孔板與文丘里組合空化殺滅水中病原微生物

楊 杰,董志勇,柳文菁,李大慶,張邵輝,黃大偉

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孔板與文丘里組合空化殺滅水中病原微生物

楊 杰,董志勇*,柳文菁,李大慶,張邵輝,黃大偉

(浙江工業大學建筑工程學院,浙江 杭州 310023)

利用水力學實驗室自主研發的多孔板與文丘里管組合式水力空化裝置來殺滅原水中的病原微生物.以水體中大腸桿菌和菌落總數為指示菌,用平板計數法測得不同工況下的大腸桿菌和菌落總數的殺滅率,研究了空化數、孔口排布、孔口數量、運行時間、原水配比濃度、喉部長短對病原微生物殺滅率的影響.試驗結果表明:提高孔口流速和喉部流速、延長運行時間、降低空化數、增多孔口數量、改進孔口排布、選取合適配比濃度、延長喉部長度可以提高大腸桿菌和菌落總數的殺滅率.水力空化是一種無消毒副產物、安全、高效的飲用水消毒新技術,具有潛在的應用前景.

圓孔多孔板；文丘里管；水力空化；大腸桿菌；菌落總數；殺滅率

傳統自來水廠往往采取加氯的消毒手段,但是隨著經濟社會的快速發展,民眾對水環境和飲用水質量提出了新的要求.氯在消毒的同時會與水體中的前驅物發生化合反應,生成危害人體健康的”三致”消毒副產物DBPS,主要以三鹵甲烷(THMs)和鹵乙酸(HAAs)為主.國外常見的飲用水消毒方法有紫外消毒,臭氧消毒等.但紫外消毒沒有持續殺菌能力,還存在光復活現象[1].臭氧殺菌作用極強,且無二次污染[2],但存在易分解,價格高等缺點.為此,國內外學者嘗試用水力空化技術.由于空化效應會伴隨著極端條件的產生[3],近年來,一些學者思考如何將其變害為利,對水力空化在飲用水消毒方面做了研究.例如應用旋轉空化設備研究了水中大腸桿菌、蠟樣芽孢桿菌細胞及孢子破壞的影響因子,認為水力空化是一種簡單、經濟且有效的飲用水消毒技術[4].此外通過對方孔、三角孔、圓孔多孔板水力空化殺滅人工配制的大腸桿菌的實驗研究,得出在15min內可完全殺滅量級為107CFU/mL的大腸桿菌[5-7].利用不同規格的文丘里管進行空化空蝕殺滅原水中大腸桿菌和菌落總數的試驗研究[8-9],結果表明殺滅率隨文丘里管喉部長徑比和擴散角的增大呈現先增加后減小的變化趨勢.充分驗證了水力空化效應用于水體消毒殺滅微生物的可行性. 與傳統的臭氧消毒對比,水力空化消毒無需添加化學試劑,是既經濟又具有潛力的替代技術[10],本文基于前人工作的基礎上改進了水力空化裝置,聯用圓孔多孔板與文丘里管,研究不同組合對原水中病原微生物殺滅的影響.

1 材料與方法

1.1 試驗裝置

試驗裝置由不銹鋼圓筒容器、水力空化工作段、離心泵、轉子流量計、閥門、壓力表和管道系統組成,組成封閉式水力循環裝置,如圖1所示.內筒中試驗水樣經過兩臺離心泵的作用,抽送到管道系統,經過水力空化工作段后,一部分通過轉子流量計后匯入內筒,另一部分通過旁通管回流到內筒.該水力空化反應裝置由圓形孔口多孔板與文丘里管組合而成.文丘里管前后兩個進出口連接斷面都是方形斷面,喉部以及擴散段兩側以及頂部均為有機玻璃.孔板觀察段、文丘里管喉部以及擴散段的底部都設置有壓力測點,用壓力數據采集系統(SINOCERA YE6263)的壓力傳感器相連接,可以實時測量多孔板下游段、文丘里管喉部和擴散段的壓力大小.

圖1 水力空化裝置

1-水力空化工作段;2-壓力表;3-離心泵;4-內筒試驗水樣;5-外筒冷卻水;6-轉子流量計;7-控制閥門

1.2 水力空化反應器

1.2.1 圓形孔口多孔板 如圖2所示,試驗選取3塊圓形孔口多孔板:孔板尺寸為50mm′50mm′5mm的不銹鋼板,孔板排列分為交錯式和棋盤式.9孔孔口直徑=5mm,25孔孔口直徑=3mm.雖然每塊多孔板的孔徑、孔口數量、孔口排布不同,但其孔口總面積保持一致.

圖2 圓孔多孔板

1.2.2 文丘里管 文丘里管擴散角4.3°,喉部長150mm;擴散角4.3°,喉部長300mm;擴散角5.7°,喉部150mm;擴散角5.7°,喉部長300mm.試驗選取4種文丘里管:示意圖見圖3,規格見表1.

圖3 文丘里管段

-擴散段入口直徑;-擴散段出口直徑;-擴散角;-喉部長度;-擴散段長度

1.3 組合方式

組合方式見表1.本試驗將多孔板與文丘里管組合后12種:A1,A2,A3,A4,B1,B2,B3,B4,C1,C2,C3,C4.

表1 多孔板和文丘里管參數

1.4 試驗水樣

試驗水樣取自杭州市勝利河,以原水中菌落總數和大腸桿菌為病原微生物指示菌,經測定杭州市勝利河原水中大腸桿菌的濃度約為1500~2200CFU/ mL,菌落總數的濃度約為1.1×105~1.4×105CFU/mL.再按0%、25%、50%、75%、100%的比例與自來水混合稀釋成試驗水樣112L,待試驗處理.

1.5 試驗過程

每次試驗前先用自來水沖洗內筒3次,再在外筒注入冷卻水.按照每次試驗的配比將原水與自來水混合稀釋后注入內筒.同時用自來水將冷卻水箱注滿.打開管道各個閥門,確保裝置能夠循環流通,開啟水泵,試驗水樣從內筒進入管道,構成封閉循環回路.用做好標記以及滅菌處理后的有蓋試管分別在0,2,5,10,15,20,25min共7個時間點取一定量水樣用于后續分析,與此同時記錄各個測壓點壓力、流量等參數.

1.6 平板計數法

利用EMB平板計數法測水樣大腸桿菌數量,對水樣按一定濃度稀釋,然后取0.1mL所得稀釋液用涂布器均勻涂布在EMB培養基表面,在(37±1)℃的恒溫培養箱中培養24h后取出培養基,根據統計的大腸桿菌菌落數,計算出該水樣EMB培養基上的菌落平均數.

利用瓊脂平板計數法計算水樣中菌落總數,吸取1mL樣品稀釋液于無菌培養皿中,將冷卻至(45±1)℃的瓊脂注入培養皿中,每皿約15mL.在(37±1)℃恒溫箱內培養48h后取出培養皿,根據統計的菌落數,計算出培養皿中的菌落平均數.

每毫升水樣活菌形成單位數(CFU/mL)=平均菌落數′稀釋倍數,采用平板計數法可以直觀反映水樣中總菌落與大腸桿菌的濃度,再根據所得的活菌濃度就可以計算出試驗中各個時間點的殺滅率:

2 結果與討論

2.1 空化數的影響

空化數是描述空化狀態的無量綱參數,其定義為:

式中:0為測點絕對壓強,kPa;p為相應溫度下的飽和蒸汽壓強,kPa;為平均流速,m/s.分別選取3種多孔板與文丘里管組合A4,B3,C2.原水配比濃度為75%,兩臺水泵同時開啟,計算喉部測點時均壓強,計算出3種不同組合的空化數如表2所示,大腸桿菌和菌落總數殺滅率隨運行時間的變化規律如圖4所示.

表2 多孔板與文丘里管組合式水力參數

圖4 空化數對大腸桿菌和菌落總數殺滅率的影響

由圖4可知,空化數最小的組合對大腸桿菌和菌落總數的殺滅率最大.空化數越小,空化程度越大,流場中形成的空泡越多,空泡潰滅時除了引發水相燃燒機理,局部范圍內產生5200K的高溫和50MPa的壓強外,增強空泡潰滅時形成的沖擊波和高速微射流的作用,還會在極端條件下讓水分子發生分裂反應,產生活潑的羥基自由基[12],方程式如下:

H2O→?OH+?H (3)

2?OH→H2O2(4)

2?H→H2(5)

空化效應產生的物理化學作用破壞細胞壁從而提高對大腸桿菌和菌落總數的殺滅率.

2.2 孔口排布的影響

表3 孔口排布對大腸桿菌和菌落總數殺滅率的影響

選取B2,C2組合分析,B2組合孔板采用25孔棋盤式排列,C2組合孔板采用25孔交錯式排列,孔口面積相同,下游文丘里管段規格一致,都采用擴散角4.3°、喉部300mm的文丘里管.試驗原水配比濃度為75%,試驗結果見表3和表4.在其他工況確保一致的情形下,C2組合的殺滅效果要好于B2.這是因為交錯排布的孔板下游的脈動能量和優勢頻率比棋盤排布下游較高[13],孔口的交錯排布更加容易引起多股射流之間的混摻,強化了物理剪切力的作用,從而強化了空化效果而提高了殺滅率.

2.3 孔口數量和作用時間的影響

試驗A1,B1組合的孔板開孔數分別為9和25,為棋盤排布,連接4.3°擴散角和150mm喉部的文丘里管,試驗原水配比濃度為75%,其余工況相同.大腸桿菌和菌落總數殺滅率隨時間的變化關系如圖5所示.從圖中可以看出,開孔數越多,殺滅率越大.這是因為多股射流摻混劇烈程度隨著孔口數量的增加而增大,紊動剪切作用增強,空化程度也更加劇烈[11],所以殺滅效果增強.

圖5 孔口數量對大腸桿菌和菌落總數殺滅率的影響

分析圖5可以得到,殺滅率隨空化空蝕作用時間的延長而提高,這是因為運行時間增加,羥基自由基數量增多,以及空化效應作用時間延長,從而提高了殺滅率.

2.4 原水配比濃度的影響

選取4種組合在不同原水配比濃度下進行試驗,水力空化作用15min的試驗結果如圖6和圖7所示,可知,各種組合大腸桿菌和菌落總數的殺滅率隨原水配比濃度的增大呈現先增大后減小的趨勢,存在最佳殺滅率的配比濃度.其中B2,A3,C2組合的最佳殺滅率的配比濃度為75%,A3組合的最佳殺滅率的配比濃度為50%.各個組合由于多孔板以及文丘里喉部長度與擴散角大小的影響,空化工作段流場內產生的空泡數量各不相同,同樣是75%最佳配比濃度的情況下,B2組合對大腸桿菌的殺滅率最高.A3組合采取的是9孔多孔板,空化效應相對較弱,當原水配比濃度進一步增大時,空化產生的微射流、沖擊波以及羥基自由基同一時間不足以殺死更多病原微生物[12],所以該組合的最佳配比濃度較低.

圖6 原水配比濃度對大腸桿菌殺滅率的影響

圖7 原水配比濃度對菌落總數殺滅率的影響

2.5 孔口和喉部流速的影響

以B1組合為例,試驗水樣的配比濃度為50%,單泵時孔口流速1=37.6m/s,喉部流速2=16.5m/s;雙泵時孔口流速1’=52.9m/s,喉部流速2’=22.9m/s.分別在單雙泵條件下運行25min,測定大腸桿菌和菌落總數的殺滅率,試驗結果如圖8所示.

圖8 流速對大腸桿菌和菌落總數殺滅率的影響

其他組合試驗也得到類似的結果,因此可得,提高孔口流速能夠相應提高大腸桿菌和菌落總數的殺滅率,而且達到完全殺滅的效果時間也越短.由伯努利方程可知,孔板下游區域流速增大,壓強隨之減小,更容易滿足空化產生的條件,而且流速增加,時間一定的情況下,水體循環次數也增加,空化效應發生的次數也增加,產生更多的羥基自由基,空化效應帶來的物理剪切力作用也隨之加強,另外提高流速在水流中形成一定尺度的脈動旋渦,當旋渦尺度與細胞壁尺度相同時,引發共振,導致微生物細胞裂解[14],提高殺滅率.

2.6 文丘里喉部長度和擴散角的影響

改變文丘里管的擴散角和喉部長度可以改變整個裝置的水力空化環境,影響空化作用對大腸桿菌和菌落總數的殺滅效果,孔板段都采用25孔交錯型孔板,分別連接不同型號的文丘里管.原水配比濃度為75%,在其他工況一致的情況下,對比對大腸桿菌和菌落總數的殺滅情況,如圖9所示.

由圖可見連接4.3°擴散角、150mm喉部的組合殺滅效果最好,該組合采用的文丘里管形成一個較長的負壓區,更有利于空泡的產生和發育,增強了空化效應,從而提高了殺滅率.但隨著時間的延長產生更多的空泡,15min以后,各個組合對大腸桿菌的殺滅率都達到100%,對菌落總數的殺滅率接近完全,達到90%左右.

圖9 文丘里喉部長度和擴散角對大腸桿菌和菌落總數殺滅率的影響

3 結論

3.1 水力空化裝置對大腸桿菌和菌落總數有顯著的殺滅率,提高孔口和喉部流速,降低空化數,增加孔口數量,延長空化作用時間,殺滅效果更好.完全運行狀態下,對大腸桿菌的殺滅率達到100%,對菌落總數的殺滅率達到90%.

3.2 多孔板的孔口交錯式排布比棋盤排布更容易使多股射流摻混,在其余工況相同情況下,孔口交錯排布的殺滅效果更好.

3.3 適當加大文丘里管喉部長度數能夠提高對大腸桿菌和菌落總數的殺滅率.

3.4 對于不同規格的組合,大腸桿菌和菌落總數的殺滅率隨著原水配比濃度的增加呈現先增大后減小的趨勢.

3.5 本次試驗采用25孔交錯+4.3°擴散角+300mm喉部的組合工況效果最佳.處理75%配比的原水水樣(大腸桿菌數量約為1100~1600CFU/mL,菌落總數約為0.83×105~1.1×105CFU/mL)時,運行15分鐘殺滅率達到最大.

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Killing pathogenic microorganism in raw water by hydrodynamic cavitation due to orifice plates and venturi.

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

(College of Civil Engineering and Architecture, Zhejiang University of Technology, Hangzhou 310023, China)., 2018,38(10)：3755~3760

A self-developed hydrodynamic cavitation device with combinations of circular multi-orifice plates with Venturi tubes from the Hydraulics Laboratory at Zhejiang University of Technology was used to kill pathogenic microorganisms in raw water. Its effect was manifested by detecting the killing rate ofand total colony count. The killing rates ofand total colony count under the different working conditions were detected by plate counting method. The effects of cavitation number, orifice arrangement, orifice number, cavitation time, raw water percentage, throat length on the killing rates of pathogenic microorganism were analyzed. The experimental results showed that increasing orifice velocity and orifice number, prolonging cavitation time, lowering cavitation number, increasing the number of orifices, improving orifices arrangement and choosing appropriate raw water percentage and extending the throat length, could increase the killing rates ofand total colony count. Hydrodynamic cavitation has potential application prospect as a new technology with no disinfection by-products, safe and high efficiency.

circular multi-orifice plate；venturi tube；hydrodynamic cavitation；；total colony count；killing rate

X523

A

1000-6923(2018)10-3755-06

楊 杰(1992-),男,浙江諸暨人,浙江工業大學碩士研究生,主要從事水力學與飲用水消毒技術方面的研究.

2018-03-02

國家自然科學基金資助項目(51479177)

, 教授, dongzy@zjut.edu.cn