電廠冷卻水在循環(huán)利用過程中由于鹽類濃縮作用，造成凝汽器銅管內(nèi)易發(fā)生結(jié)垢、腐蝕以及滋生微生物等現(xiàn)象，所以結(jié)垢、腐蝕和微生物并稱為電廠循環(huán)冷卻水系統(tǒng)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)微生物在繁殖過程中分泌的黏稠液體與周圍的泥砂、無機(jī)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(dǎo)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)在冷卻塔周圍隨著風(fēng)吹泄漏，增大對(duì)人體健康和環(huán)境污染的風(fēng)險(xiǎn)。因此，循環(huán)冷卻水需經(jīng)過殺菌處理。
電廠循環(huán)冷卻水中的主要微生物影響因子為異養(yǎng)菌。對(duì)循環(huán)冷卻水中的異養(yǎng)菌數(shù)量進(jìn)行檢測，發(fā)現(xiàn)該值在夏季高達(dá)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(shè)計(jì)規(guī)范》(GB 50050—2007)所規(guī)定的間冷開式系統(tǒng)允許值1×105 mL-1。因此可以認(rèn)為循環(huán)冷卻水中的異養(yǎng)菌為主要影響菌類，是對(duì)循環(huán)冷卻水進(jìn)行殺菌處理的主要對(duì)象。
1 變頻脈沖電磁場殺菌原理
磁場對(duì)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(rèn)為，磁場對(duì)細(xì)胞作用的靶點(diǎn)為細(xì)胞膜系統(tǒng)，磁場通過影響帶電粒子跨膜轉(zhuǎn)運(yùn)，影響跨膜信息傳導(dǎo)、細(xì)胞膜流動(dòng)性，或直接作用于細(xì)胞膜離子通道，影響細(xì)胞的各種生理功能，從而影響生物體的代謝過程。磁場對(duì)微生物生長的影響較復(fù)雜，通常較強(qiáng)的磁場強(qiáng)度會(huì)抑制微生物的生長，而弱磁場對(duì)微生物生長可能有促進(jìn)作用，不同種類微生物其磁效應(yīng)的結(jié)果亦不同。
細(xì)胞在磁場作用下會(huì)產(chǎn)生電磁生物效應(yīng)，主要表現(xiàn)在：一方面細(xì)胞在磁場下運(yùn)動(dòng)時(shí)，如果細(xì)胞所做運(yùn)動(dòng)是切割磁力線的運(yùn)動(dòng)，通過其中的磁通量會(huì)發(fā)生變化并產(chǎn)生感應(yīng)電流，這個(gè)電流的大小、方向和形式是對(duì)細(xì)胞產(chǎn)生生物效應(yīng)的主要原因。當(dāng)接通電源的時(shí)候會(huì)產(chǎn)生瞬變的磁通，在細(xì)胞內(nèi)激勵(lì)起感應(yīng)電流，此感應(yīng)電流與磁場相互作用的力密度可以破壞細(xì)胞正常的生理功能。另一方面，在磁場下細(xì)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(yùn)動(dòng)軌跡常被束縛在某一半徑之內(nèi)，磁場越大半徑越小，導(dǎo)致細(xì)胞內(nèi)的電子和離子不能正常傳遞，從而影響細(xì)胞正常的生理功能。
2 磁場方向與水流方向平行的殺菌實(shí)驗(yàn)
由于地球上的生物體總是生活在一定的磁場環(huán)境中，其周圍磁場強(qiáng)度的改變對(duì)生物體生長、發(fā)育以及繁殖過程等有一定潛在性影響。為了驗(yàn)證變頻脈沖磁場對(duì)微生物的影響，筆者針對(duì)磁場方向與水流方向平行的情況，設(shè)計(jì)了固定頻率與掃頻頻率2 種頻率下的殺菌實(shí)驗(yàn)，以探索頻脈沖磁場對(duì)循環(huán)水中微生物的影響。
2.1 固定頻率的殺菌實(shí)驗(yàn)
2.1.1 實(shí)驗(yàn)裝置
實(shí)驗(yàn)裝置由DDS 信號(hào)發(fā)生器、CS501-SP 超級(jí)數(shù)顯恒溫器、電磁線圈、水流調(diào)節(jié)閥、噴頭及連接水管組成。DDS 信號(hào)發(fā)生器由合肥達(dá)春電子有限公司生產(chǎn)，采用直接數(shù)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(jí)數(shù)顯恒溫器由重慶慧達(dá)試驗(yàn)儀器有限公司生產(chǎn)，此設(shè)備為循環(huán)水加溫和驅(qū)動(dòng)循環(huán)裝置，內(nèi)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(xiàn)水體的動(dòng)態(tài)循環(huán)流動(dòng); 電磁線圈由線徑0.83 mm 的銅漆包線在直徑25 mm、長90 mm 的塑料線架上密繞1 000 匝組成，線圈電感12.86 mH，電阻4.8 Ω，實(shí)驗(yàn)時(shí)電磁線圈套在連接水管外，使水流經(jīng)過線圈內(nèi)的磁場，磁場方向?yàn)闁|西方向，與地磁場在水平面上垂直。實(shí)驗(yàn)裝置如圖 1 所示。
圖 1 磁場方向與水流方向相同的變頻脈沖殺菌的實(shí)驗(yàn)室動(dòng)態(tài)模擬裝置
2.1.2 實(shí)驗(yàn)方法
實(shí)驗(yàn)采用橫向?qū)Ρ确ǎ瑫r(shí)連接2 臺(tái)動(dòng)態(tài)模擬實(shí)驗(yàn)裝置，2 臺(tái)裝置處在相同環(huán)境下，1 臺(tái)做殺菌實(shí)驗(yàn)，1 臺(tái)做參照對(duì)比實(shí)驗(yàn)。實(shí)驗(yàn)用水采集自電廠的循環(huán)冷卻水，分析水樣流經(jīng)線圈前后水中異養(yǎng)菌的數(shù)量變化。異養(yǎng)菌測定采用瓊脂平板計(jì)數(shù)法，每次讀數(shù)取3 個(gè)平板作平行，每次檢測重復(fù)2 次，以殺菌率衡量殺菌效果，即處理后致死的細(xì)菌數(shù)與原水細(xì)菌數(shù)的比值。實(shí)驗(yàn)運(yùn)行時(shí)間持續(xù)12 h，間隔1 h 取樣分析。
實(shí)驗(yàn)中設(shè)置輸出電壓10 V、循環(huán)水單次通過線圈的時(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(yàn)數(shù)據(jù)
在不同脈沖頻率下進(jìn)行殺菌實(shí)驗(yàn)，實(shí)驗(yàn)結(jié)果見 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?yàn)檠h(huán)冷卻水中微生物種類繁多，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(dāng)脈沖頻率為17 kHz 時(shí)，殺菌率達(dá)到最大值，為74.24%。
2.2 掃頻脈沖波的殺菌實(shí)驗(yàn)
2.2.1 實(shí)驗(yàn)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(hào)發(fā)生器的掃頻功能，使信號(hào)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(yàn)裝置同上，實(shí)驗(yàn)設(shè)置在17 kHz 附近掃頻，設(shè)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(yàn)數(shù)據(jù)
不同掃頻范圍下的殺菌實(shí)驗(yàn)結(jié)果如表 2 所示。
從表 2可以看出，當(dāng)掃頻范圍在10～18 kHz 和 11～17 kHz 時(shí)殺菌率最高，達(dá)80%以上，且比固定頻率下的殺菌效果要好。而當(dāng)掃頻范圍在8～20、11～ 23、11～25 kHz 時(shí)，均出現(xiàn)了負(fù)殺菌率，造成這種現(xiàn)象的原因是因?yàn)樵谏鲜鰭哳l范圍內(nèi)進(jìn)行電磁脈沖殺菌實(shí)驗(yàn)時(shí)，循環(huán)冷卻水中的有機(jī)物質(zhì)被分解成無機(jī)營養(yǎng)物，刺激異養(yǎng)菌的生長;同時(shí)一部分具有更強(qiáng)適應(yīng)能力的細(xì)菌可在變頻脈沖電磁場存活且繁衍生長所致。
3 磁場方向與水流方向垂直的殺菌實(shí)驗(yàn)
為了對(duì)比磁場方向改變后的殺菌效果，筆者設(shè)計(jì)了磁場方向與水流方向垂直情況下的殺菌實(shí)驗(yàn)裝置，以此研究磁場方向與水流方向垂直時(shí)的殺菌效果，實(shí)驗(yàn)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(yàn)
3.1.1 實(shí)驗(yàn)裝置
實(shí)驗(yàn)中用0.45 mm 防水漆包線在塑料線架繞制線圈，塑料線架中內(nèi)置直徑19 mm、長120 mm 的不銹鋼管，線圈電感1.97 mH，電阻3.9 Ω，實(shí)驗(yàn)時(shí)線圈豎直放入玻璃水槽中，磁場方向與地磁場方向垂直， 2 線圈間距60 mm。其他實(shí)驗(yàn)裝置同上。實(shí)驗(yàn)裝置如 圖 2。
3.1.2 實(shí)驗(yàn)方法
實(shí)驗(yàn)采用變頻脈沖電磁場，水質(zhì)為電廠循環(huán)冷卻水，采用2 臺(tái)同樣裝置的設(shè)備橫向?qū)Ρ龋瑢?shí)驗(yàn)中水樣管路中循環(huán)通過線圈繞組產(chǎn)生脈沖磁場。設(shè)置脈沖輸出電壓10 V、單次作用時(shí)間0.09 s、水溫30 ℃。
圖 2 磁場方向與水流方向垂直時(shí)實(shí)驗(yàn)裝置
3.1.3 實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)
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(dāng)頻率為1 000 Hz 時(shí)，殺菌率達(dá)到峰值，為 70.31%。
3.2 掃頻脈沖殺菌實(shí)驗(yàn)
3.2.1 實(shí)驗(yàn)裝置
實(shí)驗(yàn)裝置同前。實(shí)驗(yàn)中掃頻范圍確定在1 000 Hz 附近，設(shè)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(yàn)數(shù)據(jù)
實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)見表 4。
從表 4 可以看出，當(dāng)掃頻范圍為100～1 000 Hz 時(shí)，殺菌率達(dá)78.09%，當(dāng)掃頻范圍在100～2 000、 200～2 000 Hz 時(shí)，殺菌率均達(dá)到60%以上，而掃頻范圍在500～3 000 Hz 時(shí)，殺菌率出現(xiàn)負(fù)值，由此可見，掃頻范圍100～1 000 Hz 時(shí)的殺菌效率較好。具體參見http://www.dongaorq.cn更多相關(guān)技術(shù)文檔。
4 結(jié)論
(1)低頻脈沖電磁場既能抑制循環(huán)水中異養(yǎng)菌生長，也能刺激異養(yǎng)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(shù)，只有通過實(shí)驗(yàn)篩選出有效的頻率范圍，才能取得較好殺菌效果。
(2)無論磁場方向與水流方向平行或垂直，在實(shí)驗(yàn)中均設(shè)置磁場方向與地磁方向垂直，最大殺菌率均能達(dá)到70%以上。主要原因是磁場方向擾亂了微生物自身的生物磁效應(yīng)，影響了微生物的內(nèi)外部特性及新陳代謝功能，微生物受到抑制，達(dá)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?yàn)樗械漠愷B(yǎng)菌不僅生長繁殖快，而且種屬較多，當(dāng)使用固定頻率時(shí)，某一頻率的電磁波只對(duì)特定細(xì)菌具有殺滅和抑制作用，對(duì)于其他細(xì)菌作用效果較差。實(shí)驗(yàn)中可以觀察出當(dāng)磁場方向與水流方向平行時(shí)，掃頻脈沖波殺菌實(shí)驗(yàn)的殺菌率達(dá)到 82.64%，比固定頻率的殺菌率74.24%效果要好;當(dāng)磁場方向與水流方向垂直時(shí)，掃頻脈沖波的殺菌率可達(dá)78.09%，也比固定頻率下的70.31%高一些。所以對(duì)循環(huán)冷卻水中的異養(yǎng)菌進(jìn)行電磁場殺滅處理時(shí)，首先應(yīng)確定有效的掃頻范圍，在該范圍內(nèi)才能達(dá)到較好的殺滅效果。
