CN103864161A

CN103864161A - 一种利用渐缩孔板产生水力空化灭活水体中微生物的装置

Info

Publication number: CN103864161A
Application number: CN201410134754.6A
Authority: CN
Inventors: 冯道伦; 赵杰; 刘天; 张莹吉; 吴晓文
Original assignee: Shanghai Maritime University
Current assignee: Shanghai Maritime University
Priority date: 2014-04-04
Filing date: 2014-04-04
Publication date: 2014-06-18
Anticipated expiration: 2034-04-04
Also published as: CN103864161B

Abstract

本发明公开了一种利用渐缩孔板产生水力空化灭活水体中微生物的装置，该装置包含水体待处理箱、离心泵、阀门、流量计、压力表、灭活区、储液箱以及输水管道；输水管道依次连接水体待处理箱，离心泵，流量计，压力表，灭活区和储液箱；灭活区内设有若干条并联的管路，每条管路上分别设有一个渐缩孔板，每个渐缩孔板两端的管路上分别设有一个阀门。本发明提供的利用渐缩孔板产生水力空化灭活水体中微生物的装置，具有占地面积小，处理效果好，操作简便省时，能耗低且不产生二次污染等优点。

Description

一种利用渐缩孔板产生水力空化灭活水体中微生物的装置

技术领域

本发明涉及一种用于去除水体中活体微生物的装置，具体地，涉及一种利用渐缩孔板产生水力空化效应从而灭活水体中活体微生物的装置。

背景技术

水是生命之源，可以饮用，可作为工业上使用的冷却水，船舶压载水等，极为重要。然而，水体中含有各种微生物，例如细菌，浮游动植物等，若不对其的繁殖进行控制，则会危害人体健康，损坏工业产品，甚至破坏生态系统。因此，为了解决水体中微生物所带来的危害，就必须深入研究，积极探索，力求找到一种有效的方法去除水体中的微生物，目前处理水体中微生物的方法大致可以分为机械方法，物理方法和化学方法三类。

机械方法主要是过滤法，其操作简单，成本低，但随着处理时间的增长，滤网极易被堵塞，因此需要经常冲洗，操作复杂，耗时久。

物理方法主要是加热法和紫外线照射法。加热法对去除不同的微生物所需维持的时间不同，很多需要几小时，而且对于某些会变成孢子形式进入休眠状态或者本身就具备芽孢的微生物，效果并不佳。紫外线本身对微生物有良好的抑制作用，然而，紫外线的作用效果会受到水体的浊度、色度等影响，降低其的杀除效果，而且也无法杀除微生物芽孢。

化学方法主要的就是加氯化物（氯和次氯酸钠），硫酸铜，漂白粉等化学物质来杀灭水体中的微生物。但针对于含有多种浮游动植物，细菌，原生动物的水体，所需要添加的达到处理效果的化学物质的量很难控制，如果浓度过大，则会产生致癌物质，造成二次污染问题。

以上所述的三大类去除水体中微生物的方法都有其缺点，现如今，已有利用水力空化技术消毒饮用水，去除水体中微生物的相关研究。“空化”是一种物理现象。早在1753年欧拉就指出：“水管中某处的压强若降到负值时，水即自管壁分离，该处将形成一个真空区，这种现象应予避免”。1849年英国海军发现螺旋桨转动时有大量气泡产生，这些气泡又随即在水的压力作用下收缩内爆，致使螺旋桨产生剧烈振动，这是历史上首次对空化现象物理本质的描述随后人们便把液体内部局部压力降低时，液体内部或液固交界面上蒸汽或气体的空穴（空泡）的形成、发展和溃破的过程称为空化。水力空化现象发生在很多场合，例如在有管径急剧变化的管道中水力机械中等。这是因为一般液体中含有微小的气泡，通常情况下肉眼并不能看见这些气泡，当液体流经低压区时，这些微小气泡迅速膨胀，在该处形成可见的微小空泡。在低压区空化的液体挟带着大量空泡形成了“两相流”运动。空泡在随液体流动过程中，遇到周围压力增大时，体积将急剧缩小或溃灭，溃灭过程发生于瞬间（微秒级），因而空泡溃灭时将伴随极其复杂的多种物理、化学效应。关于空泡溃灭产生的特殊的环境，相关研究表明：空泡溃灭时将产生瞬时的局部高温（约5000℃）、高压（50MPa以上），即形成所谓的“热点”，并能形成强烈的冲击波和速度大于400km/h的微射流。水力空化通常可以这样实现：流体流过一个收缩装置（如几何孔板、文丘里管等）时，由于孔板的阻流作用，液体流速增大、压力降低，当压力降至蒸汽压甚至负压时，溶解在流体中的气体会释放出来，同时流体汽化而产生大量空化泡，随后液体周围压力迅速恢复喷射扩张，空化泡瞬间破灭，从而产生空化。

在这些利用水力空化技术去除水体中微生物的相关研究在这些研究中，孔板参数（孔数，孔径），入口压力被作为主要的研究参数。目前的研究只涉及了对文丘里管和多孔板研究，有相关研究表明：孔径越小，孔数越多，入口压力越大，灭活效果才更好，但是这样就会消耗大量的能量，不具备经济效益；此外，这些研究中水力空化的装置都只有一条处理管路，若需更换孔板，则必须停止处理，更换后再运行，这样就会消耗大量时间。

发明内容

本发明的目的是提供一种用于去除水体中活体微生物的装置，利用渐缩孔板产生水力空化效应灭活水体中活体微生物，起到灭菌和净化水质的作用，消除目前所采用技术的缺点。

为了达到上述目的，本发明提供了一种利用渐缩孔板产生水力空化灭活水体中微生物的装置，其中，所述的装置包含水体待处理箱、离心泵、阀门、流量计、压力表、灭活区、储液箱以及输水管道；所述的输水管道依次连接水体待处理箱，离心泵，流量计，压力表，灭活区和储液箱；所述的灭活区内设有若干条并联的管路，每条管路上分别设有一个渐缩孔板，每个渐缩孔板两端的管路上分别设有一个阀门。该装置适用于处理不同水质，不同浓度的水体，耐腐蚀，温度适应范围较广。

上述的利用渐缩孔板产生水力空化灭活水体中微生物的装置，其中，所述的渐缩孔板与管路通过法兰固定。装卸渐缩孔板的操作简便迅速，在处理时，只需打开一条管路上两个阀门，利用这条管路上的渐缩孔板进行处理。若需更换渐缩孔板，便可在这条管路处理的同时，在其余管路上安装新的渐缩孔板，之后只要开闭相应阀门，使若干条管路交替使用，便可进行不间断处理，节约大量时间。

上述的利用渐缩孔板产生水力空化灭活水体中微生物的装置，其中，所述的渐缩孔板上顺着水体流动方向设有贯通的渐缩孔，能够使水体从中流过。

上述的利用渐缩孔板产生水力空化灭活水体中微生物的装置，其中，所述的渐缩孔的内径顺着水体流动方向由一端向另一端逐渐扩大或逐渐缩小。

上述的利用渐缩孔板产生水力空化灭活水体中微生物的装置，其中，所述的渐缩孔大端内径范围为30~35mm，小端内径范围为15~20mm，渐缩孔的长度范围为30~50mm。

上述的利用渐缩孔板产生水力空化灭活水体中微生物的装置，其中，所述的渐缩孔板的开孔率为25~40%。

上述的利用渐缩孔板产生水力空化灭活水体中微生物的装置，其中，所述的离心泵与流量计之间还设有阀门，在处理前，需关闭该阀门，将水体注满水体待处理箱与离心泵之间的输水管道，从而使离心泵满足将水体泵入的压力条件。

上述的利用渐缩孔板产生水力空化灭活水体中微生物的装置，其中，所述的离心泵能够将水体泵入输水管道；所述的流量计能够检测水体在输水管道中的流量。该装置达到处理效果所需的入口压力较低，所以可以使用普通的，功率较小的离心泵，而且处理的能耗较低。

上述的利用渐缩孔板产生水力空化灭活水体中微生物的装置，其中，所述的压力表能够检测水体流入灭活区前的入口压力。

上述的利用渐缩孔板产生水力空化灭活水体中微生物的装置，其中，所述的水体待处理箱内存放即将被处理的水体，所述的储液箱能够接收处理之后的水体。

本发明提供的利用渐缩孔板产生水力空化灭活水体中微生物的装置具有以下优点：

本装置通过把水体泵入输水管道，流经渐缩孔板时，由渐缩孔板产生的水力空化效应来灭活水体中的活体微生物。具体来说：首先，本装置对入口压力的要求较小，所以可以使用普通的，功率较小的离心泵进行处理，而且处理的能耗也较低；其次，该装置适用于处理不同水质，不同浓度的水体，耐腐蚀，温度适应范围较广；再次，该装置是一种机械的处理方法，不会产生二次污染。

附图说明

图1为本发明的利用渐缩孔板产生水力空化灭活水体中微生物的装置的结构示意图。

图2为本发明的利用渐缩孔板产生水力空化灭活水体中微生物的装置的灭活区法兰固定渐缩孔板的侧视图。

图3为本发明的利用渐缩孔板产生水力空化灭活水体中微生物的装置的不同渐缩孔板对灭活率的影响结果示意图。

图4为本发明的利用渐缩孔板产生水力空化灭活水体中微生物的装置的不同渐缩孔板对单位能耗灭活个数的影响结果示意图。

图5为本发明的利用渐缩孔板产生水力空化灭活水体中微生物的装置的不同渐缩孔板对压力差、流量的影响结果示意图。

具体实施方式

以下结合附图对本发明的具体实施方式作进一步地说明。

如图1所示，本发明提供的利用渐缩孔板产生水力空化灭活水体中微生物的装置，包含水体待处理箱1、离心泵3、阀门、流量计5、压力表6、灭活区13、储液箱15以及输水管道2。输水管道2依次连接水体待处理箱1，离心泵3，流量计5，压力表6，灭活区13和储液箱15。该装置适用于处理不同水质，不同浓度的水体，耐腐蚀，温度适应范围较广。

水体待处理箱1内存放即将被处理的水体，储液箱15能够接收处理之后的水体。

离心泵3与流量计5之间还设有阀门4，在处理前，需关闭该阀门4，将水体注满水体待处理箱1与离心泵3之间的输水管道2，从而使离心泵3满足将水体泵入的压力条件。离心泵3能够将水体泵入输水管道2；流量计5能够检测水体在输水管道2中的流量。该装置达到处理效果所需的入口压力较低，所以可以使用普通的，功率较小的离心泵3，而且处理的能耗较低。压力表6能够检测水体流入灭活区前的入口压力。

灭活区13内设有若干条并联的管路，每条管路上分别设有一个渐缩孔板，每个渐缩孔板两端的管路上分别设有一个阀门。

渐缩孔板与管路通过法兰14固定。装卸渐缩孔板的操作简便迅速，在处理时，只需打开一条管路上两个阀门，利用这条管路上的渐缩孔板进行处理。若需更换渐缩孔板，便可在这条管路处理的同时，在其余管路上安装新的渐缩孔板，之后只要开闭相应阀门，使若干条管路交替使用，便可进行不间断处理，节约大量时间。

渐缩孔板上顺着水体流动方向设有贯通的渐缩孔，能够使水体从中流过。渐缩孔的内径顺着水体流动方向由一端向另一端逐渐扩大或逐渐缩小。渐缩孔大端内径范围为30~35mm，小端内径范围为15~20mm，渐缩孔的长度范围为30~50mm。渐缩孔板的开孔率为25~40%。

本发明提供的利用渐缩孔板产生水力空化灭活水体中微生物的装置，优选离心泵3频率为50Hz，研究对象为压载水中常见的异湾藻。通过实施例来说明本发明装置不同的设计参数对微生物灭活效果的影响，渐缩孔板参数如表1所示，优选为：渐缩孔板的开孔率（25%，39%），渐缩孔板的朝向（孔径逐渐扩大，孔径逐渐减小）。

本发明提供的利用渐缩孔板产生水力空化灭活水体中微生物的装置工作过程如下：在离心泵3与流量计5之间设有阀门4，正式运行前需要关闭阀门4，并使水体待处理箱1与离心泵3之间的输水管道2装满待处理的水体。正式运行时，首先使用灭活区13的一条管路进行灭活，打开阀门7、9，安装渐缩孔板8，接着运行离心泵3，水体样品在其作用下，按以下箭头所示方向流动，待处理水体样品→流量计5→压力表6→阀门7→渐缩孔板8→阀门9→储液箱15。

水体样品经过渐缩孔板8时，会导致压力骤降，当压力降至水体样品的饱和蒸汽压时，水体样品就会汽化并产生很多空化泡。当水体通过渐缩孔板之后，压力开始恢复，先前产生的空化泡则会溃灭，这时所产生的局部的高温高压可以直接灭活水体样品中的异湾藻。11，然后打开阀门10、12，关闭阀门7、9，利用这条管路进行处理即可。可根据需要，对各项实验参数进行调节，在灭活区的若干条管路中交替更换渐缩孔板。最后在储液箱15取两组平行样进行生物计数，来确定实验处理后活体异湾藻的浓度，并计算灭活率，能耗等数据。

如图2所示，渐缩孔板通过其管路两端的法兰14进行固定，装卸十分简便，只需用扳手拧紧和旋松法兰14周围的螺母16、17、18、19等共8个，就可对渐缩孔板进行装卸。此外，交替使用灭活区13中的若干条管路，可以使处理不间断的进行，节约大量时间。

通过以上实验，得出实验结果如下：

如图3所示，开孔率小的渐缩孔板要比开孔率大的渐缩孔板的灭活效果好，孔径逐渐扩大的渐缩孔板要比孔径逐渐减小的渐缩孔板的灭活效果好。对于开孔率为25%的渐缩孔板，孔径逐渐扩大的灭活率为67.39%，孔径逐渐减小的灭活率为65.17%；对于开孔率为39%的渐缩孔板，孔径逐渐扩大的灭活率为66.4%，孔径逐渐减小的灭活率为52.51%。

如图4所示，开孔率大的渐缩孔板要比开孔率小的渐缩孔板的单位灭活个数多，孔径逐渐减小的渐缩孔板要比孔径逐渐扩大的渐缩孔板的单位灭活个数多。对于开孔率为25%的渐缩孔板，孔径逐渐减小的单位能耗灭活个数为3330195，孔径逐渐扩大的单位能耗灭活个数为1620637；对于开孔率为39%的渐缩孔板，孔径逐渐减小的单位能耗灭活个数为8492565，孔径逐渐扩大的单位能耗灭活个数为4560971。

如图5所示，开孔率小的渐缩孔板要比开孔率大的渐缩孔板的压力差大，孔径逐渐扩大的渐缩孔板要比孔径逐渐减小的渐缩孔板的压力差大；然而，开孔率大的渐缩孔板要比开孔率小的渐缩孔板的流量大，孔径逐渐减小的渐缩孔板要比孔径逐渐扩大的渐缩孔板的流量大。对于开孔率为25%的渐缩孔板，孔径逐渐扩大的压力差为2.4815×10⁵Pa，流量为4.7594m³/h，孔径逐渐减小的压力差为1.6183×10⁵Pa，流量为5.1948m³/h；对于开孔率为39%的渐缩孔板，孔径逐渐扩大的压力差为1.1343×10⁵Pa，流量为5.1446m³/h，孔径逐渐减小的压力差为0.6936×10⁵Pa，流量为5.5372m³/h。

参见表2，渐缩孔板的灭活率不仅要比常规孔板更好，而且其产生的能耗远远低于其他常规孔板所产生的能耗。开孔率为39%的渐缩孔板，孔径逐渐减小的能耗为4946J/m³，孔径逐渐扩大的能耗为11620 J/m³；对于开孔率为25%的渐缩孔板，孔径逐渐减小的能耗为15614 J/m³，孔径逐渐扩大的能耗为33320 J/m³。然而，孔径为8mm的单孔板的能耗为213294 J/m³，孔数为4个，孔径为10mm的多孔板的能耗为125032 J/m³，孔径为16mm的单孔板串联的能耗为165493 J/m³，孔径为20mm的单孔板循环3次的能耗为479598 J/m³。

本发明提供的利用渐缩孔板产生水力空化灭活水体中微生物的装置，与其他处理水体中活体微生物方法相比较，具有占地面积小，处理效果好，操作简便省时，能耗低且不产生二次污染等优点。

尽管本发明的内容已经通过上述优选实施例作了详细介绍，但应当认识到上述的描述不应被认为是对本发明的限制。在本领域技术人员阅读了上述内容后，对于本发明的多种修改和替代都将是显而易见的。因此，本发明的保护范围应由所附的权利要求来限定。

Claims

1.一种利用渐缩孔板产生水力空化灭活水体中微生物的装置，其特征在于，该装置包含水体待处理箱（1）、离心泵（3）、流量计（5）、压力表（6）、灭活区（13）、储液箱（15）、阀门以及输水管道（2）；

所述的输水管道（2）依次连接水体待处理箱（1）、离心泵（3）、流量计（5）、压力表（6）、灭活区（13）和储液箱（15）；

所述的灭活区（13）内设有若干条并联的管路，每条管路上分别设有一个渐缩孔板，每个渐缩孔板两端的管路上分别设有一个阀门。

2.如权利要求1所述的利用渐缩孔板产生水力空化灭活水体中微生物的装置，其特征在于，所述的渐缩孔板与管路通过法兰（14）固定。

3.如权利要求2所述的利用渐缩孔板产生水力空化灭活水体中微生物的装置，其特征在于，所述的渐缩孔板上顺着水体流动方向设有渐缩孔。

4.如权利要求3所述的利用渐缩孔板产生水力空化灭活水体中微生物的装置，其特征在于，所述渐缩孔的内径顺着水体流动方向由一端向另一端逐渐扩大或逐渐缩小。

5.如权利要求4所述的利用渐缩孔板产生水力空化灭活水体中微生物的装置，其特征在于，所述的渐缩孔大端内径范围为30~35mm，小端内径范围为15~20mm，渐缩孔的长度范围为30~50mm。

6.如权利要求3所述的利用渐缩孔板产生水力空化灭活水体中微生物的装置，其特征在于，所述的渐缩孔板的开孔率为25~40%。

7.如权利要求1所述的利用渐缩孔板产生水力空化灭活水体中微生物的装置，其特征在于，所述的离心泵（3）与流量计（5）之间还设有阀门（4）。

8.如权利要求7所述的利用渐缩孔板产生水力空化灭活水体中微生物的装置，其特征在于，所述的离心泵（3）能够将水体泵入输水管道（2）；所述的流量计（5）能够检测水体在输水管道（2）中的流量。

9.如权利要求1所述的利用渐缩孔板产生水力空化灭活水体中微生物的装置，其特征在于，所述的压力表（6）能够检测水体流入灭活（13）区前的入口压力。

10.如权利要求1所述的利用渐缩孔板产生水力空化灭活水体中微生物的装置，其特征在于，所述的水体待处理箱（1）内存放即将被处理的水体，所述的储液箱（15）能够接收处理之后的水体。