液哨超声协同杀菌剂在循环水杀菌中的应用

第34卷第12期工业水处理Vol 34 No 122014年12月Industrial Water treatmentDec.,2014液哨超声协同杀菌剂在循环水杀菌中的应用吕石1,吕效平,韩萍芳2(1.南京工业大学化学化工学院,江苏南京210009;2.南京工业大学生物与制药工程学院,江苏南京210009)[摘要]研究了一种液哨式机械超声发生器,探讨了液哨喷口结构对声强的影响,并采用液哨协同杀菌剂的方法对循环水进行杀菌处理。实验结果表明,圆锥形喷口效果最佳,且最佳锥形角度为45°。在初始细菌数量为1.2×10mL、水压0.3MPa条件下单独使用液哨杀菌9omin,杀菌率可达到39%。液哨超声和杀菌剂有良好的协同作用加人液哨超声30min可以有效减少41%~45%的杀菌剂使用量,具有良好的环境效益和经济效益。[关键词]液哨;杀菌;循环水[中图分类号]TQ0854[文献标识码]A[文章编号]1005-829X(2014)12-0050-04Application of liquid whistle ultrasound combined withbactericide to circulation water sterilizationi Shi, Li Xiaoping, Han Pingfan(1. Department of Chemis try and Chemical Engineering, Nanjing Univers ity of TechnologyNanjing 210009, China; 2. Department of Biotechnology and Pharmaceutical engineeringNanjing University of Technology, Nanjing 210009, China)Abstract: A new liquid whistle ultrasonic generator has been studied. The effects of liquid whistle nozzle structure onthe sound intensity are discussed, and liquid whistle combined with bactericide is adopted for circulating water sterilization. The experimental results show that the sound intensity of conical nozzle is the best, and the best cone angle is45. When the initial bacteria content is 1. 2x10mL-, and the water pressure 0.3 MPa, the sterilization rate of singlyused liquid whistle can reach 39% in 90 min Liquid whistle ultrasound and bactericide have good synergistic effect. Itcan reduce 41%0-45% of bactericide dosage in 30 min with liquid whistle ultrasound. This method has good environmental and economic benefitsKey words: liquid whistle; sterilization circulation water裂转化成脂肪族化合物。这与相关研究结果一致。造纸科学与技术,2005,24(5):58-603结论[2 Kang N, Lee D $, Yoon J. Kinetic modeling of Fenton oxidation ofphenol and monochlorophenols[J]. Chemosphere, 2002, 47(9):915-(1)采用预混凝一 Fenton氧化法深度处理造纸废水的最佳工艺参数:Al2(SO4)3投加量为400mg/[3]陆贤,刘伟京,涂勇,等. Fenton试剂深度处理废纸造纸废水试验HO2投加量为8mmo/L,FeSO4·7H2O投加量为6研究[J.湖北造纸,2010(2):19-21.[4]吴桂峰,褚成新,张银新,等,Al2(SO)3在造纸废水不同处理阶mmol/L,初始pH为4,反应时间为40min。COD总段絮凝特性的研究[J].辽宁化工,2011,40(6):593-595去除率为848%,出水COD降到76mg/L,达到处理5田桂芝,张颖,肇薇测定化学需氧量(COD)的影响因素及改进要求。(2)H2O2质量浓度在0-115mg/L时,对COD方法[J].广州化工,2007,35(5):60-63呈正比例影响,且线性关系良好;体系中残余的6施银桃,姜武,夏东升,等.COD测定中氯离子的干扰及消除方HO2可对体系COD有168mg/L的正影响;调节温法研究[J.武汉科技学院学报,2004,17(4):20-24.度和p不适宜去除废水中低浓度的HO2(3)废水7]王兆江,陈克复,丁永奎,等.UV/ Fenton法处理制浆造纸废水相关因子筛选[J].中华纸业,2010(2):10-14经处理后大部分有机污染物被降解,部分木质素片段的芳环结构开裂转化成脂肪族羧酸有机物。[作者简介]何争光(1963教授。电话:13838172129参考文献E-mail:hezhengguang163@163.com[1]万金泉,马琶文,王艳,等.废纸造纸废水特点及其处理技术[J.[收稿日期]2014-10-17(修改稿)50工业水处理2014-12,34(12)吕石,等:液哨超声协同杀菌剂在循环水杀菌中的应用现阶段工业循环冷却水的杀菌方式主要是定泡内产生涡流,造成细胞内部结构的变化,影响细胞期投加杀菌剂,但大量杀菌剂的使用不仅会使微生的活性。物产生抗药性,而且杀菌剂的残留物与分解产物会超声同时会在水中产生自由基(HO>OH+对环境产生影响,因此绿色环保型杀菌方法成为H·),自由基会破坏细胞壁的化学结构,将微生物的目前研究的热点细胞壁削弱和分解,进而对微生物达到杀灭作用随着超声技术的发展,超声杀菌越来越受到人2实验部分们的重视。超声发生器整体上可分为电功率超声和机械式超声≌3。电功率超声由于自身的局限性,很21实验药品和仪器难用于工业循环水的杀菌,而机械超声因结构简氯化钠,分析纯,西陇化工股份有限公司;强氯单、牢固和便于维护维修6,更有利于工业化应用精、异噻唑晽酮,上海国药集团;营养肉汤、营养琼液哨超声发生器是机械超声中常见的一种,笔者研脂,国药集团化学试剂有限公司;FA1604N精密电究了液哨超声喷口的结构,对其进行优化,提高其子天平,天津市天马仪器厂;液哨超声发生器,自制;发声声强,并在模拟工业循环水的条件下考察液哨AMA240高压灭菌锅,郑州杜甫仪器厂;CS-3水听协同杀菌剂对循环水的灭菌效果。器,中科院声学研究所;SR8示波器,江苏扬中电子仪1液哨超声发生器器厂;水泵,1.85kW,广东永力泵业有限公司22液哨喷口优化1.1液哨的结构喷口是液哨超声发生器的一个重要组成部分,液哨超声发生器是利用液体作为动力源的声其结构优劣直接影响液哨的发生声强,而声强是决能換能器,又称簧片哨。液哨主要由1个喷口和1定超声杀菌效果的关键因素,低频率时,一般认为声个簧片组合而成,按结构主要分为支点式和悬臂强越大其灭菌效果越好,所以对液哨喷口进行优化式。液哨最早在1948年由R. Pohlman和W.是必需的步骤Janovsky发明,所以又称为 Pohlman- janovsky哨主要对喷口的形状(圆锥形和圆柱形),以及不其原理是液哨在液体中利用液体射流的振动来激同角度的圆锥形喷口进行研究,制作的圆锥形喷口发簧片的振动从而得到声波。笔者开发制作的液哨形状如图2所示。结构如图1所示。水流1液哨结构图2液哨喷口的结构1.2液哨超声杀菌的原理采用水听器和示波器测量声强,实验流程见图当超声作用于液体时会产生“超声空化效应”3,其中水槽容量为80L,泵流量为5m/h,实验使用超声波空化作用是指液体中的微气核空化泡在声波的作用下发生振动,当声压达到一定值时发生生液哨长和崩溃的动力学过程8。空化效应可分为稳态空化和瞬态空化。瞬态空化过程中,空化泡崩溃时会产生局部高温、高压,会造成细胞的破碎、酶的变性;同时,空化泡崩溃时还会在溶液中产生很大的水槽切应力和射流,这足以使细胞壁、细胞膜破碎,波器而稳态空化过程中会在周围液体及细胞产生微声流,这些微声流会引起细胞器转动,并在动植物液图3实验流程试验研究工业水处理2014-12,34(12)的簧片为不锈钢材料(簧片尺寸为14mm×l0mm×这是由于圆柱形喷口存在一个直角壁面,水流在此0.4mm)。在液哨中分别安装不同工艺条件的喷口,处会产生很大的局部阻力,从而减小水流的能量,使通过调节阀门确定液哨进水口的压力,根据示波器得其对簧片的冲击要比圆锥形喷口弱很多。此外,不读数可以测出各个喷口在不同压力下的声强同角度的锥形喷口对声强也有影响,45°喷口产生的2.3杀菌实验声强最大,30喷口次之,60喷口声强最小。原因在。(1)单独液哨杀菌实验。工业循环冷却水中的于圆锥形喷口的锥度越大,对水流的阻滞作用越明细菌主要以异养菌为主,故实验釆取平板法测量异显,出口处的流速就越小,从而影响水流对簧片的冲养菌数量的变化来评定杀菌效果。将500mL营养击力度:而锥度比较小时,会减少进人喷口的水流流肉汤和2L蒸馏水放人500mL循环冷却水(扬子量,对簧片的冲击力度也会减弱。后续实验选择45石化公司,异养菌数为56×104mL)中,在30℃下圆锥形喷口。培养48h得到细菌原液。取一定量的细菌原液倒05-45°喷口入水槽中,选择使用最佳工艺条件的喷口,打开水30°喷口泵,由于工业循环冷却水管道中的压力一般在0.3~04|6°喷口0.4MPa,为模拟循环水的条件,调节阀门使液哨超声发声器的进口压力维持在0.3MPa进行杀菌。杀203菌过程中每隔10min取样,共取9次样品,最后采取平板计数法计算杀菌率。2)液哨协同杀菌剂杀菌实验。杀菌剂采用北京某石化炼化厂大量使用的强氯精和异噻唑啉酮。在采用液哨杀菌的同时向水槽中加入定量杀菌剂,打开水泵进行杀菌,杀菌时间为30min,加入不同量的压力MPa杀菌剂重复以上步骤。图5不同角度圆锥形喷口的声强3结果与讨论3.2杀菌实验结果与讨论3.1不同尺寸喷口对声强的影响(1)单独使用液哨杀菌的实验结果。水槽中初始将不同尺寸的喷口分别安装在液哨中,调节进异养菌数量为12×10mL,在不加入任何药剂、实口压力,读出示波器振幅,计算喷口在不同压力下的验温度25℃、水压0.3MPa、簧片顶端距喷口2mm声强,结果见图4、图5。的条件下,单独使用液哨超声发生器进行杀菌,杀菌结果如表1所示。05·圆锥形喷口园柱形喷口表1液哨单独杀菌实验结果300.1由表1可以看出,单独使用液哨杀菌时,杀菌率在10min后随着杀菌时间的延长而增大,且最终的杀菌率可以达到39%。由此可见液哨超声对异养菌压力MPa具有明显的杀灭作用。图4不同形状喷口的声强2)液哨协同杀菌剂的实验结果。在25℃、由图4可以看出液哨产生的声强均随进口压0.3MPa条件下分别使用强氯精和异噻唑啉酮2种力的增加而变大,且不同形状的喷口对声强的影响杀菌剂协同液哨进行杀菌实验,杀菌时间30min,结较大。圆锥形喷口产生的声强明显大于圆柱形喷口,果如图6、图7所示工业水处理2014-12,34(12)吕石,等:液哨超声协同杀菌剂在循环水杀菌中的应用由表2、表3可见,在达到同样杀菌标准条件下(异养菌数量<1×105mL4),使用液哨超声可以减少41%~45%的杀菌剂用量4结论(1)液哨超声发生器喷口的最佳形状为圆锥形,最佳圆锥角度为45°。单独使用强氯精液哨协同强氯精(2)单独使用液哨超声对异养菌有明显的杀灭作用,在工业循环水条件下杀菌率可达39%。药剂添加量(mgL(3)液哨超声与杀菌剂有很好的协同作用,可提高杀菌剂的灭菌效率,在杀菌率相同的情况下,使用图6液哨协同强氯精杀菌结果液哨超声可减少41%~45%的杀菌剂用量,极大地提→°高了环境效益和经济效益参考文献[1]陈仪本,欧阳友生,黄小荣,工业杀菌剂[M],北京:化学工业出社,2001:132]张陈成,吕效平,韩萍芳.液哨超声在循环水杀菌的应用[J].化学反应工程与工艺,2012(1):70-7单独使用异噻唑啉酮[3]应崇福.超声学[M].北京:科学出版社,1990:495-506液唷协同异噻唑啉酮4]罗曾义,邓文海.悬臂式簧片哨工作特性的研究[J].声学技术,996,15(4):166-169药剂添加量/mgL)[5]路斌,关继腾,张建国,等.高声强流体动力式声源的研究现状与展望[J.石油机械,2002,30(4):45-48图7液哨协同异噻唑啉酮杀菌结果[6] Chand R, Bremner D H, Namkung K C, et al. Water disinfectionusing the novel approach of ozone and a liquid whistle reactor [J]从图6、图7可以看出,液哨超声与杀菌剂有良Biochemical Engineering Journal, 2007, 35(3): 357-30好的协同作用,在药剂添加量相同的情况下,加入(7]克洛福德超声工程[M杜连櫂,译,2版.北京:科学出版社液哨超声可以明显提高杀菌效果。分析原因,液哨1956:108-111超声本身有一定的杀菌作用,且簧片在液体中的振8 Bethany a m, James N J. Disinfection of wastewater using a20kHz动可以将一些菌落打散,异养菌更容易死亡;此外ultrasound unit[J]. Water Environment Research, 2002, 74(2): 159超声在液体中的空化作用会产生自由基,这些自由91sil、. Ogino C, Dadjour M F,eta. Sonocatalytic degradation基对细菌表面有一定破坏作用,从而使得杀菌剂更of methylene blue with TiO, pellets in water[J]. Ultrasonics Sono-容易扩散,提高其杀菌效率。可见液哨与杀菌剂协chemistry,2007,14(2):184-190.同作用可大幅提高杀菌率,具有良好的工业化应用10黄利波水力空化技术的实验研究与应用[D]西安:陕西师范前景。液哨与杀菌剂协同作用时药剂添加量见表2大学,200611]冯中营,水力空化的声学特性及其应用实验研究[D].西安:陕表3。西师范大学,2008表2达标时强氩精添加量对比结果[12 Furuta M, Yamaguchi M, Tsukamoto T, et al. Inactivation of Escher杀菌方法达标时药剂添杀菌率/chia coli by ultrasonic irradiation[ J]. Ultrasonics Sonochemistry加量/(mgL+)时间/min强氯精2004,I1(2):57-690.12液哨+强氯精表3达标时异噻唑啉酮添加量对比结果[作者简介]吕石(1988—),在读硕士研究生,电话:15903311392杀菌方法达标时药剂添加杀菌杀菌率/E-mail: Ishi324@163com。通讯联系人:吕效平,E-mail量/(mgL)时间/miplu@nul. edu. eno异噻唑晽酮90.79[收稿日期]2014-10-30(修改稿)液哨+异噻唑啉酮91.02