徐洪斌1，張林生1,何仁泉2，周瑜2
(1.東南大學(xué)環(huán)境工程系，江蘇 南京 210096；2.核工業(yè)江蘇格林水處理有限公司，江蘇 南京210052）

　　摘　要：高壓靜電場具有良好的殺菌滅藻效果，當(dāng)工作電場強(qiáng)度為20kV／m，作用6h以上時，殺菌率可達(dá)91.3％，作用14d以上，滅藻率可達(dá)100％。研究表明水經(jīng)高壓靜電場處理后，電導(dǎo)率、溶解氧、PH值等物理化學(xué)參數(shù)發(fā)生顯著變化，殺菌滅藻機(jī)理為超氧陰離子自由基、過氧化氫破壞細(xì)胞的生存條件所致。
　　關(guān)鍵詞：水處理；高壓靜電；殺菌；超氧陰離子自由基；過氧化氫
　　中圖分類號：TU991.27；TM15
　　文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A
　　文章編號：1009－2455（2002）02－0040－03

Study on the Technology Of High Voltage Static Electricity to Kill Bacteria
and Algae and Analysis of Its Mechanism
XU Hong-bin¹，ZHANG Lin-sheng¹，HE Ren-quan ²，ZHOU Yu ²
（l.Department of Engineering, Southeast university, 210096，China；
2.China Nuclear Industry Jiangsu Gelin Water and Wastewater Treatment Co.Ldt，Nmping 210052，China）

　　Abstract: High voltage static electricity field exhibits good bactericidal and alagaecidal effects.The optimal field intensity is 20 kV／m. the bactericidal rate reached 91.3％ when it works over 6 h and algaecidal reached 100％when it does 14 d.Study shows that physical and chemical parameters like electrical conductivity, dissolved oxygen value, pH value changed greatly during the experiments. Experimental phenomena infers that newly formed superoxide anionic free radical and H₂O₂ in the static electricity field destroyed bacteria and algae cells.
　　Key words: water treatment；static electricity; bactericidal action; superoxide anionic free radical; H₂O₂

引言

　　居民生活用水的蓄水池、蓄水塔、游泳池等靜止水體以及工業(yè)循環(huán)冷卻水等水中極易滋生細(xì)菌及藻類，都需進(jìn)行殺菌滅藻處理。近年來，國內(nèi)外興起一種新的水處理技術(shù)——靜電水處理法，該法具有殺菌滅藻功能顯著、使用水質(zhì)范圍廣、管理方便、運行費用低等優(yōu)點。本文對高壓靜電水處理器的殺菌滅藻性能及機(jī)理進(jìn)行了研究，該高壓靜電水處理器的外殼為由鍍鋅無縫鋼管制成的陰極，殼體中心裝有芯棒陽極，芯棒外套有聚四氟乙烯管以保證良好絕緣，陰陽極之間外加高壓直流電源（0～30kV），產(chǎn)生高壓靜電場，在靜電場的作用下，水中產(chǎn)生微電流從而破壞細(xì)菌細(xì)胞，起到殺菌作用。

1 試驗設(shè)備與測試方法

1.1 試驗設(shè)備
　　采用某公司的SHC-I型高壓靜電水處理器。設(shè)備尺寸為φ300×800，設(shè)備功率3W。試驗裝置如圖。

1.2 主要測試項目及方法
　　工作電壓：采用0－30kV靜電電壓表量測；pH值：用pH－3酸度計量測；電導(dǎo)率：采用兆歐表量測絕緣電阻并計算電導(dǎo)率；溶解氧：采用JPB－607溶解氧測試儀；細(xì)菌總數(shù)：平皿法，即將1mL水樣在培養(yǎng)基中，于37℃培養(yǎng)24h觀測所生長的菌落數(shù)進(jìn)而計算出細(xì)菌總數(shù)。

2 殺菌效果試驗

2.1 電場強(qiáng)度對殺菌效果的影響
　　控制水溫在23－32℃之間，測定試驗前后水中細(xì)菌總數(shù)的變化。原水（細(xì)菌總數(shù)為1600個／mL）通過SHC－I型高壓靜電水處理器，處理時間（以循環(huán)水量計）8h。調(diào)節(jié)工作電壓，檢測不同電場強(qiáng)度下處理水中的細(xì)菌總數(shù)。試驗結(jié)果見圖2。

　　由圖2可知，高壓靜電水處理器殺菌率隨電場強(qiáng)度的升高而升高，當(dāng)大于20kV／m后反而下降。即存在最佳工作電場強(qiáng)度20kV／m。
2.2 處理時間對殺菌效果的影響
　　控制水溫為常溫，調(diào)節(jié)電場強(qiáng)度為20kV／m，檢測高壓靜電水處理器不同處理時間出水的細(xì)菌總數(shù)。結(jié)果見圖3。

　　由圖3數(shù)據(jù)可知，循環(huán)處理6h以上時即有相當(dāng)高的殺菌率。
2.3 殺菌效果
　　選擇不同水質(zhì)的水樣，測試在最佳電場強(qiáng)度20kV／m，處理時間6h的處理效果。試驗結(jié)果見表1。從表1數(shù)據(jù)可看出，對于細(xì)菌含量不同的水樣殺菌率為70％－100％，平均殺菌率為91.3％。

表1 SHC-Ⅰ型高壓靜電水處理器不同水樣的殺菌效果 項目 細(xì)菌總數(shù)/（個.mL^-1) 處理前 60000 1580 4000 440 11000 2400 630 2.41×10⁶ 處理后 80 460 90 120 1700 未檢出 未檢出 0.17×10⁶ 殺菌率/% 99.9 70. 97.1 72.7 84.5 100 100 92.9

2.4 滅藻效果試驗
　　滅藻試驗用的藻種為斜生柵列藻，這是循環(huán)冷卻水中常見的一種藻類，試驗水溫23～32℃，電場強(qiáng)度20kV／m。試驗結(jié)果見圖4。

　　由圖4數(shù)據(jù)看出，經(jīng)14d的高壓靜電場作用后，藻類全部被殺滅。藻類細(xì)菌在開始的第2～4d，由于營養(yǎng)充足，細(xì)胞保持著富集培養(yǎng)時的分裂優(yōu)勢，靜電場的作用尚未顯露，細(xì)胞數(shù)由7.6×10³個／mL增至9.2×10³個／mL。但隨后便出現(xiàn)細(xì)胞破碎現(xiàn)象。5d后，細(xì)胞數(shù)急劇下降。由顯微鏡觀察，藻類細(xì)胞幾乎全部破裂，原生質(zhì)流出，使原來含完整藻類細(xì)胞的懸浮液變混，成為破碎細(xì)胞勻漿[1]。

3 機(jī)理分析

3.1 高壓靜電處理水的物理化學(xué)性質(zhì)變化
　　測定普通天然水樣（水溫20℃，電場強(qiáng)度20kV／m，處理時間6h，水樣10個）處理前后電導(dǎo)率。溶解氧中H值的變化，其結(jié)果分別如表2-表4所示。由表2、表3、表4數(shù)據(jù)可知經(jīng)高壓靜電場處理后，水的導(dǎo)電率20.5％～40.1％，溶解氧含量增加4.8％～14.9％，pH值降低，即[H⁺]濃度比原水增大。 表2 高壓靜電場水處理前后電導(dǎo)率變化值 項目 水樣電導(dǎo)率/（mS.cm^-1) 處理前 2.33 2.067 2.10 2.143 2.186 2.302 2.433 2.521 1.956 1.875 處理后 3.16 2.873 2.866 3.003 2.921 3.102 2.931 3.119 2.652 2.365 長高率/% 35.6 40.0 36.5 40.1 33.6 34.8 20.5 23.7 35.6 26.1

表3 高壓靜電場水處理前后溶解氧變化值 項目 水樣電導(dǎo)率/（mS.cm^-1) 處理前 8.25 7.63 8.12 7.64 5.88 6.92 5.90 6.60 7.89 7.94 處理后 8.69 8.32 8.51 8.26 6.63 7.50 6.71 7.58 8.64 8.67 長高率/% 5.3 9.0 4.8 8.1 12.7 8.3 13.7 14.9 9.5 9.2

表4高壓靜電場水處理前后pH變化值 項目 水樣電導(dǎo)率/（mS.cm^-1) 處理前 7.81 7.92 8.02 8.11 7.90 8.10 8.07 8.15 7.96 8.03 處理后 6.66 7.03 6.90 6.92 6.80 7.20 7.09 7.03 7.10 6.95 長高率/% 14.8 11.3 14.0 14.7 14.0 11.1 12.14 13.7 10.8 13.4

3.2 高壓靜電場殺菌滅藻的機(jī)理分析
　　天然水中含有溶解的鹽類和氣體，有時含有有機(jī)物，由于水分子的極性，它能與水中離子形成水合物使水溶液具有相當(dāng)好的穩(wěn)定性。但是水經(jīng)高壓靜電場處理后其物理化學(xué)參數(shù)會發(fā)生變化（電導(dǎo)率增大、溶解氧增大中H值降低）并產(chǎn)生多種效應(yīng)（細(xì)菌、藻類被殺滅）。高壓靜電場的殺菌滅藻機(jī)理現(xiàn)概括有關(guān)試驗結(jié)果試分析如下：
　?、僭趶?qiáng)電場的作用下水中電子使水分子激發(fā)或電離^[2]形成水合分子e^－aq，e^－aq與O₂結(jié)合成超氧陰離子自由基O^-2·：
　　　　e+H2O→e^-aq
　　　　e^-+O2→O^-2.
　　能量足夠高時，水分子氫氧鍵斷裂，分解為OH-和H+，OH-也易失去電子變?yōu)榱u自由基·OH，·OH之間亦可碰撞生成過氧化氫H₂O₂：
　　　　H₂O→OH－+H+
　　　　OH-→·OH+e
　　　　·OH+·OH→H₂O₂
　　超氧陰離子自由基O^-2·在水分子的包圍下可形成穩(wěn)定的水合物^[3-4]。
　?、谒写罅康腛-2·、H+、e及e-aq等存在使水的導(dǎo)電性能增強(qiáng)；H+的增加使水的PH值減小；這時，由于水中的自由氧分子減少，濃度降低，致使空氣中的氧分子又向水中擴(kuò)散，導(dǎo)致水中的溶解氧增加。
　?、鄢蹶庪x子自由基破壞細(xì)菌的生物膜和細(xì)胞核，破壞碳水化合物及蛋白質(zhì)，最終導(dǎo)致細(xì)胞突變、老化和死亡。過氧化氫①阿使細(xì)菌細(xì)胞膜氧化破裂，失去物質(zhì)交換能力促使細(xì)胞死亡[2]。

4 結(jié)論

　?、俑邏红o電處理水具有顯著的殺菌滅藻效果，其最佳工作電場強(qiáng)度為20kV／m，循環(huán)處理6h以上時殺菌率可達(dá)91.3％；循環(huán)處理14d以上，藻類的殺滅率可達(dá)100％。
　?、诟邏红o電處理水之所以具有顯著殺菌滅藻效果是因為水中產(chǎn)生大量超氧陰離子自由基、過氧化氫及·OH自由基等物質(zhì)，破壞細(xì)胞生存條件促使其死亡。

參考文獻(xiàn)：

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　　[2]蔣耀庭，孫英.高壓靜電場用于生醬油滅菌處理的研究[J].高壓電技術(shù)，1999，25（3）：46－47
　　[3]陳家森，等.電場對水結(jié)構(gòu)的影響[J].物理，1995，24（7）：424—428.
　　[4]奴爾江.水的電、磁處理[J].中國給水排水，1998，14（2）：39－40.

　　作者簡介：徐洪斌（1974－），男，河南孟津人，東南大學(xué)碩士研究生，電話（025）3791167。