水處理工業(yè)殺菌技術(shù)

吉倩倩

摘? ? ? 要：針對我國水資源緊缺及廢水亂排放問題，探討了紫外線殺菌在工業(yè)循環(huán)冷卻水處理中的應(yīng)用。通過動態(tài)模擬實(shí)驗(yàn)，找出紫外線在循環(huán)冷卻水處理中的殺菌條件和影響因素。以硫酸鹽還原菌、鐵細(xì)菌和異養(yǎng)菌為指示菌，得出殺菌劑的用量、滅菌時間、溫度、pH值。結(jié)果表明：二氧化氯在投加量為3 mg/L，滅菌時間為30 min，臭氧在投加量為50 mg/L，滅菌時間為16 min，出水細(xì)菌數(shù)可達(dá)到化工行業(yè)循環(huán)冷卻水處理標(biāo)準(zhǔn)，并且二氧化氯殺菌的余氯可在0.5～1.0 mg/L范圍內(nèi)維持2 h，滿足了后續(xù)殺菌要求。紫外線殺菌前期投資較大，但使用費(fèi)用較低，長期運(yùn)行具有很大的經(jīng)濟(jì)優(yōu)勢。

關(guān)? 鍵? 詞：循環(huán)冷卻水;殺菌;紫外線

中圖分類號：TD926.5? ? ? ?文獻(xiàn)標(biāo)識碼： A? ? ? ?文章編號： 1671-0460（2019）09-2010-04

Abstract： In order to solve the problems of water shortage and wastewater discharge in China， the bactericidal effect of ultraviolet sterilization in industrial circulating cooling water treatment was studied. The germicidal conditions and influencing factors of ultraviolet sterilization in circulating cooling water treatment were studied by means of dynamic simulation experiment. Using sulfate reducing bacteria， iron bacteria and heterotrophic bacteria as indicator bacteria， the dosage of fungicides， sterilization time， temperature and pH value were studied. The germicidal effect of ultraviolet rays on bacteria in circulating cooling water and the suitable germicidal conditions was investigated. The experimental results showed that when the dosage of chlorine dioxide was 3 mg/L and the sterilization time was 30 min， the ozone dosage was 50 mg/ L and the sterilization time was 16 min， the number of bacteria in the effluent met the standard of circulating cooling water treatment in chemical industry， and the residual chlorine of chlorine dioxide sterilization maintained within the range of 0.5～1.0 mg/L for 2 hours， which met the requirement of subsequent sterilization. The conclusion is that the prophase investment of ultraviolet sterilization process is larger， but the cost of use is lower， and the long-term operation has a great economic advantage.

Key words： Circulating cooling water; Sterilization; Ultraviolet ray

目前制造業(yè)產(chǎn)生大量的工業(yè)廢水，一旦排入地下會造成大量的地下水資源污染，對生態(tài)系統(tǒng)造成難以估量的破壞。

與生活用水不同，工業(yè)循環(huán)水系統(tǒng)通常為自然條件下的微生物生長和繁殖提供更有利的條件。水循環(huán)系統(tǒng)中主要為冷卻水，在循環(huán)水中隨著蒸發(fā)加藥調(diào)節(jié)酸堿pH、管道材質(zhì)及水流速等，致使水中的各種離子濃度增多，水質(zhì)會惡化。水中雜質(zhì)可以通過機(jī)械過濾器等手段過濾，水溫度可以通過涼水塔及空冷設(shè)備降溫等，水中氯等離子較多時候，無法處理[1，2]。

循環(huán)水系統(tǒng)中微生物大量繁殖，導(dǎo)致水體污染，同時出現(xiàn)一些黏液等，[3，4]附著在設(shè)備及管道表面，長時間會硬化，降低循環(huán)效果，導(dǎo)致?lián)Q熱效果降低。沉積在金屬表面上的黏液將在水垢下引起嚴(yán)重腐蝕，同時還使藥物對金屬隔離，使藥劑不能發(fā)揮其應(yīng)有的腐蝕和阻垢效率[5]。抑制和殺死微生物、細(xì)菌和藻類，在冷卻水系統(tǒng)中添加殺菌劑、除藻劑是最直接有效的方法[6，7]

1? 實(shí)驗(yàn)部分

1.1? 實(shí)驗(yàn)試劑及儀器

實(shí)驗(yàn)試劑：磷酸氫二鉀、牛肉膏、氯化鈣、硫代硫酸鈉、硫酸鎂、三氯甲烷、乳酸鈉、重鉻酸鉀、硫酸亞鐵銨、濃硫酸、硫酸銨、碘化鉀、硝酸鈉、淀粉、檸檬酸鐵銨、水楊酸、氯化鈉、氯化鋅、鹽酸、氫氧化鈉、蛋白胨、氯化銨、硫酸鈉、瓊脂。

實(shí)驗(yàn)儀器：立式點(diǎn)熱壓力蒸汽滅菌鍋 LDZX- 40KB，臭氧發(fā)生器 JKC-5，生化培養(yǎng)箱SHP-250，濁度儀AQ2010，電子分析天平ALC210.4 11 W，紫外燈管 15、21 W。

1.2? 實(shí)驗(yàn)裝置

采用動態(tài)模擬實(shí)驗(yàn)方法模擬工業(yè)循環(huán)冷卻水殺菌裝置[8，9]。紫外線殺菌裝置如圖1。

紫外燈殺菌實(shí)驗(yàn)裝置采用高度為 900 mm，內(nèi)外徑分別為 30、100 mm 石英消毒量筒。將外徑19 mm 的單頭四針紫外燈安裝在石英消毒量筒內(nèi)管，外管走水。紫外燈照射功率分別為11，15，21 W。通過調(diào)節(jié)流量可以控制輻照時間，考察紫外線殺菌效果[10]。

1.3? 實(shí)驗(yàn)用水

實(shí)驗(yàn)用水取自石化廠回用循環(huán)冷卻水，原水已經(jīng)經(jīng)過二級處理。對其水質(zhì)指標(biāo)進(jìn)行檢測，其水質(zhì)如表1所示。

2? 實(shí)驗(yàn)方法與步驟

2.1? 細(xì)菌的培養(yǎng)與計(jì)數(shù)

在循環(huán)冷卻水系統(tǒng)中，合適的水溫度和pH值適合于多種微生物的生長。增加水中微生物的數(shù)量和生長所需的營養(yǎng)源，例如有機(jī)物質(zhì)、碳酸鹽、硝酸鹽、鐵等。除冷卻塔外，冷庫全年都在室外暴露，陽光充足，為微生物的生長提供了良好的條件。因此，循環(huán)冷卻水系統(tǒng)中存在許多種類和數(shù)量的微生物，這是非常有害的，其中硫酸鹽還原菌、鐵細(xì)菌和異養(yǎng)細(xì)菌是最常見的。

2.1.1? 硫酸鹽還原菌

硫酸鹽還原菌（SRB）是循環(huán)水中的主要危害菌，他們腐蝕金屬設(shè)備，導(dǎo)致循環(huán)系統(tǒng)黏泥量升高，堵塞管道，影響換熱效率，惡化水質(zhì)。

硫酸鹽還原菌培養(yǎng)液：K2HPO4：0.5 g，NH4Cl：1.0 g，Na2SO4：1.0 g，CaCl2·2H2O：0.1g，MgSO4·7H2O：2.0 g，70%乳酸鈉溶液：5.0 g，蒸餾水：1 000 mL， Fe（NH4）2（SO4）2·6H2O：0.2 g，用氫氧化鈉或鹽酸溶液調(diào)節(jié) pH：7.0～7.2，分裝 10 mL培養(yǎng)液與培養(yǎng)瓶中，121 ℃下高壓滅菌 15 min。

測定方法：將不同稀釋度的水樣接種到培養(yǎng)瓶，每個稀釋度三個平行樣，將培養(yǎng)瓶放入恒溫培養(yǎng)箱中，37 ℃恒溫培養(yǎng)7 d，培養(yǎng)液出現(xiàn)黑色沉淀，并有硫化氫氣味，即為陽性，否則記為陰性。根據(jù)MPN計(jì)數(shù)法記錄硫酸鹽還原菌的數(shù)量。

2.1.2? 鐵細(xì)菌

鐵細(xì)菌可以將水中的鐵化合物氧化成紅棕色黏液（Fe2O3·xH2O），并在鐵管中形成軟泥。它也是水系統(tǒng)中最重要的微生物之一。在工業(yè)用水中，如果鐵細(xì)菌大量繁殖，將會有大量的氫氧化鐵護(hù)套覆蓋金屬表面，這不僅會降低傳熱效率，還會導(dǎo)致金屬管的直徑減小或堵塞，可以減少水流量。

鐵細(xì)菌培養(yǎng)液：（NH4）2SO4：0.5 g，NaNO3：0.5 g，CaC12：0.2 g，MgSO4·7H2O：0.5 g，檸檬酸鐵銨：10 g ，蒸餾水：1 000 mL，用氫氧化鈉或鹽酸溶液調(diào)節(jié)pH：6.6～6.8，分裝 10 mL 培養(yǎng)液與培養(yǎng)瓶中，用蒸汽壓力滅菌器 121 ℃下滅菌15 min。

測定方法：將不同稀釋度的水樣接種到培養(yǎng)瓶中，每個稀釋度接種三瓶平行樣，將培養(yǎng)瓶放入恒溫培養(yǎng)箱中，（30±0.5）℃恒溫培養(yǎng)10 d，細(xì)菌培養(yǎng)瓶中液體的分層沉淀是鐵細(xì)菌生長的基礎(chǔ)，每種稀釋液都有幾層沉淀，即幾個陽性沉淀。根據(jù)MPN方法記錄鐵細(xì)菌的數(shù)量。

2.1.3? 異養(yǎng)菌

在工業(yè)循環(huán)冷卻水中，異養(yǎng)細(xì)菌不僅生長繁殖速度最快，而且數(shù)量最多。細(xì)微的懸浮物和其他絲狀細(xì)菌、霉菌、藻類和原生動物形成黏液。生物黏泥的積累會導(dǎo)致管道堵塞，影響傳熱效果。同時，細(xì)菌分泌酸后，金屬表面局部形成氧濃度電池，腐蝕了管道。

異養(yǎng)菌培養(yǎng)基：蛋白胨：10，牛肉膏：3 g，NaC12：5 g，瓊脂：15 g，蒸餾水：1 000 mL，用氫氧化鈉或鹽酸溶解調(diào)節(jié) pH=7.4～7.6，并分別裝在 500 mL 三角瓶中，用蒸汽壓力滅菌器 121 ℃滅菌 15 min。

測定方法：根據(jù)無菌水梯度稀釋10倍稀釋測試水樣品，無菌培養(yǎng)皿環(huán)境下培養(yǎng)不同試樣，灌溉培養(yǎng)皿中，制備三個平行樣品和一個空白樣品。在（ 29±1）℃培養(yǎng)箱中培養(yǎng)72 h[11]。

2.2? 殺菌實(shí)驗(yàn)

紫外線作為一種新興的殺菌技術(shù)，其對水質(zhì)無影響，不產(chǎn)生副產(chǎn)物等優(yōu)點(diǎn)。但在國內(nèi)應(yīng)用較少，特別是在工業(yè)循環(huán)冷卻水殺菌的應(yīng)用中尚很陌生。實(shí)驗(yàn)分別應(yīng)用 11，15，21 W的紫外燈進(jìn)行殺菌動態(tài)模擬實(shí)驗(yàn) [12]。

3? 實(shí)驗(yàn)結(jié)果與討論

考察了濁度在 3.25～4.96 NTU范圍內(nèi)，輻照時間分別為 10，20，40，60，80，100 s 時，11，15，21 W 的紫外燈殺菌系統(tǒng)對硫酸鹽還原菌、鐵細(xì)菌、異養(yǎng)菌的殺滅效果。輻照時間與滅菌率關(guān)系圖如圖 2-4所示。

由圖2-4 可以看出，輻照時間從0～20 s之間時，三種不同功率的紫外等滅菌率提高都很快。

但是，出水的硫酸鹽還原菌、鐵細(xì)菌以及異養(yǎng)菌菌數(shù)沒有達(dá)到化工行業(yè)的循環(huán)冷卻水標(biāo)準(zhǔn)。當(dāng)輻照時間為60 s時，三種功率對三種細(xì)菌的滅菌率均達(dá)到了99%以上，滿足了水質(zhì)要求。繼續(xù)增加輻照時間，殺菌率仍有小幅度的提高，當(dāng)輻照時間為 80～100 s時，紫外線的殺菌率幾乎為100%。另外，三種不同功率紫外燈的殺菌效果隨著功率的增加而增加，原因?yàn)樽贤鉄舻挠行л敵龉β孰S著紫外燈的功率成正比：紫外有效輸出功率（W）=紫外表面輸出光強(qiáng)（μW/cm2）×燈管有效面積（cm2）/106。提高了表面輸出光強(qiáng)，使紫外輻照劑量有所提高，從而提高了殺菌效率。

4? 結(jié) 論

紫外線對循環(huán)冷卻水的殺菌效果顯著。當(dāng)11、15和21 W的紫外燈的照射時間為60 s時，硫酸鹽還原菌、鐵細(xì)菌和異養(yǎng)菌的殺菌率可達(dá)到99%以上。紫外燈功率越高，殺菌效果越好。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，二氧化氯在投加量為3 mg/L，滅菌時間為30 min? 時，臭氧在投加量為50 mg/L，滅菌時間為16 min時，出水細(xì)菌數(shù)可達(dá)到化工行業(yè)循環(huán)冷卻水處理標(biāo)準(zhǔn)，并且二氧化氯殺菌的余氯可在0.5～1.0 mg/L范圍內(nèi)維持2 h，滿足了后續(xù)殺菌要求。紫外線殺菌前期投資較大，使用費(fèi)用較低，長期運(yùn)行具有很大的經(jīng)濟(jì)優(yōu)勢。

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