基于变频脉冲磁场处理技术的火电厂循环水抑菌效果的研究

齐　超

(大唐黑龙江发电有限公司 哈尔滨第一热电厂,哈尔滨 150078)



基于变频脉冲磁场处理技术的火电厂循环水抑菌效果的研究

齐超

(大唐黑龙江发电有限公司 哈尔滨第一热电厂,哈尔滨 150078)

笔者利用自制的脉冲磁场水处理装置对某火电厂循环冷却水进行异养菌灭活实验,研究频率、方波占空比、DDS信号发生器输出电压等因素对杀菌率的影响。实验结果表明:当水温为30 ℃、流量为170 L/h、频率为1000 Hz、方波占空比为50%、DDS信号发生器输出电压为10 V时,且连续杀菌10 h后,杀菌率可达到最大值(84.5%)。由此表明,脉冲磁场对循环冷却水中的异养菌具有显著的抑制作用。

变频脉冲磁场;火电厂;循环冷却水;抑菌效果

在火电厂的用水系统中,50%～80%为循环冷却水,20%～40%为水力输送用水,仅2%～4%为锅炉补给水,因此火电厂的节水重点是水力输送系统的优化设计和减少冷却水排污[1]。然而,传统的控制微生物方法不仅加剧了水体菌藻类的繁殖,污染环境,而且在实际运作中存在操作难度大、运行费用高、处理效果差等问题[2],迫切需要一种方法高效快捷、简单可靠的循环冷却水处理方法。变频脉冲磁场水处理技术具有处理效果好、无污染物排放、运行费用低等特点,在工业循环冷却水处理领域受到广泛关注。所以本文以某火电厂的循环冷却水为研究水样,利用自制的脉冲磁场水处理装置对循环冷却水进行异养菌灭活实验,通过改变相关实验参数(脉冲频率、占空比和DDS信号发生器输出电压等),研究不同因素对杀菌率的影响,从而得出脉冲磁场水处理的最佳杀菌参数。

1　循环冷却水系统

火电厂常用的冷却水系统分别为敞开式循环冷却水系统和密闭式循环冷却水系统[3-4]。本文采用的水为黑龙江省某火电厂敞开式循环冷却水系统的冷却水。敞开式循环冷却水系统中的冷却水是暴露在大气中的,其特点是随着水分蒸发,盐类不断浓缩,极易形成水垢,造成金属腐蚀，也助长了水中微生物的滋生,从而形成生物粘泥。敞开式循环冷却水系统如图1所示。

图1　敞开式循环冷却水系统示意图

2　变频脉冲磁场水处理杀菌机理

2.1变频脉冲磁场的杀菌机理

变频脉冲磁场的杀菌机理很复杂,主要表现在以下几个方面:

1) 由DDS信号发生器产生脉冲磁场,当直流脉冲电流在高电平转入低电平时,积聚在感应线圈的能量由于电路的突然关闭，因此在线圈两端产生反冲高压,造成了水管中感应电压的瞬间猛增,形成很大的瞬间电流,直接影响细菌细胞膜的离子通透性,破坏细胞膜,从而达到杀菌效果。

2) 当存在外加磁场时,在磁场洛伦兹力的影响下,细菌细胞内带电粒子的运动轨迹被束缚在某一区域内,导致了细胞内离子和电子不能正常传递,对细胞正常的生理功能造成影响[5],使细胞结构发生变化,从而导致细菌死亡。

3) 每种生物都有自身的固有频率,当外加磁场的频率与循环冷却水中异养菌的固有频率接近或相同时,就会引起异养菌共振,使细菌细胞膜穿孔,从而导致细菌的彻底死亡。

2.2异养菌存活量的计算

实验采用平皿计数法,在无菌环境下,按稀释度依次稀释水样,用1 mL移液管取1 mL稀释后的水样,倒入装有温度为50 ℃的牛肉膏蛋白胨培养基的平皿中,晃动培养皿,使培养基与水样混合均匀,待培养基凝固后将平皿倒置于恒温培养箱中,并在37 ℃的温度下培养24 h。然后,取出培养皿,每个单细胞已生长繁殖成肉眼可见的菌落,统计出现的菌落数,并将其乘以稀释倍数,即可得到1 mL原始水样中存活的细菌数。

在恒温培养箱中将实验水样所制成的培养皿培养24 h,筛选、统计菌落数在30～300之间的培养皿,一个稀释度为一组实验,每个稀释度进行三次重复实验,存活的菌落总数取其平均值。

实验中用到的杀菌率公式(即处理后致死的细菌数与对照组细菌数的比值[6])为

(1)

式中:η为杀菌率,%;c0为对照组中异养菌存活量平均值,个/mL;c1为实验组电磁处理后异养菌存活量平均值,个/mL。

3　变频脉冲磁场水处理杀菌实验

3.1试验仪器

实验装置由电磁脉冲杀菌水处理器、流量计、CS501恒温水浴器及喷头组成,如图2所示。

图2　电磁脉冲杀菌实验装置

3.1.1电磁脉冲水处理器

电磁脉冲水处理器由电磁脉冲水处理箱和DDS信号发生器组成。

1) 电磁脉冲水处理箱如图3所示。

图3　电磁脉冲水处理箱

电磁水处理箱由10 mm厚的PVC板做成,尺寸为:长350 mm、宽140 mm、高90 mm。箱内绕制的电磁线圈安装在处理箱内部的两侧,线圈电感为4.22 mH。两个相对线圈的距离为4 cm,两个相邻线圈的距离为3 cm,密封盒两端留有进、出水口。电磁水处理箱内两个相对线圈的绕向相同,将线圈的首尾相连,并分别连接DDS信号发生器,将中间部分分开,使水流从中间通过,做切割磁力线运动,从而达到杀菌效果。

图4　DDS信号发生器工作原理图

2) DDS信号发生器利用数字合成方法产生数据流,并经过数模转换器预先设定成模拟信号,克服了传统模拟信号需要借助振荡器的不利条件,具有频率精度高、失真度小、分辨率小、使用灵活等特点,其工作原理如图4所示。

3.1.2CS501恒温水浴器

实验将CS501型恒温水浴器作为温度控制和循环水动力装置。恒温水浴器内置的水泵可使水体循环流动,恒温水浴器内置的电加热器可使系统的水温保持平衡,其结构如图5所示。

图5　CS501型恒温水浴器结构图

3.2实验内容

将该热电厂的循环冷却水加入营养物质后,预处理20 h,使初始异养菌的存活量达到107个/mL。然后,加入水样(约为17 L),调节水流速度,使水温等参数保持一致。正常运行后,间隔固定时间取样,将取样后的循环冷却水进行稀释和接种,并将接种的水样倒入蛋白胨牛肉膏培养基中。待培养基凝固后,将其放入电热恒温培养箱中,在37 ℃的温度下培养24 h之后,取出计数,每组实验做三次重复实验,取平均值,并通过杀菌率衡量杀菌效果。

由于方波信号具有磁感应强度大、信号衰减小、稳定度高等特点,因此实验中使DDS信号发生器产生方波信号。然后,通过改变脉冲频率、方波占空比、DDS信号发生器输出电压等参数,得出脉冲磁场杀菌的最佳值。

3.2.1脉冲频率对杀菌率的影响

将中间两组相对线圈分别连接脉冲信号发生器,选择方波波形,占空比为50%、输出电压为10 V、整个循环系统的流速为170 L/h、水温为30 ℃,并分别选择几组不同的脉冲频率,取5 min、1 h、4 h、6 h、10 h的水样进行实验。不同频率下杀菌率随时间的变化曲线如图6所示。

图6　不同脉冲频率下的杀菌率曲线对比

由图6可以看出:杀菌率随时间的改变而变化,当脉冲频率为100 Hz和10 000 Hz时,杀菌率先下降后上升,并在实验初期呈现负增长趋势,在实验后期才开始起到杀菌作用;当脉冲频率为1500 Hz时,整个实验过程几乎都处于负增长状态;当脉冲频率为1000 Hz时,杀菌率始终保持正增长状态,并且杀菌率随着时间的增加而增大,最终在10 h的时候,杀菌率达到最大值,最大值为84.47%。由此可知,杀菌效果最佳的脉冲频率为1000 Hz。

通过分析实验结果可知:每种生物都有自身的固有频率,当外加磁场频率符合循环冷却水中细菌的固有频率时,细菌将产生共振,其生理结构受到破坏从而达到灭菌效果。但是,如果所选频率为细菌所能吸收的频率,则会刺激细菌的繁殖。

3.2.2方波占空比对杀菌率的影响

脉冲频率选为1000 Hz,水温为30 ℃,DDS信号发生器输出电压为10 V,选择方波波形,整个循环系统流速为170 L/h,并分别选择几组不同的方波占空比,取5 min、1 h、4 h、6 h、10 h的水样进行实验。不同占空比下的杀菌率随时间的变化曲线如图7所示。

图7　不同方波占空比下的杀菌率曲线对比

由图7可以看出:当方波占空比为10%与90%时,在不同时间里杀菌率均出现负值,整个杀菌率曲线的走向波动较大;当方波占空比为50%时,在10 h的时候,杀菌率达到最大值,最大值为84.47%。由此可知,杀菌效果最佳的方波占空比为50%。

3.3.3DDS信号发生器输出电压对杀菌率的影响

脉冲频率选为1000 Hz,水温为30 ℃,选择方波波形,占空比为50%,整个循环系统流速为170 L/h,并分别选DDS信号发生器输出电压5 V、10 V、20 V,取5 min、1 h、4 h、6 h、10 h的水样进行实验。不同输出电压下的杀菌率随时间的变化曲线如图8所示。

图8　不同输出电压下的杀菌率曲线对比

由图8可以看出:当输出电压为5 V时,杀菌率随着时间的变化先增加后减小,并在6 h之后小幅增加,最大杀菌率仅为29.1%;当输出电压为10 V和20 V时,杀菌率曲线随着时间的增加而上升,但输出电压为20 V时的杀菌曲线上升速度低于输出电压为10 V时的杀菌曲线,当输出电压为10 V时,杀菌率达到最大值,最大值为85%。因此,当DDS信号发生器输出电压为10 V时,杀菌效果最明显。

4　结　论

本文利用自制的电磁脉冲水处理箱连接DDS信号发生器做成的脉冲磁场水处理装置对循环冷[LL]却水进行了异养菌灭活实验,实验结果显示,脉冲磁场对循环冷却水中的异养菌具有如下抑制作用。

1) 循环冷却水中的异养菌具有特定的致死频率,只有当外加频率与异养菌的固有频率相同或接近时,才会与细菌发生共振现象使细菌死亡,但是当外加频率为细菌自身所能吸收的频率时,反而会刺激细菌生长繁殖。在1000 Hz频率下,杀菌效果较好,运行10 h后,杀菌率能达到最大值(84.47%)。

2) 脉冲信号发生器的输出电压对杀菌率也有影响,但是杀菌率不是随着输出电压的增大而增大,只有特定的输出电压才会达到较好的灭菌效果。当输出电压为10 V时,杀菌效果最好。

3) 当方波的占空比不同时,杀菌率也不同。方波占空比为50%时,杀菌效果最好;占空比分别为10%和90%时,杀菌曲线波动起伏较大,均出现负增长现象。

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(责任编辑郭金光)

Research on sterilizing effect of cooling water based on variable frequency pulse electromagnetic field in thermal power plant

QI Chao

(Datang Harbin No.1 Thermal Power Plant,Harbin 150078, China)

This paper used self-designed pulse electromagnetic field water treating equipment to make sterilization experiments on cooling water in a thermal power plant, and studied the influence of the factors, including the frequency, square-wave duty ratio and output voltage of DDS signal generator, on sterilization rate. The results show that, when the water temperature, the flow velocity, the frequency, the square-wave duty ratio, the output voltage of DDS signal generator and the continuous sterilization time are respectively 30 ℃, 170 L/h, 1000 Hz, 50%, 10 V and 10 hours, the sterilization rate can reach the maximum value (84.5%). Therefore, it is proved that pulse electromagnetic field has a good sterilizing effect for cooling water.

variable frequency pulse electromagnetic field; thermal power plant; circulating cooling water; sterilizing effect

2016-01-02；

2016-01-16。

齐超(1988—),男,助理工程师,研究方向为农业电气化与自动化、火电厂安全监察管理。

TM621.8

A

2095-6843(2016)03-0278-05