一种灭活水体中病原微生物的装置及方法

1.本发明属于水污染控制领域，涉及水体中病原微生物污染控制，特别是涉及一种灭活水体中病原微生物的装置及方法。


背景技术：

2.水是维持人类生命的重要物质，有时也是传播疾病的重要媒介。近几十年来，人类已不止一次地面对病原微生物通过水传播引发的疾病风险。据报道，全球26％的人类死亡都是由病原微生物直接或间接引起的，每年约1500多万例，受粪便、污水和垃圾污染的水环境中可能存在1000多种病原微生物，主要分为病毒、细菌、原生动物和寄生虫四类，可以引起肠胃炎、痢疾和败血症等疾病。我国由于经济的不断发展，城市化进展迅速，生活污水的排放量急剧增加，而目前，在我国的600多座城市中，有近1/6的城市没有污水处理能力，大量的生活污水被直接排入水体，含有人畜排泄物的生活污水，携带大量的病原微生物进入水体，直接威胁人们的安全和身体健康，特别是在贫困落后地区，介水传染病依然是危害当地人健康的重要疾病。因此，水体中病原微生物污染控制是目前亟待解决的水环境问题之一。
3.当前我国对于水体中的病原微生物的灭活主要是以加氯消毒为主。然而，氯在水中的作用是相当复杂的，它不仅可以起氧化反应，还可与水中天然存在的有机物起取代或加成反应生成具有有害作用的副产物。目前，已确定并且对人和动物有不利影响的副产物有三卤甲烷、卤代乙酸和高溴根离子，其中，三卤甲烷和卤代乙酸对人体有致癌和促癌作用。二氧化氯是被世界卫生组织确定的一种安全高效强力杀菌剂，是国际上公认的氯系消毒剂中比较理想的更新替代产品。二氧化氯对微生物的灭活范围广、灭活能力强，除对一般的细菌有杀灭作用外，对大肠杆菌等异养菌、铁细菌、硫酸盐还原菌等自养菌、脊髓灰质炎病毒、肝炎病毒、贾第虫孢囊等也有很好的杀灭作用，并且灭活效果基本不受ph值的影响，不产生抗药性，持续灭菌能力较氯长2倍。但是，二氧化氯也产生副产物。二氧化氯加到水中后主要被还原成亚氯酸盐，而亚氯酸盐可引起溶血性贫血和人体高铁血红蛋白的增加，被国际癌症研究所确定为致癌物类。
4.紫外线灭活水体中的病原微生物属于物理灭活方法，不需投加任何药剂，不产生副产物，也不增加污染物的遗传毒性，且杀菌速度快、灭菌率高、易操作、管理和自动化程度高，是一种绿色的灭活方法。但紫外线灭活存在不能解决消毒后病原微生物在管网中再污染的问题及电耗较大等缺点。紫外线的灭活效果与紫外线对水透射能力有关。水中的悬浮物质、溶解有机物和水分子对紫外线都有吸收作用。在水中悬浮浓度高时，它的消毒效果便不是很彻底。
5.臭氧是目前已知的化学消毒剂中最为有效的一种消毒剂。臭氧与水混合后形成的臭氧水溶液具有很强的杀菌作用，它能够迅速广泛地杀灭多种微生物和致病菌。根据目前的研究，无论在副产物的生成量和毒性，还是在出水的致突变性方面，臭氧都比氯气和二氧化氯理想。臭氧氧化能力很强，但也并非完美无缺。当原水中含有溴化物时，在臭氧的氧化
作用下会形成对人体有害的溴酸盐。溴酸盐被国际癌症研究机构定为2b级(较高致癌可能性)的潜在致癌物。
6.综上所述，有必要提出一种新型的水体病原微生物灭活方案，以在确保灭活效果的同时，克服现有病原微生物灭活方案所存在的上述问题。


技术实现要素：

7.本发明的目的是提供一种灭活水体中病原微生物的装置及方法，以解决上述现有病原微生物灭活技术所存在的灭活效果有瑕疵的问题。
8.为实现上述目的，本发明提供了如下方案：
9.本发明提供一种灭活水体中病原微生物的装置，主要包括：
10.反应罐；
11.电晕放电系统，所述电晕放电系统设置于所述反应罐内，包括接地电极板和高压电极板，所述高压电极板位于所述接地电极板的一侧，并与所述接地电极板之间形成电晕放电反应池；其中，所述高压电极板用于与直流高压电源的高压输出端相连，所述接地电极板用于与大地相连，所述高压电极板上设置有若干与所述电晕放电反应池连通的放电针；
12.介质阻挡放电系统，所述介质阻挡放电系统设置于所述反应罐内，且位于所述接地电极板的另一侧；所述介质阻挡放电系统包括同轴内管电极和套设于所述同轴内管电极外部的同轴外管电极，所述同轴内管电极的两端均封闭，所述同轴内管电极和所述同轴外管电极之间形成环形柱状气隙；其中，所述同轴内管电极用于与交流高压电源的高压输出端相连，所述同轴外管电极与所述反应罐之间形成介质阻挡放电反应池，所述环形柱状气隙与曝气头连接，所述曝气头位于所述介质阻挡放电反应池内，所述介质阻挡放电反应池与所述电晕放电反应池相连通；
13.气源，所述气源与所述环形柱状气隙和所述放电针连接，用于给所述环形柱状气隙和所述放电针供气，所述电晕放电系统或所述介质阻挡放电系统中发生电晕放电或介质阻挡放电，从而使气体电离产生各种活性物种并伴随一些化学、物理过程；
14.水源，所述水源与所述电晕放电反应池连接，用于向所述电晕放电反应池内通入待灭活处理的水体；
15.出水口，所述出水口设置于所述介质阻挡放电反应池，所述水体依次经所述电晕放电反应池、所述介质阻挡放电反应池从所述出水口排出。
16.可选的，还包括出气系统，所述出气系统包括：
17.出气口，所述出气口设置于所述介质阻挡放电反应池的顶部，用于排出所述介质阻挡放电反应池及所述电晕放电反应池内的废气；
18.臭氧淬灭器，所述臭氧淬灭器与所述出气口连接，用于淬灭所述废气中的臭氧。
19.可选的，所述接地电极板和所述高压电极板在所述反应罐内自上而下间隔设置，并将所述反应罐内由上至下依次分隔为所述介质阻挡放电反应池、所述电晕放电反应池和电晕放电气室；
20.其中，所述电晕放电气室连接所述气源，并通过所述放电针与所述电晕放电反应池连通，以使所述放电针将气体引入所述电晕放电反应池。
21.可选的，所述接地电极板上开设有若干通孔，以连通所述电晕放电反应池和所述
介质阻挡放电反应池。
22.可选的，所述同轴内管电极和所述同轴外管电极同轴设置，且所述同轴内管电极和所述同轴外管电极之间通过固定配件间隔固定。
23.可选的，所述气源为空气、氧气和臭氧中的一种或多种。
24.可选的，所述气源与所述环形柱状气隙和所述放电针之间均连接有气体流量计。
25.可选的，所述水源通过水泵与电晕放电反应池连接。
26.可选的，所述出水口与所述水源连接，以实现水体的循环。
27.同时，本发明提出一种灭活水体中病原微生物的方法，可采用上述装置实施，主要包括：
28.向所述电晕放电反应池和所述环形柱状气隙注入气体；
29.向所述电晕放电反应池和所述介质阻挡放电反应池中注入待灭活处理的水体；
30.至少启动所述电晕放电系统和所述介质阻挡放电系统中的一者使所述电晕放电系统和所述介质阻挡放电系统发生电晕放电或介质阻挡放电，从而产生各种活性物种并伴随一些化学、物理过程，作用于所述水体；在电晕放电或介质阻挡放电时，所述电晕放电反应池或所述环形柱状气隙中的气体发生电离，产生大量的电子，所述直流高压电源或交流高压电源施加的电压使得电子获得能量后轰击其它的分子或原子，产生激发态原子及其它活性基团，这些高能电子、分子、原子和活性基团与水作用产生h2o2、
·
oh、ho2·
、
·
o、
·
h等活性物种，这些活性物种与所述水体中的病原微生物发生化学反应使水中病原微生物失去活性；电晕放电或介质阻挡放电过程中由于分子的电离、跃迁会产生一些物理过程，如紫外光、超声、冲击波、局部高温等进一步加速了所述水体中病原微生物的灭活；
31.所述水体中病原微生物灭活处理完成，由所述出水口将处理完成的水体排出。
32.本发明相对于现有技术取得了以下技术效果：
33.本发明公开的灭活水体中病原微生物的装置，将电晕放电系统与介质阻挡放电系统耦合，结构布置精巧，实现了电晕放电与介质阻挡放电的统一。本发明将不均匀电场下的电晕放电和均匀电场下的介质阻挡放电产生的各种活性物种以及物理、化学效应同时作用于水体，两者系统之间优势互补，从而达到对水体中病原微生物高效灭活的效果，特别是对细小病毒的灭活效果非常优良，是现有灭活方法效率的100
‑
5000倍，可显著提高水体的安全性，并且处理时间短，无二次污染，耗能低，操作简便，大大降低了运行成本，具有良好的工业应用前景。
34.其中，电晕放电系统和介质阻挡放电系统可以单独运行，也可以同时运行实现耦合，能够适应多种水体的灭活处理。
35.本发明还提出一种灭活水体中病原微生物的方法，操作简便，运行成本低，且灭活效果好，适用于多种有机废水，如印染废水、制革废水、餐厨废水、垃圾渗滤液废水等的处理，实用性强。
附图说明
36.为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获
得其他的附图。
37.图1为本发明实施例所公开的灭活水体中病原微生物的装置的结构示意图；
38.图2a为经本发明实施例所公开的装置处理不同时间后鲤春病毒血症病毒在黑头软口鲦上皮瘤细胞上的滴度；
39.图2b为未注射鲤春病毒血症病毒的斑马鱼、注射鲤春病毒血症病毒的斑马鱼以及注射了经本发明实施例所公开的装置处理5min的鲤春病毒血症病毒的斑马鱼的存活率对比图；
40.图3为本发明实施例所公开的装置对水体中铜绿微囊藻的灭活效果图；
41.图4为本发明实施例所公开的装置对水体中大肠杆菌的灭活效果图。
42.其中，附图标记为：1.高压供电系统、2.反应罐、3.电晕放电系统、4.介质阻挡放电系统、5.气源、6.水泵、7.臭氧淬灭器、8.直流高压电源、9.交流高压电源、10.高压电极板、11.接地电极板、12.电晕放电气室、13.电晕放电反应池、14.介质阻挡放电反应池、15.进气口、16.进水口、17.出水口、18.出气口、19.放电针、20.同轴内管电极、21.同轴外管电极、22.固定配件、23.曝气头、24.进气口，25.气体流量计、26.气体流量计。
具体实施方式
43.下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
44.本发明的目的之一是提供一种灭活水体中病原微生物的装置，以解决现有病原微生物灭活技术所存在的灭活效果有瑕疵的问题。
45.本发明的另一目的还在于提供一种采用上述灭活水体中病原微生物的装置实施的用于灭活水体中病原微生物的方法。
46.为使本发明的上述目的、特征和优点能够更加明显易懂，下面结合附图和具体实施方式对本发明作进一步详细的说明。
47.实施例1：
48.如图1所示，本实施例提供一种新型的用于灭活水体中病原微生物的装置，主要包括高压供电系统1、反应罐2、电晕放电系统3、介质阻挡放电系统4、气源5、水泵6和臭氧淬灭器7。其中：
49.高压供电系统1由直流高压电源8和交流高压电源9组成，分别用于给电晕放电系统3和介质阻挡放电系统4提供高压电能。
50.反应罐2被电晕放电系统3中的高压电极板10和接地电极板11自下而上分隔成电晕放电气室12、电晕放电反应池13和介质阻挡放电反应池14三部分区域；电晕放电气室12设置有进气口15，电晕放电反应池13设置有进水口16，介质阻挡放电反应池14设置有出水口17和出气口18。
51.电晕放电系统3的高压电极板10与高压供电系统1的直流高压电源8的高压输出端相连，高压电极板10上分布着若干等高设置的放电针19，放电针19连通电晕放电气室12与电晕放电反应池13；接地电极板11与大地相连，接地电极板11上分布有若干通孔以连通电
晕放电反应池13和介质阻挡放电反应池14。
52.介质阻挡放电系统4置于介质阻挡放电反应池14中，主要由同轴内管电极20、同轴外管电极21、固定配件22和曝气头23组成，同轴内管电极20和同轴外管电极21被固定配件22固定在同轴，同轴内管电极20与同轴外管电极21之间形成环形柱状气隙，且二者之间保持均匀的气隙间距。同轴内管电极20与高压供电系统1的交流高压电源9的高压输出端相连，同轴内管电极20可以由耐热、耐氧化的导电材料，如不锈钢、石墨等制成，也可由耐热、耐氧化的绝缘材料，如陶瓷、sio2、al2o3等制成，如果同轴内管电极20由耐热、耐氧化的绝缘材料制成，则可在绝缘材料的外壁贴、涂或镀导电材料，导电材料与高压供电系统1的交流高压电源9的高压端相连；同轴外管电极21优选由耐热、耐氧化的绝缘材料，如陶瓷、sio2、al2o3等制成；同轴内管电极20与同轴外管电极21之间的环形柱状气隙下端连接曝气头23，上端设置有进气口24。
53.气源5分别与电晕放电气室12的进气口15和介质阻挡放电系统4的进气口24相连，用于向电晕放电系统3和介质阻挡放电系统4提供气体，注入到电晕放电系统3和介质阻挡放电系统4的气体可以为空气、氧气、氮气、臭氧和氩气等气体，也可以是空气、氧气、氮气、臭氧和氩气等中至少两种气体的混合气体，气体流量计25和气体流量计26分别用于控制注入到电晕放电系统3和介质阻挡放电系统4的气体流量。
54.水源通过水泵6与电晕放电反应池13的进水口16相连，用于向电晕放电反应池13中注入废水，即待灭活处理的水体。
55.臭氧淬灭器7与介质阻挡放电反应池14的出气口18相连，主要用于淬灭介质阻挡放电反应池14及电晕放电反应池13排出的臭氧。其中，臭氧淬灭器为一种现有的臭氧淬灭装置或组件，“淬灭”是一种现有的工艺，在此不再赘述。
56.一种采用上述用于灭活水体中病原微生物的装置实施的灭活水体中病原微生物的方法，具体实施步骤如下：
57.i、打开气源5，调节气体流量计25，向电晕放电系统3注入气体，气体经电晕放电气室12的进气口15进入电晕放电气室12，然后经电晕放电系统3的高压电极板10和放电针19进入电晕放电反应池13，再穿过电晕放电系统3的接地电极板11进入介质阻挡放电反应池14，最后从介质阻挡放电反应池14的出气口18排出进入臭氧淬灭器7，经过淬灭的尾气排入大气；调节气体流量计26，向介质阻挡放电系统4注入气体，气体经介质阻挡放电系统4的进气口24进入介质阻挡放电系统4的同轴内管电极20与同轴外管电极21之间的气隙，然后经曝气头23进入介质阻挡放电反应池14，最后经介质阻挡放电反应池14的出气口18排出进入臭氧淬灭器7，经过淬灭的尾气排入大气。
58.ii、启动水泵6，向电晕放电反应池13中注入废水，废水穿过电晕放电系统3的接地电极板11上的通孔进入介质阻挡放电反应池14，最后从介质阻挡放电反应池14的出水口17排出；为了提高废水的处理负荷和效率，可让介质阻挡放电反应池14排出废水的通过水泵6再注入到电晕放电反应池13中，实现废水的循环处理。
59.iii、启动高压供电系统1的直流高压电源8和交流高压电源9，打开臭氧淬灭器7，对废水进行处理，处理时间为1min
‑
120min。iv、待处理完成后，依次关闭高压供电系统1的直流高压电源8和交流高压电源9，将处理完的水取出，关掉气源5和臭氧淬灭器7，处理结束。
60.在实际操作中，可以根据待处理的水体，即废水中病原微生物的不同，电晕放电系统3和介质阻挡放电系统4可以耦合运行，也可以单独运行。
61.在实际操作中，向电晕放电反应池13中注入废水时，首先要向电晕放电系统3和介质阻挡放电系统4中通入气体，否则，废水会通过电晕放电系统3的高压电极板10和放电针19流入电晕放电气室12中，或通过曝气头23进入介质阻挡放电系统4的同轴内管电极20与同轴外管电极21之间的环形柱状气隙里，影响电晕放电和介质阻挡放电。
62.在实际操作中，优选电晕放电系统3中高压电极板10上的放电针19顶端与接地电极板11的距离一致，介质阻挡放电系统4的同轴内管电极20与同轴外管电极21保持同轴且气隙间距均匀，否则，会发生局部放电，影响废水的处理效果。
63.在实际操作中，注入到系统中的气体流速和废水流量不能太大和太小，否则，会影响放电状态和废水的处理效果。
64.在实际操作中，应在设备启动前检查供电系统的正确性和安全性，同时要确保系统的气密性。
65.在本实施例中，上述的高压供电系统1中的直流高压电源8优选采用负极性高压直流脉冲电源，频率为75hz、峰值电压为22.4kv；高压供电系统1中的交流高压电源9优选采用高频交流高压电源，频率为6khz、峰值电压为19.6kv。
66.在本实施例中，上述的反应罐2优选为有机玻璃制成的圆柱形罐，内径6cm，高50cm。
67.在本实施例中，优选上述的电晕放电系统3中的高压电极板10和接地电极板11把反应罐2分成5cm高的电晕放电气室12、5cm高的电晕放电反应池13和40cm高的介质阻挡放电反应池14三部分，电晕放电系统3中的高压电极板10和接地电极板11均优选为2mm厚的不锈钢圆板，且高压电极板10和接地电极板11的外周均与圆柱形反应罐的内壁密封对接。其中，高压电极板10与上述负极性高压直流脉冲电源的高压输出端连接，高压电极板10上优选均匀分布有7根14
#
注射针头作为放电针19，每根放电针19的顶端与接地电极板11之间的距离均为1.0cm，接地电极板11与大地连接，接地电极板11上优选开设有24个直径为1cm的通孔。
68.在本实施例中，优选介质阻挡放电系统4中的同轴内管电极20和同轴外管电极21均为石英玻璃管，同轴内管电极20外径3cm、壁厚2mm、长30cm两端封闭，外壁贴了一层厚0.2mm、高25mm的铝箔；同轴外管电极21内径4cm、壁厚2mm、长35cm；两个外径4cm、内径3.2cm的同轴镂空圆环作为固定配件22将同轴内管电极20和同轴外管电极21固定在同轴。
69.在本实施例中，优选曝气头23为微孔为50μm、厚5mm、直径为4.5cm的微孔陶瓷片。
70.下面以对水体中鲤春病毒血症病毒进行灭活为例，对本实施例上述灭活水体中病原微生物的方法与装置做具体说明。其中，气源5优选为氧气，水泵6优选采用蠕动泵，臭氧淬灭器7为一种现有淬灭器，具体结构和工作原理在此不再赘述。
71.首先向电晕放电系统3和介质阻挡放电系统4中注入氧气，分别调节气体流量计25和气体流量计26为3l/min和5l/min，然后向电晕放电反应池13和介质阻挡放电反应池14中注入500ml含有鲤春病毒血症病毒的废水(鲤春病毒血症病毒一种对鲤科鱼类危害最大的传染病病毒之一，被世界动物卫生组织规定为必须申报的动物疫病之一，而我国新颁布的动物疫病名录中将其列为一类动物疫病)，通过蠕动泵将废水循环，废水的循环流速为
150ml/min；启动高压供电系统1的直流高压电源8和交流高压电源9，打开臭氧淬灭器7，对废水进行处理，处理时间为5min。每隔1min取10ml样品对鲤春病毒血症病毒的活性进行分析。鲤春病毒血症病毒的活性采用半数组织感染量法和观察鲤春病毒血症病毒在斑马鱼上的感染情况进行分析。如图2(此处的图2是指图2a和/或图2b)所示为本实施例对水体中鲤春病毒血症病毒的灭活效果。从图2a可以看出：经本实施例的方法与装置处理的水体中鲤春病毒血症病毒在黑头软口鲦上皮瘤细胞上的滴度随着处理时间的增加逐渐降低，经本实施例的方法与装置处理5min的水体中鲤春病毒血症病毒在黑头软口鲦上皮瘤细胞上的滴度由初始的10
12
降至102pfu/ml；从图2b可以看出：注射了未经本实施例的方法与装置处理的鲤春病毒血症病毒的斑马鱼，从第2天开始死亡，累积死亡率达到100％，而注射了经本实施例的方法与装置处理5min的鲤春病毒血症病毒的斑马鱼，累积死亡率与控制组(未注射病毒的斑马鱼)没有明显差异。这个结果表明：本实施例的灭活水体中病原微生物的方法与装置能够快速、有效地灭活水体中的病毒。
72.实施例2：
73.按照实施例1中公开的上述灭活水体中病原微生物的方法与装置，对水体中铜绿微囊藻进行灭活处理。具体如下：
74.对500ml铜绿微囊藻废水处理60min，每隔5
‑
10min取10ml样品对铜绿微囊藻的灭活效果进行分析。铜绿微囊藻的灭活效果通过藻细胞溶液在680nm处的紫外
‑
可见吸光度变化情况来分析。图3所示为本实施例对水中铜绿微囊藻的灭活效果，从图3可以看出：经过60min的处理，铜绿微囊藻的灭活率接近100％。可见，本实施例的灭活水体中病原微生物的方法与装置对水中铜绿微囊藻也有很好的灭活效果。
75.实施例3：
76.按照实施例1中公开的上述灭活水体中病原微生物的方法与装置，对水体中大肠杆菌进行灭活处理。具体如下：
77.对500ml大肠杆菌废水处理60min，每隔5
‑
10min取10ml样品对大肠杆菌的灭活效果进行分析。大肠杆菌的灭活效果通过多管发酵法测定大肠杆菌的数量来分析。图4所示为本发明对水体中大肠杆菌的灭活效果，从图4可以看出：经过60min的处理，大肠杆菌的灭活率达到90％以上。这说明本实施例的灭活水体中病原微生物的方法与装置对水中大肠杆菌同样有很好的灭活效果。
78.由此可见，本实施例提出的灭活水体中病原微生物的方法和装置，是利用电晕放电系统和介质阻挡放电系统中发生电晕放电或介质阻挡放电产生的高能电子、臭氧分子、过氧化氢分子、自由基(如
·
oh、ho2·
、
·
o、
·
h)等活性物种的化学过程以及伴随的紫外光、超声、冲击波、局部高温等物理过程来灭活水体中病原微生物的。本实施例集光、电、热等多种效应于一体，且各效应之间优势互补，从而可以有效灭活水体中各种病原微生物，特别是对细小病毒的灭活效果非常优良，是现有灭活方法效率的100
‑
5000倍，可显著提高水体的安全性，并且处理时间短，无二次污染，耗能低，操作简便，大大降低了运行成本，具有良好的工业应用前景，也可用于其他有机废水，如印染废水、制革废水、餐厨废水、垃圾渗滤液废水等的水体灭活处理。
79.需要说明的是，对于本领域技术人员而言，显然本发明不限于上述示范性实施例的细节，而且在不背离本发明的精神或基本特征的情况下，能够以其他的具体形式实现本
发明。因此，无论从哪一点来看，均应将实施例看作是示范性的，而且是非限制性的，本发明的范围由所附权利要求而不是上述说明限定，因此旨在将落在权利要求的等同要件的含义和范围内的所有变化囊括在本发明内，不应将权利要求中的任何附图标记视为限制所涉及的权利要求。
80.本发明中应用了具体个例对本发明的原理及实施方式进行了阐述，以上实施例的说明只是用于帮助理解本发明的方法及其核心思想；同时，对于本领域的一般技术人员，依据本发明的思想，在具体实施方式及应用范围上均会有改变之处。综上所述，本说明书内容不应理解为对本发明的限制。