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(yè)大學(xué)建筑工程學(xué)院,浙江 杭州 310023)

利用水力學(xué)實(shí)驗(yàn)室自主研發(fā)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(shù)為指示菌,用平板計(jì)數(shù)法測得不同工況下的大腸桿菌和菌落總數(shù)的殺滅率,研究了空化數(shù)、孔口排布、孔口數(shù)量、運(yùn)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(yàn)結(jié)果表明:提高孔口流速和喉部流速、延長運(yùn)行時間、降低空化數(shù)、增多孔口數(shù)量、改進(jìn)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(shù)的殺滅率.水力空化是一種無消毒副產(chǎn)物、安全、高效的飲用水消毒新技術(shù),具有潛在的應(yīng)用前景.

圓孔多孔板；文丘里管；水力空化；大腸桿菌；菌落總數(shù)；殺滅率

傳統(tǒng)自來水廠往往采取加氯的消毒手段,但是隨著經(jīng)濟(jì)社會的快速發(fā)展,民眾對水環(huán)境和飲用水質(zhì)量提出了新的要求.氯在消毒的同時會與水體中的前驅(qū)物發(fā)生化合反應(yīng),生成危害人體健康的”三致”消毒副產(chǎn)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(xù)殺菌能力,還存在光復(fù)活現(xiàn)象[1].臭氧殺菌作用極強(qiáng),且無二次污染[2],但存在易分解,價格高等缺點(diǎn).為此,國內(nèi)外學(xué)者嘗試用水力空化技術(shù).由于空化效應(yīng)會伴隨著極端條件的產(chǎn)生[3],近年來,一些學(xué)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(yīng)用旋轉(zhuǎn)空化設(shè)備研究了水中大腸桿菌、蠟樣芽孢桿菌細(xì)胞及孢子破壞的影響因子,認(rèn)為水力空化是一種簡單、經(jīng)濟(jì)且有效的飲用水消毒技術(shù)[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(shí)驗(yàn)研究,得出在15min內(nèi)可完全殺滅量級為107CFU/mL的大腸桿菌[5-7].利用不同規(guī)格的文丘里管進(jìn)行空化空蝕殺滅原水中大腸桿菌和菌落總數(shù)的試驗(yàn)研究[8-9],結(jié)果表明殺滅率隨文丘里管喉部長徑比和擴(kuò)散角的增大呈現(xiàn)先增加后減小的變化趨勢.充分驗(yàn)證了水力空化效應(yīng)用于水體消毒殺滅微生物的可行性. 與傳統(tǒng)的臭氧消毒對比,水力空化消毒無需添加化學(xué)試劑,是既經(jīng)濟(jì)又具有潛力的替代技術(shù)[10],本文基于前人工作的基礎(chǔ)上改進(jìn)了水力空化裝置,聯(lián)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(yàn)裝置

試驗(yàn)裝置由不銹鋼圓筒容器、水力空化工作段、離心泵、轉(zhuǎn)子流量計(jì)、閥門、壓力表和管道系統(tǒng)組成,組成封閉式水力循環(huán)裝置,如圖1所示.內(nèi)筒中試驗(yàn)水樣經(jīng)過兩臺離心泵的作用,抽送到管道系統(tǒng),經(jīng)過水力空化工作段后,一部分通過轉(zhuǎn)子流量計(jì)后匯入內(nèi)筒,另一部分通過旁通管回流到內(nèi)筒.該水力空化反應(yīng)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(jìn)出口連接斷面都是方形斷面,喉部以及擴(kuò)散段兩側(cè)以及頂部均為有機(jī)玻璃.孔板觀察段、文丘里管喉部以及擴(kuò)散段的底部都設(shè)置有壓力測點(diǎn),用壓力數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)(SINOCERA YE6263)的壓力傳感器相連接,可以實(shí)時測量多孔板下游段、文丘里管喉部和擴(kuò)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(nèi)筒試驗(yàn)水樣;5-外筒冷卻水;6-轉(zhuǎn)子流量計(jì);7-控制閥門

1.2 水力空化反應(yīng)器

1.2.1 圓形孔口多孔板 如圖2所示,試驗(yàn)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(shù)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(kuò)散角4.3°,喉部長150mm;擴(kuò)散角4.3°,喉部長300mm;擴(kuò)散角5.7°,喉部150mm;擴(kuò)散角5.7°,喉部長300mm.試驗(yàn)選取4種文丘里管:示意圖見圖3,規(guī)格見表1.

圖3 文丘里管段

-擴(kuò)散段入口直徑;-擴(kuò)散段出口直徑;-擴(kuò)散角;-喉部長度;-擴(kuò)散段長度

1.3 組合方式

組合方式見表1.本試驗(yàn)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(shù)

1.4 試驗(yàn)水樣

試驗(yàn)水樣取自杭州市勝利河,以原水中菌落總數(shù)和大腸桿菌為病原微生物指示菌,經(jīng)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(shù)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(yàn)水樣112L,待試驗(yàn)處理.

1.5 試驗(yàn)過程

每次試驗(yàn)前先用自來水沖洗內(nèi)筒3次,再在外筒注入冷卻水.按照每次試驗(yàn)的配比將原水與自來水混合稀釋后注入內(nèi)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(huán)流通,開啟水泵,試驗(yàn)水樣從內(nèi)筒進(jìn)入管道,構(gòu)成封閉循環(huán)回路.用做好標(biāo)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(diǎn)取一定量水樣用于后續(xù)分析,與此同時記錄各個測壓點(diǎn)壓力、流量等參數(shù).

1.6 平板計(jì)數(shù)法

利用EMB平板計(jì)數(shù)法測水樣大腸桿菌數(shù)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(yǎng)基表面,在(37±1)℃的恒溫培養(yǎng)箱中培養(yǎng)24h后取出培養(yǎng)基,根據(jù)統(tǒng)計(jì)的大腸桿菌菌落數(shù),計(jì)算出該水樣EMB培養(yǎng)基上的菌落平均數(shù).

利用瓊脂平板計(jì)數(shù)法計(jì)算水樣中菌落總數(shù),吸取1mL樣品稀釋液于無菌培養(yǎng)皿中,將冷卻至(45±1)℃的瓊脂注入培養(yǎng)皿中,每皿約15mL.在(37±1)℃恒溫箱內(nèi)培養(yǎng)48h后取出培養(yǎng)皿,根據(jù)統(tǒng)計(jì)的菌落數(shù),計(jì)算出培養(yǎng)皿中的菌落平均數(shù).

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),采用平板計(jì)數(shù)法可以直觀反映水樣中總菌落與大腸桿菌的濃度,再根據(jù)所得的活菌濃度就可以計(jì)算出試驗(yàn)中各個時間點(diǎn)的殺滅率:

2 結(jié)果與討論

2.1 空化數(shù)的影響

空化數(shù)是描述空化狀態(tài)的無量綱參數(shù),其定義為:

式中:0為測點(diǎn)絕對壓強(qiáng),kPa;p為相應(yīng)溫度下的飽和蒸汽壓強(qiáng),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(jì)算喉部測點(diǎn)時均壓強(qiáng),計(jì)算出3種不同組合的空化數(shù)如表2所示,大腸桿菌和菌落總數(shù)殺滅率隨運(yùn)行時間的變化規(guī)律如圖4所示.

表2 多孔板與文丘里管組合式水力參數(shù)

圖4 空化數(shù)對大腸桿菌和菌落總數(shù)殺滅率的影響

由圖4可知,空化數(shù)最小的組合對大腸桿菌和菌落總數(shù)的殺滅率最大.空化數(shù)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(fā)水相燃燒機(jī)理,局部范圍內(nèi)產(chǎn)生5200K的高溫和50MPa的壓強(qiáng)外,增強(qiáng)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(fā)生分裂反應(yīng),產(chǎn)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(yīng)產(chǎn)生的物理化學(xué)作用破壞細(xì)胞壁從而提高對大腸桿菌和菌落總數(shù)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(shù)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(guī)格一致,都采用擴(kuò)散角4.3°、喉部300mm的文丘里管.試驗(yàn)原水配比濃度為75%,試驗(yàn)結(jié)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?yàn)榻诲e排布的孔板下游的脈動能量和優(yōu)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(qiáng)化了物理剪切力的作用,從而強(qiáng)化了空化效果而提高了殺滅率.

2.3 孔口數(shù)量和作用時間的影響

試驗(yàn)A1,B1組合的孔板開孔數(shù)分別為9和25,為棋盤排布,連接4.3°擴(kuò)散角和150mm喉部的文丘里管,試驗(yàn)原水配比濃度為75%,其余工況相同.大腸桿菌和菌落總數(shù)殺滅率隨時間的變化關(guān)系如圖5所示.從圖中可以看出,開孔數(shù)越多,殺滅率越大.這是因?yàn)槎喙缮淞鲹交靹×页潭入S著孔口數(shù)量的增加而增大,紊動剪切作用增強(qiáng),空化程度也更加劇烈[11],所以殺滅效果增強(qiáng).

圖5 孔口數(shù)量對大腸桿菌和菌落總數(shù)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?yàn)檫\(yùn)行時間增加,羥基自由基數(shù)量增多,以及空化效應(yīng)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(jìn)行試驗(yàn),水力空化作用15min的試驗(yàn)結(jié)果如圖6和圖7所示,可知,各種組合大腸桿菌和菌落總數(shù)的殺滅率隨原水配比濃度的增大呈現(xiàn)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(kuò)散角大小的影響,空化工作段流場內(nèi)產(chǎn)生的空泡數(shù)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(yīng)相對較弱,當(dāng)原水配比濃度進(jìn)一步增大時,空化產(chǎn)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(shù)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(yàn)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(yùn)行25min,測定大腸桿菌和菌落總數(shù)的殺滅率,試驗(yàn)結(jié)果如圖8所示.

圖8 流速對大腸桿菌和菌落總數(shù)殺滅率的影響

其他組合試驗(yàn)也得到類似的結(jié)果,因此可得,提高孔口流速能夠相應(yīng)提高大腸桿菌和菌落總數(shù)的殺滅率,而且達(dá)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(qū)域流速增大,壓強(qiáng)隨之減小,更容易滿足空化產(chǎn)生的條件,而且流速增加,時間一定的情況下,水體循環(huán)次數(shù)也增加,空化效應(yīng)發(fā)生的次數(shù)也增加,產(chǎn)生更多的羥基自由基,空化效應(yīng)帶來的物理剪切力作用也隨之加強(qiáng),另外提高流速在水流中形成一定尺度的脈動旋渦,當(dāng)旋渦尺度與細(xì)胞壁尺度相同時,引發(fā)共振,導(dǎo)致微生物細(xì)胞裂解[14],提高殺滅率.

2.6 文丘里喉部長度和擴(kuò)散角的影響

改變文丘里管的擴(kuò)散角和喉部長度可以改變整個裝置的水力空化環(huán)境,影響空化作用對大腸桿菌和菌落總數(shù)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(shù)的殺滅情況,如圖9所示.

由圖可見連接4.3°擴(kuò)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(fù)壓區(qū),更有利于空泡的產(chǎn)生和發(fā)育,增強(qiáng)了空化效應(yīng),從而提高了殺滅率.但隨著時間的延長產(chǎn)生更多的空泡,15min以后,各個組合對大腸桿菌的殺滅率都達(dá)到100%,對菌落總數(shù)的殺滅率接近完全,達(dá)到90%左右.

圖9 文丘里喉部長度和擴(kuò)散角對大腸桿菌和菌落總數(shù)殺滅率的影響

3 結(jié)論

3.1 水力空化裝置對大腸桿菌和菌落總數(shù)有顯著的殺滅率,提高孔口和喉部流速,降低空化數(shù),增加孔口數(shù)量,延長空化作用時間,殺滅效果更好.完全運(yùn)行狀態(tài)下,對大腸桿菌的殺滅率達(dá)到100%,對菌落總數(shù)的殺滅率達(dá)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(dāng)加大文丘里管喉部長度數(shù)能夠提高對大腸桿菌和菌落總數(shù)的殺滅率.

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

3.5 本次試驗(yàn)采用25孔交錯+4.3°擴(kuò)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(shù)量約為1100~1600CFU/mL,菌落總數(shù)約為0.83×105~1.1×105CFU/mL)時,運(yùn)行15分鐘殺滅率達(dá)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(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.

2018-03-02

國家自然科學(xué)基金資助項(xiàng)目(51479177)

, 教授, dongzy@zjut.edu.cn