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,韓萍芳2(1.南京工業(yè)大學(xué)化學(xué)化工學(xué)院,江蘇南京210009;2.南京工業(yè)大學(xué)生物與制藥工程學(xué)院,江蘇南京210009)[摘要]研究了一種液哨式機(jī)械超聲發(fā)生器,探討了液哨噴口結(jié)構(gòu)對(duì)聲強(qiáng)的影響,并采用液哨協(xié)同殺菌劑的方法對(duì)循環(huán)水進(jìn)行殺菌處理。實(shí)驗(yàn)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(xì)菌數(shù)量為1.2×10mL、水壓0.3MPa條件下單獨(dú)使用液哨殺菌9omin,殺菌率可達(dá)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(jì)效益。[關(guān)鍵詞]液哨;殺菌;循環(huán)水[中圖分類(lèi)號(hào)]TQ0854[文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼]A[文章編號(hào)]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(xué)與技術(shù),2005,24(5):58-603結(jié)論[2 Kang N, Lee D $, Yoon J. Kinetic modeling of Fenton oxidation ofphenol and monochlorophenols[J]. Chemosphere, 2002, 47(9):915-(1)采用預(yù)混凝一 Fenton氧化法深度處理造紙廢水的最佳工藝參數(shù):Al2(SO4)3投加量為400mg/[3]陸賢,劉偉京,涂勇,等. Fenton試劑深度處理廢紙?jiān)旒垙U水試驗(yàn)HO2投加量為8mmo/L,FeSO4·7H2O投加量為6研究[J.湖北造紙,2010(2):19-21.[4]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(shí)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848%,出水COD降到76mg/L,達(dá)到處理5田桂芝,張穎,肇薇測(cè)定化學(xué)需氧量(COD)的影響因素及改進(jìn)要求。(2)H2O2質(zhì)量濃度在0-115mg/L時(shí),對(duì)COD方法[J].廣州化工,2007,35(5):60-63呈正比例影響,且線(xiàn)性關(guān)系良好;體系中殘余的6施銀桃,姜武,夏東升,等.COD測(cè)定中氯離子的干擾及消除方HO2可對(duì)體系COD有168mg/L的正影響;調(diào)節(jié)溫法研究[J.武漢科技學(xué)院學(xué)報(bào),2004,17(4):20-24.度和p不適宜去除廢水中低濃度的HO2(3)廢水7]王兆江,陳克復(fù),丁永奎,等.UV/ Fenton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(jī)污染物被降解,部分木質(zhì)素片段的芳環(huán)結(jié)構(gòu)開(kāi)裂轉(zhuǎn)化成脂肪族羧酸有機(jī)物。[作者簡(jiǎn)介]何爭(zhēng)光(1963教授。電話(huà):13838172129參考文獻(xiàn)E-mail:hezhengguang163@163.com[1]萬(wàn)金泉,馬琶文,王艷,等.廢紙?jiān)旒垙U水特點(diǎn)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(xì)胞內(nèi)部結(jié)構(gòu)的變化,影響細(xì)胞期投加殺菌劑,但大量殺菌劑的使用不僅會(huì)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(huì)超聲同時(shí)會(huì)在水中產(chǎn)生自由基(HO>OH+對(duì)環(huán)境產(chǎn)生影響,因此綠色環(huán)保型殺菌方法成為H·),自由基會(huì)破壞細(xì)胞壁的化學(xué)結(jié)構(gòu),將微生物的目前研究的熱點(diǎn)細(xì)胞壁削弱和分解,進(jìn)而對(duì)微生物達(dá)到殺滅作用隨著超聲技術(shù)的發(fā)展,超聲殺菌越來(lái)越受到人2實(shí)驗(yàn)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(jī)械式超聲≌3。電功率超聲由于自身的局限性,很21實(shí)驗(yàn)藥品和儀器難用于工業(yè)循環(huán)水的殺菌,而機(jī)械超聲因結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)氯化鈉,分析純,西隴化工股份有限公司;強(qiáng)氯單、牢固和便于維護(hù)維修6,更有利于工業(yè)化應(yīng)用精、異噻唑晽酮,上海國(guó)藥集團(tuán);營(yíng)養(yǎng)肉湯、營(yíng)養(yǎng)瓊液哨超聲發(fā)生器是機(jī)械超聲中常見(jiàn)的一種,筆者研脂,國(guó)藥集團(tuán)化學(xué)試劑有限公司;FA1604N精密電究了液哨超聲噴口的結(jié)構(gòu),對(duì)其進(jìn)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(qiáng),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(tīng)協(xié)同殺菌劑對(duì)循環(huán)水的滅菌效果。器,中科院聲學(xué)研究所;SR8示波器,江蘇揚(yáng)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22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(gè)重要組成部分,液哨超聲發(fā)生器是利用液體作為動(dòng)力源的聲其結(jié)構(gòu)優(yōu)劣直接影響液哨的發(fā)生聲強(qiáng),而聲強(qiáng)是決能換能器,又稱(chēng)簧片哨。液哨主要由1個(gè)噴口和1定超聲殺菌效果的關(guān)鍵因素,低頻率時(shí),一般認(rèn)為聲個(gè)簧片組合而成,按結(jié)構(gòu)主要分為支點(diǎn)式和懸臂強(qiáng)越大其滅菌效果越好,所以對(duì)液哨噴口進(jìn)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(chēng)為 Pohlman- janovsky哨主要對(duì)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(dòng)來(lái)激同角度的圓錐形噴口進(jìn)行研究,制作的圓錐形噴口發(fā)簧片的振動(dòng)從而得到聲波。筆者開(kāi)發(fā)制作的液哨形狀如圖2所示。結(jié)構(gòu)如圖1所示。水流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(tīng)器和示波器測(cè)量聲強(qiáng),實(shí)驗(yàn)流程見(jiàn)圖當(dāng)超聲作用于液體時(shí)會(huì)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(shí)驗(yàn)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(dòng),當(dāng)聲壓達(dá)到一定值時(shí)發(fā)生生液哨長(zhǎng)和崩潰的動(dòng)力學(xué)過(guò)程8?？栈?yīng)可分為穩(wěn)態(tài)空化和瞬態(tài)空化。瞬態(tài)空化過(guò)程中,空化泡崩潰時(shí)會(huì)產(chǎn)生局部高溫、高壓,會(huì)造成細(xì)胞的破碎、酶的變性;同時(shí),空化泡崩潰時(shí)還會(huì)在溶液中產(chǎn)生很大的水槽切應(yīng)力和射流,這足以使細(xì)胞壁、細(xì)胞膜破碎,波器而穩(wěn)態(tài)空化過(guò)程中會(huì)在周?chē)后w及細(xì)胞產(chǎn)生微聲流,這些微聲流會(huì)引起細(xì)胞器轉(zhuǎn)動(dòng),并在動(dòng)植物液圖3實(shí)驗(yàn)流程試驗(yàn)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×l0mm×這是由于圓柱形噴口存在一個(gè)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(huì)產(chǎn)生很大的局部阻力,從而減小水流的能量,使通過(guò)調(diào)節(jié)閥門(mén)確定液哨進(jìn)水口的壓力,根據(jù)示波器得其對(duì)簧片的沖擊要比圓錐形噴口弱很多。此外,不讀數(shù)可以測(cè)出各個(gè)噴口在不同壓力下的聲強(qiáng)同角度的錐形噴口對(duì)聲強(qiáng)也有影響,45°噴口產(chǎn)生的2.3殺菌實(shí)驗(yàn)聲強(qiáng)最大,30噴口次之,60噴口聲強(qiáng)最小。原因在。(1)單獨(dú)液哨殺菌實(shí)驗(yàn)。工業(yè)循環(huán)冷卻水中的于圓錐形噴口的錐度越大,對(duì)水流的阻滯作用越明細(xì)菌主要以異養(yǎng)菌為主,故實(shí)驗(yàn)釆取平板法測(cè)量異顯,出口處的流速就越小,從而影響水流對(duì)簧片的沖養(yǎng)菌數(shù)量的變化來(lái)評(píng)定殺菌效果。將500mL營(yíng)養(yǎng)擊力度:而錐度比較小時(shí),會(huì)減少進(jìn)人噴口的水流流肉湯和2L蒸餾水放人500mL循環(huán)冷卻水(揚(yáng)子量,對(duì)簧片的沖擊力度也會(huì)減弱。后續(xù)實(shí)驗(yàn)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(xì)菌原液。取一定量的細(xì)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(kāi)水30°噴口泵,由于工業(yè)循環(huán)冷卻水管道中的壓力一般在0.3~04|6°噴口0.4MPa,為模擬循環(huán)水的條件,調(diào)節(jié)閥門(mén)使液哨超聲發(fā)聲器的進(jìn)口壓力維持在0.3MPa進(jìn)行殺菌。殺203菌過(guò)程中每隔10min取樣,共取9次樣品,最后采取平板計(jì)數(shù)法計(jì)算殺菌率。2)液哨協(xié)同殺菌劑殺菌實(shí)驗(yàn)。殺菌劑采用北京某石化煉化廠大量使用的強(qiáng)氯精和異噻唑啉酮。在采用液哨殺菌的同時(shí)向水槽中加入定量殺菌劑,打開(kāi)水泵進(jìn)行殺菌,殺菌時(shí)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(qiáng)3結(jié)果與討論3.2殺菌實(shí)驗(yàn)結(jié)果與討論3.1不同尺寸噴口對(duì)聲強(qiáng)的影響(1)單獨(dú)使用液哨殺菌的實(shí)驗(yàn)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(jìn)異養(yǎng)菌數(shù)量為12×10mL,在不加入任何藥劑、實(shí)口壓力,讀出示波器振幅,計(jì)算噴口在不同壓力下的驗(yàn)溫度25℃、水壓0.3MPa、簧片頂端距噴口2mm聲強(qiáng),結(jié)果見(jiàn)圖4、圖5。的條件下,單獨(dú)使用液哨超聲發(fā)生器進(jìn)行殺菌,殺菌結(jié)果如表1所示。05·圓錐形噴口園柱形噴口表1液哨單獨(dú)殺菌實(shí)驗(yàn)結(jié)果300.1由表1可以看出,單獨(dú)使用液哨殺菌時(shí),殺菌率在10min后隨著殺菌時(shí)間的延長(zhǎng)而增大,且最終的殺菌率可以達(dá)到39%。由此可見(jiàn)液哨超聲對(duì)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(qiáng)2)液哨協(xié)同殺菌劑的實(shí)驗(yàn)結(jié)果。在25℃、由圖4可以看出液哨產(chǎn)生的聲強(qiáng)均隨進(jìn)口壓0.3MPa條件下分別使用強(qiáng)氯精和異噻唑啉酮2種力的增加而變大,且不同形狀的噴口對(duì)聲強(qiáng)的影響殺菌劑協(xié)同液哨進(jìn)行殺菌實(shí)驗(yàn),殺菌時(shí)間30min,結(jié)較大。圓錐形噴口產(chǎn)生的聲強(qiáng)明顯大于圓柱形噴口,果如圖6、圖7所示工業(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(jiàn),在達(dá)到同樣殺菌標(biāo)準(zhǔn)條件下(異養(yǎng)菌數(shù)量<1×105mL4),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°。單獨(dú)使用強(qiáng)氯精液哨協(xié)同強(qiáng)氯精(2)單獨(dú)使用液哨超聲對(duì)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(dá)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(qiáng)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(jì)效益參考文獻(xiàn)[1]陳儀本,歐陽(yáng)友生,黃小榮,工業(yè)殺菌劑[M],北京:化學(xué)工業(yè)出社,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(xué)反應(yīng)工程與工藝,2012(1):70-7單獨(dú)使用異噻唑啉酮[3]應(yīng)崇福.超聲學(xué)[M].北京:科學(xué)出版社,1990:495-506液唷協(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(xué)技術(shù),996,15(4):166-169藥劑添加量/mgL)[5]路斌,關(guān)繼騰,張建國(guó),等.高聲強(qiáng)流體動(dòng)力式聲源的研究現(xiàn)狀與展望[J.石油機(jī)械,2002,30(4):45-48圖7液哨協(xié)同異噻唑啉酮?dú)⒕Y(jié)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]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): 357-30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杜連櫂,譯,2版.北京:科學(xué)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, James N J. Disinfection of wastewater using a20kHz動(dòng)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(huì)產(chǎn)生自由基,這些自由91sil、. Ogino C, Dadjour M F,eta. Sonocatalytic degradation基對(duì)細(xì)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(kuò)散,提高其殺菌效率?？梢?jiàn)液哨與殺菌劑協(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10黃利波水力空化技術(shù)的實(shí)驗(yàn)研究與應(yīng)用[D]西安:陜西師范前景。液哨與殺菌劑協(xié)同作用時(shí)藥劑添加量見(jiàn)表2大學(xué),200611]馮中營(yíng),水力空化的聲學(xué)特性及其應(yīng)用實(shí)驗(yàn)研究[D].西安:陜表3。西師范大學(xué),2008表2達(dá)標(biāo)時(shí)強(qiáng)氬精添加量對(duì)比結(jié)果[12 Furuta M, Yamaguchi M, Tsukamoto T, et al. Inactivation of Escher殺菌方法達(dá)標(biāo)時(shí)藥劑添殺菌率/chia coli by ultrasonic irradiation[ J]. Ultrasonics Sonochemistry加量/(mgL+)時(shí)間/min強(qiáng)氯精2004,I1(2):57-690.12液哨+強(qiáng)氯精表3達(dá)標(biāo)時(shí)異噻唑啉酮添加量對(duì)比結(jié)果[作者簡(jiǎn)介]呂石(1988—),在讀碩士研究生,電話(huà):15903311392殺菌方法達(dá)標(biāo)時(shí)藥劑添加殺菌殺菌率/E-mail: Ishi324@163com。通訊聯(lián)系人:呂效平,E-mail量/(mgL)時(shí)間/miplu@nul. edu. eno異噻唑晽酮90.79[收稿日期]2014-10-30(修改稿)液哨+異噻唑啉酮91.02