（环境工程专业论文）污水高压静电场消毒试验研究.pdf

重庆大学硕十学位论文中文摘要 摘要 高压静电场消毒技术是在静电水处理技术用于工业循环水处理的防垢除垢过 程中发展起来的一项新型水消毒技术，其具有适用水质范围广泛、管理方便、运 行成本低、不会产生二次污染等优点。但是对于高压静电场消毒技术进行的研究， 发现消毒效果不一，并且对于消毒机理的解释多为理论推测，至今尚未形成统一 的理论基础。 本研究的目的在于通过研究高压静电场作用下，试验水样中粪大肠菌群的灭 活规律以及试验水样的物理化学参数变化情况，探讨高压静电场的水消毒机理。 试验结果表明，高压静电场作用于两个绝缘极板之间的试验水样时，无论场 强高低、曝气与否，粪大肠菌群的浓度总是显著低于原水浓度，灭活率在4 0 - 9 5 之间。试验水样在高压静电消毒反应器内呈现的粪大肠菌群灭活规律是：前1 0 m i n ， 粪大肠菌大量死亡，灭活率快速上升，在1 5 - 2 0 m i n 左右的时间达到峰值，之后又 开始下降，最后稳定下来，灭活率在7 0 左右。 高压静电场消毒反应器中试验水样的p h 值和电导率变化与曝气有关，与电场 无关。曝气条件下的污水p h 值随处理时间的延长而逐渐上升，电导率则随处理时 间的延长逐渐下降。 高压静电场作用对亚甲基蓝的脱色具有一定的辅助作用，不曝气的脱色效率 远低于曝气。 据粪大肠菌群的灭活规律及亚甲基蓝的脱色试验推测：高压静电场中可能形 成的超氧阴离子自由基斫、羟基自由基o h 等活性氧物质浓度并不高，对粪大 肠菌的生命活动造成的影响有限；由于外加高压静电场的存在，导致消毒反应器 内的水样在其表面形成电荷层是灭活作用的主要原因，当水中的粪大肠菌进入到 电荷层时，因新陈代谢活动无法正常进行，导致死亡或失去繁殖能力。 关键词：污水消毒，高压静电场，粪大肠菌群，灭活率 重庆人学硕十学位论文英文摘要 a b s t r a ct h i g h - v o l t a g ee l e c t r o s t a t i cf i e l dt e c h n o l o g yi san e ws e w a g ed i s i n f e c t i o nt e c h n i q u e ， d e v e l o p e di nt h ep r o c e s st h a tt h ee l e c t r o s t a t i c f i e l dt e c h n o l o g yw a sa p p l i e di nt h e f o u l i n gc o n t r o la n dr e m o v a lo fi n d u s t r i a lc i r c u l a t i o nw a t e r a n di t t a k e sa d v a n t a g e si n i t sw i d ea p p l i c a t i o nw a t e rq u a l i t yr a n g e ，c o n v e n i e n tm a n a g e m e n t ，l o wo p e r a t i o nc o s t ，a s w e l la sw i t h o u ts e c o n d a r yc o n t a m i n a t i o n h o w e v e r , t h ed i s i n f e c t i o ne f f i c i e n c yr e s u l t s w e r ev a r i o u si nt h ef o r m e rs t u d i e so nh i g h v o l t a g ee l e c t r o s t a t i cf i e l dd i s i n f e c t i o n t e c h n o l o g y , m o s to ft h ee x p l a n a t i o no nd i s i n f e c t i o n m e c h a n i s mw e r et h e o r e t i c a l l y s p e c u l a t e d ，s ot h a tt h ee x a c tm e c h a n i s m sh a v eb e e ny e tt ob ef u l l yu n d e r s t o o d t h ea i mo ft h i sp a p e ri st op r o b ei n t ot h em e c h a n i s mo fh i g h v o l t a g ee l e c t r o s t a t i c s e w a g ed i s i n f e c t i o n ，a c c o r d i n gt o t h er e s u l t st h a ta r eo b t a i n e df r o mh i g h - v o l t a g e e l e c t r o s t a t i cf i e l dd i s i n f e c t i o ne x p e r i m e n t a t i o n ，i n c l u d i n gt h ei n a c t i v a t i o nr u l eo ff e c a l c o l i f o r ma n dt h ep h y s i c o - c h e m i c a lp a r a m e t e rv a r i a t i o no ft r e a t e ds a m p l e t h eo b t a i n e dr e s u l t ss h o wt h a t ，w h e nh i g h v o l t a g ee l e c t r o s t a t i cf i e l d sa c t so nt h e s a m p l ei nt w oi n s u l a t i o np l a t e s ，t h ec o n c e n t r a t i o no ff e c a lc o l i f o r mi sa l w a y sb e l o wt h e o r i g i n a lc o n c e n t r a t i o na p p a r e n t l y , a n dt h ei n a c t i v a t i o nr a t ei sb e t w e e n4 0 - 9 5 ，n o m a t t e rh o wh i g ht h ee l e c t r i cf i e l di n t e n s i t yi s ，w i t ho rw i t h o u ta e r a t i o n t h ei n a c t i v a t i o n r u l eo ff e c a lc o l ii nh i g h v o l t a g ee l e c t r o s t a t i cf i e l dd i s i n f e c t i o nr e a c t o rr e v e a l st h a t ：i n t h ef i r s t10 m i n s ，t h em a g n i t u d eo ff e c a lc o l i f o r md e c r e a s e sa n dt h ei n a c t i v a t i o nr a t e i n c r e a s e ss h a r p l y , r e a c h e st h ep e a kv a l u ed u r i n g15 2 0 m i n s ，t h e nb e g i n st of a l l ，a n d f i n a l l yr e t a i n sas t a b l el e v e la t7 0 a r o u n d i nt h eh i g h - v o l t a g ee l e c t r o s t a t i cf i e l dd i s i n f e c t i o nr e a c t o lt h ep hv a l u ea n dt h e e l e c t r i c a lc o n d u c t i v i t yo ft r e a t e ds a m p l ec h a n g ew i t ha e r a t i o n ，b u th a v en oc o n e l a t i o n w i t he l e c t r i cf i e l d u n d e rt h ec o n d i t i o nw i t ha e r a t i o n ，w i t ht h ep r o l o n g i n go ft r e a t m e n t t i m e ，t h ep hv a l u ei n c r e a s e sb u tt h ee l e c t r i c a lc o n d u c t i v i t yd e c l i n e s h i g h - v o l t a g ee l e c t r o s t a t i cf i e l dh a ss o m ea u x i l i a r yf u n c t i o no nt h ed e c o l o r a t i o no f m e t h y l e r i e - b l u e ，a n dt h ed e c o l o r i z i n ge f f i c i e n c yw i t h o u ta e r a t i o ni sf a rb e l o wt h a nw i t h a e r a t i o n a c c o r d i n gt ot h ei n a c t i v a t i o nr u l eo ff e c a lc o l i f o r ma n dt h ed e c o l o r i z i n g e x p e r i m e n t a t i o no fm e t h y l e n e - b l u e ，i tc a nb es p e c u l a t e dt h a tt h ec o n c e n t r a t i o no f r e a c t i v eo x y g e ns p e c i e ss u c ha ss u p e r o x i d ea n i o nr a d i c a l 何a n dh y d r o x y lr a d i c a l o h ，f o r m i n gi nh i g h v o l t a g ee l e c t r o s t a t i cf i e l d ，a r en o th i g h ，a n dh a v el i m i te f f e c t so n 重庆人学硕十学位论文英文摘要 l i f ea c t i v i t yo ff e c a lc o l i f o r m t h ec h a r g el a y e r , w h i c hf o r m so nt h ei n t e r f a c eb e t w e e n t h et r e a t e ds a m p l ea n dt h ed i s i n f e c t i o nr e a c t o rd u et ot h ee x t e r n a lh i g h v o l t a g e e l e c t r o s t a t i cf i e l d ，i st h em a i n l yr e a s o no fi n a c t i v a t i o ne f f e c t w h e nt h ef e c a lc o l i f o r mi n t h et r e a t e ds a m p l ee n t e ri n t ot h ec h a r g el a y e r , t h e yd e v i t a l i z eo rl o s et h e i rr e p r o d u c t i v e a b i l i t yf o rt h e i rm e t a b o l i s ma c t i v i t i e sc a nn o tb ec a r r i e do u tn o r m a l l y k e yw o r d s ：s e w a g ed i s i n f e c t i o n ，h i g h v o l t a g ee l e c t r o s t a t i cf i e l d ，f e c a lc o l i f o r m ， i n a c t i v a t i o nr a t e 学位论文独创性声明 本人声明所呈交的鲤士学位论文透丞直压登电扬逍重达验研究是我 个人在导师指导下进行的研究工作及取得的研究成果。尽我所知，除了文中特别 加以标注和致谢的地方外，论文中不包含其他人己经发表或撰写过的研究成果。 与我一同工作的同志对本研究所做的任何贡献均己在论文中作了明确的说明并 表示了谢意。 学位论文作者签名： 倔，壤父摩 签字日期：聊；1 导师签名： 李守、 签字日期：删7 r 厶7 学位论文使用授权书 本人完全了解重庆大学有关保留、使用学位论文的规定。本人完全同意中 国博士学位论文全文数据库、中国优秀硕士学位论文全文数据库出版章程( 以 下简称“章程 ) ，愿意将本人的疋士学位论文一透丕高压馥鱼扬消壹达坠 殖提交中国学术期刊( 光盘版) 电子杂志社( c n k i ) 在中国博士学位论 文全文数据库、中国优秀硕士学位论文全文数据库以及重庆大学博硕学位 论文全文数据库中全文发表。中国博士学位论文全文数据库、中国优秀硕 士学位论文全文数据库可以以电子、网络及其他数字媒体形式公开出版，并同 意编入c n k i 中国知识资源总库，在中国博硕士学位论文评价数据库中使 用和在互联网上传播，同意按“章程 规定享受相关权益和承担相应义务。本人 授权重庆大学可以采用影印、缩印或其他复制手段保存论文，可以公开论文的全 部或部分内容。 作者签名：堡：螂导师签名：壅笠， 砂7 年f 月工_ | 日 备注：审核通过的涉密论文不得签署“授权书 ，须填写以下内容： 该论文属于涉密论文，其密级是，涉密期限至年一月一日。 说明：本声明及授权书堂亟装订在提交的学位论文最后一页。 重庆大学硕十学位论文1 绪论 1 绪论 1 1 水消毒技术 在世界范围内，与人类健康相关的最严重的水污染是来自人和动物排泄的病 原生物。废水中包括致病细菌、病虫卵和病毒等的致病性微生物主要来自城市生 活污水、医院污水、垃圾、地面径流和屠宰肉类加工、制革等工业废水等方面。 主要通过动物和人排泄的粪便中含有的细菌、病菌及寄生虫类等污染水体，引起 各种疾病。如生活污水中可能含有能引起肝炎、伤寒、霍乱、痢疾、肠炎的病毒 和细菌以及蛔虫卵和钩虫卵等【lj 。在水污染所引起的疾病中，最普遍且对人类健康 造成影响最大的是痢疾、血吸虫病、肠内寄生虫感染和河盲病( 盘尾丝虫病) 等。 经监测表明：一般污水中的粪大肠菌群每升几力个至3 0 0 多万个。由于以往 的污水综合排放标准( g b 8 9 7 8 1 9 9 6 ) 和污水排入城市下水道水质标准 ( c j 3 0 8 2 1 9 9 9 ) 等标准中对排放的一般污水都没有微生物指标【2 3 】，所以污水排 放一般没经过消毒处理。这种状况使各种疾病通过水体交叉感染。为预防疾病传 播，保障人体健康，保护水体环境，世界许多国家和地区都要求对城市污水在排 放前进行消毒处理。我国国家环境保护总局、建设部、科技部关于城市污水处 理及污染防治技术政策中规定“为保证公共卫生安全，防止传染性疾病传播，城 市污水处理设施应设置消毒设施”【4 】。2 0 0 2 年1 2 月2 4 日国家环境保护总局和国家 质量监督检验检疫总局联合颁布的城镇污水处理厂污染物排放标准 ( g b l 8 9 1 8 - 2 0 0 2 ) 中更是首次将微生物指标列入基本控制指标，要求城市污水必 须进行消毒处理，出水水质粪大肠菌群数小于1 0 x 1 0 4 个l 或1 0 1 0 3 个刖5 i 。由 此，城市污水处理出水的消毒已势在必行。 1 1 1 常规消毒技术 消毒是水处理工艺流程中不可缺少的一个重要环节，其主要目的是去除水中 的病原体( 病原菌、病毒和寄生虫卵) ，降低水传播疾病的风险，维护人体健康。 目前常规的水消毒技术主要有：氯消毒、氯胺消毒、二氧化氯消毒、臭氧消 毒及紫外线消毒技术。 氯消毒是目前应用最广泛，也是传统的消毒方法【6 】，起源于1 8 5 0 年，1 9 0 4 年 英国正式将其用于公共给水的消毒，首次大规模使用作为饮用水消毒出现在1 9 0 8 年的泽西市水厂。氯消毒主要是通过在水中加入氯，利用氯在水中水解生成的次 氯酸的氧化作用来杀灭细菌。次氯酸是体积很小的中性分子，能扩散到带负电荷 的细菌表面，具有很强的渗透力，能通过细菌的细胞壁穿透到细菌内部，并起氧 化作用破坏细菌的酶系统而使细菌死亡。但加氯消毒工艺中的余氯对受纳水体中 重庆大学硕士学位论文1 绪论 的鱼类等生物有毒，会对环境产生危害1 7 j ，并且氯与水中的溶解性有机物发生化学 氧化作用生成具有潜在毒性的消毒副产物，其中有些被认为可能是诱导有机体突 变的物质f 8 12 1 ，而对人类和水生生物产生长期毒性影响，对人类健康造成威胁。 氯胺包括一氯胺、二氯胺和三氯胺( 三氯化氮) ，其消毒机理与氯相似，实质 上还是依靠次氯酸的强渗透力和强氧化性，但消毒能力较氯弱【l3 1 。氯胺在水中水 解产生次氯酸，利用次氯酸较强的渗透力和氧化作用破坏细菌酶系统而使细菌死 亡。氯胺较次氯酸稳定，因此杀菌作用进行得比较缓慢。氯胺消毒一般是先加氯， 充分混合后再加剥1 4 】。氯氨比的值随水中所含成分( 主要是有机物) 和水温而变 化，一般在2 ：1 和5 ：1 之间，具体比值可由试验得出。 二氧化氯作为新一代的广谱杀菌剂和高效氧化剂，1 8 1 1 年由汉弗莱戴维首 先合成，1 9 4 4 年首先在水处理中得到应用，具有快速灭活细菌的能力，能有效杀 灭病原微生物【l5 1 ，目前已广泛应用于各种水处理。二氧化氯在水中以游离单分子 状态存在，具有强氧化性及高反应活性，对细菌的细胞壁有较好的吸附和穿透性 能，可以有效的氧化微生物细胞的酶系统，快速的控制细胞酶蛋白的合成，从而 杀灭水中各种病菌和藻类等微生物【l6 1 。二氧化氯与水中有机化合物反应，使其氧 化降解，生成无害的氧化物，在控制三卤甲烷和减少总有机卤代物方面具有独特 的优越性，几乎不产生三卤甲烷及其它卤化物【1 7 9 1 ，能同时控制水中的铁、锰、 色、味、臭。在欧洲的许多城市，二氧化氯已广泛用于饮用水和废水的消毒处理 2 0 1 ， 国内也有些水厂开始使用。二氧化氯消毒技术的主要问题是，二氧化氯是一种不 稳定的化合物，对湿度、压力和光均敏感，遇火花和有机物，4 浓度就会发生爆 炸，因此，一般需现场制备，但是发生器设备复杂，操作管理要求高，成本较高【2 。 臭氧是一种强氧化剂，在常温下分子结构不稳定很快分解，分解时放出新生 态氧，新生态氧具有很强的氧化能力，对抵抗力较强的微生物如病毒、芽孢等也 有强大的杀伤力，能破坏或分解细菌的细胞壁，迅速的扩散透入到细胞罩，氧化 蛋白质的活性基团而导致细菌死亡【2 2 1 。其产生的有害物极少，能增加水中溶解氧， 减少水中的b o d 和c o d ，能脱色除臭、杀灭水中藻类，也能氧化或分解水中的 铁、锰、色素、悬浮微粒、有机农药和洗涤剂等【2 3 1 。臭氧消毒快速、彻底，且能 有效控制水中三卤甲烷的形成，但可与水中的溴化物发生氧化作用生成潜在致癌 物溴酸盐【2 屯2 5 1 。臭氧不具备持续杀菌能力，而且由于臭氧在水中溶解度较小且稳 定性差而不易保存，须现场制备现用。 紫外线消毒技术是利用波长2 5 4 n m 的紫外线辐照水流，破坏水中微生物的 d n a 或r n a 结构。在紫外线照射下，微生物细胞内的d n a 在吸收了一定剂量的 紫外辐射后，d n a 的结构发生突变，阻止其复制、转录，破坏微生物蛋白质的合 成，细胞失去活性，无法繁殖，细菌数量大量较少，从而达到消毒的目的。其破 坏d n a 或r n a 结构的主要形式是：在微生物细胞核中，由磷酸二酯键按嘌呤和 2 重庆大学硕十学位论文1 绪论 嘧啶碱基配对原则而连接起来的多核苷酸链r n a 和d n a ，能够吸收高能量的短 波紫外辐照而使磷酸二酯键断裂，从而使相邻的核苷酸之间产生新的共价键，形 成双分子或二聚物，相邻嘧啶分子，尤其是胸腺嘧啶的二聚现象是最常见的。细 菌和病毒d n a 众多的胸腺嘧啶形成二聚物阻止了d n a 的复制及蛋白质的合成， 从而使细胞死亡【2 6 1 。紫外线消毒具有不需投加任何化学药剂、不改变水的成分和 结构，消毒时间短的优点。工程中在l o s 左右的时间内就可使水中粪大肠菌群的浓 度由1 0 6 m p n l 降至1 0 3 m p n l 以下。美国环保署2 0 0 6 年1 月颁布的“u l t r a v i o l e t d i s i n f e c t i o ng u i d a n c em a n u a lf o rt h ef i n a ll o n gt e r m2e n h a n c e ds u r f a c ew a t e r t r e a t m e n tr u l e ”反映了当前紫外线消毒技术在工程应用中的最新研究和应用成果 1 2 。目前，全球已有4 0 0 0 多污水处理厂安装了紫外线消毒系统，其中正在建造的 美国v a l l e yc r e e k 污水处理厂建成后紫外线消毒规模为2 2 7 x 1 0 4 m 3 d ，是世界上最 大的污水紫外线消毒系统【2 8 1 。我国大陆第一台城市污水紫外线消毒设备于2 0 0 1 年 安装在上海闵行污水处理厂，目前全国已安装运行的有2 0 多套。 1 1 2 消毒技术新发展 由于人们对自身健康与环境污染之间的紧密关系的认识逐渐加深，现有的水 处理消毒技术已经不能满足现有的处理要求和公众的期望；同时，随着科技的发 展，将其它领域的科技成果应用于水处理消毒领域，促进了水处理消毒技术的发 展，诞生了一些新的消毒技术【2 9 3 1 1 。 膜过滤消毒技术主要利用水通过滤膜时，细菌和病毒等微生物颗粒在膜表面 或内部被截留而实现【3 2 1 。其去除微生物颗粒主要是通过机械筛分作用和吸附截留 作用实现【3 3 1 。机械筛分作用主要发生在膜表面，可在膜表面形成滤饼。吸附截留 作用主要发生在膜内部，微生物颗粒沉积在膜孔侧壁或膜内部基质上，但不形成 滤饼。常用的膜过滤技术有：微滤( m i c r o f i l t r a t i o n ，m f ) 【3 4 ”】、超滤( u l t r a f i l t r a t i o n ， u f ) p 6 1 、纳滤( n a n o f i l t r a t i o n ，n f ) 以及反渗透( r e v e r s eo s m o s i s ，r 0 ) 。膜过滤 法不产生消毒副产物，并且在消毒的同时能去除水中的其它杂质，但是由于没有 持续消毒能力、膜污染等问题阻碍了膜过滤消毒法的推广应用。 生物消毒法是通过提取、利用和制备某些特定微生物分泌的一些特定的生物 化学活性物质来杀灭病菌、病毒或使其丧失活性【3 7 】。目前比较有代表性的是一些 以某种有消毒特性的酶为主要活性成分的生物消毒剂。当这些活性物质投加到水 中时各种酶通过裂解或破碎细胞壁、细胞膜和各种病毒的外壳蛋白，直接作用于 水中有害细菌和病毒的遗传物质，裂解d n a 或r n a ，达到杀灭这些细菌和病毒 的目的。水处理生物消毒技术由于消毒机理尚待进一步深入研究以及丌发能够投 入各种工程应用的消毒剂产品，因而目前还没用广泛应用，但是作为一种符合人 类社会可持续发展理念的绿色环保型水处理消毒技术，其在水处理领域的应用前 景广阔，可用于饮用水消毒、污水消毒、海水消毒和用于控制微生物污染的工业 3 重庆人学硕士学位论文1 绪论 循环水及中水回用等领域。 磁化消毒法属于物理消毒法，是利用物理因素作用于病原微生物将之杀灭或 消除的方法。磁场具有灭菌作用，主要原因认为【3 驯：一是在磁场的直接作用下， 引起b o d 、c o d 降解，使异养微生物能源和c 元素营养物减少，导致异养菌出现 负增长；二是磁场力直接作用于细胞内水、酶等，使细胞内酶失去活性而钝化。 对磁场水处理的杀菌性能影响研究发现磁场水处理杀菌性能随p h 值、温度和磁处 理时间的升高而升甜 j 。 微电解消毒技术是以直接向水中通以微电流达到处理目的的，其实质是电化 学消毒【4 0 1 ，即利用电化学的氧化还原原理进行水处理。水中在微电解作用下产生 的活性物质具有极强的氧化性，可破坏细胞膜并渗透到细胞内破坏有机物的链状 结构，从而使微生物死亡，同时由于微生物在一般的水中带负电荷，因而会向阳 极迁移、聚集而造成生物放电直接死亡【4 1 1 。微电解技术既能杀灭细菌，改善水的 浊度、臭、味以及增加溶解氧，又能除去水中的铜、汞、铅、镍、铁等重金属离 子和硫酸盐、磷酸盐、氯酸盐等无机离子杂质以及有机污染物等【4 2 1 。微电解消毒 技术具有广谱灭菌功能，对其灭菌率影响最大的因素是电流密度和处理时间，灭 菌率随处理电流密度的增大而提高，随处理时间的增加而提高【4 引。 此外，新的消毒技术还有超声波消毒技术m ，4 5 1 、光催化消毒技术4 6 枷】、铜银 离子消毒技术【5 0 5 2 】等，静电场消毒技术也是其中之一，具有适用水质范围广泛、 不会产生二次污染、能耗极低的优点。 1 2 静电场消毒技术 1 2 1 静电水处理技术 静电水处理技术是近几十年来才发展起来的一项新技术，主要用于工业循环 水的防垢除垢，取得良好的效果，并且在使用过程中发现静电场具有一定的杀菌 作用。静电水处理技术属于物理法的处理过程，与化学法水处理过程不同，不是 靠改变水中的离子成分达到水处理的目的，而是通过高压或低压静电场的作用， 改变水分子结构或改变水分子中的电子结构从而达到水处理的目的【”】。正是由于 静电技术在水处理中显现出的独特性能使得该技术的研究和应用日益得到众多科 研工作者的重视，并取得一系列的阶段性成果【5 4 5 6 1 。 静电水处理技术的研究开发利用最早起源于美国。6 0 年代末，由美国新泻华 盛顿公司研制成功了第一台静电水垢控制器，主要用于冷却水管的防垢、除垢。 我国第一台静电水垢控制器在1 9 7 5 年研制成功，目前已有大量的静电水垢控制设 备投入运行【5 。国内外研制的静电水垢控制器有管式和床式两种，基本结构相同， 由高压静电发生器和高压静电水处理器组成，中间采用高压绝缘导线连接( 见图 1 1 ) 【5 8 5 9 1 。 4 重庆人学硕十学位论文1 绪论 控制器 高压发生嚣 图1 1 静电水垢控制器组成示意图 f i g 1 1c o m p o s i t i o ns c h e m a t i cd i a g r a mo fe l e c t r o s t a t i cf o u l i n gc o n t r o l l e r 高压静电发生器提供高压直流电源；高压静电水处理器是一个使水静电化的 装置，是将一根绝缘良好的铁芯置于聚四氟乙烯圆筒内作为正极( 阳极) ，镀锌钢 外壳作为负极( 阴极) ( 结构如图1 2 所示) 。在正、负极上施以高压，正、负极之 间保持一定的距离，当水从正、负极之间的空隙流过时便得到处理【矧。 八水口 图1 2 高压静电水处理器结构示意图 f i g 1 2c o n f i g u r a t i o ns c h e m a t i cd i a g r a mo fh i g h v o l t a g ee l e c t r o s t a t i cw a t e rp r o c e s s o r 水分子的h 三个原子不在同一条直线上，而是形成1 0 4 5 。的键角( 图 1 3 ) 。水分子因氢原子相对于氧原子的位置不对称，即正电荷中心和负电荷中心不 重合而具有极性。这种因分子中的正负电荷相距微小距离而具有极性的分子称为 5 重庆人学硕十学位论文1 绪论 双极子。图1 4 为水双极子的形象示意图。当水流经静电场时，双极子的正端取向 静电场的阴极，双极子的负端取向静电场的阳极，按正负顺序整齐连续排列( 图 1 5 ) 当水中有溶解盐的离子时，这些己被水双极子包围的阴阳离子也同样认为是 按正负顺序整齐地排列在双极子群中( 图1 6 ) 。因此对含有溶解盐的水，各分子 ( 包括盐离子) 的整齐排列就像在固体中的排列一样，溶解在水中的盐离子不能 来回自由运动，也就不可能靠近器壁而沉积形成水垢。 巍 曰 图1 3 水分子结构 f i g 1 3s t r u c t u r eo fh 2 0 图1 4 水双极子 f i g 1 4h 2 0d i p o l e 图1 5 双极子的排列 f i g 1 5d i p o l ea r r a y 图1 6 离子和双极子的排列 f i g 1 6t h ea r r a yo fi o na n dd i p o l e 6 重庆人学硕士学位论文1 绪论 随着研究的深入，静电水处理器的应用领域不断扩大，并发现其具有杀菌灭 藻功能【6 1 1 。水经静电处理，能够产生一定的活性氧，这些活性氧能破坏生物细胞 的离子通道，改变细菌和藻类生存的生物环境，影响细菌的生理代谢，从而起到 杀菌作用【6 2 j 。 1 2 2 电场消毒技术 脉冲电场消毒技术 电场消毒技术起初主要应用于食品的消毒保鲜，如果汁、牛奶的，研究和应 用较多的是脉冲电场( p u l s e de l e c t r i cf i e l d ，p e f ) 消毒技术【6 3 1 ，是将高压电脉冲作 用于电极间的物料，在两个电极间产生瞬问高压，以杀灭物料中的微生物。其高 强度的电场是通过电容组贮存来自高压直流电源的大量能量，然后以高压电脉冲 的形式释放出去所形成的，达到破坏微生物细胞膜、杀灭微生物的效果。杀菌用 的高压脉冲电场一般强度为1 5 1 0 0 k v c m ，脉冲频率为l 1 0 0 h z ，放电频率为 1 - 2 0 h z 6 4 。 脉冲电场灭菌的三方面关键因素包括【6 5 j ：( 1 ) 电场处理方面的因素，即脉冲 电场处理过程中的因素，如处理的电场强度、所用的脉冲波波形、处理时间、处 理温度等；( 2 ) 微生物方面的因素，如微生物种类、微生物温度以及微生物所处 的生长阶段；( 3 ) 产品方面的因素，即被处理介质的物理化学性质，如介质电导 率、介质状态等。 h f i l s h e g e r , p o t e l 和n i e m a n n 针对各影响因素( 电解液种类、浓度、脉冲宽度、 电场强度、p h 、温度) 分别设置不同的试验值对ec o l ik 1 2 进行处理，并对处理 效果进行了系统的分析研究【6 6 1 。他们认为电场强度和处理时间是杀菌效率的主要 影响因素，而且细菌的对数灭活率与场强成正比，与电场处理时间的对数成正比， 其中电场处理时问是脉冲数与衰减时间常数的乘积；同时，发现含二价阳离子的 电解液可减弱致死作用。 v e r n b e s 等人针对电场强度、脉冲持续时间、脉冲数以及脉冲频率等因素对自 由阿米巴虫的致死效应的影响所进行的研究显示，阿米巴虫的去除与脉冲参数、 处理介质以及细胞所处的生理状态有关，与电场处理过程中的电能传递无关【6 。 一般认为，双极脉冲比单极脉冲具有更高的灭活效率【6 引，这是因为脉冲电场 可以使带电荷的分子在微生物的细胞膜内运动，电场极性或方向的翻转会使带电 荷的分子运动方向产生相应的改变。在双极性脉冲的作用下，使带电荷的分子运 动产生交替变化，会使细胞膜内产生压力，增强了它的电击穿。大多数的试验表 明了双极性方波具有更好的灭菌效果【6 9 1 。然而，最近的研究显示单极脉冲和双极 脉冲对蛋白胨培养液中的革兰氏阳性菌( b a c i l l u sc e r e u s ，l i s t e r i am o n o c y t o g e n e s n c t c1 1 9 9 4 ) 和革兰氏阴性菌( e s c h e r i c h i ac o l in c t c9 0 0 1 ) 【7 0 7 1 】以及接种到苹 7 重庆大学硕士学位论文1 绪论 果汁中的ec o l i0 1 5 7 ：h 7 7 2 】的灭活率并没有显著的不同。 研究显示脉冲电场与处理温度问存在协同作用 3 7 7 】，处理温度影响微生物的 存活和恢复。这可能是由于在较高的温度下增加了溶液电导率的缘故；也可能是 改变了细胞膜流动性和渗透性，使细胞更容易产生机械破坏。 关于介质电导率及p h 对脉冲电场微生物灭活作用的影响并不确定。有的研究 报道认为处理介质的低电导率可以提高脉冲电场的灭活作用【7 8 】，也有的认为处理 介质的电导率对脉冲电场的杀菌作用没有影响【79 | 。p a g a n 等人认为p h 对脉冲电场 处理微生物灭活作用敏感性的影响取决于微生物种类。脉冲电场( 1 9 2 5 k v c m ) 处理y e s i n i ae n t e r o c o l i t i c a 和p s e u d o m o n a sa e r u g i n o s a 的敏感性不受处理缓冲液p h 为7 或3 8 的影响，对l i s t e r i am o n o c y t o g e n e s 而言p h 为3 8 的条件下比p h 为7 的条件下灭活作用更强，然而s a l m o n e l l as e n f i e n b e r g 在酸性溶液中比在中性溶液 中具有更强的抵抗力瞄。 关于高压脉冲电场杀菌的机理，现有多种假说【8 1 8 2 】，主要有细胞膜穿孔效应、 电磁机制模型、粘弹极性形成模型、电解产物效应、臭氧效应等。 细胞膜穿孔效应假说认为，细胞膜由镶嵌蛋白质的磷脂双分子层构成，带有 一定的电荷，具有一定的通透性和强度。膜的外表面与膜内表面之间存在一定的 电势差。当细胞上加一个外加电场，这个电场将使膜内外电势差增大。此时，细 胞膜的通透性也随着增加，当电场强度增大到一个临界值时，细胞膜的通透性剧 增，膜上出现许多d , t l ，使膜的强度降低。此外，当所加电场为一脉冲电场时， 电压在瞬间剧烈波动，在膜上产生震荡效应。孔的加大和震荡效应的共同作用使 细胞发生崩溃，从而达到杀菌目的。 电磁机制理论是建立在电极释放的电磁场能量互相转化的基础上的，其认为 电场能量与磁场能量是相互转换的，在两个电极反复充电与放电的过程中，磁场 起了主要的杀菌作用，而电场能向磁场能的转换保证了持续不断的磁场杀菌作用。 粘弹极性形成模型认为，一是细菌的细胞膜在杀菌时受到强烈的电场作用而 产生剧烈震荡，二是在强烈电场作用下，介质中产生等离子体，并且等离子体发 生剧烈膨胀，产生强烈的冲击波，超出细菌细胞膜的可塑性范围而将细菌击碎。 电解产物理论指出在电极点施加电场时，电极附近介质中的电解质电离产生 阴阳离子，这些阴阳离子在电场作用下极为活跃，穿过在电场作用下通透性提高 的细胞膜，与细胞的生命物质如蛋白质、核糖核酸结合而使之变性。但其不足之 处是难以解释p h 变化剧烈对杀菌效果并没有什么影响【8 3 1 。 臭氧效应理论认为在电场作用下液体介质电解产生臭氧，而在低浓度下臭氧 已能有效杀菌。 针对细胞膜在电场作用下穿孔破裂有3 种代表性的观点【8 4 1 。 重庆人学硕十学位论文l 绪论 s a l e 和h a m i l t o n s s 】认为当一个外电场加到细胞两端时，就会产生跨膜电位。 当细胞的跨膜电位达到1 v 左右时，细胞膜就会被击穿。细胞膜是一个有序结构， 当施加适度电压时细胞膜磷脂层会发生两极再定位现象。s a l e 和h a m i l t o n 推测这 个再定位现象可能是导致细胞膜结构发生改变，细胞膜功能丧失，从而引起细胞 死亡的启动过程。 t s o n g i s 6 则提出了观点近似的“电穿孔理论”，认为由于细胞膜对离子的通过具 有选择性以及磷脂分子的固有特性，使得细胞膜对电场敏感，电场会引起细胞膜 的电学和热学效应。磷脂双分子层由于其两性特性而易受电场的影响，使得电场 能够改变磷脂分子层的结构，扩大细胞膜上原有的膜孔并产生新的疏水性膜孔， 这些疏水性膜孔最终转变成结构上更为稳定的亲水性膜孔，亲水性膜孔能够导电 并产生局部温度。细胞膜的局部温度会导致磷脂双分子层从凝胶结构转变为液晶 结构，削弱细胞膜的半通透性。同时，外电场存在情况下，细胞膜上对电压敏感 的蛋白通道打开，通过大量电流，导致蛋白通道的不可逆变形。因此，t s o n g 认为 由于细胞膜电穿孔使磷脂双分子层和蛋白通道都发生了改变，最终导致了细胞的 死亡。 z i m m e r m a n n 8 7 1 提出了电介质击穿理论，将细胞膜的双层膜结构看作等效电 容。由于磷脂双分子层生物薄膜内部充满着电解质和带电荷的离子，当细胞受到 外界的电场作用时，细胞膜内各带电物质在电场作用下按电场作用力方向移动， 此移动现象称为极化，在极短的时间内，各带电物质移至膜两侧形成一个微电场， 这时微电场之问的电位差称为跨膜电位。随着外加电场电场强度的增大或处理时 间的延长，细胞膜极化加剧，刚刚形成的微电场场强增大，膜两侧异性离子之间 产生相互吸引的作用力，此作用力相当于膜受到两侧的挤压力，跨膜电位不断增 大，引起细胞膜厚度的减小，此时细胞膜产生粘弹性恢复力对抗膜两侧的挤压力。 当跨膜电位达到1 v 时，细胞膜将被局部破坏，电场强度继续增加将导致膜穿孔和 不可逆的破裂，细胞死亡。 静电场消毒技术 静电场消毒导电电极与水由绝缘体隔开而不直接接触，没有电流通过水体， 采用稳定的静电场，消毒效果依靠微生物的生物效应实现【8 8 ，8 9 】，消毒效率不及脉 冲电场杀菌，但能耗要低于后者。 地球上的生物体，时刻都在自然静电场的作用下生长、繁殖。环境电场的改 变，必然对构成生物体细胞内外的电荷分布、排列、运动产生影响。静电场消毒 技术就是利用外加静电场作用于微生物，使微生物产生一系列的超常规效应。高 压静电场的生物效应主要是通过改变酶的活性、改变细胞膜的通透性、对遗传物 质d n a 产生影响以及j 下、负离子作用实现的。高压静电场的极化作用可以改变酶 9 重庆大学硕t 学位论文1 绪论 在静电场中所处的状态，同时高压静电场可使生物体内荷电物质的分布、排列、 运动发生变化，引起构成酶的各种次级键的变化从而改变生物体内蛋白质和酶的 构象及活性。 向阳等m 】利用高压静电处理城市污水厂二沉池出水的研究显示高压静电场对 污水有明显的杀菌效果，施加4 0 0 0 v 电压，停留时间为3 m i n 时细菌总数的灭活率 为1 3 2 ，处理3 0 m i n 后灭活率可达9 8 ，而且该设备能耗极低( l w ) 。a s b i r y u k o v 等【9 l 】采用1 0 - 2 2 0 v 电压( 极板间距2 2 5 c m ) 对配制水样的研究也得到了 类似的结果( 6 0 0 0 , - 9 9 ) 。a s b i r y u k o v 在试验中还发现一种特殊现象，即经电场 处理后的水与含微生物的水样混合后，发现其具有消毒能力，并且消毒能力在电 场撤除后仍可持续数小时之久。 高压静电场具有良好的杀菌效果，徐洪彬等人忸j 利用高压静电场对天然水体 进行的杀菌灭藻试验研究发现在最佳工作电场强度2 0 k v m ，处理时间6 h 的条件 下，灭活率可达9 1 3 。罗莹等【9 3 】利用自行研制的直流高压静电场装置对配制的 大肠杆菌菌液进行了杀菌试验。在极板间距3 c m ，电压2 0 k v ，处理时间4 5 m i n 的 条件下，大肠杆菌的致死率达到9 8 7 。 在关于静电场杀菌效果的影响因素进行的研究中发现，电场强度、处理时间 是影响电场杀菌作用的主要因素。徐洪彬一2 j 通过控制水温，在一定的处理时间下， 改变电场强度进行的试验发现，高压静电场杀菌率随电场强度的升高而升高，当 电场强度大于2 0 k v m 后反而下降，即存在最佳工作电场强度2 0 k v m 。罗莹【9 3 】进 行的试验也发现，高压静电场杀菌效果存在最佳工作电压，但其所用的是芒刺板 型电极结构( 图1 7 ) ，而徐洪彬采用的是某公司的s h c i 型高压静电水处理器( 图 1 8 ) 。罗莹的试验中在保持处理时间为4 5 m i n 不变的条件下，当电压范围在0 5 k v 问逐渐增大时，大肠杆菌的致死率随电压增强而迅速增大，当电压超过1 0 k v 后大 肠杆菌的致死率增加缓慢，当电压达到1 5 k v 时，大肠杆菌的致死率达到9 4 6 与 2 0 k v 时的9 8 7 十分接近，而后电压继续增加，致死率略有下降；在相同电压条 件下大肠杆菌的致死率与处理时间呈正相关关系，随处理时间增加致死率不断上 升。朱丽霞等【9 4 】利用极板间距为5 c m 的平板电极高压静电场对大肠杆菌进行处理 的试验表明：室温下处理时间和电场强度与大肠杆菌灭活率呈正相关，随电场强 度和处理时间的增加，灭活率达7 0 以上；处理量与大肠杆菌致死率呈略微负相 关；在电场处理中，温度对大肠杆菌灭活率的影响很小。 1 0 重庆大学硕士学位论文1 绪论 图1 7 罗莹所用的高压静电场发生装置 f