電廠冷卻水在循環利用過程中由于鹽類濃縮作用，造成凝汽器銅管內易發生結垢、腐蝕以及滋生微生物等現象，所以結垢、腐蝕和微生物并稱為電廠循環冷卻水系統的三大危害。而微生物能促進污垢沉積，造成金屬的局部表面缺氧，形成氧的濃差電池，引起金屬腐蝕，同時微生物在繁殖過程中分泌的黏稠液體與周圍的泥砂、無機物、塵土等組成的軟泥性沉積物黏附在換熱器、冷卻塔壁上，導致小管道堵塞、大管道流量減少、流速減慢、傳熱效率降低等不良后果。另外，病原微生物會在冷卻塔周圍隨著風吹泄漏，增大對人體健康和環境污染的風險。因此，循環冷卻水需經過殺菌處理。

　　電廠循環冷卻水中的主要微生物影響因子為異養菌。對循環冷卻水中的異養菌數量進行檢測，發現該值在夏季高達1×106 mL-1，冬季約為1×104 mL-1，平均為1×105 mL-1，大于《工業循環冷卻水設計規范》(GB 50050—2007)所規定的間冷開式系統允許值1×105 mL-1。因此可以認為循環冷卻水中的異養菌為主要影響菌類，是對循環冷卻水進行殺菌處理的主要對象。

　　1 變頻脈沖電磁場殺菌原理

　　磁場對于磁性物質和帶電物體會產生力的作用，生物體一般情況下或多或少帶有各自的生物電或者含有磁性物質。有研究者認為，磁場對細胞作用的靶點為細胞膜系統，磁場通過影響帶電粒子跨膜轉運，影響跨膜信息傳導、細胞膜流動性，或直接作用于細胞膜離子通道，影響細胞的各種生理功能，從而影響生物體的代謝過程。磁場對微生物生長的影響較復雜，通常較強的磁場強度會抑制微生物的生長，而弱磁場對微生物生長可能有促進作用，不同種類微生物其磁效應的結果亦不同。

　　細胞在磁場作用下會產生電磁生物效應，主要表現在：一方面細胞在磁場下運動時，如果細胞所做運動是切割磁力線的運動，通過其中的磁通量會發生變化并產生感應電流，這個電流的大小、方向和形式是對細胞產生生物效應的主要原因。當接通電源的時候會產生瞬變的磁通，在細胞內激勵起感應電流，此感應電流與磁場相互作用的力密度可以破壞細胞正常的生理功能。另一方面，在磁場下細胞中的帶電粒子尤其是質量小的電子和離子，由于受到洛侖茲力的影響，其運動軌跡常被束縛在某一半徑之內，磁場越大半徑越小，導致細胞內的電子和離子不能正常傳遞，從而影響細胞正常的生理功能。

　　2 磁場方向與水流方向平行的殺菌實驗

　　由于地球上的生物體總是生活在一定的磁場環境中，其周圍磁場強度的改變對生物體生長、發育以及繁殖過程等有一定潛在性影響。為了驗證變頻脈沖磁場對微生物的影響，筆者針對磁場方向與水流方向平行的情況，設計了固定頻率與掃頻頻率2 種頻率下的殺菌實驗，以探索頻脈沖磁場對循環水中微生物的影響。

　　2.1 固定頻率的殺菌實驗

　　2.1.1 實驗裝置

　　實驗裝置由DDS 信號發生器、CS501-SP 超級數顯恒溫器、電磁線圈、水流調節閥、噴頭及連接水管組成。DDS 信號發生器由合肥達春電子有限公司生產，采用直接數字合成技術，具有頻率精度高及頻率掃描和幅度掃描功能;CS501-SP 超級數顯恒溫器由重慶慧達試驗儀器有限公司生產，此設備為循環水加溫和驅動循環裝置，內置50 W 循環水泵，水槽容積16 L，外接塑料水軟管后，可實現水體的動態循環流動; 電磁線圈由線徑0.83 mm 的銅漆包線在直徑25 mm、長90 mm 的塑料線架上密繞1 000 匝組成，線圈電感12.86 mH，電阻4.8 Ω，實驗時電磁線圈套在連接水管外，使水流經過線圈內的磁場，磁場方向為東西方向，與地磁場在水平面上垂直。實驗裝置。

　　 磁場方向與水流方向相同的變頻脈沖殺菌的實驗室動態模擬裝置



　　2.1.2 實驗方法

　　實驗采用橫向對比法，同時連接2 臺動態模擬實驗裝置，2 臺裝置處在相同環境下，1 臺做殺菌實驗，1 臺做參照對比實驗。實驗用水采集自電廠的循環冷卻水，分析水樣流經線圈前后水中異養菌的數量變化。異養菌測定采用瓊脂平板計數法，每次讀數取3 個平板作平行，每次檢測重復2 次，以殺菌率衡量殺菌效果，即處理后致死的細菌數與原水細菌數的比值。實驗運行時間持續12 h，間隔1 h 取樣分析。

　　實驗中設置輸出電壓10 V、循環水單次通過線圈的時間0.09 s、水溫30 ℃，波形為脈沖方波(占空比90%)。

　　2.1.3 實驗數據

　　在不同脈沖頻率下進行殺菌實驗，實驗結果。



　　在不同頻率下，其殺菌率有一定的起伏變化，這是因為循環冷卻水中微生物種類繁多，每種微生物都有自己固有的殺菌頻率，所以不同頻率下殺菌效果不同。當脈沖頻率為17 kHz 時，殺菌率達到最大值，為74.24%。

　　2.2 掃頻脈沖波的殺菌實驗

　　2.2.1 實驗裝置與方法

　　使用固定頻率的電磁脈沖波進行殺菌具有局限性，鑒于這種情況，利用信號發生器的掃頻功能，使信號發生器由低至高發出一系列變化頻率，形成掃頻脈沖波形。

　　實驗裝置同上，實驗設置在17 kHz 附近掃頻，設步進頻率500 Hz，脈沖間隔時間5 ms，掃頻電壓 10 V，采用脈沖方波(占空比90%)，水溫度30 ℃，循環水流速0.89 m/s。

　　2.2.2 實驗數據

　　不同掃頻范圍下的殺菌實驗結果。



當掃頻范圍在10～18 kHz 和 11～17 kHz 時殺菌率最高，達80%以上，且比固定頻率下的殺菌效果要好。而當掃頻范圍在8～20、11～ 23、11～25 kHz 時，均出現了負殺菌率，造成這種現象的原因是因為在上述掃頻范圍內進行電磁脈沖殺菌實驗時，循環冷卻水中的有機物質被分解成無機營養物，刺激異養菌的生長;同時一部分具有更強適應能力的細菌可在變頻脈沖電磁場存活且繁衍生長所致。

　　3 磁場方向與水流方向垂直的殺菌實驗

　　為了對比磁場方向改變后的殺菌效果，筆者設計了磁場方向與水流方向垂直情況下的殺菌實驗裝置，以此研究磁場方向與水流方向垂直時的殺菌效果，實驗中同樣采用固定和掃頻脈沖波2 種電磁波。

　　3.1 固定頻率殺菌實驗

　　3.1.1 實驗裝置

　　實驗中用0.45 mm 防水漆包線在塑料線架繞制線圈，塑料線架中內置直徑19 mm、長120 mm 的不銹鋼管，線圈電感1.97 mH，電阻3.9 Ω，實驗時線圈豎直放入玻璃水槽中，磁場方向與地磁場方向垂直， 2 線圈間距60 mm。其他實驗裝置同上。實驗裝置。

　　3.1.2 實驗方法

　　實驗采用變頻脈沖電磁場，水質為電廠循環冷卻水，采用2 臺同樣裝置的設備橫向對比，實驗中水樣管路中循環通過線圈繞組產生脈沖磁場。設置脈沖輸出電壓10 V、單次作用時間0.09 s、水溫30 ℃。

　　圖 2 磁場方向與水流方向垂直時實驗裝置



　　3.1.3 實驗數據

　　不同脈沖頻率與殺菌率之間的關系。

　　不同脈沖頻率下的殺菌率



　不同頻率下殺菌率的變化起伏較大，當頻率為1 000 Hz 時，殺菌率達到峰值，為 70.31%。

　　3.2 掃頻脈沖殺菌實驗

　　3.2.1 實驗裝置

　　實驗裝置同前。實驗中掃頻范圍確定在1 000 Hz 附近，設置掃頻的步進頻率為50 Hz、脈沖間隔時間 10 ms、掃頻電壓10 V，采用正脈沖方波(占空比為 90%)，水溫度30 ℃，循環水流速0.89 m/s。

　　3.2.2 實驗數據

　　當掃頻范圍為100～1 000 Hz 時，殺菌率達78.09%，當掃頻范圍在100～2 000、 200～2 000 Hz 時，殺菌率均達到60%以上，而掃頻范圍在500～3 000 Hz 時，殺菌率出現負值，由此可見，掃頻范圍100～1 000 Hz 時的殺菌效率較好。具體參見http://www.dowater.com更多相關技術文檔。

　　4 結論

　　(1)低頻脈沖電磁場既能抑制循環水中異養菌生長，也能刺激異養菌繁衍，殺菌率在-107.69%到 82.64%間波動，其中脈沖頻率是關鍵參數，只有通過實驗篩選出有效的頻率范圍，才能取得較好殺菌效果。

　　(2)無論磁場方向與水流方向平行或垂直，在實驗中均設置磁場方向與地磁方向垂直，最大殺菌率均能達到70%以上。主要原因是磁場方向擾亂了微生物自身的生物磁效應，影響了微生物的內外部特性及新陳代謝功能，微生物受到抑制，達到滅菌目的。

　　(3)掃頻狀態下的殺菌率要比固定頻率好一些，這是因為水中的異養菌不僅生長繁殖快，而且種屬較多，當使用固定頻率時，某一頻率的電磁波只對特定細菌具有殺滅和抑制作用，對于其他細菌作用效果較差。實驗中可以觀察出當磁場方向與水流方向平行時，掃頻脈沖波殺菌實驗的殺菌率達到 82.64%，比固定頻率的殺菌率74.24%效果要好;當磁場方向與水流方向垂直時，掃頻脈沖波的殺菌率可達78.09%，也比固定頻率下的70.31%高一些。所以對循環冷卻水中的異養菌進行電磁場殺滅處理時，首先應確定有效的掃頻范圍，在該范圍內才能達到較好的殺滅效果。

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