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水消毒的混合空化法：化学药品与空化^[1]同时使用

摘要

本研究揭示了水消毒混合技术的潜在效果。研究的技术包括水力空化、声空化^[2]和臭氧、过氧化氢等化学物质的处理。空化现象包括在液体介质中汽泡的形成、生长和剧烈坍缩，这种现象产生的高强度压力会影响细胞和微生物的生存能力。结合水动力空化、声空化、过氧化氢和臭氧的混合技术似乎是减少异养菌平板计数以及指示微生物如总大肠菌群、粪便大肠菌群和粪便链球菌的一种有吸引力的替代技术。

关键词: 消毒; 空化; 过氧化氢; 臭氧; 异养板计数细菌; 指示微生物

1、介绍

常规使用各种物理和化学技术进行饮用水消毒，包括氯化，臭氧化和紫外线。混合技术采用各种氧化技术的结合，这可以产生足够的羟基自由基和其氧化潜能用于水净化。这些过程称为高级氧化过程（AOP）。 OH基团是一种强大的氧化自由基，仅次于氟，因此在用于水处理方面具有吸引力。高级氧化系统通常包括臭氧，过氧化氢和紫外线辐射，例如O₃和H₂O₂，O₃和UV。

文献报道了许多混合处理技术，包括紫外线辐射和臭氧化处理腐殖酸^[3]和低分子量有机化合物，超声波和臭氧化结合芳香化合物降解、灭活微生物和水的消毒。高级氧化过程（PEROXONE）是臭​​氧和过氧化氢的结合，已被用于水的消毒。

然而，化学消毒技术存在诸如形成可能致癌的副产物的缺点。因此，需要开发另外的消毒过程，这可以消除或减少这些消毒化学品的使用。

在本文中，我们研究了超声波处理、水力空化和混合空化过程的可行性，包括使用过氧化氢和臭氧等化学物质以及空化。以往的研究表明，这些技术可以灭活各种各样的微生物，超声波处理和水力空化是两种本质上不同的产生空化条件的手段，即分别利用声能和流能，对细胞的破坏尤为有效。空化是液体中微泡的形成，生长和坍塌的现象。如果由于高频声波的通过而发生这种现象，那么它被称为声空化（超声波处理），并且如果这种现象是由于流动系统的几何形状发生改变而引起液体流动压力的变化，则称为水动力空化。有关超声和水动力空化的空化机理的详细描述已在其他地方发表

表1：

2试验

对井水进行消毒研究，井水细菌种类和数量如表1所示。井水经过过滤，除去悬浮物和泥浆，然后采用以下消毒技术处理。

2.1过氧化氢处理

本研究使用了S.D.精细化学品的过氧化氢浓度为30%。所有实验均在1升井水上进行，在100%的基础上使用不同剂量的过氧化氢(5 - 150mg /l)(即使用的H₂O₂强度实际上为30% w/v)。根据实验性质进行了1-2小时的处理，并在磁力搅拌器的帮助下使溶液保持良好的混合状态。

2.2 臭氧

本研究使用的臭氧发生器由印度Arshad电子有限公司提供。最大电流可达1.2 A。发生器根据电晕放电法产生臭氧,以干燥的空气作为原料气，空气流速为28 lps。在所有的实验中，臭氧发生器都是在1.2 A的电流下工作的。在这个电流下，我们发现发生器以0.2 g/h的速度产生臭氧，出口空气中臭氧浓度为50mg /l。在2%碘化钾溶液中，臭氧起泡15分钟至400 ml，得出臭氧生成速率。然后用标准方法中所述的碘量滴定法，用硫代硫酸钠滴定法测定臭氧浓度。将臭氧放入100 ml无菌蒸馏水中，静置24 min，制得臭氧原液，溶液中臭氧浓度为50mg /l。以适量的臭氧溶液作为各种实验的标准剂量。所有实验均在1升井水上进行，使用不同剂量的臭氧。分别使用10ml、20ml、40ml、60ml和80ml的臭氧原液，使研究用水臭氧浓度达到0.5 mg/l、1 mg/l、2 mg/l、3 mg/l和4 mg/l。处理时间为15分钟，溶液在磁力搅拌器的帮助下保持良好的混合。

2.3声空化

用超声波发生器（超音速）进行超声波处理，该超声波发生器以22kHz的频率和240W的额定功率操作。将100ml的井眼水进行超声波处理15分钟。借助于冰浴将温度保持在35-37℃。所用的超声浴具有20.5kHz的峰值操作频率，也是由超声波发生器提供。水浴槽的内表面由不锈钢制成， 水浴缸的内部尺寸为145 145 150 mm。对2升的井水进行超声处理，其消耗的电功率为120W。 为防止温度升至35-37℃以上，采取间歇使用超声波照射，使系统在静止期间冷却。

2.4水力空化

诱导水动力空化的装置如图1所示。该装置基本上由一个闭环电路组成，包括一个储罐、一个离心泵和一个阀门,所使用的装置的容量为80升，额定功率为5.5kw。详细的分析使用的设置是讨论在其他地方。泵的吸力侧连接到水箱的底部，从水泵排出的水分叉成两条线，主管道由一个阀门V2(球阀)组成，由于它具有节流能力，因此可以作为一个空化装置。这种阀门旁边是硬玻璃管使观察更加容易，设置旁通管线来控制流经主线的液体流量。在适当的位置设置控制阀(V1和V3)，控制通过主线的流量，所述储罐设有冷却夹套，用于控制循环液的温度。压力表用于测量入口压力(p1)和完全恢复的下部压力(p2)，在大多数情况下，下部压力是大气压。

在实验过程中，旁通阀一直开着，直到泵达到最大转速后，旁通阀部分或全部关闭。然后节流第二个阀门，以获得所需的泵流量压力。所有试验均采用75 升井水，根据试验性质，分别在1.72、3.44和5.17 bar的泵排量压力下进行1-2小时的试验。实验还进行了在多孔孔板的存在下沿液体流动放置，孔板有33个直径为1 mm的孔。有效流动面积25.92 mm²。该实验通过改变孔板上每个孔对应的多个液体射流的流动方式来改变空化条件。研究表明，叶轮形状的变化对空泡动力学有显著的影响。

图1

图1所示。超声波流通池的水力空化装置 - V1，V2，V3：控制阀; p1，p2：压力表。

2.5混合动力技术

2.5.1声空化和过氧化氢

向井水中加入150 mg/l的H2O2(对于HPC菌)和5 mg/l的H₂O₂(对于指示微生物)，然后按照2.3节所述在超声发生器水浴中对其进行超声处理。

2.5.2水动力空化和过氧化氢

在2.4节所述的水动力空化装置中，先向井水中加入150 mg/l的H₂O₂，然后对HPC菌进行水动力空化，同理对指示微生物采用5 mg/l H₂O₂进行水动力空化。

2.5.3声空化和臭氧

将0.5、1、2、3、4 mg/l的臭氧加入井水中，然后按照2.3节所述在超声发生器和超声水浴中对其进行超声处理。

2.5.4水动力空化和臭氧

该混合过程的设置与2.4节(图1)中描述的水力空化设置基本相似，但有以下不同之处。储罐容量10升，多级离心泵(KSB pump Ltd, India)功率消耗为1.5 kW，转速为2800 rpm，空化收缩的阀门是由SS制成的球阀。在本次实验中使用10升井水，根据实验的性质，在1.72,3.44和5.17 bar的泵排出压力下进行实验1-2小时，并且定期取出样品。如上所述，在其经受水力空化之前，加入0.5,1和2mg/l的臭氧在井水中。

2.5.5水动力空化和声空化

超声波流通池安装在泵排放侧的水力空化装置中，使得经历水力空化后的水在流动池中经受声空化（图1）。超声波流通池以两个频率操作，即25和40 kHz单独或一起，每个频率的额定功率为120 W。在实验中，井水(75 升)受到声空化和水动力空化的影响，实验方式与水动力空化设置相同。

2.5.6水动力空化，声空化和过氧化氢

在75 升的井水中加入指示微生物条件下的5mg/l的H₂O₂和HPC菌条件下的150mg /l的H₂O₂，分别进行2.5.5节所述的声空化和水动力空化。

2.6过氧化氢分解研究

向1升井水中加入150mg /l过氧化氢，按2.1节所述处理1h，研究在不同排放压力下，过氧化氢在水动力空化作用下的分解。在75 升井水中加入150 mg/l H₂O₂，在泵排量为1.72、3.44和5.17 bar时处理2 h。取不同时间间隔的样品，用0.01 N硫酸钠溶液碘量滴定分析过氧化氢浓度。

2.7臭氧分解研究

采用碘量法测定水中臭氧浓度，该方法已被文献报道用于臭氧测定。碘量法是基于与臭氧反应从碘化钾溶液中释放游离碘，以淀粉为指示剂，用硫代硫酸钠标准溶液滴定游离碘。由于硫代硫酸钠部分氧化成硫酸盐，在中性pH下反应不具有化学计量学性质，所以滴定在3-4的pH值下进行。碘量法可用于测定1 mg/l以上的臭氧浓度，按照标准方法记录碘化钾反应和硫酸钠滴定的过程。

2.7.1臭氧在没有超声波的情况下分解

将臭氧通入100 ml无菌蒸馏水中24分钟，初始臭氧浓度为50 mg/l。每隔一段时间取出25 ml，加入400 ml浓度为2%的KI，用0.1 N硫酸酸化，用0.005 M硫酸钾滴定。同理，不同时间间隔的臭氧残留浓度为按标准方法计算。

2.7.2臭氧在超声波作用下分解

将臭氧通入100 ml无菌蒸馏水中24分钟，用超声发生器对其进行超声处理。每隔一段时间取出25 ml，加入400 ml浓度为2%的KI，用0.1 N硫酸酸化，用0.005 M硫酸钾滴定。同理，臭氧在不同时间间隔内的浓度是按照标准方法计算的。在超声波浴的情况下进行了类似的实验，除了臭氧溶液没有直接进行超声波处理，而是在超声波浴中放置了一个装有臭氧溶液的烧杯。

3方法的分析

上述技术的消毒效果是通过微生物的破坏数量来评估的。HPC琼脂(hi - medium)、M-Endo琼脂LES、M-FC琼脂Base、K -F链球菌琼脂(Hi-media)按美国公共卫生协会推荐进行HPC菌、总大肠菌群、粪便大肠菌群和粪便链球菌的计数。

4结果和讨论

4.1.1达到消毒百分比

当一定量的水、一定量的过氧化氢和臭氧,可以看出随着治疗时间的增加,微生物死亡的数量也增加(表2)。这种效果是由于随着处理时间的增加，微生物与化学消毒剂接触时间的增加，导致微生物死亡数量增加。

4.1.2声空化

在超声波设备中,浴室和发生器的作用是增加生石膏消毒所有的微生物的消毒时间(表2)。这是因为，随着暴露在超声波下的时间的增加，细胞或微生物接触到塌陷腔的可能性也会增加，从而导致腔体溶解细胞或微生物。这里得到的结果与我们早期的工作是一致的。

4.1.3水力空化

观察发现，当泵的排放压力增加时，消毒效率也会提高。在很高的泵排出压力(5.17 bar)下，达到一定程度的消毒所需的时间比在较低的压力下要少。因此，在相同的消毒处理时间内，在较高的出水压力下，消毒效率更高。同时观察到在液体的流动路径中加设多孔孔板，增加了所有微生物的消毒率。因此，采用多孔孔板

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