脉冲电场/脉冲等离子体新型杀菌技术研究

【摘要】： 高压脉冲电源与不同电极结构的反应器匹配在水处理中有脉冲电场(PEF)和脉冲非热等离子体(NTP)两种应用形式。本文分别以油田注水和饮用水为研究对象，开展了对PEF和NTP新型杀菌技术的研究。 首先，以油田注水为研究对象，考察了脉冲频率、样品温度、细菌初始浓度、电导率、电极距离等操作参数对PEF杀菌的影响，并对参数优化。开发了脉冲电场和超声波联用杀菌工艺，证实PEF可以有效的去除腐生菌、铁细菌和硫酸盐还原菌等有害菌，超声波和PEF联用具有协同杀灭腐生菌和铁细菌的作用。考察了电导率、细菌初始浓度和Fe~(2+)对NTP杀菌的影响，同时考察了曝气气源(O_2、N_2和空气)和曝气强度对NTP杀菌的影响，试验表明曝气有利于杀菌，曝O_2的效果最好。氧气曝气强度为667 m~3/(m~3h)时，经过150 s的处理，腐生菌、铁细菌和硫酸盐还原菌的失活率分别为1．85、4．51和5．70 log。 其次，以饮用水为研究对象，系统的考察了PEF和NTP消毒时，单脉冲能量的影响和连续流条件下的杀菌效果，比较了火花隙开关电源和闸流管开关电源与反应器匹配的杀菌效果，研究了天然水体中存在的腐殖酸对PEF和NTP杀菌效果的影响，结果表明水中的有机物对NTP杀菌的影响很大。 在以上研究的基础上，以含腐殖酸的自配水以及两种实际水样为处理对象，从杀菌效果、速率、成本、安全性等方面比较PEF/NTP、ClO_2、UV、H_2O_2和O_3等杀菌方法。研究表明除H_2O_2外，其他方法均能快速高效杀菌，其中ClO_2和UV杀菌受水中有机物影响最大。以自来水厂水源水为处理对象，细菌失活率为1 log时，ClO_2杀菌最经济快速。从安全性角度而言，PEF和UV几乎无消毒副产物，然而PEF杀菌比UV彻底，且受水中有机物影响较小。总而言之PEF是一种有优势的高效安全消毒方法，而NTP可用于杀菌和污染物的共去除。 最后，探讨了PEF和NTP技术对细胞结构的破坏程度，发现NTP对细胞结构的破坏比PEF更剧烈。分析了NTP杀菌的机理，证实NTP杀菌是电场和自由基、臭氧等氧化性活性物质的共同作用，并明确了自由基对杀菌的贡献。