多孔板與文丘里組合式空化滅活致病菌研究

(浙江工業大學 建筑工程學院，浙江 杭州 310023)

生活飲用水的安全直接關乎人類的生存，是經濟發展的必要要素。氯消毒是飲用水最常用的消毒方法，氯具有氧化性能好、存儲方便和使用簡單等優點，這些優點讓加氯消毒被廣泛認可。然而，近年來研究人員發現加氯消毒的種種弊端，氯消毒過程中常常產生一些消毒副產物(如三鹵甲烷THMs、鹵乙酸HAAs等)[1-2]，這些副產物對人的健康構成巨大威脅[3]。研究表明臭氧在消毒過程中會與水中的腐殖酸類或者溴離子等產生溴酸鹽等毒害物質[4]。筆者所討論的水力空化消毒技術具有效率高、無污染和費用低等特點，其原理是：當水流在一定水力環境下會誘發水力空化現象，空化產生的空泡發展潰滅過程會形成微射流(70～180 m/s)和沖擊波，使得微生物細胞發生破壞[5]。此外，空泡潰滅時還會產生局部高溫、高壓，此時水分子將發生化學反應，產生強氧化物質H2O2和·OH，作用于水體病原微生物表面，破壞其細胞結構[6]。近年來，國內外學者對水力空化消毒技術進行了初步研究。Jyoti等[7]在研究如何減少臭氧消毒過程中產生的有毒副產品時，利用了水力空化技術和臭氧聯用的方式，將臭氧的投加量減少到原來的1/2甚至1/3，有效提升了消毒效率。Milly等[8]利用水力空化技術殺滅液態食品中的細菌，發現該技術能有效滅活液態奶和各類果汁中的有害微生物，延長該類產品的保質期。張曉冬等[9]通過對比經過文丘里管空化發生器和不經過空化發生器的含菌污水處理90 min后的細菌滅活率，發現水力空化消毒技術具有高效、環保等特點。董志勇等[10]試驗研究了文丘里喉部長徑比、喉部流速、空化作用時間、原水初始濃度、空化數等因子對水力空化殺滅原水中病原微生物的影響，提出空泡潰滅時產生的微射流、沖擊波會使病原微生物的細胞發生空蝕破壞。筆者基于水力學實驗室自主研發的水力空化反應裝置，通過變換多孔板與文丘里管的組合形式，以原水中大腸桿菌、菌落總數為病原微生物的指示菌，通過改變文丘里管組合形式、孔口排列、喉部流速、水力空化作用時間和原水初始體積分數，得到空化過程中不同時刻的菌落總數和大腸桿菌滅活率，并得出最佳組合形式。

1 實驗裝置與方法

1.1 實驗裝置

本實驗裝置示意圖如圖1所示，待處理的原水可預先倒入內筒水箱，裝置運行時，由兩臺串聯的離心泵提供動力將內筒水箱中的原水抽送到裝置主管道，并流經水力空化工作段，此處是空化作用主要發生段。本裝置設有3 只壓力表，具體位置如圖1所示。工作段底部設有可連接壓力數據采集系統YE6263的測壓點，工作段側面和頂部均設有有機玻璃觀察窗，轉子流量計用于測量回路流量。

1—內筒；2—閥門；3—離心泵；4—壓力表；5—水力空化工作段；6—轉子流量計；7—冷卻外筒圖1 實驗裝置示意圖Fig.1 Sketch of experimental setup

1.2 水力空化工作段

實驗所用方形孔口多孔板為50 mm×50 mm×5 mm的不銹鋼板，孔口數量分為9 孔和25 孔，其中25 孔又分為交錯式和棋盤式排布兩種，共計3 種孔板。如圖2所示，為了方便描述，此處記9 孔棋盤式多孔板為板1，25 孔棋盤式多孔板為板2，25 孔交錯式多孔板為板3，且3 種多孔板的孔口總面積均為182.25 mm2。除了多孔板段，筆者設計了由兩種長度的喉部和兩種擴散角的擴散段組成的4 種文丘里管組合形式，如表1所示[11]。

圖2 方孔多孔板示意圖Fig.2 Sketch of square multi-orifice plates

組合編號組合形式A1喉部300 mm+擴散角4.3°A2喉部300 mm+擴散角5.7°A3喉部150 mm+擴散角4.3°A4喉部150 mm+擴散角5.7°

1.3 實驗方案

首先，將取自杭州市勝利河的原水分別稀釋成體積分數為25%，50%，75%，100%的原水，倒入容量為110 L的內筒水箱。原水水樣中大腸桿菌濃度為1 400～3 100 CFU/mL，菌落總數濃度為9.4×104～1.5×105CFU/mL。通過改變多孔板(板1、板2、板3)與四種文丘里管(A1，A2，A3，A4)的組合形式，進行水力空化滅活病原微生物實驗。實驗流量用玻璃轉子流量計測量。當開啟離心泵水流運轉穩定后，在0，2，5，10，15，20，25 min用指定的有蓋試管在循環內筒分別取相應處理水樣，并測得對應時刻的水樣溫度和流量，用YE6263壓力數據采集系統測定工作段壓力。

其次，用1 mL滅菌移液管與10 mL試管，配制稀釋10，100，1 000倍的稀釋液，用移液管取0.1 mL稀釋液分別在瓊脂培養基(或伊紅美藍培養基)表層涂布均勻，為了減少實驗誤差，此處取兩組培養基，計算濃度時取平均值。涂布后轉至37 ℃恒溫培養箱中靜置48 h后取樣計數，并乘以相應稀釋倍數，得到第i分鐘的菌落總數濃度(或大腸桿菌濃度)，代入滅活率公式，得到

(1)

式中：η為滅活率；Ci為第i分鐘取樣點的菌落總數濃度(或大腸桿菌濃度)，CFU/mL；C為原水初始體積分數下的菌落總數濃度(或大腸桿菌濃度)，CFU/mL。

2 實驗結果與分析

2.1 空化數對滅活率的影響

空化數是一個無量綱量，常用來描述水力空化發生程度，記作CV，常用經典托馬公式計算，其表達式為[12]

(2)

式中：V為液體未受擾動的來流流速；p0為測點對應的絕對壓強；pV為在相應溫度下液體的飽和蒸汽壓強；ρ為水的密度，kg/m3；飽和蒸汽壓取實驗水溫T=39 ℃時，pV=6.994 2 kPa。

取A3文丘里管(喉部150 mm+擴散角4.3°)分別與3 種多孔板(板1、板2、板3)組合，以原水初始體積分數50%為例，運行25 min，圖3，4分別是3 種工況下空化數與菌落總數滅活率、大腸桿菌滅活率的關系。3 種多孔板對應工況下的空化數見表2。

表2 多孔板與文丘里管組合式水力參數

Table 2 Hydraulic parameters of multi-orifice plates and Venturi tubes

多孔板類型喉部流速/(m·s-1)喉部測點平均壓強/kPa空化數CV板120.90.1520.433板221.20.0520.420板321.40.2380.413

從圖3，4中可以看出：菌落總數和大腸桿菌的滅活率均隨空化數降低而增加。板3工況的滅活率略優于板2，板2工況的滅活率又優于板1。這是因為空化數越低，其流場的空化程度越大，此時流場內部局部會產生更多的強氧化性物質，且流場產生的微射流、沖擊波也增強，由此導致機械剪切效應更顯著，從而提高滅活率。

圖3 不同空化數下菌落總數的滅活率Fig.3 Inactivation rate of total colony count under different cavitation numbers

圖4 不同空化數下大腸桿菌的滅活率Fig.4 Inactivation rate of Escherichia coli under different cavitation numbers

2.2 水力空化作用時間對滅活率的影響

選取A2文丘里管(喉部300 mm+擴散角5.7°)與25 孔交錯式多孔板組合，以原水初始體積分數25%為例。雙泵工況下(喉部流速V=21.2 m/s)，得到菌落總數、大腸桿菌滅活率與水力空化作用時間的關系如圖5所示。從圖5中可以看出：隨著空化作用時間的增加，原水中菌落總數和大腸桿菌的滅活率隨之增大，當運行15 min時，大腸桿菌滅活率可達到100%；運行20 min時，菌落總數滅活率達到83.14%，并有隨水力空化作用時間增加而繼續增大的趨勢。這是因為原水在空化裝置中不斷循環，在水力空化段不斷發生空化效應，由此增加了空泡對菌落總數、大腸桿菌的作用次數，從而提高了滅活率。

圖5 不同水力空化作用時間的滅活率Fig.5 Inactivation rate under different treatment time

2.3 喉部流速對滅活率的影響

圖6 不同喉部流速下大腸桿菌的滅活率Fig.6 Inactivation rate of Escherichia coli under different throat velocities

2.4 文丘里管組合對滅活率的影響

分別選取4 種文丘里管(A1，A2，A3，A4)與25 孔交錯式多孔板進行組合，以原水初始體積分數50%為例。雙泵運行25 min，分析不同文丘里管組合對菌落總數滅活率的影響，4 種文丘里管組合工況下，菌落總數滅活率實驗結果如圖7所示。實驗表明：A1組合具有最佳的滅活率，其次為A2組合，A3與A4組合沒有明顯優劣。這是因為水流流經多孔板段后進入文丘里管喉部段，喉部段壓強逐漸降低，當喉部長度較短時(喉部150 mm)，水流尚未全部發生空化就進入擴散段升壓區，產生的空泡數量較少；當喉部長度為300 mm時，產生的空泡數量較多，有利于發生空化效應。

圖7 不同文丘里管組合下菌落總數的滅活率Fig.7 Inactivation rate of total colony count under different combinations of Venturi tubes

2.5 原水初始體積分數對滅活率的影響

以A1文丘里管(喉部300 mm+擴散角4.3°)與9 孔棋盤式多孔板組合、A2文丘里管(喉部300 mm+擴散角5.7°)與25 孔交錯式多孔板組合以及A3文丘里管(喉部150 mm+擴散角4.3°)與25 孔棋盤式多孔板組合為例，分別配制不同體積分數的原水(25%，50%，75%和100%)，考察原水初始體積分數對菌落總數和大腸桿菌滅活率的影響，實驗結果如圖8所示。實驗表明：雙泵工況下(喉部流速V=21.3 m/s)運行15 min，隨著原水初始體積分數的增加，3 種組合形式的菌落總數滅活率均出現先增大后減小的趨勢，且在原水初始體積分數50%時菌落總數滅活率均達到最大值。這是因為隨著原水初始體積分數的上升，水中病原微生物發生空化的可能性也隨之升高，因此滅活率先上升，當原水初始體積分數繼續增大，因本實驗工況下流場中產生的空泡數量有限，此時病原微生物的滅活率又隨之下降[14]。雙泵運行15 min，3 種組合工況，原水初始體積分數對大腸桿菌滅活率的影響甚微，均已達到或接近100%。

圖8 不同原水初始體積分數下菌落總數的滅活率Fig.8 Inactivation rate of total colony count under different initial concentrations

2.6 孔口排列對滅活率的影響

選取A4文丘里管，以原水初始體積分數為25%為例，裝置分別運行25，20 min，比較在相同孔口數量的多孔板2和多孔板3工況下，不同時刻菌落總數和大腸桿菌的滅活率，實驗結果如圖9，10所示。同一時刻，板3的菌落總數滅活率略高于板2。這是因為孔口交錯式排列比棋盤式排列產生的射流更不規律，摻混而產生的紊動剪切作用更強[15]。棋盤式下游的脈動主要分布于低頻區，交錯式脈動能量分布更廣，優勢頻率增大[16]；對于大腸桿菌，兩種多孔板工況下的滅活率區別不明顯，因為當原水初始體積分數為25%時，水中含有的大腸桿菌較少，棋盤式多孔板已經能產生足以滅活該數量級大腸桿菌的空泡。

圖9 不同孔口排列下菌落總數的滅活率Fig.9 Inactivation rate of total colony count under different orifice arrangements

圖10 不同孔口排列下大腸桿菌的滅活率Fig.10 Inactivation rate of Escherichia coli under different orifice arrangements

3 結 論

通過對文丘里管與方孔多孔板組合式水力空化滅活原水中病原微生物的實驗研究，可得出以下幾點結論：流速增大，空化效應增強，有利于提高菌落總數和大腸桿菌的滅活率，多孔板段最大流速可達49.7 m/s，水力空化15 min大腸桿菌能夠完全滅活；對比上述實驗的4 種文丘里管組合，A1文丘里管與25 孔交錯式多孔板組合擁有最佳的滅菌效果，因為該組合有最佳的多孔板形式和合適的喉部長度；不同文丘里組合工況下水力空化20 min，原水初始體積分數50%時，菌落總數滅活率達到最佳；多孔板孔口排布采用25 孔交錯式，能提高菌落總數和大腸桿菌的滅活率。因此，水力空化裝置對滅活原水水中菌落總數和大腸桿菌具有顯著的效果，是一種高效、安全的飲用水消毒新技術。