圆孔多孔板水力空化杀灭大肠杆菌的实验研究

刘 昶,董志勇,陈 乐,张 茜,张 凯



圆孔多孔板水力空化杀灭大肠杆菌的实验研究

刘 昶,董志勇*,陈 乐,张 茜,张 凯

(浙江工业大学建筑工程学院,浙江 杭州 310014)

在以圆形孔口多孔板为空化空蚀发生器的水力空化装置中,对含有大肠杆菌的水样进行灭菌处理.通过检测大肠杆菌的灭菌率,研究了水力空化对水中大肠杆菌的灭活效果.分析了大肠杆菌初始浓度,水流空化数,孔口流速,孔口排布,孔口数量,孔口大小,空化空蚀作用时间等参数对灭菌效果的影响.试验结果表明:提高流速,降低空化数,选取适当的初始浓度,延长空化空蚀作用时间,增加孔口数量,减小孔口大小以及改进孔口排布可以进一步提高大肠杆菌的杀灭率.水力空化的空化空蚀作用能够杀灭水中的大肠杆菌,是一种饮用水消毒的新技术.

水力空化；圆孔多孔板；大肠杆菌；饮用水消毒

随着人们生活水平的不断提高,对饮用水质量的要求也越来越高.传统的饮用水消毒技术是加氯消毒,但近年来发现,氯在消毒的同时与水中有机化合物反应生成消毒副产品DBPs,其中最为常见的DBPs为三卤甲烷THMs(即三氯甲烷、一氯二溴甲烷、二氯一溴甲烷、三溴甲烷的总称),卤乙酸HAAs等[1],这些副产品具有“三致”(致癌、致畸、致突变)作用,严重威胁着人们的身体健康.水力空化是一种新型的饮用水处理技术,空泡溃灭时形成的冲击波和微射流可杀灭水中的病原微生物[2],并且不产生加氯消毒副产品.当水中产生空化现象后,水中会形成空泡,在空泡溃灭瞬间,产生102~103MPa的高强压力脉冲,同时伴有强烈的冲击波和微射流,使固体壁面发生空蚀破坏.水流空化后形成空泡,在空泡溃灭瞬间产生超高压,超高温,其中超高压形成的冲击波和微射流作用于病原微生物壁面上使其发生空蚀破坏,超高温则使水分子裂解形成羟基来氧化病原微生物,从而达到杀灭病原微生物的效果.微射流直径约为2~3μm,微射流速度可达70~180m/s ,边壁受到微射流冲击次数约为100~1000次/(s·cm2),冲击脉冲作用时间每次只有几ms,在水流中形成一定尺度的脉动漩涡和脉冲压力场.冯中营等[3]认为空泡在溃灭瞬间产生的能量虽然只集中在空化核的附近,但是这些大量的能量梯度使水分子结合键断裂为羟基自由基和氢自由基,同时溃灭产生的微射流和冲击波让这些自由基与溶液混合,OH,H2O2具有极强的氧化性能够破坏微生物的细胞壁,细胞膜,从而使细胞质流出,使细胞酶及转运系统受到破坏[4].Doulah等[5]认为,当脉动漩涡尺度与细胞尺度相近时,引起细胞震动,一旦振动能量超过细胞壁可承受的范围,细胞壁破裂,若空化脉动频率与细胞自振频率一致,则会发生共振效应,加速细胞壁破碎细胞裂解.Hughes认为[6],细胞破裂发生在空泡溃灭阶段,并且是由瞬间产生在细胞壁面的压力梯度引起的,在冲击压力作用下细胞膜通透性屏障受损,细胞结构和功能成分遭破坏,导致细菌死亡.

Save等[7-8]用水力空化方法进行酵母菌破壁实验,发现水力空化装置更能节省能量,而且水力空化可以更大范围地实现微生物细胞壁的破裂.Jyoti等[9-10]用水力空化孔板装置进行饮用水消毒实验,并与传统的化学消毒方法做了对比,认为水力空化水处理方法具有高效,无二次污染,能够建立大规模处理工业化设备等优势,是极具应用潜力的新型水处理技术.

本文基于浙江工业大学水利与市政工程研究所自主研发的多孔板式水力空化反应器,以大肠杆菌为指示菌,试验研究多孔板的孔口大小,孔口数量,孔口排布,空化数,孔口流速以及初始浓度等对杀灭大肠杆菌的影响.

1 实验装置与测试方法

实验装置是以水力空化反应装置(图1)为核心组成的封闭水力循环系统,水箱中的水经两台串联离心泵,抽送到空化管段然后分流,一部分水通过主管线进入空化反应器,经转子流量计汇入水箱,另一部分水通过旁通管回流水箱,调节实验流量实现循环.水力空化反应装置由圆形孔口多孔板段组成,喉部两侧及顶部用有机玻璃加工而成.另一部分为圆形孔口多孔板水力空化发生装置,孔板为50×50×5mm的不锈钢板.其后为方形观察段,其两侧及顶部用有机玻璃加工而成,多孔板嵌入在观察段进口处,前后端皆通过方圆接口与管路连接.

实验用水为自来水,以大肠杆菌为指示菌.首先在Luria-Bertani液体培养基中接种大肠杆菌,消毒工作在高压快速灭菌器中进行,在超净工作台中进行无菌环境接种,接着在台式恒温振荡器中以恒温37℃,转数130r/min振荡培养24h.根据实验要求,为了达到菌液中细菌的数量级将其分成:1.4×103CFU/mL,4×104CFU/mL,7.2×105CFU/mL,4.7×106CFU/mL,2.6×107CFU/mL,然后加入到30L实验用水中待处理.实验时取一定剂量的菌液加入反应器中混合均匀,打开反应器水冷装置,反应器内温度控制在一定范围内,开启水泵使大肠杆菌水样通过多孔板空化空蚀段,调节支路上的阀门改变水力空化的条件.实验流量采用转子流量计进行测量.每5min取一次水样,采用平板计数法对大肠杆菌的杀灭率进行定量分析,用动态数据采集系统实时采集多孔板空化空蚀段的压力变化;采用生物显微镜对处理后的水样进行镜检,观察空化空蚀作用后大肠杆菌的形态变化,将1~2滴菌液滴加在载玻片上,室温静置待表面菌液干燥,将结晶紫染色液滴加在已固定的涂片上,染色1min用蒸馏水洗去,再滴加革兰氏碘液1min后洗去剩余染料,然后滴加95%的酒精,脱色30s后蒸馏水洗净,最后滴加沙黄染色液复染1min最后用蒸馏水洗去待镜检.

另外,用1mL的无菌移液管配合10mL的试管,对试验中不同时间点水样进行一定比例稀释,然后取0.1mL所得稀释液均匀涂布在2个伊红美蓝琼脂培养基表面,在37℃的恒温培养箱中培养48h后取出培养基,根据统计的菌落数,计算出该水样2个平板培养基上的菌落平均数.用下列公式进行计算:

每毫升水样活菌形成单位数(CFU/mL)=

平均菌落数´稀释倍数 (1)

采用平板菌落计数法,能直接反映各水中活大肠杆菌的浓度,再根据所得的活菌浓度就可计算出试验中各个时间点的杀灭率:

式中:1和2分别为空化空蚀作用前后水样中大肠杆菌的存活数量,为杀灭率.对实验中各变量采用单因素分析法分析大肠杆菌的杀灭率.

2 结果与讨论

2.1 生物显微镜分析

空化空蚀作用时段内每5min取一次水样,制成玻片观察大肠杆菌形态变化,采用生物显微镜油镜400倍.现选取棋盘式排布孔板加入150mL菌液,反应前与反应30min之后图片进行对比,由图3可以看出,未经反应的大肠杆菌表面光滑,形态完整,有明显的细胞边界,经过水力空化30min后,大肠杆菌的形态发生了变化,细胞结构严重破损,无明显的细胞边界,外表面粗糙,细胞的内容物外渗.由此可见,实验水力空化装置对大肠杆菌造成了严重的破坏,对细胞具有明显的杀灭作用.

2.2 空化数的影响

空化数是描述水流空化特性的重要指标,它表征了流场中是否发生空化并且反映了空化的发生程度,其实质是一个压力系数,反映了压力变化对流体特性的影响[11].水流空化数可定义为:

式中:0为测点的绝对压强;P为饱和蒸汽压强;为孔口流速.

分别选取3块板型,初始加入菌液浓度均为1mL,两台水泵同时运转,多孔板几何参数和水力参数列于表1中,水的饱和蒸气压取4.24kPa,将相关参数代入式(3)得到空化数.不同多孔板的杀灭率见表2.

表1 多孔板水力参数 Table 1 Hydraulic parameters of multi-orifice plates

从图4的结果可以看出,三种孔板的杀菌率随着空化数的减小而增加.因为空化数越小,水流中形成的空泡就越多,从而加大空泡溃灭时形成的高速微射流和冲击波[11]对大肠杆菌细胞的破坏作用,所以杀灭率提高.

2.3 孔口流速的影响

表3 孔口流速对杀灭率的影响 Table 3 Effect of orifice velocity on killing rate

以多孔板1为考察对象,配制初始浓度为10mL的水样(7.2×107CFU/mL),改变流速,分别运行30min,试验结果见表3.图5表明:孔口流速越大,杀灭率越高,这是因为孔口流速越高,孔口下游压力下降越大,更容易产生空化.同时,流速的提高导致主管路流量的增大,但水样的体积一定,从而增加空化空蚀对大肠杆菌细胞的作用时间.

2.4 孔口排布的影响

表4　孔口排布对杀灭率的影响 Table 4 Effect of orifice arrangement on killing rate

在相同工况下,选取圆形孔口多孔板2和3处理不同浓度的大肠杆菌水样,初始的大肠杆菌加入量为150mL(4.6×106CFU/mL),结果如表4所示.由图6可见,在多孔板总过流面积,孔口直径相同的情况下,孔口交错式排布比棋盘式排布杀灭效果要好.孔口按棋盘式排布,多孔板下游的脉动能量主要分布在低频区,优势频率集中在低频,功率谱属于低频窄带谱型;孔口按交错式排布,脉动能量分布较宽,优势频率增大[13].这表明孔口按棋盘式排布使孔口射流出口更为规则,而孔口按交错式排布使孔口射流呈上下交错状,这使多股射流间更易掺混而引起脉动和剪切,从而提高空化空蚀和切应力对大肠杆菌细胞的破坏作用.

2.5 空化空蚀作用时间的影响

选取圆形孔口多孔板3处理初始加入量为1mL(4´104CFU/mL)的大肠杆菌水样,考察大肠杆菌杀灭率随时间的变化,结果如表5和图7所示.可以看出,随着空化空蚀作用时间的增加,杀灭率随之升高.这是由于随着空化空蚀作用时间的增加,水样经过空化空蚀工作段的次数增多,增加了空泡溃灭产生的冲击波,微射流以及多孔板产生的多股射流的剪切作用,所以延长空化空蚀作用时间可以提高杀灭率.

表5　空化空蚀作用时间对杀灭率的影响 Table 5 Effect of cavitation time on killing rate

2.6 初始浓度的影响

选择多孔板1,双泵开启(孔口流速为27.47m/s),取5种不同的初始浓度,分别为0.5mL(1.4×103CFU/mL),1mL(4×104CFU/mL),10mL(7.2×105CFU/mL),150mL(4.7×106CFU/mL),600mL(2.6×107CFU/mL)大肠杆菌菌液,实验结果如表6和图8所示.结果表明,浓度较大实验组在0~15min时段内斜率较大,这表明高浓度(大于1×107CFU/mL)杀菌效率更高.这是因为浓度越大,大肠杆菌通过空化空蚀工作段的几率越大,杀灭大肠杆菌的效果就越明显.由此可知,初始浓度高的水样在该装置中的处理效率更高.

表6 初始浓度对杀灭率的影响 Table 6 Effect of initial concentration on killing rate

2.7 孔口数量的影响

在多孔板总过流面积相同的情况下,多孔板1,多孔板2,多孔板3的开孔数分别为9,25,25,现选取板1和板2,板1和板3进行实验比较,初始加入菌液量为0.5mL(1.4×103CFU/mL),其杀灭率随时间的变化关系如表7和图9所示.开孔数越多,杀灭率越大.这是由于增加孔口数量,多股射流掺混更为剧烈,促使水流的紊动剪切作用增加,因此,孔口数量越多,对大肠杆菌的杀灭率越高.

表7 孔口数量对杀灭率的影响 Table 7 Effect of orifice number on killing rate

2.8 孔口大小的影响

选取孔口直径为5mm的多孔板1和孔口直径为3mm的多孔板2作为研究对象,开启双泵,实验水样30升水中加入1mL大肠杆菌菌液(4´104CFU/mL),实验结果如表8和图10所示.可以看出,板2的杀灭率要高于板1,这是由于在总过流面积相同的情况下,孔口越小则孔板上的孔口数量越多,导致孔板后射流束增加,多股射流之间的掺混更加剧烈,所以杀灭率随之提高.

表8　孔口大小对杀灭率的影响 Table 8 Effect of orifice size on killing rate

3 结论

3.1 水力空化能够杀灭水中的病原微生物,不存在加氯消毒副产品的危害.

3.2 孔口流速越大,空化数越低,杀灭效果越好;当孔口流速大于27m/s时,在15min内可完全杀灭量级为107CFU/mL的大肠杆菌.

3.3 由于孔口交错式排布多孔板形成的多股射流比棋盘式更易掺混,因此孔口交错式排布的杀灭效果比棋盘式要好.

3.4 当大肠杆菌CFU/mL>106时,适当增加初始浓度会得到更高的处理效率.

3.5 在孔口总面积一定的情况下,杀灭率随孔径的减小和孔口数量的增加而提高.

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Experimental study of Escherichia coli killed by hydrodynamic cavitation due to circular multi-orifice plates

LIU Chang, DONG Zhi-Yong*, CHEN Le, ZHANG Xi, ZHANG Kai

(College of Civil Engineering and Architecture, Zhejiang University of Technology, Hangzhou 310014, China). China Environmental Science, 2016,36(8)：2364~2370

Water samples containing Escherichia coli was treated by a hydrodynamic cavitation device with circular multi-orifice plates. The inactivation effects of hydrodynamic cavitation on Escherichia coli in water was experimentally studied by detecting the killing rate. The effects of initial concentration of Escherichia coli, cavitation number, orifice velocity, orifice arrangement, orifice number, orifice size and cavitation time on the killing rates were analyzed. The experimental results showed that increasing the orifice velocity, lowering cavitation number, choosing the appropriate initial concentration, improving the cavitation time, increasing the orifice number, decreasing the orifice size and improving orifice arrangement can further increase the killing rates of Escherichia coli in water.

hydrodynamic cavitation；circular multi-orifice plate；；drinking water disinfection

X143,X52,TV131

A

1000-6923(2016)08-2364-07

刘 昶(1990-),男,湖北孝感人,硕士研究生,主要从事水力学与饮用水消毒技术方面研究.

2016-01-08

国家自然科学基金资助项目(51479177)

, 教授, dongzy@zjut.edu.cn