙江工業(yè)大學(xué)建筑工程學(xué)院,浙江 杭州 310023)

利用自主研發(fā)的新型三角孔多孔板水力空化裝置對(duì)勝利河原水進(jìn)行消毒處理,采用壓力數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)采集水力空化工作段壓力、顯微鏡觀察菌體形態(tài)變化、平板計(jì)數(shù)法計(jì)數(shù)菌落總數(shù)、酶底物法檢測(cè)總大腸菌群和大腸埃希氏菌;研究了三角孔多孔板的水流空化數(shù)、孔口大小、孔口數(shù)量、孔口排列和原水濃度梯度對(duì)水力空化殺滅原水中病原微生物的影響.結(jié)果表明:選擇適當(dāng)?shù)脑疂舛取⒃龃罂卓跀?shù)量、減小孔口大小以及改進(jìn)孔口排列方式(如交錯(cuò)式)時(shí),均可進(jìn)一步提高原水中病原微生物殺滅率.菌群殺滅率在5min時(shí)可達(dá)到穩(wěn)定高效殺滅值,15min時(shí)菌落總數(shù)殺滅率可達(dá)80%以上,總大腸菌群和大腸埃希氏菌殺滅率均可達(dá)90%以上,甚至完全殺滅.

水力空化；三角孔多孔板；殺滅率；飲用水消毒

傳統(tǒng)加氯消毒中,氯會(huì)與水中有機(jī)化合物反應(yīng)生成具有“三致”(致癌、致畸、致突變)作用的消毒副產(chǎn)物DBPs(三鹵甲烷THMs、鹵乙酸HAAs等),對(duì)人們身體健康產(chǎn)生極大危害[1].且氯消毒后會(huì)含有難聞味道和嗅味[2].同樣氯胺消毒可能對(duì)遺傳基因有毒性反應(yīng),產(chǎn)生含氮副產(chǎn)物,如鹵代硝基甲烷等[3].而消毒高效的臭氧消毒也會(huì)與水體中腐殖酸類或溴離子等產(chǎn)生潛在致癌羥基化合物[4].

水力空化是一種新型的飲用水處理技術(shù).空化空蝕現(xiàn)象伴隨著空泡的形成、生長(zhǎng)和潰滅以及沖擊波、微射流的物理、化學(xué)作用.空泡潰滅瞬間產(chǎn)生巨大壓力脈沖(102~103MPa),一方面形成極端高溫、高壓環(huán)境[5],使得水分子結(jié)合鍵斷裂產(chǎn)生具有極強(qiáng)的氧化性的羥基自由基[6],能破壞細(xì)胞中糖類、蛋白質(zhì)、DNA、RNA等結(jié)構(gòu),發(fā)生脂質(zhì)過(guò)氧化、氨基酸氧化分解、細(xì)胞色素脫色和蛋白質(zhì)變形等反應(yīng)[7],從而達(dá)到殺滅微生物的目的.另一方面可產(chǎn)生70~ 180m/s的高強(qiáng)度微射流對(duì)細(xì)胞壁產(chǎn)生沖擊壓力和剪切力,造成細(xì)胞破裂.

同時(shí)水流中形成一定尺度的脈動(dòng)漩渦和脈沖壓力場(chǎng)[8].Doulahm等[9]認(rèn)為,當(dāng)脈動(dòng)能量超過(guò)微生物細(xì)胞壁承受強(qiáng)度時(shí),細(xì)胞壁將會(huì)破裂,使得細(xì)胞結(jié)構(gòu)和功能成分破壞,達(dá)到消毒效果.Arrojo等[10]利用文丘里管作為水力空化發(fā)生器對(duì)水中大腸桿菌進(jìn)行消毒處理.耿坤等[11]利用文丘里式水力空化反應(yīng)對(duì)人工配制的大腸桿菌水樣進(jìn)行殺菌處理,驗(yàn)證隨著空化數(shù)的降低,裝置內(nèi)流動(dòng)狀態(tài)由單相流向二相空泡流轉(zhuǎn)變,繼而發(fā)展成二相環(huán)形噴射流,產(chǎn)生微射流與沖擊波能增大大腸桿菌殺滅作用,15min處理即可達(dá)到100%殺滅率;王磊等[12]研究文丘里式水力空化消毒中擴(kuò)散角對(duì)殺滅率的影響,在合適濃度下處理15min對(duì)水體中大腸桿菌殺滅率能達(dá)到100%,菌落總數(shù)殺滅率為91.33%,若提高流速或延長(zhǎng)處理時(shí)間,殺滅率均可達(dá)100%.本文主要研究三角孔多孔板的水流空化數(shù)、孔口大小、孔口數(shù)量、孔口排列和原水濃度梯度等參數(shù)對(duì)水力空化殺滅原水中病原微生物效果的影響,創(chuàng)新性在于利用酶底物法、平板計(jì)數(shù)法分析多孔板水力空化裝置對(duì)于多種病原微生物的殺滅情況,大范圍地探究多孔板水力空化技術(shù)在實(shí)際中的應(yīng)用.

1 材料與方法

1.1 試驗(yàn)裝置

圖1 試驗(yàn)裝置示意

1.內(nèi)筒水箱;2.離心泵;3.控制閥;4.壓力表;5.水力空化工作段;6.轉(zhuǎn)子流量計(jì);7.冷卻外筒

試驗(yàn)在浙江工業(yè)大學(xué)水動(dòng)力學(xué)實(shí)驗(yàn)室進(jìn)行,主要試驗(yàn)設(shè)備包括水力空化裝置、YYS-300生物顯微鏡(上海儀圓光學(xué)儀器)、YSI6600V2多參數(shù)水質(zhì)測(cè)定儀(美國(guó)威斯特傳感器儀表有限公司)、TM-XB24J臺(tái)式快速蒸汽滅菌器(江陰濱江醫(yī)療設(shè)備有限公司)、LRH-150生化培養(yǎng)箱(上海一恒科學(xué)儀器有限公司)、DZF-6020真空干燥箱(上海精宏實(shí)驗(yàn)設(shè)備有限公司)、紫外檢測(cè)燈(上海勤科分析儀器)、SW-CJ-1FD醫(yī)用超凈工作臺(tái)(蘇州凈化設(shè)備有限公司)和YE6263壓力數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)(上海聯(lián)能科技有限公司)等.其中水力空化裝置為浙江工業(yè)大學(xué)水動(dòng)力試驗(yàn)室自主研發(fā)的三角孔多孔板式不銹鋼水力空化反應(yīng)器,主要由不銹鋼筒形水箱、水力空化工作段、離心泵、轉(zhuǎn)子流量計(jì)、節(jié)流閥、壓力表以及相應(yīng)的不銹鋼管道組成.如圖1所示.同時(shí)試驗(yàn)設(shè)計(jì)了3種不同幾何參數(shù)(孔口排列、孔口數(shù)量及孔口大小)的三角孔多孔板,如圖2所示,其幾何參數(shù)見(jiàn)表1.對(duì)于不同規(guī)格的多孔板,其過(guò)流面積保持一致.

圖2 三角孔多孔板

表1 三角孔多孔板幾何參數(shù)

前側(cè)進(jìn)口處為三角孔不銹鋼板,喉部為方形觀察段,其兩側(cè)及頂部采用透明有機(jī)玻璃便于進(jìn)行空化現(xiàn)象的觀測(cè).底部為不銹鋼板,以多孔板所在位置作為坐標(biāo)原點(diǎn),各測(cè)壓點(diǎn)距多孔板的距離分別為1.0,3.5,7.0,11.0,14.0cm,如圖3所示.

0 1.0 3.5 7.0 11.0 14.0cm

1.2 試驗(yàn)方法

本試驗(yàn)取勝利河水為原水,加以一定量自來(lái)水稀釋,配制不同濃度梯度的原水,梯度列于表2中.未經(jīng)稀釋的原水水樣菌落總數(shù)在1.1′105~1.4′105CFU/mL范圍內(nèi).

首先,在內(nèi)筒水箱中加入配制好的原水,進(jìn)行第1次取樣,即0min.在水力空化工作段下方安裝壓力傳感器,并連接壓力數(shù)據(jù)采集系統(tǒng).開(kāi)啟雙泵運(yùn)行后,分別在2,5,10,15min 4個(gè)時(shí)間點(diǎn)進(jìn)行取樣.與此同時(shí),在水流穩(wěn)定后開(kāi)啟壓力采集系統(tǒng),采集水力空化工作段5個(gè)測(cè)點(diǎn)的壓力,并記錄轉(zhuǎn)子流量計(jì)數(shù)據(jù).最后將5個(gè)時(shí)間點(diǎn)的水樣進(jìn)行以下分析:

表2 水樣濃度梯度配制

(1)利用生物顯微鏡觀測(cè)水樣菌落形態(tài)變化.

(2)利用平板計(jì)數(shù)法測(cè)水樣菌落總數(shù).取1mL稀釋一定濃度的水樣,注入滅菌平皿,傾注約15mL已融化并冷卻到(45±1)℃的滅菌營(yíng)養(yǎng)瓊脂培養(yǎng)基,并立即旋搖平皿,使水樣與培養(yǎng)基充分混勻.并做平行接種與空白對(duì)照.待培養(yǎng)基冷卻凝固后,翻轉(zhuǎn)平皿,使底面向上,置于(36±1)℃生化培養(yǎng)箱內(nèi)培養(yǎng)48h,進(jìn)行菌落計(jì)數(shù).

(3)利用酶底物法測(cè)水樣總大腸菌群數(shù)與大腸埃希氏菌數(shù).取100mL稀釋一定濃度的水樣,加入(2.7±0.5)gMMO-MUG培養(yǎng)基粉末(由百思生物生產(chǎn)),混合搖勻使之完全溶解后,分別取10mL水樣至10支已高溫滅菌的試管中,放入(36±1)℃的培養(yǎng)箱內(nèi)培養(yǎng)24h.若試管中水樣變黃色則表示該試管含有總大腸菌群.再將顏色變黃的試管在暗處用波長(zhǎng)為366nm的紫外檢測(cè)燈照射,若有藍(lán)色熒光產(chǎn)生則表示有大腸埃希氏菌.計(jì)算變黃與有熒光反應(yīng)的試管數(shù),對(duì)照國(guó)標(biāo)法中的10管法不同陽(yáng)性結(jié)果的最可能數(shù)(MPN)及95%可信范圍查出其代表的總大腸菌群、大腸埃希氏菌的最可能數(shù)(MPN).

最后根據(jù)每個(gè)時(shí)間點(diǎn)的各項(xiàng)指標(biāo),分析菌落總數(shù)、總大腸菌群、大腸埃希氏菌的殺滅效果.原水中病原微生物空化空蝕作用前后的殺滅率定義為:

式中:1和2分別為空化空蝕作用前后水樣中菌落總數(shù);為殺滅率.

2 結(jié)果與討論

2.1 生物顯微鏡分析

在水力空化工作段啟動(dòng)后0,2,5,10,15min時(shí)進(jìn)行取樣,制成玻片,采用生物顯微鏡油鏡400倍觀察水體病原微生物形態(tài)變化.以75%原水濃度、25孔棋盤式多孔板處理前與15min為例,由圖4可看出,未經(jīng)空化空蝕作用前的水樣中,病原微生物的總數(shù)較多,呈現(xiàn)團(tuán)狀,較為密集,且細(xì)胞外表較為光滑;而空化空蝕作用后的水樣中,病原微生物的總數(shù)大大降低,呈零散狀,較為稀疏,細(xì)胞外表粗糙,無(wú)明顯的細(xì)胞邊界.這是由于水樣通過(guò)水力空化工作段時(shí),孔口流速急劇增大,壓力驟減,水流發(fā)生空化,空泡潰滅使病原微生物發(fā)生空蝕破壞[13].同時(shí)多股射流摻混劇烈,產(chǎn)生巨大的射流切應(yīng)力,打散了菌膠團(tuán).同時(shí)空化泡產(chǎn)生的沖擊波對(duì)細(xì)胞膜產(chǎn)生損傷[14],導(dǎo)致細(xì)胞結(jié)構(gòu)破壞細(xì)胞質(zhì)流出致死.

圖4 空化空蝕作用前后病原微生物的顯微鏡圖片

2.2 空化數(shù)的影響

空化數(shù)是描述水流空化狀態(tài)的無(wú)量綱參數(shù),可表示流場(chǎng)空化程度.空化數(shù)可定義為:

式中:0為測(cè)點(diǎn)絕對(duì)壓強(qiáng);p為飽和蒸氣壓;試驗(yàn)水溫=39℃相應(yīng)的飽和蒸氣壓;為孔口流速;為水的密度.

將水力空化裝置運(yùn)行15min,由轉(zhuǎn)子流量計(jì)測(cè)定流量,從而計(jì)算孔口流速.測(cè)點(diǎn)壓強(qiáng)則由YE6263壓力數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)測(cè)定,沿程壓力數(shù)據(jù)如表3.據(jù)式(2)可求出空化數(shù),見(jiàn)圖5.大氣壓強(qiáng)取0=101.325kPa.

表3 孔口流速及測(cè)點(diǎn)壓力沿程變化

圖5 工作段空化數(shù)沿程變化

由表3看出,當(dāng)水流經(jīng)過(guò)多孔板時(shí),流速突然升高,壓強(qiáng)驟降,引起空化數(shù)急劇下降.由圖可見(jiàn),在1~3.5cm范圍內(nèi),空化數(shù)呈現(xiàn)微微上升趨勢(shì),7~14cm范圍內(nèi),空化數(shù)沿程基本保持不變.25孔棋盤式與交錯(cuò)式空化數(shù)比較接近,但遠(yuǎn)小于9孔.由于開(kāi)孔數(shù)量的增多,流經(jīng)多孔板所形成的多股射流數(shù)量增多,交錯(cuò)流動(dòng)摻混劇烈,造成水流紊動(dòng)加劇,增強(qiáng)水流脈動(dòng),空化程度加強(qiáng).

2.3 原水濃度梯度對(duì)殺滅率的影響

配制不同原水濃度梯度的試驗(yàn)用水注入裝置內(nèi)筒,開(kāi)啟運(yùn)行水力空化裝置15min,其他工況一致.以25孔交錯(cuò)式多孔板為例,不同原水濃度梯度的菌落總數(shù)、總大腸菌群、大腸埃希氏菌殺滅率變化分別見(jiàn)圖6.

如圖6所示,所有濃度梯度都呈現(xiàn)0~2min菌落總數(shù)、總大腸菌群、大腸埃希氏菌的殺滅速率最大,2~5min殺滅速率減緩,5~15min殺滅速率趨于平緩.菌落總數(shù)殺滅率可達(dá)90%,總大腸菌群、大腸埃希氏菌的殺滅率接近100%.菌落總數(shù)殺滅率在原水濃度梯度100%的情況下最大,依次沿著濃度梯度下降,呈現(xiàn)正相關(guān).此時(shí)空化數(shù)在0.15~0.16之間,極易發(fā)生空化現(xiàn)象.由于原始濃度大,單位體積內(nèi)菌落總數(shù)高,菌體更易遭遇空蝕破壞,而導(dǎo)致細(xì)胞體破裂死亡.同時(shí),水流通過(guò)多孔板形成的多股射流使病原微生物發(fā)生剪切破壞.此外,隨著空泡產(chǎn)生、生長(zhǎng)、潰滅會(huì)進(jìn)一步加劇空化水流的紊動(dòng)和壓力脈動(dòng),致使水溫升高,水流飽和蒸汽壓與之上升,使得空化數(shù)降低,空泡數(shù)量增多.而隨著菌落總數(shù)濃度的降低,空化空蝕作用到細(xì)胞的概率降低,從而使殺滅速率下降.但由于高強(qiáng)度的空化伴隨產(chǎn)生的高溫高壓等極端因素,導(dǎo)致菌體在5min空化空蝕作用下殺滅率達(dá)到70%,在15min幾乎完全殺滅,尤其是總大腸菌群和大腸埃希氏菌.對(duì)于總大腸菌群和大腸埃希氏菌殺滅率,與張茜等[15]利用三角形多孔板水力空化人工配制大腸桿菌溶液試驗(yàn)具有相似規(guī)律,殺滅率隨溶液濃度上升先增大后減小.本試驗(yàn)總大腸菌群和大腸埃希氏菌最優(yōu)殺滅率出現(xiàn)在原水濃度配比為50%,0~2min內(nèi)殺滅率增長(zhǎng)最快.殺滅率增長(zhǎng)轉(zhuǎn)折點(diǎn)可能是由于菌群數(shù)量增大導(dǎo)致菌群抵抗惡劣條件能力增加.

2.4 孔口數(shù)量對(duì)殺滅率的影響

取三角孔9孔棋盤式和25孔棋盤式多孔板在100%、75%、50%、25%原水濃度梯度下進(jìn)行試驗(yàn),以100%原水濃度為例,菌落總數(shù)、總大腸菌群數(shù)、大腸埃希氏菌數(shù)隨時(shí)間變化分別見(jiàn)圖7.

由圖7可看出,開(kāi)孔數(shù)越多,殺滅率越大.且殺滅率增長(zhǎng)的持續(xù)性與開(kāi)孔數(shù)量呈正相關(guān).在原水濃度梯度大的情況下更明顯.這是由于孔口的數(shù)量增加,產(chǎn)生的多股射流摻混加劇,為空化現(xiàn)象的加劇提供了更好的條件,隨之產(chǎn)生的剪切作用更加強(qiáng)烈.由于空化更加劇烈,產(chǎn)生能量更強(qiáng)[16],在殺滅率持續(xù)性上得到了很好的表現(xiàn).同時(shí)對(duì)劉昶等[17]、陳樂(lè)等[18]增加孔口數(shù)量提高大腸桿菌殺滅率的結(jié)論做了補(bǔ)充,驗(yàn)證其對(duì)實(shí)際原水中其他病原微生物殺滅率均能起到很好的強(qiáng)化作用.

2.5 孔口大小對(duì)殺滅率的影響

圖8 100%原水濃度下不同孔口大小對(duì)菌落總數(shù)殺滅率的影響

取三角孔9孔棋盤式多孔板(a=6.7mm)與25孔棋盤式多孔板(a=4.0mm)進(jìn)行比較.由圖8可知,孔口面積越小,殺滅速率越快,且殺滅率越高.這是由于在多孔板過(guò)流面積一致下,孔口減小時(shí),孔口數(shù)量增多,形成多股射流更細(xì),間距更小,加劇多股射流的摻混作用,使水流紊動(dòng)強(qiáng)度增加、空化數(shù)降低,空化效應(yīng)增強(qiáng).原水濃度越高,孔口大小對(duì)菌落總數(shù)的殺滅率影響越大,殺滅率與殺滅速率都有一定提高.這是由于原水濃度自身對(duì)菌落總數(shù)殺滅率存在正相關(guān)關(guān)系,而此時(shí)減小孔口面積,增大原水濃度起到雙重影響疊加,使得殺滅率與殺滅速率均得到提升.

2.6 孔口排列對(duì)殺滅率的影響

在保持多孔板過(guò)流面積大小、開(kāi)孔數(shù)量一致的情況下,改變孔口排列,取三角孔25孔棋盤式與25孔交錯(cuò)式多孔板進(jìn)行試驗(yàn).以100%原水濃度梯度為例,由圖9可見(jiàn),交錯(cuò)式多孔板和棋盤式多孔板在總體殺滅率上效果相差不大,均在5~10min左右均可達(dá)到一個(gè)相似穩(wěn)定值,菌落總數(shù)殺滅率約為80%,總大腸菌群和大腸埃希氏菌則為90%以上.但從殺滅速率上分析,交錯(cuò)式產(chǎn)生的殺滅速率更快,約在5min可達(dá)到高效殺滅率,而棋盤式需要10min左右.產(chǎn)生這樣的現(xiàn)象是由于:棋盤式排列使得水流從孔口射流狀況更為規(guī)則,形成渦旋尺度較大而頻率不高;而交錯(cuò)式排列使得射流呈交錯(cuò)狀,脈動(dòng)能量分布較寬,優(yōu)勢(shì)頻率增大[19],水流更易碰撞易摻混引起脈動(dòng)而提高空化現(xiàn)象,增大切應(yīng)力對(duì)菌體細(xì)胞的破壞作用[20].

3 結(jié)論

3.1 三角孔多孔板水力空化能夠有效殺滅原水中的病原微生物.殺滅率隨運(yùn)行時(shí)間延長(zhǎng)而增加,運(yùn)行15min時(shí)菌落總數(shù)殺滅率可達(dá)到80%以上,總大腸菌群和大腸埃希氏菌的殺滅率可達(dá)90%以上.

3.2 菌落總數(shù)殺滅率在100%原水濃度下(菌落總數(shù)為1.1′105~1.4′105CFU/mL)最大,隨著濃度下降,其殺滅率和殺滅速率均減小;總大腸菌群和大腸埃希氏菌殺滅率在各濃度下相似,且在50%原水濃度下殺滅速率最快.

3.3 減小孔口大小、增加孔口數(shù)量,能夠進(jìn)一步提高原水中病原微生物的殺滅率.

3.4 孔口交錯(cuò)式排列與棋盤式排列,15min時(shí)殺滅率基本相似,但交錯(cuò)式殺滅速率明顯高于棋盤式,并更快達(dá)到高效穩(wěn)定值.

3.5 不同規(guī)格多孔板產(chǎn)生的空化程度不一,本試驗(yàn)中25孔交錯(cuò)式多孔板為殺滅效果最佳多孔板.

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Killing pathogenic microorganism by hydrodynamic cavitation due to triangular multi-orifice plates.

LIU Wen-jing, DONG Zhi-yong*, YANG Jie, LI Da-qing, ZHANG Shao-hui, HUANG Da-wei

(College of Civil Engineering and Architecture, Zhejiang University of Technology, Hangzhou 310023, China)., 2018,38(8)：3011~3017

A self-developed hydrodynamic cavitation generator with triangular multi-orifice plates in the Hydraulics Laboratory at Zhejiang University of Technology was used to sterilize raw water in Shengli River of Hangzhou. Pressure in hydrodynamic cavitation working section were measured by the pressure data acquisition system. Morphological changes in coliform were observed by the biological microscope. Total colony count was detected by plate counting method, and enzyme substrate technique was used to detect total coliform and. Effects of cavitation number, different initial concentration of raw water, number of orifice, size of orifice and arrangement of orifice on killing pathogenic microorganisms by hydrodynamic cavitation were experimentally studied. Choosing the appropriate initial concentration, increasing the orifice number, decreasing the orifice size and improving orifice arrangement could further increase the killing rates of pathogenic microorganism in raw water. The killing rate of the bacteria colony can reach stable and efficient killing value at 5min. At 15min the killing rate of total colony count reached 80%, and more than 90%, even 100% total coliform andwere killed.

hydrodynamic cavitation；triangular multi-orifice plate；inactivation rate；drinking water disinfection

X131.2

A

1000-6923(2018)08-3011-07

柳文菁(1992-),女,浙江麗水人,浙江工業(yè)大學(xué)碩士研究生,主要從事水力學(xué)與飲用水消毒技術(shù)方面的研究.

2018-01-04

國(guó)家自然科學(xué)基金資助項(xiàng)目(51479177)

, 教授, dongzy@zjut.edu.cn