工業循環水除菌技術綜述

＊陳康 李祖強 韓考荃 戴維福 甘浪超 湯雪穎 蔡亮

（1.江蘇華電句容發電有限公司 江蘇 212400 2.東南大學能源與環境學院 江蘇 210046）

1.引言

由于水的易得、安全且具有較大的比熱容等特性，在現代大多數工業生產中都將水用作傳熱冷卻介質。如石油、電廠、鋼鐵等行業均需要大量的工業循環冷卻水來滿足工業生產的換熱需求，毫無疑問，工業循環冷卻水在工業生產中有著至關重要的作用。而在工業生產環節，循環冷卻水在儲藏、使用的過程中，往往會因細菌、藻類的滋生，使得水體中生物污染物、沉積物增多，進而引起傳熱效率降低、管道腐蝕、設備堵塞等問題[1-2]。因此，許多工業循環水除菌的技術相續發展起來，并廣泛應用于諸多工業場景。本文介紹了主要的工業循環冷卻水除菌技術，并分析了相應技術原理和特點，以期為不同場景下如何進行有效除菌提供參考。

2.循環水除菌技術及其特點

(1)化學藥劑殺菌法

化學藥劑殺菌法，即采用向循環水系統定期投放適量化學藥劑殺菌劑來除菌、除藻的方法。殺菌劑，也稱抑菌劑、殺菌滅藻劑。不同的殺菌劑的作用機理有所不同，主要是通過破壞細胞蛋白結構、使酶失活、影響微生物的新陳代謝等方式來達到對循環水除菌、除藻目的。

殺菌劑按機理可分為氧化性殺菌劑和非氧化性殺菌劑兩大類。現代工業生產中，氧化性殺菌劑通常為含氯化合物、過氧化物、含溴化合物等具有氧化性能的化合物。氧化性殺菌劑在循環水處理過程中能有效快速地殺菌、滅藻，殺菌效果的廣譜性高。但由于這些氧化性殺菌劑的氧化性會被水體中的還原性物質中和，同時，其分散滲透和剝離效果較差。常見的非氧化性殺菌劑包括氯酚類、季銨鹽類等，非氧化殺菌劑本身大都不具有很強的氧化性，主要依靠與微生物的特殊部位作用，大部分非氧化性殺菌劑都是表面活性劑,對沉積物或生物黏泥有滲透、剝離作用，受水中pH值影響較小，定期在循環水中使用，可以對沉積的生物黏泥起到剝離作 用[3]，但非氧化性殺菌劑容易引起環境污染，水中的微生物易產生抗藥性。

因此，工業用循環水系統的殺菌最好是交替使用氧化殺菌劑和非氧化殺菌劑，在快速有效殺菌的同時，防止微生物產生耐藥性，同時及時清除、剝離設備表面形成的少量生物黏泥。并及時將生物黏泥排除系統，以達到對循環水長期有效除菌的目的。

(2)紫外線殺菌技術

紫外線殺菌技術，通常是利用固定在循環水管道相應位置的透明石英套管內的紫光燈，來發射具有滅菌作用的紫外光線，以達到對循環水進行除菌、除藻的技術。紫外線能夠有效用于循環冷卻水除菌主要基于兩種機制：一是適當波長的紫外線可以破壞細菌DNA、RNA遺傳物質的分子結構，改變細胞的遺傳轉錄特性，使細胞喪失蛋白質的合成和復制繁殖能力[4]。二是，紫外光照射在石英套管外表面光觸媒（如TiO2）時，可發生相應的光催化反應，產生出氧化能力極強的自由氫氧基和活性氧，氫氧基溶解過程中,會誘發一系列自由基鏈反應,氧化分解有機物質、微生物體[5]，可氧化分解細胞內的蛋白質成分，使細胞膜發生破裂。

通常情況下，影響紫外線除菌系統水處理效果的因素主要有以下兩個方面：

①循環水透明度。一般來說，紫外線的穿透率越低,除菌、除藻的效果越差。當循環水中存在懸浮物時，懸浮物顆粒會吸收并分散紫外光線的能量，且細菌、藻類會因隱藏在顆粒中受到保護，避免了紫外線的破壞。這也使得系統的初級過濾設備及處理效率也會對紫外線殺菌效果產生重要的影響。初級過濾器過濾精度越高，過濾效率越高,紫外線對循環水的殺菌處理效率也越高。

②紫外線作用時間和有效強度。在循環水紫外線除菌的實際處理過程中，如果水量突然增大,紫外線接觸時間短,則需要更強的紫外劑量，才能實現有效滅菌。因此紫外線循環水除菌系統在設計之初往往便會根據最大流量設計，以保證當水量負荷大時,能有較好的循環水滅菌效果。此外，由于紫外線有效作用的強度本質上是由燈管種類及燈管安裝的結構決定。因此，根據管道結構、管內循環水的流動狀況，選擇合適的燈管、設置合理的布局，也是保證高效、經濟除菌、除藻的重要環節。

總體來看，紫外線殺菌技術對循環水的透明度有一定的要求，但紫外線的殺菌速度快，殺菌范圍廣，基本不會產生化學污染，且循環水除菌系統后期管理方便、維護成本低，經濟性較好。

(3)超聲殺菌技術

超聲波是指頻率大于20kHz的聲波，其頻率高、波長短，具有方向性好、功率大、穿透力強等特點之外，能引起空化作用和一系列的特殊效應，如機械效應、熱效應、化學效應等。因此，超聲殺菌技術也可應用于循環冷卻水除菌。一般來說，超聲殺菌作用機理，主要是其引起的空化作用。當高強度的超聲波在液體介質中傳播時，會產生交替壓縮和膨脹的區域，這些壓力改變的區域易引起空穴現象，并在介質中形成微小氣泡核。微小氣泡核在絕熱收縮及崩潰的瞬間產生的局部高溫（約5000K）、高壓（大于50MPa）會造成細胞的破碎、酶的變性。空化時還伴有強烈的沖擊波、剪應力和微射流，從而使細菌的細胞壁或者細胞膜受到急劇的破壞[6]。此外，超聲處理過程中的機械效應也能夠分散細菌團塊，破壞團塊的保護作用[7]。

超聲殺菌技術的性能影響因素，主要是超聲波強度和頻率，超聲波強度指單位面積上的超聲功率，空化作用的產生與超聲波強度有關。對于具體的應用場景，超聲波強度增加時，空化效應也隨之增強，相應的除菌效果也增強。但達到一定值后，空化逐漸趨于飽和，此時再增加超聲波強度，可能會使得一些氣泡在聲波的壓縮相內來不及崩潰，從而會導致瞬態空化強度減弱[6]，使空化效應減弱。同種介質中，不同的超聲波頻率，也會有不同的空化閾。一般來說，超聲波頻率越低，在液體中產生空化越容易。而頻率越高，產生空化作用所需要的聲強也越大。不過頻率越高，空化效應也越明顯，超聲波對細菌、藻類細胞的破壞性也就越明顯，實際應用過程中滅菌效果也就越明顯。不過，頻率升高，聲波的傳播衰減也更快。

有學者認為，混合頻率的超聲可能比單一頻率的超聲更有效，這可能是由于采用混頻時對液體的機械擾動加劇，進而在液體內易于形成更多的不同粒徑空化核，從而使空化過程增強，以及不同頻率的超聲有不同的空化閾，會產生協同效應，增強了滅菌效果[6]。此外，殺菌時間也會對滅菌效果有所影響，一是因為殺菌效果與殺菌時間大致成正比增加，但進一步增加殺菌時間，殺菌效果趨于一個穩定的值。另外隨著殺菌時間的增加，也會使得介質的溫度升高。因此，超聲波應用于循環水殺菌可采用間歇性工作方式。

總體來看，超聲除菌技術主要是利用超聲波產生的空化作用、機械效應等實現循環水除菌、除藻，將超聲除菌技術應用到循環水除菌系統中，有著無污染、環保的特點，也有一定的阻垢效果，但在循環水除菌應用過程中可能會導致水溫升高，也因為存在一定的衰減效應，作用效果有所局限。

(4)變頻磁場殺菌技術

變頻磁場循環水殺菌技術是指通過將感應線圈纏繞在管道上，并通入交變電流，在感應線圈內部產生交替變化的磁場，來實現對循環水的除菌、除藻的一種技術。

一般來說，變頻磁場的殺菌機理是多方面的，主要是在磁場及其激發的感應電流作用下，細菌細胞內的蛋白質、水等物質的理化性質的變化，以及酶的功能受到干擾、結構受到破壞，從而引起細菌細胞死亡[8]。此外，當磁場振蕩頻率與細菌內部物質振蕩頻率接近或一致時，會引起諧振，從而引起細菌的正常代謝活動，甚至使細菌細胞結構發生 破裂[9-10]。并且，當管道中的循環水流過變頻磁場時，若水的頻率和電磁場的頻率相同，就會引起水分子產生共振。從而改變水分子的構型，使水分子團轉變為具有極性的單個水分子，使水的活化性提高，改變結垢物質的聚合方式，提高對結垢物質的溶解能力，從而抑制沉積物的聚集，且極其微小的單個水分子還可以滲透清除管壁上的污垢黏泥，實現除垢效果[11]。

利用變頻磁場進行循環水處理的影響因素包括變頻磁場的強度、頻率、作用時間以及水的pH值、溫度等[8]。由于采用變頻磁場進行循環水除菌時，只需將感應線圈安裝在管道外側，不用改變管道結構，安裝方便、結構簡單。且無化學品帶來的污染問題，對循環水也有一定的阻垢、除垢作用。

(5)高壓脈沖電場殺菌技術

高壓脈沖電場循環水殺菌技術，通常是指在水處理腔體內設置一對電極板，并通過高壓脈沖電源產生高壓脈沖，在電極板間形成高壓電場，從而在水處理器兩電極之間形成高壓電場，對循環水進行滅菌、除藻處理[12-13]。高壓脈沖電場循環水殺菌技術的機理是多方面的，主要包括：首先，在高壓電場作用下，會產生等離子體，在循環水中和水分子碰撞會產生活性自由基，這些活性自由基會對細胞的功能、結構產生不良影響，對細菌和藻類有極強的破壞作用，抑制細菌、藻類的代謝和增殖。其次，電場產生的高能粒子碰撞導致能量的躍遷也會產生一些物理效應，如紫外光、超聲、局部高溫等都會細菌、藻類造成破壞[14]。

影響高壓脈沖電場循環水殺菌效果的影響因素，通常包括：①電場強度。電場強度是決定高壓脈沖電場循環水殺菌效果的最主要的因素，一般來說，增加電場強度，滅菌效果也越好。但電場強度還需要兼顧經濟性問題和安全性問題。②脈沖頻率。提高脈沖頻率，每一次電容器放電會產生更多的脈沖數目，指數衰減波脈沖的下降得到減緩，脈沖滅菌效果增強。③循環水流動形態、循環水處理腔體、電極的形狀、結構尺寸。這些主要是影響容器內的電場、作用有效范圍。此外，脈沖波形（通常為方波、指數衰減波、動態衰減波[15]）、循環水溫度等都對高壓脈沖電場循環水殺菌效果都有所影響。

高壓脈沖電場循環水殺菌時，由于高壓脈沖靜電水處理裝置可以在兩極板輸出上萬伏的高壓，但輸出的電流較小，因此功率并不大[16]，耗電量較少。高壓脈沖電場循環水殺菌技術具有操作簡單、運行時間長、運行成本低、對環境無污染等優點[12]。此外，有研究發現高壓脈沖電場用于循環水殺菌，可以增強循環水中的鹽類正負離子水合，能防止管壁上水垢的生成，使管壁上的水垢晶體疏松、脫落，起到阻垢、除垢的作用[12]。

3.總結與展望

選擇合適的循環冷卻水除菌技術，是改善循環冷卻水水質，提高換熱效率，降低系統能耗，保證工業生產能夠順利進行的必要條件。而針對不同場景下的除菌需求，需要綜合考慮除菌時間、水質狀況、處理量以及設備安裝和運行成本。

在幾種工業循環冷卻水除菌技術中，化學藥劑殺菌法是技術最成熟的，也是目前各大工廠應用的主流技術。化學藥劑殺菌法，通過合適的藥物選擇、配比，殺菌徹底迅速，殺菌率可達99%。幾乎沒有初期的設備投入成本，但在運行過程中需要定期投放藥物，且化學殺菌劑有毒，以及可能造成的環境污染問題。紫外線、超聲、變頻磁場與高壓脈沖電場殺菌技術，在運行中維護成本較低，不會產生環境污染問題。但這些技術也都存在一些缺點，如都需要額外的設備初始投資成本，且綜合來看，這些技術殺菌率整體上不及化學藥劑殺菌技術。此外，紫外線殺菌技術對循環水質透明度有一定要求，超聲除菌還需要考慮高頻下有效處理距離和功耗問題，不適合處理量大的循環水系統，變頻磁場與高壓脈沖電場殺菌技術需考慮設備、管道、循環水等發生導電危險，都在一定程度上制約這些技術的進一步推廣應用。

值得一提的是，現階段紫外線殺菌技術，通過引用上級過濾技術來保證循環水的一個較好的初處理質量，其殺菌率也得到了穩定保證。因此，其作為一種操作簡單、環保經濟的殺菌技術也應用到了越來越多的循環水除菌場合，展現出了較高的成熟度和發展潛力。此外，隨著可見光催化除菌技術的發展，也有望在未來應用于工業循環水除菌，實現零能耗除菌過程。