第34卷第12期工業(yè)水處理Vol 34 No 122014年12月Industrial Water TreatmentDeC.2014液哨超聲協(xié)同殺菌劑在循環(huán)水殺菌中的應(yīng)用呂石1,呂效平1,韓萍芳2(1.南京工業(yè)大學化學化工學院,江蘇南京210009;2南京工業(yè)大學生物與制藥工程學院,江蘇南京210009)[摘要]研究了一種液哨式機械超聲發(fā)生器,探討了液哨噴口結(jié)構(gòu)對聲強的影響,并采用液哨協(xié)同殺菌劑的方法對循環(huán)水進行殺菌處理。實驗結(jié)果表明,圓錐形噴口效果最佳,且最佳錐形角度為45°。在初始細菌數(shù)量為1.2×10mL、水壓0.3MPa條件下單獨使用液哨殺菌9omin,殺菌率可達到39%。液哨超聲和殺菌劑有良好的協(xié)同作用加人液哨超聲30min可以有效減少41%~45%的殺菌劑使用量,具有良好的環(huán)境效益和經(jīng)濟效益[關(guān)鍵詞]液哨;殺菌;循環(huán)水[中圖分類號]TQ0854[文獻標識碼]A[文章編號]1005-829X(2014)12-0050-04Application of liquid whistle ultrasound combined withbactericide to circulation water sterilizationLu shi Lu x(1. Department of Chemistry and Chemical Engineering, Nanjing Univers ity of TechnologNanjing 210009, China; 2. Department of Biotechnology and Pharmaceutical EngineerinNanjing University of Technology, Nanjing 210009, China)Abstract: A new liquid whistle ultrasonic generator has been studied. The effects of liquid whistle nozzle structure onhe 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. 2x10 mL, 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%-45% of bactericide dosage in 30 min with liquid whistle ultrasound. This method has good environKey words: liquid whistle; sterilization circulation water裂轉(zhuǎn)化成脂肪族化合物。這與相關(guān)研究結(jié)果一致造紙科學與技術(shù),2005,24(5):58-60.3結(jié)論[2 Kang N, Lee D S, Yoon J. Kinetic modeling of Fenton oxidation ofphenol and monochlorophenols[ J]. Chemosphere, 2002, 47(9): 91(1)采用預(yù)混凝- fenton氧化法深度處理造紙924廢水的最佳工藝參數(shù):A(SO)投加量為400mgL,3陸數(shù),測偉京,途勇,等,Fnm試劑深度處理廢紙造紙廢水試驗HO2投加量為8mmo/L,FeSO4·7HO投加量為6研究[J.湖北造紙,2010(2):19-214]吳桂峰,褚成新,張銀新,等.Al2(SO)3在造紙廢水不同處理階mmol/L,初始pH為4,反應(yīng)時間為40min。COD總段絮凝特性的研究[J].遼寧化工,2011,40(6):593-595去除率為84.8%,出水COD降到76mg{,達到處理51田桂芝,張穎,肇薇測定化學需氧量(COD)的影響因素及改進要求。(2)HO2質(zhì)量濃度在0-115mgL時,對COD方法[J].廣州化工,2007,35(5):60-63呈正比例影響,且線性關(guān)系良好;體系中殘余的6施銀桃,姜武,夏東升,等COD測定中氯離子的干擾及消除方HQO2可對體系COD有168mgL的正影響;調(diào)節(jié)溫法研究[門].武漢科技學院學報,2004,17(4):20-24.度和pH不適宜去除廢水中低濃度的HO2。(3)廢水[7)王兆江,陳克復(fù),丁水奎,等、UV/Fenm法處理制漿造紙廢水相關(guān)因子篩選[J.中華紙業(yè),2010(2):10-14經(jīng)處理后大部分有機污染物被降解,部分木質(zhì)素片段的芳環(huán)結(jié)構(gòu)開裂轉(zhuǎn)化成脂肪族羧酸有機物。作者簡介何爭光TH中國煤化工13838172129參考文獻CNMHG1]萬金泉,馬琶文,王艷,等.廢紙造紙廢水特點及其處理技術(shù)[J收稿日期]2014-10-17(修改稿)50工業(yè)水處理2014-12,34(12)呂石,等:液哨超聲協(xié)同殺菌劑在循環(huán)水殺菌中的應(yīng)用現(xiàn)階段工業(yè)循環(huán)冷卻水的殺菌方式主要是定泡內(nèi)產(chǎn)生渦流,造成細胞內(nèi)部結(jié)構(gòu)的變化,影響細胞期投加殺菌劑,但大量殺菌劑的使用不僅會使微生的活性物產(chǎn)生抗藥性,而且殺菌劑的殘留物與分解產(chǎn)物會超聲同時會在水中產(chǎn)生自由基2(HO>OH+對環(huán)境產(chǎn)生影響ψ),因此綠色環(huán)保型殺菌方法成為H·),自由基會破壞細胞壁的化學結(jié)構(gòu),將微生物的目前研究的熱點,細胞壁削弱和分解,進而對微生物達到殺滅作用隨著超聲技術(shù)的發(fā)展,超聲殺菌越來越受到人2實驗部分們的重視。超聲發(fā)生器整體上可分為電功率超聲和機械式超聲23。電功率超聲由于自身的局限性,很2.1實驗藥品和儀器難用于工業(yè)循環(huán)水的殺菌,而機械超聲因結(jié)構(gòu)簡氯化鈉,分析純,西隴化工股份有限公司;強氯單、牢固和便于維護維修4。,更有利于工業(yè)化應(yīng)用。精、異噻唑啉酮,上海國藥集團;營養(yǎng)肉湯、營養(yǎng)瓊液哨超聲發(fā)生器是機械超聲中常見的一種,筆者研脂,國藥集團化學試劑有限公司;FA604N精密電究了液哨超聲噴口的結(jié)構(gòu),對其進行優(yōu)化,提高其子天平,天津市天馬儀器廠;液哨超聲發(fā)生器,自制發(fā)聲聲強,并在模擬工業(yè)循環(huán)水的條件下考察液哨AMA240高壓滅菌鍋,鄭州杜甫儀器廠;CS-3水聽協(xié)同殺菌劑對循環(huán)水的滅菌效果。器,中科院聲學研究所;SR8示波器,江蘇揚中電子儀1液哨超聲發(fā)生器器廠;水泵,1.85kW,廣東永力泵業(yè)有限公司。2.2液哨噴口優(yōu)化1.1液哨的結(jié)構(gòu)噴口是液哨超聲發(fā)生器的一個重要組成部分液哨超聲發(fā)生器是利用液體作為動力源的聲其結(jié)構(gòu)優(yōu)劣直接影響液哨的發(fā)生聲強,而聲強是決能換能器,又稱簧片哨。液哨主要由1個噴口和1定超聲殺菌效果的關(guān)鍵因素,低頻率時,一般認為聲個簧片組合而成,按結(jié)構(gòu)主要分為支點式和懸臂強越大其滅菌效果越好,所以對液哨噴口進行優(yōu)化式。液哨最早在1948年由R. Pohlman和W.是必需的步驟。Janovsky發(fā)明,所以又稱為 Pohlman- Janovsky哨?。主要對噴口的形狀(圓錐形和圓柱形),以及不其原理是液哨在液體中利用液體射流的振動來激同角度的圓錐形噴口進行研究,制作的圓錐形噴口發(fā)簧片的振動從而得到聲波。筆者開發(fā)制作的液哨結(jié)構(gòu)如圖1所示水流水流圖1液哨結(jié)構(gòu)圖2液哨噴口的結(jié)構(gòu)1.2液哨超聲殺菌的原理采用水聽器和示波器測量聲強,實驗流程見圖當超聲作用于液體時會產(chǎn)生“超聲空化效應(yīng)”。3,其中水槽容量為80L,泵流量為5m/h,實驗使用超聲波空化作用是指液體中的微氣核空化泡在聲波的作用下發(fā)生振動,當聲壓達到一定值時發(fā)生生長和崩潰的動力學過程9?？栈?yīng)可分為穩(wěn)態(tài)空化和瞬態(tài)空化。瞬態(tài)空化過程中,空化泡崩潰時會產(chǎn)生局部高溫、高壓,會造成細胞的破碎、酶的變性;同時,空化泡崩潰時還會在溶液中產(chǎn)生很大的水槽切應(yīng)力和射流(0-,這足以使細胞壁、細胞膜破碎而穩(wěn)態(tài)空化過程中會在周圍液體及細胞產(chǎn)生微聲中國煤化工流,這些微聲流會引起細胞器轉(zhuǎn)動,并在動植物液CNMHG賣機試驗研究工業(yè)水處理2014-12,34(12)的簧片為不銹鋼材料(簧片尺寸為14mm×10mm×這是由于圓柱形噴口存在一個直角壁面,水流在此0.4mm)。在液哨中分別安裝不同工藝條件的噴口,處會產(chǎn)生很大的局部阻力,從而減小水流的能量,使通過調(diào)節(jié)閥門確定液哨進水口的壓力,根據(jù)示波器得其對簧片的沖擊要比圓錐形噴口弱很多。此外,不讀數(shù)可以測出各個噴口在不同壓力下的聲強。同角度的錐形噴口對聲強也有影響,45°噴口產(chǎn)生的2.3殺菌實驗聲強最大,30噴口次之,60°噴口聲強最小。原因在(1)單獨液哨殺菌實驗。工業(yè)循環(huán)冷卻水中的于圓錐形噴口的錐度越大,對水流的阻滯作用越明細菌主要以異養(yǎng)菌為主,故實驗采取平板法測量異顯,出口處的流速就越小,從而影響水流對簧片的沖養(yǎng)菌數(shù)量的變化來評定殺菌效果。將500mL營養(yǎng)擊力度:而錐度比較小時,會減少進入噴口的水流流肉湯和2L蒸餾水放入500mL循環(huán)冷卻水(揚子量,對簧片的沖擊力度也會減弱。后續(xù)實驗選擇45°石化公司,異養(yǎng)菌數(shù)為56×104mL)中,在30℃下圓錐形噴口。培養(yǎng)48h得到細菌原液。取一定量的細菌原液倒05「45°噴口入水槽中,選擇使用最佳工藝條件的噴口.打開水噴口泵,由于工業(yè)循環(huán)冷卻水管道中的壓力一般在03044-60°噴口0.4MPa,為模擬循環(huán)水的條件,調(diào)節(jié)閥門使液哨超03聲發(fā)聲器的進口壓力維持在0.3MPa進行殺菌。殺菌過程中每隔10min取樣,共取9次樣品,最后采取平板計數(shù)法計算殺菌率(2)液哨協(xié)同殺菌劑殺菌實驗。殺菌劑采用北京某石化煉化廠大量使用的強氯精和異噻唑啉酮。在采用液哨殺菌的同時向水槽中加人定量殺菌劑,打開水泵進行殺菌,殺菌時間為30min,加入不同量的壓力MPa殺菌劑重復(fù)以上步驟。圖5不同角度圓錐形噴口的聲強3結(jié)果與討論3.2殺菌實驗結(jié)果與討論3.1不同尺寸噴口對聲強的影響(1)單獨使用液哨殺菌的實驗結(jié)果。水槽中初始將不同尺寸的噴口分別安裝在液哨中,調(diào)節(jié)進異養(yǎng)菌數(shù)量為12×00m,在不加入任何藥劑、實口壓力,讀出示波器振幅,計算噴口在不同壓力下的驗溫度25℃、水壓03MP、簧片頂端距噴日2mm聲強,結(jié)果見圖4、圖5。的條件下,單獨使用液哨超聲發(fā)生器進行殺菌,殺菌結(jié)果如表1所示。園錐形噴口圓柱形噴口表1液哨單獨殺菌實驗結(jié)果滅菌率/%時間/min滅菌率/%35.7137.30.1由表1可以看出,單獨使用液哨殺菌時,殺菌率在10min后隨著殺菌時間的延長而增大,且最終的殺菌率可以達到39%。由此可見液哨超聲對異養(yǎng)菌壓力MPa具有明顯的殺滅作用。圖4不同形狀噴口的聲強(2)液哨協(xié)同殺菌劑的實驗結(jié)果。在25℃由圖4可以看出液哨產(chǎn)生的聲強均隨進口壓0.3MPa條件下八W砦和已唑啉酮2種力的增加而變大,且不同形狀的噴口對聲強的影響殺菌劑協(xié)同液中國煤化工0min.結(jié)較大。圓錐形噴口產(chǎn)生的聲強明顯大于圓柱形w,如圖6、圖7CNMHG工業(yè)水處理2014-12,34(12)呂石,等:液哨超聲協(xié)同殺菌劑在循環(huán)水殺菌中的應(yīng)用由表2、表3可見,在達到同樣殺菌標準條件下(異養(yǎng)菌數(shù)量<1×105mL-),使用液哨超聲可以減少41%~45%的殺菌劑用量。4結(jié)論(1)液哨超聲發(fā)生器噴口的最佳形狀為圓錐形最佳圓錐角度為45°。魯單獨使用強氯精一液哨協(xié)同強氯精(2)單獨使用液哨超聲對異養(yǎng)菌有明顯的殺滅作用,在工業(yè)循環(huán)水條件下殺菌率可達39%藥劑添加量(mgL)(3)液哨超聲與殺菌劑有很好的協(xié)同作用,可提高殺菌劑的滅菌效率,在殺菌率相同的情況下,使用圖6液哨協(xié)同強氯精殺菌結(jié)果液哨超聲可減少41%-45%的殺菌劑用量,極大地提高了環(huán)境效益和經(jīng)濟效益。參考文獻[]陳儀本,歐陽友生,黃小榮.工業(yè)殺菌劑[M].北京:化學工業(yè)出版社,2001:132]張陳成,呂效平,韓萍芳.液哨超聲在循環(huán)水殺菌的應(yīng)用[J].化學反應(yīng)工程與工藝,2012(1):70-74單獨使用異噻唑啉酮[3]應(yīng)崇福.超聲學[M].北京:科學出版社,1990:495-506◆液哨協(xié)同異噻唑啉酮4]羅曾義,鄧文海.懸臂式簧片哨工作特性的研究[J].聲學技術(shù),1996,15(4):166-169藥劑添加量/mgL)5]路斌,關(guān)繼騰,張建國,等.高聲強流體動力式聲源的研究現(xiàn)狀與展望[J].石油機械,2002,30(4):45-48圖7液哨協(xié)同異噻唑啉酮殺菌結(jié)果[6 Chand R, Bremner D H, Namkung K C, et al. Water disinfectionand a liquid從圖6、圖7可以看出,液哨超聲與殺菌劑有良Biochemical Engineering Journal, 2007, 35(3): 357-364好的協(xié)同作用,在藥劑添加量相同的情況下,加入(7]克洛福德超聲工程[M]杜連耀,譯,2版,北京:科學出版社液哨超聲可以明顯提高殺菌效果。分析原因,液哨1956:108-111超聲本身有一定的殺菌作用,且簧片在液體中的振8 Bethany A M, .ames N. Disinfection of wastewater using a20-kH動可以將一些菌落打散,異養(yǎng)菌更容易死亡;此外ultrasound unit[J]. Water Environment Research, 2002, 74(2): 159超聲在液體中的空化作用會產(chǎn)生自由基,這些自由[9] Shimizu N, Ogino C, Dadjour M F, et al. Sonocatalytic degradation基對細菌表面有一定破壞作用,從而使得殺菌劑更of methylene blue with TiO, pellets in water[ J]. Ultrasonics Sono容易擴散,提高其殺菌效率?？梢娨荷谂c殺菌劑協(xié)chemistry,2007,14(2):184-190.同作用可大幅提高殺菌率,具有良好的工業(yè)化應(yīng)用101黃利波水力空化技術(shù)的實驗研究與應(yīng)用D]西安:陜西師范大學,2006前景。液哨與殺菌劑協(xié)同作用時藥劑添加量見表2、m1馮中營水力空化的聲學特性及其應(yīng)用實驗研究[D]西安:陜表3。西師范大學,2008表2達標時強氦氯精添加量對比結(jié)果[12 Furuta M, Yamaguchi M, Tsukamoto T, et al. Inactivation of Es殺菌方法達標時藥劑添殺菌率/trasoradiation[J]. Ultrasonics Sonochemistry強氯精2004,I1(2):57-60液哨+強氯精表3達標時異噻唑啉酮添加量對比結(jié)果[作者簡介]呂石(1988—),在讀碩士研究生,電話:15903311392E殺菌方法達標時藥劑添加殺菌殺菌率/中國煤化工:呂效平,Emil量/(mgL)異噻唑啉酮90.79CNMHG30[收稿日期]2014-10-50(修改)液哨+異噻唑啉酮