熊 兰等:方波脉冲电场与微藻的完美邂逅

高电压技术2018-04-15 19:18:44
                
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DOI: 10.13336/j.1003-6520.hve.2016.02.005

熊  兰, 张德卿, 谢子杰, 等.  方波脉冲电场杀灭微藻的实验研究[J]. 高电压技术,2016,42(2):368-376.

方波脉冲电场杀灭微藻的实验研究

熊  兰,张德卿,谢子杰,杨子康,石岭岭,何  为

研究背景

        发电厂循环冷却水系统中的无机盐浓度、溶氧量、水温和 pH 值常年保持在适宜的范围内,各类微生物大量增殖,进而引起管道结垢、腐蚀和堵塞等问题,影响到换热系统的效率,降低了设备的使用寿命。因此,为保证循环冷却水系统高效可靠运行,杀灭微生物是一道重要的工序。

        目前,用于清洗和杀灭循环冷却水中生物黏泥以及微生物的技术主要是通过化学手段、生物手段和物理手段来实现,但化学制剂会对生产人员产生毒副作用,容易腐蚀设备,在环境中引入新的污染;生物制剂则往往是针对特定种类的微生物,因此其适用范围受到限制。而物理手段的作用机理则是通过改变水体活性和损伤微生物细胞结构来破坏微生物的生存环境和诱导微生物的死亡,具有环保、高效、节能等优点,且将其运用于水处理时还兼具阻垢、除垢、抑菌以及对管道和设备无腐蚀等多种特点。

        电脉冲处理技术作为一种物理杀菌灭藻手段已经历了30余年的发展历程,在城市污水治理、食品加工、生物医学等领域得到了一定的应用。但是对于电磁脉冲杀灭微生物的机理国内外学者提出的观点和假说各不相同。此外,不同研究者针对不同的处理对象所选择的电磁参数也具有较大的差别,不具有普遍适用性。当前关于电磁脉冲杀灭和处理微生物的报道主要集中在细菌方面,而对藻类细胞的研究则相对较少。所以,当不同参数条件下的方波脉冲与微藻相遇后会发生怎样奇妙的现象,如何进一步利用实验数据研究脉冲电场抑制藻类生长的机理成为了我们更为关心的话题。


主要创新点

        循环冷却水中的微藻繁殖会造成微生物污垢滋生,可采用电磁脉冲进行灭藻。针对目前电脉冲处理技术所采用的电磁参数差别较大,难以进行统一论证以及处理对象大多集中在单一的细菌细胞方面等问题,本文进行了相应的实验研究,主要创新点体现在以下2个方面。

        1)设计并研制1台高压方波脉冲电源样机,实现输出参数的可调,从而为后续的灭藻实验提供普遍适用的电参数从多个角度。

        2)针对电场强度、脉宽、频率和处理时间等参量设计正交实验方案,选取典型的藻类微生物开展灭藻实验,从多种情况分析电脉冲处理技术对于微藻的杀灭效果,填补电脉冲技术杀灭微藻领域的空白。



解决的问题和意义

        1)提出了基于 Marx 发生器和 H 桥固态调制器的高压脉冲源拓扑,并研制了1台多参数可调高压脉冲发生器,输出的方波脉冲的脉冲频率为 1~1 000 Hz,脉冲电压 0~6 kV,脉宽 1~5 μs,最大瞬时输出电流为 12 A。该脉冲电源的输出参数可调,可以在不同参数条件下对微藻进行电脉冲处理,从而进行不同参数下实验结果的论证与分析。

        2)针对电场强度、脉宽、频率和处理时间等 4 个参量设计了正交实验方案,开展脉冲电场对蛋白核小球藻和铜绿微囊藻的灭藻实验。其中脉冲电场处理铜绿微囊藻和蛋白核小球藻后的生长曲线分别如图1和图2所示,除去明显的测量误差外,各处理组的生长曲线在各个时间点均低于空白对照组,说明实验藻液的生长受到明显抑制。


图1  脉冲电场处理后铜绿微囊藻生长曲线



图2  脉冲电场处理后蛋白核小球藻生长曲线

        由于这2种典型的微藻类生物具有较强的代表性,因此以它们作为实验对象具有较为普遍的适用性,为后续探究脉冲电场抑制藻类生长的机理提供实验数据的支持。


结论

        1)本文所研制的脉冲源可以输出最大电压幅值 6 kV、每秒脉冲数1 000、脉宽在1~5μs范围内可调的双极性脉冲,且可以在带液体负载的情况下长时间稳定运行。

        2)通过设计正交实验分别开展了脉冲电场对蛋白核小球藻和铜绿微囊藻的抑藻实验,通过少量的实验频次达到最理想的处理效果,为今后进一步研究脉冲电场抑制藻类生长的机理提供了实验数据支持,奠定了基础。铜绿微囊藻和蛋白核小球藻在电脉冲处理后第6天的藻液外观分别如图3和图4所示,图中从左至右分别为空白组和部分处理组,从图中可以直观地看到脉冲电场对微藻的生长确有显著的抑制作用,2 种藻的藻细胞密度最多分别减小了 86.2%和 94.1%。


图3  电脉冲处理后培养132 h时间(第6天)的铜绿微囊藻液外观


图4  处理后培养132 h时间的蛋白核小球藻

        3)在脉冲电场处理的可变因素中,处理电压对微藻生长的影响极为显著,影响强度远超另外 3个因素(即脉宽、频率、处理时间),提高处理电压可以极大提高对实验微藻的抑制和杀灭效果。


        4)通过比较不同因素下各个水平藻细胞密度的相对下降比均值,推测出抑制蛋白核小球藻和铜绿微囊藻生长效果的最佳处理参数组合分别为5 kV、5 μs、800 Hz、5 min 和 5 kV、5 μs、800 Hz、10 min。


后续研究内容

        1)进行更广泛的灭藻实验,增加微藻的种类,提高电参数的可调范围,寻找更好的灭藻实验参数。

        2)对脉冲电场作用于微藻细胞的实验过程引入微观观测,记录微藻细胞的变化,从而对电脉冲处理技术作用于藻类细胞的抑活、杀灭机理进行探究。


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 作者和团队介绍


熊  兰重庆大学电气工程学院电工理论与新技术系副主任,教授。研究方向为电气设备在线监测与故障诊断技术、脉冲电源及其水处理应用、光伏并网发电的控制策略。主持国家级项目1项,省部级项目5项和横向项目近20项;作为主研人员参与国家级项目研究7项,省部级项目6项,在国内重要学术刊物和国际学术会议上发表论文60余篇,SCI/EI合计收录30余篇。


张德卿重庆大学电气工程学院电工理论与新技术系,硕士,研究方向为电气设备在线监测与故障诊断技术、脉冲电源及其水处理应用。以第2作者发表或录用EI期刊论文1篇,会议及相关论文5篇。

输配电装备及系统安全与新技术国家重点实验室的电磁场效应、测量和电磁成像研究团队以何为教授为负责人,合计13名成员。研究方向:基于高频高功率脉冲电磁场的水处理研究;气液两相微空心阴极空气等离子体射流研究;基于时空电/磁场数据的交流架空线路的电磁效应研究等等。每年平均发表SCI 检索期刊论文10余篇、EI检索期刊20余篇、获权发明专利近10项。


团队近3年在《高电压技术》发表论文情况

[1] 熊  兰, 伍懿美, 杨子康, 等. 高频电磁水处理器处理腔的电磁场仿真分析及实验[J]. 高电压技术,2012,38(2): 427-434.

[2] 熊 兰,石岭岭, 郑家波, 等. 实际指数脉冲电场对细胞跨膜电位的影响[J].  高电压技术,2013,39(1):122-128.

[3] 熊 兰, 赵艳龙, 杨子康, 等. 树脂浇注干式变压器温升分析与计算[J]. 高电压技术,2013,39(2):265-271.

[4] 熊 兰, 周健瑶, 宋道军, 等. 基于改进J-A磁滞模型的电流互感器建模及实验分析[J]. 高电压技术,2014,40(2):482-488.

[5] 熊 兰, 李俊伟, 胡国辉, 等. 双极性脉冲磁场装置研制及其阻垢实验[J]. 高电压技术,2015,41(6):2008-2014.

[6] 熊 兰, 陈加鹏, 屈涌杰, 等. 恒定磁场阻垢除垢的分子动力学模拟[J]. 高电压技术,2015,41(5):1603-1609.

[7] 熊 兰, 张德卿, 谢子杰,等. 方波脉冲电场杀灭微藻的实验研究[J].  高电压技术,2016,42(2):368-376.



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