電廠(chǎng)循環(huán)冷卻水處理

　　電廠(chǎng)冷卻水在循環(huán)利用過(guò)程中由于鹽類(lèi)濃縮作用，造成凝汽器銅管內易發(fā)生結垢、腐蝕以及滋生微生物等現象，所以結垢、腐蝕和微生物并稱(chēng)為電廠(chǎng)循環(huán)冷卻水系統的三大危害。而微生物能促進(jìn)污垢沉積，造成金屬的局部表面缺氧，形成氧的濃差電池，引起金屬腐蝕，同時(shí)微生物在繁殖過(guò)程中分泌的黏稠液體與周?chē)�的泥砂、無(wú)機物、塵土等組成的軟泥性沉積物黏附在換熱器、冷卻塔壁上，導致小管道堵塞、大管道流量減少、流速減慢、傳熱效率降低等不良后果。另外，病原微生物會(huì )在冷卻塔周?chē)�隨著(zhù)風(fēng)吹泄漏，增大對人體健康和環(huán)境污染的風(fēng)險。因此，循環(huán)冷卻水需經(jīng)過(guò)殺菌處理。

　　電廠(chǎng)循環(huán)冷卻水中的主要微生物影響因子為異養菌。對循環(huán)冷卻水中的異養菌數量進(jìn)行檢測，發(fā)現該值在夏季高達1×106 mL-1，冬季約為1×104 mL-1，平均為1×105 mL-1，大于《工業(yè)循環(huán)冷卻水設計規范》(GB 50050—2007)所規定的間冷開(kāi)式系統允許值1×105 mL-1。因此可以認為循環(huán)冷卻水中的異養菌為主要影響菌類(lèi)，是對循環(huán)冷卻水進(jìn)行殺菌處理的主要對象。

　　1 變頻脈沖電磁場(chǎng)殺菌原理

　　磁場(chǎng)對于磁性物質(zhì)和帶電物體會(huì )產(chǎn)生力的作用，生物體一般情況下或多或少帶有各自的生物電或者含有磁性物質(zhì)。有研究者認為，磁場(chǎng)對細胞作用的靶點(diǎn)為細胞膜系統，磁場(chǎng)通過(guò)影響帶電粒子跨膜轉運，影響跨膜信息傳導、細胞膜流動(dòng)性，或直接作用于細胞膜離子通道，影響細胞的各種生理功能，從而影響生物體的代謝過(guò)程。磁場(chǎng)對微生物生長(cháng)的影響較復雜，通常較強的磁場(chǎng)強度會(huì )抑制微生物的生長(cháng)，而弱磁場(chǎng)對微生物生長(cháng)可能有促進(jìn)作用，不同種類(lèi)微生物其磁效應的結果亦不同。

　　細胞在磁場(chǎng)作用下會(huì )產(chǎn)生電磁生物效應，主要表現在：一方面細胞在磁場(chǎng)下運動(dòng)時(shí)，如果細胞所做運動(dòng)是切割磁力線(xiàn)的運動(dòng)，通過(guò)其中的磁通量會(huì )發(fā)生變化并產(chǎn)生感應電流，這個(gè)電流的大小、方向和形式是對細胞產(chǎn)生生物效應的主要原因。當接通電源的時(shí)候會(huì )產(chǎn)生瞬變的磁通，在細胞內激勵起感應電流，此感應電流與磁場(chǎng)相互作用的力密度可以破壞細胞正常的生理功能。另一方面，在磁場(chǎng)下細胞中的帶電粒子尤其是質(zhì)量小的電子和離子，由于受到洛侖茲力的影響，其運動(dòng)軌跡常被束縛在某一半徑之內，磁場(chǎng)越大半徑越小，導致細胞內的電子和離子不能正常傳遞，從而影響細胞正常的生理功能。

　　2 磁場(chǎng)方向與水流方向平行的殺菌實(shí)驗

　　由于地球上的生物體總是生活在一定的磁場(chǎng)環(huán)境中，其周?chē)�磁�?chǎng)強度的改變對生物體生長(cháng)、發(fā)育以及繁殖過(guò)程等有一定潛在性影響。為了驗證變頻脈沖磁場(chǎng)對微生物的影響，筆者針對磁場(chǎng)方向與水流方向平行的情況，設計了固定頻率與掃頻頻率2 種頻率下的殺菌實(shí)驗，以探索頻脈沖磁場(chǎng)對循環(huán)水中微生物的影響。

　　2.1 固定頻率的殺菌實(shí)驗

　　2.1.1 實(shí)驗裝置

　　實(shí)驗裝置由DDS 信號發(fā)生器、CS501-SP 超級數顯恒溫器、電磁線(xiàn)圈、水流調節閥、噴頭及連接水管組成。DDS 信號發(fā)生器由合肥達春電子有限公司生產(chǎn)，采用直接數字合成技術(shù)，具有頻率精度高及頻率掃描和幅度掃描功能;CS501-SP 超級數顯恒溫器由重慶慧達試驗儀器有限公司生產(chǎn)，此設備為循環(huán)水加溫和驅動(dòng)循環(huán)裝置，內置50 W 循環(huán)水泵，水槽容積16 L，外接塑料水軟管后，可實(shí)現水體的動(dòng)態(tài)循環(huán)流動(dòng); 電磁線(xiàn)圈由線(xiàn)徑0.83 mm 的銅漆包線(xiàn)在直徑25 mm、長(cháng)90 mm 的塑料線(xiàn)架上密繞1 000 匝組成，線(xiàn)圈電感12.86 mH，電阻4.8 Ω，實(shí)驗時(shí)電磁線(xiàn)圈套在連接水管外，使水流經(jīng)過(guò)線(xiàn)圈內的磁場(chǎng)，磁場(chǎng)方向為東西方向，與地磁場(chǎng)在水平面上垂直。實(shí)驗裝置如圖 1 所示。

　　圖 1 磁場(chǎng)方向與水流方向相同的變頻脈沖殺菌的實(shí)驗室動(dòng)態(tài)模擬裝置

　　2.1.2 實(shí)驗方法

　　實(shí)驗采用橫向對比法，同時(shí)連接2 臺動(dòng)態(tài)模擬實(shí)驗裝置，2 臺裝置處在相同環(huán)境下，1 臺做殺菌實(shí)驗，1 臺做參照對比實(shí)驗。實(shí)驗用水采集自電廠(chǎng)的循環(huán)冷卻水，分析水樣流經(jīng)線(xiàn)圈前后水中異養菌的數量變化。異養菌測定采用瓊脂平板計數法，每次讀數取3 個(gè)平板作平行，每次檢測重復2 次，以殺菌率衡量殺菌效果，即處理后致死的細菌數與原水細菌數的比值。實(shí)驗運行時(shí)間持續12 h，間隔1 h 取樣分析。

　　實(shí)驗中設置輸出電壓10 V、循環(huán)水單次通過(guò)線(xiàn)圈的時(shí)間0.09 s、水溫30 ℃，波形為脈沖方波(占空比90%)。

　　2.1.3 實(shí)驗數據

　　在不同脈沖頻率下進(jìn)行殺菌實(shí)驗，實(shí)驗結果見(jiàn) 表 1。

 　　由表 1 可看出，在不同頻率下，其殺菌率有一定的起伏變化，這是因為循環(huán)冷卻水中微生物種類(lèi)繁多，每種微生物都有自己固有的殺菌頻率，所以不同頻率下殺菌效果不同。當脈沖頻率為17 kHz 時(shí)，殺菌率達到最大值，為74.24%。

　　2.2 掃頻脈沖波的殺菌實(shí)驗

　　2.2.1 實(shí)驗裝置與方法

　　使用固定頻率的電磁脈沖波進(jìn)行殺菌具有局限性，鑒于這種情況，利用信號發(fā)生器的掃頻功能，使信號發(fā)生器由低至高發(fā)出一系列變化頻率，形成掃頻脈沖波形。

　　實(shí)驗裝置同上，實(shí)驗設置在17 kHz 附近掃頻，設步進(jìn)頻率500 Hz，脈沖間隔時(shí)間5 ms，掃頻電壓 10 V，采用脈沖方波(占空比90%)，水溫度30 ℃，循環(huán)水流速0.89 m/s。

　　2.2.2 實(shí)驗數據

　　不同掃頻范圍下的殺菌實(shí)驗結果如表 2 所示。

　　從表 2可以看出，當掃頻范圍在10～18 kHz 和 11～17 kHz 時(shí)殺菌率最高，達80%以上，且比固定頻率下的殺菌效果要好。而當掃頻范圍在8～20、11～ 23、11～25 kHz 時(shí)，均出現了負殺菌率，造成這種現象的原因是因為在上述掃頻范圍內進(jìn)行電磁脈沖殺菌實(shí)驗時(shí)，循環(huán)冷卻水中的有機物質(zhì)被分解成無(wú)機營(yíng)養物，刺激異養菌的生長(cháng);同時(shí)一部分具有更強適應能力的細菌可在變頻脈沖電磁場(chǎng)存活且繁衍生長(cháng)所致。

　　3 磁場(chǎng)方向與水流方向垂直的殺菌實(shí)驗

　　為了對比磁場(chǎng)方向改變后的殺菌效果，筆者設計了磁場(chǎng)方向與水流方向垂直情況下的殺菌實(shí)驗裝置，以此研究磁場(chǎng)方向與水流方向垂直時(shí)的殺菌效果，實(shí)驗中同樣采用固定和掃頻脈沖波2 種電磁波。

　　3.1 固定頻率殺菌實(shí)驗

　　3.1.1 實(shí)驗裝置

　　實(shí)驗中用0.45 mm 防水漆包線(xiàn)在塑料線(xiàn)架繞制線(xiàn)圈，塑料線(xiàn)架中內置直徑19 mm、長(cháng)120 mm 的不銹鋼管，線(xiàn)圈電感1.97 mH，電阻3.9 Ω，實(shí)驗時(shí)線(xiàn)圈豎直放入玻璃水槽中，磁場(chǎng)方向與地磁場(chǎng)方向垂直， 2 線(xiàn)圈間距60 mm。其他實(shí)驗裝置同上。實(shí)驗裝置如 圖 2。

　　3.1.2 實(shí)驗方法

　　實(shí)驗采用變頻脈沖電磁場(chǎng)，水質(zhì)為電廠(chǎng)循環(huán)冷卻水，采用2 臺同樣裝置的設備橫向對比，實(shí)驗中水樣管路中循環(huán)通過(guò)線(xiàn)圈繞組產(chǎn)生脈沖磁場(chǎng)。設置脈沖輸出電壓10 V、單次作用時(shí)間0.09 s、水溫30 ℃。

　　圖 2 磁場(chǎng)方向與水流方向垂直時(shí)實(shí)驗裝置

　　3.1.3 實(shí)驗數據

　　不同脈沖頻率與殺菌率之間的關(guān)系如表 3 所示。

　　表 3 不同脈沖頻率下的殺菌率

　　由表 3 可看出，不同頻率下殺菌率的變化起伏較大，當頻率為1 000 Hz 時(shí)，殺菌率達到峰值，為 70.31%。

　　3.2 掃頻脈沖殺菌實(shí)驗

　　3.2.1 實(shí)驗裝置

　　實(shí)驗裝置同前。實(shí)驗中掃頻范圍確定在1 000 Hz 附近，設置掃頻的步進(jìn)頻率為50 Hz、脈沖間隔時(shí)間 10 ms、掃頻電壓10 V，采用正脈沖方波(占空比為 90%)，水溫度30 ℃，循環(huán)水流速0.89 m/s。

　　3.2.2 實(shí)驗數據

　　實(shí)驗數據見(jiàn)表 4。

　　從表 4 可以看出，當掃頻范圍為100～1 000 Hz 時(shí)，殺菌率達78.09%，當掃頻范圍在100～2 000、 200～2 000 Hz 時(shí)，殺菌率均達到60%以上，而掃頻范圍在500～3 000 Hz 時(shí)，殺菌率出現負值，由此可見(jiàn)，掃頻范圍100～1 000 Hz 時(shí)的殺菌效率較好。具體參見(jiàn)http://www.sharpedgetext.com更多相關(guān)技術(shù)文檔。

　　4 結論

　　(1)低頻脈沖電磁場(chǎng)既能抑制循環(huán)水中異養菌生長(cháng)，也能刺激異養菌繁衍，殺菌率在-107.69%到 82.64%間波動(dòng)，其中脈沖頻率是關(guān)鍵參數，只有通過(guò)實(shí)驗篩選出有效的頻率范圍，才能取得較好殺菌效果。

　　(2)無(wú)論磁場(chǎng)方向與水流方向平行或垂直，在實(shí)驗中均設置磁場(chǎng)方向與地磁方向垂直，最大殺菌率均能達到70%以上。主要原因是磁場(chǎng)方向擾亂了微生物自身的生物磁效應，影響了微生物的內外部特性及新陳代謝功能，微生物受到抑制，達到滅菌目的。

　　(3)掃頻狀態(tài)下的殺菌率要比固定頻率好一些，這是因為水中的異養菌不僅生長(cháng)繁殖快，而且種屬較多，當使用固定頻率時(shí)，某一頻率的電磁波只對特定細菌具有殺滅和抑制作用，對于其他細菌作用效果較差。實(shí)驗中可以觀(guān)察出當磁場(chǎng)方向與水流方向平行時(shí)，掃頻脈沖波殺菌實(shí)驗的殺菌率達到 82.64%，比固定頻率的殺菌率74.24%效果要好;當磁場(chǎng)方向與水流方向垂直時(shí)，掃頻脈沖波的殺菌率可達78.09%，也比固定頻率下的70.31%高一些。所以對循環(huán)冷卻水中的異養菌進(jìn)行電磁場(chǎng)殺滅處理時(shí)，首先應確定有效的掃頻范圍，在該范圍內才能達到較好的殺滅效果。