水處理工業殺菌技術

吉倩倩

摘? ? ? 要：針對我國水資源緊缺及廢水亂排放問題，探討了紫外線殺菌在工業循環冷卻水處理中的應用。通過動態模擬實驗，找出紫外線在循環冷卻水處理中的殺菌條件和影響因素。以硫酸鹽還原菌、鐵細菌和異養菌為指示菌，得出殺菌劑的用量、滅菌時間、溫度、pH值。結果表明：二氧化氯在投加量為3 mg/L，滅菌時間為30 min，臭氧在投加量為50 mg/L，滅菌時間為16 min，出水細菌數可達到化工行業循環冷卻水處理標準，并且二氧化氯殺菌的余氯可在0.5～1.0 mg/L范圍內維持2 h，滿足了后續殺菌要求。紫外線殺菌前期投資較大，但使用費用較低，長期運行具有很大的經濟優勢。

關? 鍵? 詞：循環冷卻水;殺菌;紫外線

中圖分類號：TD926.5? ? ? ?文獻標識碼： A? ? ? ?文章編號： 1671-0460（2019）09-2010-04

Abstract： In order to solve the problems of water shortage and wastewater discharge in China， the bactericidal effect of ultraviolet sterilization in industrial circulating cooling water treatment was studied. The germicidal conditions and influencing factors of ultraviolet sterilization in circulating cooling water treatment were studied by means of dynamic simulation experiment. Using sulfate reducing bacteria， iron bacteria and heterotrophic bacteria as indicator bacteria， the dosage of fungicides， sterilization time， temperature and pH value were studied. The germicidal effect of ultraviolet rays on bacteria in circulating cooling water and the suitable germicidal conditions was investigated. The experimental results showed that when the dosage of chlorine dioxide was 3 mg/L and the sterilization time was 30 min， the ozone dosage was 50 mg/ L and the sterilization time was 16 min， the number of bacteria in the effluent met the standard of circulating cooling water treatment in chemical industry， and the residual chlorine of chlorine dioxide sterilization maintained within the range of 0.5～1.0 mg/L for 2 hours， which met the requirement of subsequent sterilization. The conclusion is that the prophase investment of ultraviolet sterilization process is larger， but the cost of use is lower， and the long-term operation has a great economic advantage.

Key words： Circulating cooling water; Sterilization; Ultraviolet ray

目前制造業產生大量的工業廢水，一旦排入地下會造成大量的地下水資源污染，對生態系統造成難以估量的破壞。

與生活用水不同，工業循環水系統通常為自然條件下的微生物生長和繁殖提供更有利的條件。水循環系統中主要為冷卻水，在循環水中隨著蒸發加藥調節酸堿pH、管道材質及水流速等，致使水中的各種離子濃度增多，水質會惡化。水中雜質可以通過機械過濾器等手段過濾，水溫度可以通過涼水塔及空冷設備降溫等，水中氯等離子較多時候，無法處理[1，2]。

循環水系統中微生物大量繁殖，導致水體污染，同時出現一些黏液等，[3，4]附著在設備及管道表面，長時間會硬化，降低循環效果，導致換熱效果降低。沉積在金屬表面上的黏液將在水垢下引起嚴重腐蝕，同時還使藥物對金屬隔離，使藥劑不能發揮其應有的腐蝕和阻垢效率[5]。抑制和殺死微生物、細菌和藻類，在冷卻水系統中添加殺菌劑、除藻劑是最直接有效的方法[6，7]

1? 實驗部分

1.1? 實驗試劑及儀器

實驗試劑：磷酸氫二鉀、牛肉膏、氯化鈣、硫代硫酸鈉、硫酸鎂、三氯甲烷、乳酸鈉、重鉻酸鉀、硫酸亞鐵銨、濃硫酸、硫酸銨、碘化鉀、硝酸鈉、淀粉、檸檬酸鐵銨、水楊酸、氯化鈉、氯化鋅、鹽酸、氫氧化鈉、蛋白胨、氯化銨、硫酸鈉、瓊脂。

實驗儀器：立式點熱壓力蒸汽滅菌鍋 LDZX- 40KB，臭氧發生器 JKC-5，生化培養箱SHP-250，濁度儀AQ2010，電子分析天平ALC210.4 11 W，紫外燈管 15、21 W。

1.2? 實驗裝置

采用動態模擬實驗方法模擬工業循環冷卻水殺菌裝置[8，9]。紫外線殺菌裝置如圖1。

紫外燈殺菌實驗裝置采用高度為 900 mm，內外徑分別為 30、100 mm 石英消毒量筒。將外徑19 mm 的單頭四針紫外燈安裝在石英消毒量筒內管，外管走水。紫外燈照射功率分別為11，15，21 W。通過調節流量可以控制輻照時間，考察紫外線殺菌效果[10]。

1.3? 實驗用水

實驗用水取自石化廠回用循環冷卻水，原水已經經過二級處理。對其水質指標進行檢測，其水質如表1所示。

2? 實驗方法與步驟

2.1? 細菌的培養與計數

在循環冷卻水系統中，合適的水溫度和pH值適合于多種微生物的生長。增加水中微生物的數量和生長所需的營養源，例如有機物質、碳酸鹽、硝酸鹽、鐵等。除冷卻塔外，冷庫全年都在室外暴露，陽光充足，為微生物的生長提供了良好的條件。因此，循環冷卻水系統中存在許多種類和數量的微生物，這是非常有害的，其中硫酸鹽還原菌、鐵細菌和異養細菌是最常見的。

2.1.1? 硫酸鹽還原菌

硫酸鹽還原菌（SRB）是循環水中的主要危害菌，他們腐蝕金屬設備，導致循環系統黏泥量升高，堵塞管道，影響換熱效率，惡化水質。

硫酸鹽還原菌培養液：K2HPO4：0.5 g，NH4Cl：1.0 g，Na2SO4：1.0 g，CaCl2·2H2O：0.1g，MgSO4·7H2O：2.0 g，70%乳酸鈉溶液：5.0 g，蒸餾水：1 000 mL， Fe（NH4）2（SO4）2·6H2O：0.2 g，用氫氧化鈉或鹽酸溶液調節 pH：7.0～7.2，分裝 10 mL培養液與培養瓶中，121 ℃下高壓滅菌 15 min。

測定方法：將不同稀釋度的水樣接種到培養瓶，每個稀釋度三個平行樣，將培養瓶放入恒溫培養箱中，37 ℃恒溫培養7 d，培養液出現黑色沉淀，并有硫化氫氣味，即為陽性，否則記為陰性。根據MPN計數法記錄硫酸鹽還原菌的數量。

2.1.2? 鐵細菌

鐵細菌可以將水中的鐵化合物氧化成紅棕色黏液（Fe2O3·xH2O），并在鐵管中形成軟泥。它也是水系統中最重要的微生物之一。在工業用水中，如果鐵細菌大量繁殖，將會有大量的氫氧化鐵護套覆蓋金屬表面，這不僅會降低傳熱效率，還會導致金屬管的直徑減小或堵塞，可以減少水流量。

鐵細菌培養液：（NH4）2SO4：0.5 g，NaNO3：0.5 g，CaC12：0.2 g，MgSO4·7H2O：0.5 g，檸檬酸鐵銨：10 g ，蒸餾水：1 000 mL，用氫氧化鈉或鹽酸溶液調節pH：6.6～6.8，分裝 10 mL 培養液與培養瓶中，用蒸汽壓力滅菌器 121 ℃下滅菌15 min。

測定方法：將不同稀釋度的水樣接種到培養瓶中，每個稀釋度接種三瓶平行樣，將培養瓶放入恒溫培養箱中，（30±0.5）℃恒溫培養10 d，細菌培養瓶中液體的分層沉淀是鐵細菌生長的基礎，每種稀釋液都有幾層沉淀，即幾個陽性沉淀。根據MPN方法記錄鐵細菌的數量。

2.1.3? 異養菌

在工業循環冷卻水中，異養細菌不僅生長繁殖速度最快，而且數量最多。細微的懸浮物和其他絲狀細菌、霉菌、藻類和原生動物形成黏液。生物黏泥的積累會導致管道堵塞，影響傳熱效果。同時，細菌分泌酸后，金屬表面局部形成氧濃度電池，腐蝕了管道。

異養菌培養基：蛋白胨：10，牛肉膏：3 g，NaC12：5 g，瓊脂：15 g，蒸餾水：1 000 mL，用氫氧化鈉或鹽酸溶解調節 pH=7.4～7.6，并分別裝在 500 mL 三角瓶中，用蒸汽壓力滅菌器 121 ℃滅菌 15 min。

測定方法：根據無菌水梯度稀釋10倍稀釋測試水樣品，無菌培養皿環境下培養不同試樣，灌溉培養皿中，制備三個平行樣品和一個空白樣品。在（ 29±1）℃培養箱中培養72 h[11]。

2.2? 殺菌實驗

紫外線作為一種新興的殺菌技術，其對水質無影響，不產生副產物等優點。但在國內應用較少，特別是在工業循環冷卻水殺菌的應用中尚很陌生。實驗分別應用 11，15，21 W的紫外燈進行殺菌動態模擬實驗 [12]。

3? 實驗結果與討論

考察了濁度在 3.25～4.96 NTU范圍內，輻照時間分別為 10，20，40，60，80，100 s 時，11，15，21 W 的紫外燈殺菌系統對硫酸鹽還原菌、鐵細菌、異養菌的殺滅效果。輻照時間與滅菌率關系圖如圖 2-4所示。

由圖2-4 可以看出，輻照時間從0～20 s之間時，三種不同功率的紫外等滅菌率提高都很快。

但是，出水的硫酸鹽還原菌、鐵細菌以及異養菌菌數沒有達到化工行業的循環冷卻水標準。當輻照時間為60 s時，三種功率對三種細菌的滅菌率均達到了99%以上，滿足了水質要求。繼續增加輻照時間，殺菌率仍有小幅度的提高，當輻照時間為 80～100 s時，紫外線的殺菌率幾乎為100%。另外，三種不同功率紫外燈的殺菌效果隨著功率的增加而增加，原因為紫外燈的有效輸出功率隨著紫外燈的功率成正比：紫外有效輸出功率（W）=紫外表面輸出光強（μW/cm2）×燈管有效面積（cm2）/106。提高了表面輸出光強，使紫外輻照劑量有所提高，從而提高了殺菌效率。

4? 結 論

紫外線對循環冷卻水的殺菌效果顯著。當11、15和21 W的紫外燈的照射時間為60 s時，硫酸鹽還原菌、鐵細菌和異養菌的殺菌率可達到99%以上。紫外燈功率越高，殺菌效果越好。實驗結果表明，二氧化氯在投加量為3 mg/L，滅菌時間為30 min? 時，臭氧在投加量為50 mg/L，滅菌時間為16 min時，出水細菌數可達到化工行業循環冷卻水處理標準，并且二氧化氯殺菌的余氯可在0.5～1.0 mg/L范圍內維持2 h，滿足了后續殺菌要求。紫外線殺菌前期投資較大，使用費用較低，長期運行具有很大的經濟優勢。

參考文獻：

[1]高雅瓊，崔石磊，李猛，劉華朋.循環冷卻塔漂水問題分析及改造[J].當代化工， 2016， 45（12）：2817-2820.

[2]單小軍.淺析污水處理中的消毒工藝[J].建筑工程技術與設計，2018，（8）：4280.

[3]張洪雷. 水熱法制備LiMn_（0.15）Fe_（0.85）PO_4/C及其性能研究[J]. 當代化工， 2017， 46（12）： 2497-2500.

[4]吳木生，李愛梅，姜新慧， 等.超聲波紫外線協同殺菌技術在飲用天然水除菌中的應用研究[J].食品工業科技，2015，36（15）：126-129. .

[5] 楊寧寧.紫外線處理船舶壓載水中金黃色葡萄球菌數值模擬及驗證試驗[D].哈爾濱工程大學，2015.

[6]王峰， 雷霽霖， 高淳仁， 等. 國內外工廠化循環水養殖模式水質處理研究進展[J]. 中國工程科學， 2013（10）：16-23+32.

[7]Jason E.Bryant，Johanna Haggstrom，姜偉.減少水需求、最小化化學品使用的環保解決方案[J].石油科技動態，2014，（2）：56-63.

[8]趙海燕.重慶市唐家橋污水處理廠提標改造的設計研究[D].重慶大學，2014.

[9]嚴其林.DBD型臭氧發生器負載特性及新型供電電源研究[D].廣東工業大學，2015.

[10]王雪敏.F公司新設M事業部拓展凈水器市場的商業計劃書[D].東華大學，2015.

[11]李文浩.油田污水處理物理殺菌技術的應用[J].中國科技財富，2011，（14）：57-57.

[12]魏曉騰.淺析污水處理中的消毒工藝[J].中國新技術新產品，2012（10）：216-216.