高压静电技术杀菌灭藻研究及机理分析

徐洪斌1，张林生1,何仁泉2，周瑜2
(1.东南大学环境工程系，江苏 南京 210096；2.核工业江苏格林水处理有限公司，江苏 南京210052）

　　摘　要：高压静电场具有良好的杀菌灭藻效果，当工作电场强度为20kV／m，作用6h以上时，杀菌率可达91.3％，作用14d以上，灭藻率可达100％。研究表明水经高压静电场处理后，电导率、溶解氧、PH值等物理化学参数发生显著变化，杀菌灭藻机理为超氧阴离子自由基、过氧化氢破坏细胞的生存条件所致。
　　关键词：水处理；高压静电；杀菌；超氧阴离子自由基；过氧化氢
　　中图分类号：TU991.27；TM15
　　文献标识码：A
　　文章编号：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、游泳池等静止水体以及工业循环冷却水等水中极易滋生细菌及藻类，都需进行杀菌灭藻处理。近年来，国内外兴起一种新的水处理技术——静电水处理法，该法具有杀菌灭藻功能显著、使用水质范围广、管理方便、运行费用低等优点。本文对高压静电水处理器的杀菌灭藻性能及机理进行了研究，该高压静电水处理器的外壳为由镀锌无缝钢管制成的阴极，壳体中心装有芯棒阳极，芯棒外套有聚四氟乙烯管以保证良好绝缘，阴阳极之间外加高压直流电源（0～30kV），产生高压静电场，在静电场的作用下，水中产生微电流从而破坏细菌细胞，起到杀菌作用。

1 试验设备与测试方法

1.1 试验设备
　　采用某公司的SHC-I型高压静电水处理器。设备尺寸为φ300×800，设备功率3W。试验装置如图。

1.2 主要测试项目及方法
　　工作电压：采用0－30kV静电电压表量测；pH值：用pH－3酸度计量测；电导率：采用兆欧表量测绝缘电阻并计算电导率；溶解氧：采用JPB－607溶解氧测试仪；细菌总数：平皿法，即将1mL水样在培养基中，于37℃培养24h观测所生长的菌落数进而计算出细菌总数。

2 杀菌效果试验

2.1 电场强度对杀菌效果的影响
　　控制水温在23－32℃之间，测定试验前后水中细菌总数的变化。原水（细菌总数为1600个／mL）通过SHC－I型高压静电水处理器，处理时间（以循环水量计）8h。调节工作电压，检测不同电场强度下处理水中的细菌总数。试验结果见图2。

　　由图2可知，高压静电水处理器杀菌率随电场强度的升高而升高，当大于20kV／m后反而下降。即存在最佳工作电场强度20kV／m。
2.2 处理时间对杀菌效果的影响
　　控制水温为常温，调节电场强度为20kV／m，检测高压静电水处理器不同处理时间出水的细菌总数。结果见图3。

　　由图3数据可知，循环处理6h以上时即有相当高的杀菌率。
2.3 杀菌效果
　　选择不同水质的水样，测试在最佳电场强度20kV／m，处理时间6h的处理效果。试验结果见表1。从表1数据可看出，对于细菌含量不同的水样杀菌率为70％－100％，平均杀菌率为91.3％。

表1 SHC-Ⅰ型高压静电水处理器不同水样的杀菌效果 项目 细菌总数/（个.mL^-1) 处理前 60000 1580 4000 440 11000 2400 630 2.41×10⁶ 处理后 80 460 90 120 1700 未检出 未检出 0.17×10⁶ 杀菌率/% 99.9 70. 97.1 72.7 84.5 100 100 92.9

2.4 灭藻效果试验
　　灭藻试验用的藻种为斜生栅列藻，这是循环冷却水中常见的一种藻类，试验水温23～32℃，电场强度20kV／m。试验结果见图4。

　　由图4数据看出，经14d的高压静电场作用后，藻类全部被杀灭。藻类细菌在开始的第2～4d，由于营养充足，细胞保持着富集培养时的分裂优势，静电场的作用尚未显露，细胞数由7.6×10³个／mL增至9.2×10³个／mL。但随后便出现细胞破碎现象。5d后，细胞数急剧下降。由显微镜观察，藻类细胞几乎全部破裂，原生质流出，使原来含完整藻类细胞的悬浮液变混，成为破碎细胞匀浆[1]。

3 机理分析

3.1 高压静电处理水的物理化学性质变化
　　测定普通天然水样（水温20℃，电场强度20kV／m，处理时间6h，水样10个）处理前后电导率。溶解氧中H值的变化，其结果分别如表2-表4所示。由表2、表3、表4数据可知经高压静电场处理后，水的导电率20.5％～40.1％，溶解氧含量增加4.8％～14.9％，pH值降低，即[H⁺]浓度比原水增大。 表2 高压静电场水处理前后电导率变化值 项目 水样电导率/（mS.cm^-1) 处理前 2.33 2.067 2.10 2.143 2.186 2.302 2.433 2.521 1.956 1.875 处理后 3.16 2.873 2.866 3.003 2.921 3.102 2.931 3.119 2.652 2.365 长高率/% 35.6 40.0 36.5 40.1 33.6 34.8 20.5 23.7 35.6 26.1

表3 高压静电场水处理前后溶解氧变化值 项目 水样电导率/（mS.cm^-1) 处理前 8.25 7.63 8.12 7.64 5.88 6.92 5.90 6.60 7.89 7.94 处理后 8.69 8.32 8.51 8.26 6.63 7.50 6.71 7.58 8.64 8.67 长高率/% 5.3 9.0 4.8 8.1 12.7 8.3 13.7 14.9 9.5 9.2

表4高压静电场水处理前后pH变化值 项目 水样电导率/（mS.cm^-1) 处理前 7.81 7.92 8.02 8.11 7.90 8.10 8.07 8.15 7.96 8.03 处理后 6.66 7.03 6.90 6.92 6.80 7.20 7.09 7.03 7.10 6.95 长高率/% 14.8 11.3 14.0 14.7 14.0 11.1 12.14 13.7 10.8 13.4

3.2 高压静电场杀菌灭藻的机理分析
　　天然水中含有溶解的盐类和气体，有时含有有机物，由于水分子的极性，它能与水中离子形成水合物使水溶液具有相当好的稳定性。但是水经高压静电场处理后其物理化学参数会发生变化（电导率增大、溶解氧增大中H值降低）并产生多种效应（细菌、藻类被杀灭）。高压静电场的杀菌灭藻机理现概括有关试验结果试分析如下：
　　①在强电场的作用下水中电子使水分子激发或电离^[2]形成水合分子e^－aq，e^－aq与O₂结合成超氧阴离子自由基O^-2·：
　　　　e+H2O→e^-aq
　　　　e^-+O2→O^-2.
　　能量足够高时，水分子氢氧键断裂，分解为OH-和H+，OH-也易失去电子变为羟自由基·OH，·OH之间亦可碰撞生成过氧化氢H₂O₂：
　　　　H₂O→OH－+H+
　　　　OH-→·OH+e
　　　　·OH+·OH→H₂O₂
　　超氧阴离子自由基O^-2·在水分子的包围下可形成稳定的水合物^[3-4]。
　　②水中大量的O-2·、H+、e及e-aq等存在使水的导电性能增强；H+的增加使水的PH值减小；这时，由于水中的自由氧分子减少，浓度降低，致使空气中的氧分子又向水中扩散，导致水中的溶解氧增加。
　　③超氧阴离子自由基破坏细菌的生物膜和细胞核，破坏碳水化合物及蛋白质，最终导致细胞突变、老化和死亡。过氧化氢①阿使细菌细胞膜氧化破裂，失去物质交换能力促使细胞死亡[2]。

4 结论

　　①高压静电处理水具有显著的杀菌灭藻效果，其最佳工作电场强度为20kV／m，循环处理6h以上时杀菌率可达91.3％；循环处理14d以上，藻类的杀灭率可达100％。
　　②高压静电处理水之所以具有显著杀菌灭藻效果是因为水中产生大量超氧阴离子自由基、过氧化氢及·OH自由基等物质，破坏细胞生存条件促使其死亡。

参考文献：

　　[1] 南京格林水处理设备厂.静电水处理实验研究[R].南京：南京格林水处理设备厂，1991.
　　[2]蒋耀庭，孙英.高压静电场用于生酱油灭菌处理的研究[J].高压电技术，1999，25（3）：46－47
　　[3]陈家森，等.电场对水结构的影响[J].物理，1995，24（7）：424—428.
　　[4]奴尔江.水的电、磁处理[J].中国给水排水，1998，14（2）：39－40.

　　作者简介：徐洪斌（1974－），男，河南孟津人，东南大学硕士研究生，电话（025）3791167。