孔板与文丘里组合空化杀灭水中病原微生物

杨 杰,董志勇,柳文菁,李大庆,张邵辉,黄大伟



孔板与文丘里组合空化杀灭水中病原微生物

杨 杰,董志勇*,柳文菁,李大庆,张邵辉,黄大伟

(浙江工业大学建筑工程学院,浙江 杭州 310023)

利用水力学实验室自主研发的多孔板与文丘里管组合式水力空化装置来杀灭原水中的病原微生物.以水体中大肠杆菌和菌落总数为指示菌,用平板计数法测得不同工况下的大肠杆菌和菌落总数的杀灭率,研究了空化数、孔口排布、孔口数量、运行时间、原水配比浓度、喉部长短对病原微生物杀灭率的影响.试验结果表明:提高孔口流速和喉部流速、延长运行时间、降低空化数、增多孔口数量、改进孔口排布、选取合适配比浓度、延长喉部长度可以提高大肠杆菌和菌落总数的杀灭率.水力空化是一种无消毒副产物、安全、高效的饮用水消毒新技术,具有潜在的应用前景.

圆孔多孔板；文丘里管；水力空化；大肠杆菌；菌落总数；杀灭率

传统自来水厂往往采取加氯的消毒手段,但是随着经济社会的快速发展,民众对水环境和饮用水质量提出了新的要求.氯在消毒的同时会与水体中的前驱物发生化合反应,生成危害人体健康的”三致”消毒副产物DBPS,主要以三卤甲烷(THMs)和卤乙酸(HAAs)为主.国外常见的饮用水消毒方法有紫外消毒,臭氧消毒等.但紫外消毒没有持续杀菌能力,还存在光复活现象[1].臭氧杀菌作用极强,且无二次污染[2],但存在易分解,价格高等缺点.为此,国内外学者尝试用水力空化技术.由于空化效应会伴随着极端条件的产生[3],近年来,一些学者思考如何将其变害为利,对水力空化在饮用水消毒方面做了研究.例如应用旋转空化设备研究了水中大肠杆菌、蜡样芽孢杆菌细胞及孢子破坏的影响因子,认为水力空化是一种简单、经济且有效的饮用水消毒技术[4].此外通过对方孔、三角孔、圆孔多孔板水力空化杀灭人工配制的大肠杆菌的实验研究,得出在15min内可完全杀灭量级为107CFU/mL的大肠杆菌[5-7].利用不同规格的文丘里管进行空化空蚀杀灭原水中大肠杆菌和菌落总数的试验研究[8-9],结果表明杀灭率随文丘里管喉部长径比和扩散角的增大呈现先增加后减小的变化趋势.充分验证了水力空化效应用于水体消毒杀灭微生物的可行性. 与传统的臭氧消毒对比,水力空化消毒无需添加化学试剂,是既经济又具有潜力的替代技术[10],本文基于前人工作的基础上改进了水力空化装置,联用圆孔多孔板与文丘里管,研究不同组合对原水中病原微生物杀灭的影响.

1 材料与方法

1.1 试验装置

试验装置由不锈钢圆筒容器、水力空化工作段、离心泵、转子流量计、阀门、压力表和管道系统组成,组成封闭式水力循环装置,如图1所示.内筒中试验水样经过两台离心泵的作用,抽送到管道系统,经过水力空化工作段后,一部分通过转子流量计后汇入内筒,另一部分通过旁通管回流到内筒.该水力空化反应装置由圆形孔口多孔板与文丘里管组合而成.文丘里管前后两个进出口连接断面都是方形断面,喉部以及扩散段两侧以及顶部均为有机玻璃.孔板观察段、文丘里管喉部以及扩散段的底部都设置有压力测点,用压力数据采集系统(SINOCERA YE6263)的压力传感器相连接,可以实时测量多孔板下游段、文丘里管喉部和扩散段的压力大小.

图1 水力空化装置

1-水力空化工作段;2-压力表;3-离心泵;4-内筒试验水样;5-外筒冷却水;6-转子流量计;7-控制阀门

1.2 水力空化反应器

1.2.1 圆形孔口多孔板 如图2所示,试验选取3块圆形孔口多孔板:孔板尺寸为50mm´50mm´5mm的不锈钢板,孔板排列分为交错式和棋盘式.9孔孔口直径=5mm,25孔孔口直径=3mm.虽然每块多孔板的孔径、孔口数量、孔口排布不同,但其孔口总面积保持一致.

图2 圆孔多孔板

1.2.2 文丘里管 文丘里管扩散角4.3°,喉部长150mm;扩散角4.3°,喉部长300mm;扩散角5.7°,喉部150mm;扩散角5.7°,喉部长300mm.试验选取4种文丘里管:示意图见图3,规格见表1.

图3 文丘里管段

-扩散段入口直径;-扩散段出口直径;-扩散角;-喉部长度;-扩散段长度

1.3 组合方式

组合方式见表1.本试验将多孔板与文丘里管组合后12种:A1,A2,A3,A4,B1,B2,B3,B4,C1,C2,C3,C4.

表1 多孔板和文丘里管参数

1.4 试验水样

试验水样取自杭州市胜利河,以原水中菌落总数和大肠杆菌为病原微生物指示菌,经测定杭州市胜利河原水中大肠杆菌的浓度约为1500~2200CFU/ mL,菌落总数的浓度约为1.1×105~1.4×105CFU/mL.再按0%、25%、50%、75%、100%的比例与自来水混合稀释成试验水样112L,待试验处理.

1.5 试验过程

每次试验前先用自来水冲洗内筒3次,再在外筒注入冷却水.按照每次试验的配比将原水与自来水混合稀释后注入内筒.同时用自来水将冷却水箱注满.打开管道各个阀门,确保装置能够循环流通,开启水泵,试验水样从内筒进入管道,构成封闭循环回路.用做好标记以及灭菌处理后的有盖试管分别在0,2,5,10,15,20,25min共7个时间点取一定量水样用于后续分析,与此同时记录各个测压点压力、流量等参数.

1.6 平板计数法

利用EMB平板计数法测水样大肠杆菌数量,对水样按一定浓度稀释,然后取0.1mL所得稀释液用涂布器均匀涂布在EMB培养基表面,在(37±1)℃的恒温培养箱中培养24h后取出培养基,根据统计的大肠杆菌菌落数,计算出该水样EMB培养基上的菌落平均数.

利用琼脂平板计数法计算水样中菌落总数,吸取1mL样品稀释液于无菌培养皿中,将冷却至(45±1)℃的琼脂注入培养皿中,每皿约15mL.在(37±1)℃恒温箱内培养48h后取出培养皿,根据统计的菌落数,计算出培养皿中的菌落平均数.

每毫升水样活菌形成单位数(CFU/mL)=平均菌落数´稀释倍数,采用平板计数法可以直观反映水样中总菌落与大肠杆菌的浓度,再根据所得的活菌浓度就可以计算出试验中各个时间点的杀灭率:

2 结果与讨论

2.1 空化数的影响

空化数是描述空化状态的无量纲参数,其定义为:

式中:0为测点绝对压强,kPa;p为相应温度下的饱和蒸汽压强,kPa;为平均流速,m/s.分别选取3种多孔板与文丘里管组合A4,B3,C2.原水配比浓度为75%,两台水泵同时开启,计算喉部测点时均压强,计算出3种不同组合的空化数如表2所示,大肠杆菌和菌落总数杀灭率随运行时间的变化规律如图4所示.

表2 多孔板与文丘里管组合式水力参数

图4 空化数对大肠杆菌和菌落总数杀灭率的影响

由图4可知,空化数最小的组合对大肠杆菌和菌落总数的杀灭率最大.空化数越小,空化程度越大,流场中形成的空泡越多,空泡溃灭时除了引发水相燃烧机理,局部范围内产生5200K的高温和50MPa的压强外,增强空泡溃灭时形成的冲击波和高速微射流的作用,还会在极端条件下让水分子发生分裂反应,产生活泼的羟基自由基[12],方程式如下:

H2O→•OH+•H (3)

2•OH→H2O2(4)

2•H→H2(5)

空化效应产生的物理化学作用破坏细胞壁从而提高对大肠杆菌和菌落总数的杀灭率.

2.2 孔口排布的影响

表3 孔口排布对大肠杆菌和菌落总数杀灭率的影响

选取B2,C2组合分析,B2组合孔板采用25孔棋盘式排列,C2组合孔板采用25孔交错式排列,孔口面积相同,下游文丘里管段规格一致,都采用扩散角4.3°、喉部300mm的文丘里管.试验原水配比浓度为75%,试验结果见表3和表4.在其他工况确保一致的情形下,C2组合的杀灭效果要好于B2.这是因为交错排布的孔板下游的脉动能量和优势频率比棋盘排布下游较高[13],孔口的交错排布更加容易引起多股射流之间的混掺,强化了物理剪切力的作用,从而强化了空化效果而提高了杀灭率.

2.3 孔口数量和作用时间的影响

试验A1,B1组合的孔板开孔数分别为9和25,为棋盘排布,连接4.3°扩散角和150mm喉部的文丘里管,试验原水配比浓度为75%,其余工况相同.大肠杆菌和菌落总数杀灭率随时间的变化关系如图5所示.从图中可以看出,开孔数越多,杀灭率越大.这是因为多股射流掺混剧烈程度随着孔口数量的增加而增大,紊动剪切作用增强,空化程度也更加剧烈[11],所以杀灭效果增强.

图5 孔口数量对大肠杆菌和菌落总数杀灭率的影响

分析图5可以得到,杀灭率随空化空蚀作用时间的延长而提高,这是因为运行时间增加,羟基自由基数量增多,以及空化效应作用时间延长,从而提高了杀灭率.

2.4 原水配比浓度的影响

选取4种组合在不同原水配比浓度下进行试验,水力空化作用15min的试验结果如图6和图7所示,可知,各种组合大肠杆菌和菌落总数的杀灭率随原水配比浓度的增大呈现先增大后减小的趋势,存在最佳杀灭率的配比浓度.其中B2,A3,C2组合的最佳杀灭率的配比浓度为75%,A3组合的最佳杀灭率的配比浓度为50%.各个组合由于多孔板以及文丘里喉部长度与扩散角大小的影响,空化工作段流场内产生的空泡数量各不相同,同样是75%最佳配比浓度的情况下,B2组合对大肠杆菌的杀灭率最高.A3组合采取的是9孔多孔板,空化效应相对较弱,当原水配比浓度进一步增大时,空化产生的微射流、冲击波以及羟基自由基同一时间不足以杀死更多病原微生物[12],所以该组合的最佳配比浓度较低.

图6 原水配比浓度对大肠杆菌杀灭率的影响

图7 原水配比浓度对菌落总数杀灭率的影响

2.5 孔口和喉部流速的影响

以B1组合为例,试验水样的配比浓度为50%,单泵时孔口流速1=37.6m/s,喉部流速2=16.5m/s;双泵时孔口流速1’=52.9m/s,喉部流速2’=22.9m/s.分别在单双泵条件下运行25min,测定大肠杆菌和菌落总数的杀灭率,试验结果如图8所示.

图8 流速对大肠杆菌和菌落总数杀灭率的影响

其他组合试验也得到类似的结果,因此可得,提高孔口流速能够相应提高大肠杆菌和菌落总数的杀灭率,而且达到完全杀灭的效果时间也越短.由伯努利方程可知,孔板下游区域流速增大,压强随之减小,更容易满足空化产生的条件,而且流速增加,时间一定的情况下,水体循环次数也增加,空化效应发生的次数也增加,产生更多的羟基自由基,空化效应带来的物理剪切力作用也随之加强,另外提高流速在水流中形成一定尺度的脉动旋涡,当旋涡尺度与细胞壁尺度相同时,引发共振,导致微生物细胞裂解[14],提高杀灭率.

2.6 文丘里喉部长度和扩散角的影响

改变文丘里管的扩散角和喉部长度可以改变整个装置的水力空化环境,影响空化作用对大肠杆菌和菌落总数的杀灭效果,孔板段都采用25孔交错型孔板,分别连接不同型号的文丘里管.原水配比浓度为75%,在其他工况一致的情况下,对比对大肠杆菌和菌落总数的杀灭情况,如图9所示.

由图可见连接4.3°扩散角、150mm喉部的组合杀灭效果最好,该组合采用的文丘里管形成一个较长的负压区,更有利于空泡的产生和发育,增强了空化效应,从而提高了杀灭率.但随着时间的延长产生更多的空泡,15min以后,各个组合对大肠杆菌的杀灭率都达到100%,对菌落总数的杀灭率接近完全,达到90%左右.

图9 文丘里喉部长度和扩散角对大肠杆菌和菌落总数杀灭率的影响

3 结论

3.1 水力空化装置对大肠杆菌和菌落总数有显著的杀灭率,提高孔口和喉部流速,降低空化数,增加孔口数量,延长空化作用时间,杀灭效果更好.完全运行状态下,对大肠杆菌的杀灭率达到100%,对菌落总数的杀灭率达到90%.

3.2 多孔板的孔口交错式排布比棋盘排布更容易使多股射流掺混,在其余工况相同情况下,孔口交错排布的杀灭效果更好.

3.3 适当加大文丘里管喉部长度数能够提高对大肠杆菌和菌落总数的杀灭率.

3.4 对于不同规格的组合,大肠杆菌和菌落总数的杀灭率随着原水配比浓度的增加呈现先增大后减小的趋势.

3.5 本次试验采用25孔交错+4.3°扩散角+300mm喉部的组合工况效果最佳.处理75%配比的原水水样(大肠杆菌数量约为1100~1600CFU/mL,菌落总数约为0.83×105~1.1×105CFU/mL)时,运行15分钟杀灭率达到最大.

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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

杨 杰(1992-),男,浙江诸暨人,浙江工业大学硕士研究生,主要从事水力学与饮用水消毒技术方面的研究.

2018-03-02

国家自然科学基金资助项目(51479177)

, 教授, dongzy@zjut.edu.cn