(浙江工業(yè)大學(xué) 建筑工程學(xué)院，浙江 杭州 310023)

生活飲用水的安全直接關(guān)乎人類的生存，是經(jīng)濟(jì)發(fā)展的必要要素。氯消毒是飲用水最常用的消毒方法，氯具有氧化性能好、存儲(chǔ)方便和使用簡(jiǎn)單等優(yōu)點(diǎn)，這些優(yōu)點(diǎn)讓加氯消毒被廣泛認(rèn)可。然而，近年來(lái)研究人員發(fā)現(xiàn)加氯消毒的種種弊端，氯消毒過(guò)程中常常產(chǎn)生一些消毒副產(chǎn)物(如三鹵甲烷THMs、鹵乙酸HAAs等)[1-2]，這些副產(chǎn)物對(duì)人的健康構(gòu)成巨大威脅[3]。研究表明臭氧在消毒過(guò)程中會(huì)與水中的腐殖酸類或者溴離子等產(chǎn)生溴酸鹽等毒害物質(zhì)[4]。筆者所討論的水力空化消毒技術(shù)具有效率高、無(wú)污染和費(fèi)用低等特點(diǎn)，其原理是：當(dāng)水流在一定水力環(huán)境下會(huì)誘發(fā)水力空化現(xiàn)象，空化產(chǎn)生的空泡發(fā)展?jié)邕^(guò)程會(huì)形成微射流(70～180 m/s)和沖擊波，使得微生物細(xì)胞發(fā)生破壞[5]。此外，空泡潰滅時(shí)還會(huì)產(chǎn)生局部高溫、高壓，此時(shí)水分子將發(fā)生化學(xué)反應(yīng)，產(chǎn)生強(qiáng)氧化物質(zhì)H2O2和·OH，作用于水體病原微生物表面，破壞其細(xì)胞結(jié)構(gòu)[6]。近年來(lái)，國(guó)內(nèi)外學(xué)者對(duì)水力空化消毒技術(shù)進(jìn)行了初步研究。Jyoti等[7]在研究如何減少臭氧消毒過(guò)程中產(chǎn)生的有毒副產(chǎn)品時(shí)，利用了水力空化技術(shù)和臭氧聯(lián)用的方式，將臭氧的投加量減少到原來(lái)的1/2甚至1/3，有效提升了消毒效率。Milly等[8]利用水力空化技術(shù)殺滅液態(tài)食品中的細(xì)菌，發(fā)現(xiàn)該技術(shù)能有效滅活液態(tài)奶和各類果汁中的有害微生物，延長(zhǎng)該類產(chǎn)品的保質(zhì)期。張曉冬等[9]通過(guò)對(duì)比經(jīng)過(guò)文丘里管空化發(fā)生器和不經(jīng)過(guò)空化發(fā)生器的含菌污水處理90 min后的細(xì)菌滅活率，發(fā)現(xiàn)水力空化消毒技術(shù)具有高效、環(huán)保等特點(diǎn)。董志勇等[10]試驗(yàn)研究了文丘里喉部長(zhǎng)徑比、喉部流速、空化作用時(shí)間、原水初始濃度、空化數(shù)等因子對(duì)水力空化殺滅原水中病原微生物的影響，提出空泡潰滅時(shí)產(chǎn)生的微射流、沖擊波會(huì)使病原微生物的細(xì)胞發(fā)生空蝕破壞。筆者基于水力學(xué)實(shí)驗(yàn)室自主研發(fā)的水力空化反應(yīng)裝置，通過(guò)變換多孔板與文丘里管的組合形式，以原水中大腸桿菌、菌落總數(shù)為病原微生物的指示菌，通過(guò)改變文丘里管組合形式、孔口排列、喉部流速、水力空化作用時(shí)間和原水初始體積分?jǐn)?shù)，得到空化過(guò)程中不同時(shí)刻的菌落總數(shù)和大腸桿菌滅活率，并得出最佳組合形式。

1 實(shí)驗(yàn)裝置與方法

1.1 實(shí)驗(yàn)裝置

本實(shí)驗(yàn)裝置示意圖如圖1所示，待處理的原水可預(yù)先倒入內(nèi)筒水箱，裝置運(yùn)行時(shí)，由兩臺(tái)串聯(lián)的離心泵提供動(dòng)力將內(nèi)筒水箱中的原水抽送到裝置主管道，并流經(jīng)水力空化工作段，此處是空化作用主要發(fā)生段。本裝置設(shè)有3 只壓力表，具體位置如圖1所示。工作段底部設(shè)有可連接壓力數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)YE6263的測(cè)壓點(diǎn)，工作段側(cè)面和頂部均設(shè)有有機(jī)玻璃觀察窗，轉(zhuǎn)子流量計(jì)用于測(cè)量回路流量。

1—內(nèi)筒；2—閥門；3—離心泵；4—壓力表；5—水力空化工作段；6—轉(zhuǎn)子流量計(jì)；7—冷卻外筒圖1 實(shí)驗(yàn)裝置示意圖Fig.1 Sketch of experimental setup

1.2 水力空化工作段

實(shí)驗(yàn)所用方形孔口多孔板為50 mm×50 mm×5 mm的不銹鋼板，孔口數(shù)量分為9 孔和25 孔，其中25 孔又分為交錯(cuò)式和棋盤式排布兩種，共計(jì)3 種孔板。如圖2所示，為了方便描述，此處記9 孔棋盤式多孔板為板1，25 孔棋盤式多孔板為板2，25 孔交錯(cuò)式多孔板為板3，且3 種多孔板的孔口總面積均為182.25 mm2。除了多孔板段，筆者設(shè)計(jì)了由兩種長(zhǎng)度的喉部和兩種擴(kuò)散角的擴(kuò)散段組成的4 種文丘里管組合形式，如表1所示[11]。

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

組合編號(hào)組合形式A1喉部300 mm+擴(kuò)散角4.3°A2喉部300 mm+擴(kuò)散角5.7°A3喉部150 mm+擴(kuò)散角4.3°A4喉部150 mm+擴(kuò)散角5.7°

1.3 實(shí)驗(yàn)方案

首先，將取自杭州市勝利河的原水分別稀釋成體積分?jǐn)?shù)為25%，50%，75%，100%的原水，倒入容量為110 L的內(nèi)筒水箱。原水水樣中大腸桿菌濃度為1 400～3 100 CFU/mL，菌落總數(shù)濃度為9.4×104～1.5×105CFU/mL。通過(guò)改變多孔板(板1、板2、板3)與四種文丘里管(A1，A2，A3，A4)的組合形式，進(jìn)行水力空化滅活病原微生物實(shí)驗(yàn)。實(shí)驗(yàn)流量用玻璃轉(zhuǎn)子流量計(jì)測(cè)量。當(dāng)開(kāi)啟離心泵水流運(yùn)轉(zhuǎn)穩(wěn)定后，在0，2，5，10，15，20，25 min用指定的有蓋試管在循環(huán)內(nèi)筒分別取相應(yīng)處理水樣，并測(cè)得對(duì)應(yīng)時(shí)刻的水樣溫度和流量，用YE6263壓力數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)測(cè)定工作段壓力。

其次，用1 mL滅菌移液管與10 mL試管，配制稀釋10，100，1 000倍的稀釋液，用移液管取0.1 mL稀釋液分別在瓊脂培養(yǎng)基(或伊紅美藍(lán)培養(yǎng)基)表層涂布均勻，為了減少實(shí)驗(yàn)誤差，此處取兩組培養(yǎng)基，計(jì)算濃度時(shí)取平均值。涂布后轉(zhuǎn)至37 ℃恒溫培養(yǎng)箱中靜置48 h后取樣計(jì)數(shù)，并乘以相應(yīng)稀釋倍數(shù)，得到第i分鐘的菌落總數(shù)濃度(或大腸桿菌濃度)，代入滅活率公式，得到

(1)

式中：η為滅活率；Ci為第i分鐘取樣點(diǎn)的菌落總數(shù)濃度(或大腸桿菌濃度)，CFU/mL；C為原水初始體積分?jǐn)?shù)下的菌落總數(shù)濃度(或大腸桿菌濃度)，CFU/mL。

2 實(shí)驗(yàn)結(jié)果與分析

2.1 空化數(shù)對(duì)滅活率的影響

空化數(shù)是一個(gè)無(wú)量綱量，常用來(lái)描述水力空化發(fā)生程度，記作CV，常用經(jīng)典托馬公式計(jì)算，其表達(dá)式為[12]

(2)

式中：V為液體未受擾動(dòng)的來(lái)流流速；p0為測(cè)點(diǎn)對(duì)應(yīng)的絕對(duì)壓強(qiáng)；pV為在相應(yīng)溫度下液體的飽和蒸汽壓強(qiáng)；ρ為水的密度，kg/m3；飽和蒸汽壓取實(shí)驗(yàn)水溫T=39 ℃時(shí)，pV=6.994 2 kPa。

取A3文丘里管(喉部150 mm+擴(kuò)散角4.3°)分別與3 種多孔板(板1、板2、板3)組合，以原水初始體積分?jǐn)?shù)50%為例，運(yùn)行25 min，圖3，4分別是3 種工況下空化數(shù)與菌落總數(shù)滅活率、大腸桿菌滅活率的關(guān)系。3 種多孔板對(duì)應(yīng)工況下的空化數(shù)見(jiàn)表2。

表2 多孔板與文丘里管組合式水力參數(shù)

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

多孔板類型喉部流速/(m·s-1)喉部測(cè)點(diǎn)平均壓強(qiáng)/kPa空化數(shù)CV板120.90.1520.433板221.20.0520.420板321.40.2380.413

從圖3，4中可以看出：菌落總數(shù)和大腸桿菌的滅活率均隨空化數(shù)降低而增加。板3工況的滅活率略優(yōu)于板2，板2工況的滅活率又優(yōu)于板1。這是因?yàn)榭栈瘮?shù)越低，其流場(chǎng)的空化程度越大，此時(shí)流場(chǎng)內(nèi)部局部會(huì)產(chǎn)生更多的強(qiáng)氧化性物質(zhì)，且流場(chǎng)產(chǎn)生的微射流、沖擊波也增強(qiáng)，由此導(dǎo)致機(jī)械剪切效應(yīng)更顯著，從而提高滅活率。

圖3 不同空化數(shù)下菌落總數(shù)的滅活率Fig.3 Inactivation rate of total colony count under different cavitation numbers

圖4 不同空化數(shù)下大腸桿菌的滅活率Fig.4 Inactivation rate of Escherichia coli under different cavitation numbers

2.2 水力空化作用時(shí)間對(duì)滅活率的影響

選取A2文丘里管(喉部300 mm+擴(kuò)散角5.7°)與25 孔交錯(cuò)式多孔板組合，以原水初始體積分?jǐn)?shù)25%為例。雙泵工況下(喉部流速V=21.2 m/s)，得到菌落總數(shù)、大腸桿菌滅活率與水力空化作用時(shí)間的關(guān)系如圖5所示。從圖5中可以看出：隨著空化作用時(shí)間的增加，原水中菌落總數(shù)和大腸桿菌的滅活率隨之增大，當(dāng)運(yùn)行15 min時(shí)，大腸桿菌滅活率可達(dá)到100%；運(yùn)行20 min時(shí)，菌落總數(shù)滅活率達(dá)到83.14%，并有隨水力空化作用時(shí)間增加而繼續(xù)增大的趨勢(shì)。這是因?yàn)樵诳栈b置中不斷循環(huán)，在水力空化段不斷發(fā)生空化效應(yīng)，由此增加了空泡對(duì)菌落總數(shù)、大腸桿菌的作用次數(shù)，從而提高了滅活率。

圖5 不同水力空化作用時(shí)間的滅活率Fig.5 Inactivation rate under different treatment time

2.3 喉部流速對(duì)滅活率的影響

圖6 不同喉部流速下大腸桿菌的滅活率Fig.6 Inactivation rate of Escherichia coli under different throat velocities

2.4 文丘里管組合對(duì)滅活率的影響

分別選取4 種文丘里管(A1，A2，A3，A4)與25 孔交錯(cuò)式多孔板進(jìn)行組合，以原水初始體積分?jǐn)?shù)50%為例。雙泵運(yùn)行25 min，分析不同文丘里管組合對(duì)菌落總數(shù)滅活率的影響，4 種文丘里管組合工況下，菌落總數(shù)滅活率實(shí)驗(yàn)結(jié)果如圖7所示。實(shí)驗(yàn)表明：A1組合具有最佳的滅活率，其次為A2組合，A3與A4組合沒(méi)有明顯優(yōu)劣。這是因?yàn)樗髁鹘?jīng)多孔板段后進(jìn)入文丘里管喉部段，喉部段壓強(qiáng)逐漸降低，當(dāng)喉部長(zhǎng)度較短時(shí)(喉部150 mm)，水流尚未全部發(fā)生空化就進(jìn)入擴(kuò)散段升壓區(qū)，產(chǎn)生的空泡數(shù)量較少；當(dāng)喉部長(zhǎng)度為300 mm時(shí)，產(chǎn)生的空泡數(shù)量較多，有利于發(fā)生空化效應(yīng)。

圖7 不同文丘里管組合下菌落總數(shù)的滅活率Fig.7 Inactivation rate of total colony count under different combinations of Venturi tubes

2.5 原水初始體積分?jǐn)?shù)對(duì)滅活率的影響

以A1文丘里管(喉部300 mm+擴(kuò)散角4.3°)與9 孔棋盤式多孔板組合、A2文丘里管(喉部300 mm+擴(kuò)散角5.7°)與25 孔交錯(cuò)式多孔板組合以及A3文丘里管(喉部150 mm+擴(kuò)散角4.3°)與25 孔棋盤式多孔板組合為例，分別配制不同體積分?jǐn)?shù)的原水(25%，50%，75%和100%)，考察原水初始體積分?jǐn)?shù)對(duì)菌落總數(shù)和大腸桿菌滅活率的影響，實(shí)驗(yàn)結(jié)果如圖8所示。實(shí)驗(yàn)表明：雙泵工況下(喉部流速V=21.3 m/s)運(yùn)行15 min，隨著原水初始體積分?jǐn)?shù)的增加，3 種組合形式的菌落總數(shù)滅活率均出現(xiàn)先增大后減小的趨勢(shì)，且在原水初始體積分?jǐn)?shù)50%時(shí)菌落總數(shù)滅活率均達(dá)到最大值。這是因?yàn)殡S著原水初始體積分?jǐn)?shù)的上升，水中病原微生物發(fā)生空化的可能性也隨之升高，因此滅活率先上升，當(dāng)原水初始體積分?jǐn)?shù)繼續(xù)增大，因本實(shí)驗(yàn)工況下流場(chǎng)中產(chǎn)生的空泡數(shù)量有限，此時(shí)病原微生物的滅活率又隨之下降[14]。雙泵運(yùn)行15 min，3 種組合工況，原水初始體積分?jǐn)?shù)對(duì)大腸桿菌滅活率的影響甚微，均已達(dá)到或接近100%。

圖8 不同原水初始體積分?jǐn)?shù)下菌落總數(shù)的滅活率Fig.8 Inactivation rate of total colony count under different initial concentrations

2.6 孔口排列對(duì)滅活率的影響

選取A4文丘里管，以原水初始體積分?jǐn)?shù)為25%為例，裝置分別運(yùn)行25，20 min，比較在相同孔口數(shù)量的多孔板2和多孔板3工況下，不同時(shí)刻菌落總數(shù)和大腸桿菌的滅活率，實(shí)驗(yàn)結(jié)果如圖9，10所示。同一時(shí)刻，板3的菌落總數(shù)滅活率略高于板2。這是因?yàn)榭卓诮诲e(cuò)式排列比棋盤式排列產(chǎn)生的射流更不規(guī)律，摻混而產(chǎn)生的紊動(dòng)剪切作用更強(qiáng)[15]。棋盤式下游的脈動(dòng)主要分布于低頻區(qū)，交錯(cuò)式脈動(dòng)能量分布更廣，優(yōu)勢(shì)頻率增大[16]；對(duì)于大腸桿菌，兩種多孔板工況下的滅活率區(qū)別不明顯，因?yàn)楫?dāng)原水初始體積分?jǐn)?shù)為25%時(shí)，水中含有的大腸桿菌較少，棋盤式多孔板已經(jīng)能產(chǎn)生足以滅活該數(shù)量級(jí)大腸桿菌的空泡。

圖9 不同孔口排列下菌落總數(shù)的滅活率Fig.9 Inactivation rate of total colony count under different orifice arrangements

圖10 不同孔口排列下大腸桿菌的滅活率Fig.10 Inactivation rate of Escherichia coli under different orifice arrangements

3 結(jié) 論

通過(guò)對(duì)文丘里管與方孔多孔板組合式水力空化滅活原水中病原微生物的實(shí)驗(yàn)研究，可得出以下幾點(diǎn)結(jié)論：流速增大，空化效應(yīng)增強(qiáng)，有利于提高菌落總數(shù)和大腸桿菌的滅活率，多孔板段最大流速可達(dá)49.7 m/s，水力空化15 min大腸桿菌能夠完全滅活；對(duì)比上述實(shí)驗(yàn)的4 種文丘里管組合，A1文丘里管與25 孔交錯(cuò)式多孔板組合擁有最佳的滅菌效果，因?yàn)樵摻M合有最佳的多孔板形式和合適的喉部長(zhǎng)度；不同文丘里組合工況下水力空化20 min，原水初始體積分?jǐn)?shù)50%時(shí)，菌落總數(shù)滅活率達(dá)到最佳；多孔板孔口排布采用25 孔交錯(cuò)式，能提高菌落總數(shù)和大腸桿菌的滅活率。因此，水力空化裝置對(duì)滅活原水水中菌落總數(shù)和大腸桿菌具有顯著的效果，是一種高效、安全的飲用水消毒新技術(shù)。