多孔板与文丘里组合式空化灭活致病菌研究

(浙江工业大学 建筑工程学院，浙江 杭州 310023)

生活饮用水的安全直接关乎人类的生存，是经济发展的必要要素。氯消毒是饮用水最常用的消毒方法，氯具有氧化性能好、存储方便和使用简单等优点，这些优点让加氯消毒被广泛认可。然而，近年来研究人员发现加氯消毒的种种弊端，氯消毒过程中常常产生一些消毒副产物(如三卤甲烷THMs、卤乙酸HAAs等)[1-2]，这些副产物对人的健康构成巨大威胁[3]。研究表明臭氧在消毒过程中会与水中的腐殖酸类或者溴离子等产生溴酸盐等毒害物质[4]。笔者所讨论的水力空化消毒技术具有效率高、无污染和费用低等特点，其原理是：当水流在一定水力环境下会诱发水力空化现象，空化产生的空泡发展溃灭过程会形成微射流(70～180 m/s)和冲击波，使得微生物细胞发生破坏[5]。此外，空泡溃灭时还会产生局部高温、高压，此时水分子将发生化学反应，产生强氧化物质H2O2和·OH，作用于水体病原微生物表面，破坏其细胞结构[6]。近年来，国内外学者对水力空化消毒技术进行了初步研究。Jyoti等[7]在研究如何减少臭氧消毒过程中产生的有毒副产品时，利用了水力空化技术和臭氧联用的方式，将臭氧的投加量减少到原来的1/2甚至1/3，有效提升了消毒效率。Milly等[8]利用水力空化技术杀灭液态食品中的细菌，发现该技术能有效灭活液态奶和各类果汁中的有害微生物，延长该类产品的保质期。张晓冬等[9]通过对比经过文丘里管空化发生器和不经过空化发生器的含菌污水处理90 min后的细菌灭活率，发现水力空化消毒技术具有高效、环保等特点。董志勇等[10]试验研究了文丘里喉部长径比、喉部流速、空化作用时间、原水初始浓度、空化数等因子对水力空化杀灭原水中病原微生物的影响，提出空泡溃灭时产生的微射流、冲击波会使病原微生物的细胞发生空蚀破坏。笔者基于水力学实验室自主研发的水力空化反应装置，通过变换多孔板与文丘里管的组合形式，以原水中大肠杆菌、菌落总数为病原微生物的指示菌，通过改变文丘里管组合形式、孔口排列、喉部流速、水力空化作用时间和原水初始体积分数，得到空化过程中不同时刻的菌落总数和大肠杆菌灭活率，并得出最佳组合形式。

1 实验装置与方法

1.1 实验装置

本实验装置示意图如图1所示，待处理的原水可预先倒入内筒水箱，装置运行时，由两台串联的离心泵提供动力将内筒水箱中的原水抽送到装置主管道，并流经水力空化工作段，此处是空化作用主要发生段。本装置设有3 只压力表，具体位置如图1所示。工作段底部设有可连接压力数据采集系统YE6263的测压点，工作段侧面和顶部均设有有机玻璃观察窗，转子流量计用于测量回路流量。

1—内筒；2—阀门；3—离心泵；4—压力表；5—水力空化工作段；6—转子流量计；7—冷却外筒图1 实验装置示意图Fig.1 Sketch of experimental setup

1.2 水力空化工作段

实验所用方形孔口多孔板为50 mm×50 mm×5 mm的不锈钢板，孔口数量分为9 孔和25 孔，其中25 孔又分为交错式和棋盘式排布两种，共计3 种孔板。如图2所示，为了方便描述，此处记9 孔棋盘式多孔板为板1，25 孔棋盘式多孔板为板2，25 孔交错式多孔板为板3，且3 种多孔板的孔口总面积均为182.25 mm2。除了多孔板段，笔者设计了由两种长度的喉部和两种扩散角的扩散段组成的4 种文丘里管组合形式，如表1所示[11]。

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

组合编号组合形式A1喉部300 mm+扩散角4.3°A2喉部300 mm+扩散角5.7°A3喉部150 mm+扩散角4.3°A4喉部150 mm+扩散角5.7°

1.3 实验方案

首先，将取自杭州市胜利河的原水分别稀释成体积分数为25%，50%，75%，100%的原水，倒入容量为110 L的内筒水箱。原水水样中大肠杆菌浓度为1 400～3 100 CFU/mL，菌落总数浓度为9.4×104～1.5×105CFU/mL。通过改变多孔板(板1、板2、板3)与四种文丘里管(A1，A2，A3，A4)的组合形式，进行水力空化灭活病原微生物实验。实验流量用玻璃转子流量计测量。当开启离心泵水流运转稳定后，在0，2，5，10，15，20，25 min用指定的有盖试管在循环内筒分别取相应处理水样，并测得对应时刻的水样温度和流量，用YE6263压力数据采集系统测定工作段压力。

其次，用1 mL灭菌移液管与10 mL试管，配制稀释10，100，1 000倍的稀释液，用移液管取0.1 mL稀释液分别在琼脂培养基(或伊红美蓝培养基)表层涂布均匀，为了减少实验误差，此处取两组培养基，计算浓度时取平均值。涂布后转至37 ℃恒温培养箱中静置48 h后取样计数，并乘以相应稀释倍数，得到第i分钟的菌落总数浓度(或大肠杆菌浓度)，代入灭活率公式，得到

(1)

式中：η为灭活率；Ci为第i分钟取样点的菌落总数浓度(或大肠杆菌浓度)，CFU/mL；C为原水初始体积分数下的菌落总数浓度(或大肠杆菌浓度)，CFU/mL。

2 实验结果与分析

2.1 空化数对灭活率的影响

空化数是一个无量纲量，常用来描述水力空化发生程度，记作CV，常用经典托马公式计算，其表达式为[12]

(2)

式中：V为液体未受扰动的来流流速；p0为测点对应的绝对压强；pV为在相应温度下液体的饱和蒸汽压强；ρ为水的密度，kg/m3；饱和蒸汽压取实验水温T=39 ℃时，pV=6.994 2 kPa。

取A3文丘里管(喉部150 mm+扩散角4.3°)分别与3 种多孔板(板1、板2、板3)组合，以原水初始体积分数50%为例，运行25 min，图3，4分别是3 种工况下空化数与菌落总数灭活率、大肠杆菌灭活率的关系。3 种多孔板对应工况下的空化数见表2。

表2 多孔板与文丘里管组合式水力参数

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

多孔板类型喉部流速/(m·s-1)喉部测点平均压强/kPa空化数CV板120.90.1520.433板221.20.0520.420板321.40.2380.413

从图3，4中可以看出：菌落总数和大肠杆菌的灭活率均随空化数降低而增加。板3工况的灭活率略优于板2，板2工况的灭活率又优于板1。这是因为空化数越低，其流场的空化程度越大，此时流场内部局部会产生更多的强氧化性物质，且流场产生的微射流、冲击波也增强，由此导致机械剪切效应更显著，从而提高灭活率。

图3 不同空化数下菌落总数的灭活率Fig.3 Inactivation rate of total colony count under different cavitation numbers

图4 不同空化数下大肠杆菌的灭活率Fig.4 Inactivation rate of Escherichia coli under different cavitation numbers

2.2 水力空化作用时间对灭活率的影响

选取A2文丘里管(喉部300 mm+扩散角5.7°)与25 孔交错式多孔板组合，以原水初始体积分数25%为例。双泵工况下(喉部流速V=21.2 m/s)，得到菌落总数、大肠杆菌灭活率与水力空化作用时间的关系如图5所示。从图5中可以看出：随着空化作用时间的增加，原水中菌落总数和大肠杆菌的灭活率随之增大，当运行15 min时，大肠杆菌灭活率可达到100%；运行20 min时，菌落总数灭活率达到83.14%，并有随水力空化作用时间增加而继续增大的趋势。这是因为原水在空化装置中不断循环，在水力空化段不断发生空化效应，由此增加了空泡对菌落总数、大肠杆菌的作用次数，从而提高了灭活率。

图5 不同水力空化作用时间的灭活率Fig.5 Inactivation rate under different treatment time

2.3 喉部流速对灭活率的影响

图6 不同喉部流速下大肠杆菌的灭活率Fig.6 Inactivation rate of Escherichia coli under different throat velocities

2.4 文丘里管组合对灭活率的影响

分别选取4 种文丘里管(A1，A2，A3，A4)与25 孔交错式多孔板进行组合，以原水初始体积分数50%为例。双泵运行25 min，分析不同文丘里管组合对菌落总数灭活率的影响，4 种文丘里管组合工况下，菌落总数灭活率实验结果如图7所示。实验表明：A1组合具有最佳的灭活率，其次为A2组合，A3与A4组合没有明显优劣。这是因为水流流经多孔板段后进入文丘里管喉部段，喉部段压强逐渐降低，当喉部长度较短时(喉部150 mm)，水流尚未全部发生空化就进入扩散段升压区，产生的空泡数量较少；当喉部长度为300 mm时，产生的空泡数量较多，有利于发生空化效应。

图7 不同文丘里管组合下菌落总数的灭活率Fig.7 Inactivation rate of total colony count under different combinations of Venturi tubes

2.5 原水初始体积分数对灭活率的影响

以A1文丘里管(喉部300 mm+扩散角4.3°)与9 孔棋盘式多孔板组合、A2文丘里管(喉部300 mm+扩散角5.7°)与25 孔交错式多孔板组合以及A3文丘里管(喉部150 mm+扩散角4.3°)与25 孔棋盘式多孔板组合为例，分别配制不同体积分数的原水(25%，50%，75%和100%)，考察原水初始体积分数对菌落总数和大肠杆菌灭活率的影响，实验结果如图8所示。实验表明：双泵工况下(喉部流速V=21.3 m/s)运行15 min，随着原水初始体积分数的增加，3 种组合形式的菌落总数灭活率均出现先增大后减小的趋势，且在原水初始体积分数50%时菌落总数灭活率均达到最大值。这是因为随着原水初始体积分数的上升，水中病原微生物发生空化的可能性也随之升高，因此灭活率先上升，当原水初始体积分数继续增大，因本实验工况下流场中产生的空泡数量有限，此时病原微生物的灭活率又随之下降[14]。双泵运行15 min，3 种组合工况，原水初始体积分数对大肠杆菌灭活率的影响甚微，均已达到或接近100%。

图8 不同原水初始体积分数下菌落总数的灭活率Fig.8 Inactivation rate of total colony count under different initial concentrations

2.6 孔口排列对灭活率的影响

选取A4文丘里管，以原水初始体积分数为25%为例，装置分别运行25，20 min，比较在相同孔口数量的多孔板2和多孔板3工况下，不同时刻菌落总数和大肠杆菌的灭活率，实验结果如图9，10所示。同一时刻，板3的菌落总数灭活率略高于板2。这是因为孔口交错式排列比棋盘式排列产生的射流更不规律，掺混而产生的紊动剪切作用更强[15]。棋盘式下游的脉动主要分布于低频区，交错式脉动能量分布更广，优势频率增大[16]；对于大肠杆菌，两种多孔板工况下的灭活率区别不明显，因为当原水初始体积分数为25%时，水中含有的大肠杆菌较少，棋盘式多孔板已经能产生足以灭活该数量级大肠杆菌的空泡。

图9 不同孔口排列下菌落总数的灭活率Fig.9 Inactivation rate of total colony count under different orifice arrangements

图10 不同孔口排列下大肠杆菌的灭活率Fig.10 Inactivation rate of Escherichia coli under different orifice arrangements

3 结 论

通过对文丘里管与方孔多孔板组合式水力空化灭活原水中病原微生物的实验研究，可得出以下几点结论：流速增大，空化效应增强，有利于提高菌落总数和大肠杆菌的灭活率，多孔板段最大流速可达49.7 m/s，水力空化15 min大肠杆菌能够完全灭活；对比上述实验的4 种文丘里管组合，A1文丘里管与25 孔交错式多孔板组合拥有最佳的灭菌效果，因为该组合有最佳的多孔板形式和合适的喉部长度；不同文丘里组合工况下水力空化20 min，原水初始体积分数50%时，菌落总数灭活率达到最佳；多孔板孔口排布采用25 孔交错式，能提高菌落总数和大肠杆菌的灭活率。因此，水力空化装置对灭活原水水中菌落总数和大肠杆菌具有显著的效果，是一种高效、安全的饮用水消毒新技术。