电厂冷却水在循环利用过程中由于盐类浓缩作用，造成凝汽器铜管内易发生结垢、腐蚀以及滋生微生物等现象，所以结垢、腐蚀和微生物并称为电厂循环冷却水系统的三大危害。而微生物能促进污垢沉积，造成金属的局部表面缺氧，形成氧的浓差电池，引起金属腐蚀，同时微生物在繁殖过程中分泌的黏稠液体与周围的泥砂、无机物、尘土等组成的软泥性沉积物黏附在换热器、冷却塔壁上，导致小管道堵塞、大管道流量减少、流速减慢、传热效率降低等不良后果。另外，病原微生物会在冷却塔周围随着风吹泄漏，增大对人体健康和环境污染的风险。因此，循环冷却液需经过杀菌处理。
电厂循环冷却水中的主要微生物影响因子为异养菌。对循环冷却水中的异养菌数量进行检测，发现该值在夏季高达1×106 mL-1，冬季约为1×104 mL-1，平均为1×105 mL-1，大于《工业循环冷却水设计规范》(GB 50050—2007)所规定的间冷开式系统允许值1×105 mL-1。因此可以认为循环冷却水中的异养菌为主要影响菌类，是对循环冷却水进行杀菌处理的主要对象。
1 变频脉冲电磁场杀菌原理
磁场对于磁性物质和带电物体会产生力的作用，生物体一般情况下或多或少带有各自的生物电或者含有磁性物质。有研究者认为，磁场对细胞作用的靶点为细胞膜系统，磁场通过影响带电粒子跨膜转运，影响跨膜信息传导、细胞膜流动性，或直接作用于细胞膜离子通道，影响细胞的各种生理功能，从而影响生物体的代谢过程。磁场对微生物生长的影响较复杂，通常较强的磁场强度会抑制微生物的生长，而弱磁场对微生物生长可能有促进作用，不同种类微生物其磁效应的结果亦不同。
细胞在磁场作用下会产生电磁生物效应，主要表现在：一方面细胞在磁场下运动时，如果细胞所做运动是切割磁力线的运动，通过其中的磁通量会发生变化并产生感应电流，这个电流的大小、方向和形式是对细胞产生生物效应的主要原因。当接通电源的时候会产生瞬变的磁通，在细胞内激励起感应电流，此感应电流与磁场相互作用的力密度可以破坏细胞正常的生理功能。另一方面，在磁场下细胞中的带电粒子尤其是质量小的电子和离子，由于受到洛仑兹力的影响，其运动轨迹常被束缚在某一半径之内，磁场越大半径越小，导致细胞内的电子和离子不能正常传递，从而影响细胞正常的生理功能。
2 磁场方向与水流方向平行的杀菌实验
由于地球上的生物体总是生活在一定的磁场环境中，其周围磁场强度的改变对生物体生长、发育以及繁殖过程等有一定潜在性影响。为了验证变频脉冲磁场对微生物的影响，笔者针对磁场方向与水流方向平行的情况，设计了固定频率与扫频频率2 种频率下的杀菌实验，以探索频脉冲磁场对循环水中微生物的影响。
2.1 固定频率的杀菌实验
2.1.1 实验装置
实验装置由DDS 信号发生器、CS501-SP 超级数显恒温器、电磁线圈、水流调节阀、喷头及连接水管组成。DDS 信号发生器由合肥达春电子有限公司生产，采用直接数字合成技术，具有频率精度高及频率扫描和幅度扫描功能;CS501-SP 超级数显恒温器由重庆慧达试验仪器有限公司生产，此设备为循环水加温和驱动循环装置，内置50 W 循环水泵，水槽容积16 L，外接塑料水软管后，可实现水体的动态循环流动; 电磁线圈由线径0.83 mm 的铜漆包线在直径25 mm、长90 mm 的塑料线架上密绕1 000 匝组成，线圈电感12.86 mH，电阻4.8 Ω，实验时电磁线圈套在连接水管外，使水流经过线圈内的磁场，磁场方向为东西方向，与地磁场在水平面上垂直。实验装置如图 1 所示。
图 1 磁场方向与水流方向相同的变频脉冲杀菌的实验室动态模拟装置
2.1.2 实验方法
实验采用横向对比法，同时连接2 台动态模拟实验装置，2 台装置处在相同环境下，1 台做杀菌实验，1 台做参照对比实验。实验用水采集自电厂的循环冷却水，分析水样流经线圈前后水中异养菌的数量变化。异养菌测定采用琼脂平板计数法，每次读数取3 个平板作平行，每次检测重复2 次，以杀菌率衡量杀菌效果，即处理后致死的细菌数与原水细菌数的比值。实验运行时间持续12 h，间隔1 h 取样分析。
实验中设置输出电压10 V、循环水单次通过线圈的时间0.09 s、水温30 ℃，波形为脉冲方波(占空比90%)。
2.1.3 实验数据
在不同脉冲频率下进行杀菌实验，实验结果见表 1。
由表 1 可看出，在不同频率下，其杀菌率有一定的起伏变化，这是因为循环冷却水中微生物种类繁多，每种微生物都有自己固有的杀菌频率，所以不同频率下杀菌效果不同。当脉冲频率为17 kHz 时，杀菌率达到最大值，为74.24%。
2.2 扫频脉冲波的杀菌实验
2.2.1 实验装置与方法
使用固定频率的电磁脉冲波进行杀菌具有局限性，鉴于这种情况，利用信号发生器的扫频功能，使信号发生器由低至高发出一系列变化频率，形成扫频脉冲波形。
实验装置同上，实验设置在17 kHz 附近扫频，设步进频率500 Hz，脉冲间隔时间5 ms，扫频电压 10 V，采用脉冲方波(占空比90%)，水温度30 ℃，循环水流速0.89 m/s。
2.2.2 实验数据
不同扫频范围下的杀菌实验结果如表2所示。
从表 2可以看出，当扫频范围在10～18 kHz 和 11～17 kHz 时杀菌率最高，达80%以上，且比固定频率下的杀菌效果要好。而当扫频范围在8～20、11～ 23、11～25 kHz 时，均出现了负杀菌率，造成这种现象的原因是因为在上述扫频范围内进行电磁脉冲杀菌实验时，循环冷却水中的有机物质被分解成无机营养物，刺激异养菌的生长;同时一部分具有更强适应能力的细菌可在变频脉冲电磁场存活且繁衍生长所致。
3 磁场方向与水流方向垂直的杀菌实验
为了对比磁场方向改变后的杀菌效果，笔者设计了磁场方向与水流方向垂直情况下的杀菌实验装置，以此研究磁场方向与水流方向垂直时的杀菌效果，实验中同样采用固定和扫频脉冲波2 种电磁波。
3.1 固定频率杀菌实验
3.1.1 实验装置
实验中用0.45 mm 防水漆包线在塑料线架绕制线圈，塑料线架中内置直径19 mm、长120 mm 的不锈钢管，线圈电感1.97 mH，电阻3.9 Ω，实验时线圈竖直放入玻璃水槽中，磁场方向与地磁场方向垂直， 2 线圈间距60 mm。其他实验装置同上。实验装置如 图 2。
3.1.2 实验方法
实验采用变频脉冲电磁场，水质为电厂循环冷却水，采用2 台同样装置的设备横向对比，实验中水样管路中循环通过线圈绕组产生脉冲磁场。设置脉冲输出电压10 V、单次作用时间0.09 s、水温30 ℃。
图 2 磁场方向与水流方向垂直时实验装置
3.1.3 实验数据
不同脉冲频率与杀菌率之间的关系如表 3 所示。
表 3 不同脉冲频率下的杀菌率
由表 3 可看出，不同频率下杀菌率的变化起伏较大，当频率为1 000 Hz 时，杀菌率达到峰值，为 70.31%。
3.2 扫频脉冲杀菌实验
3.2.1 实验装置
实验装置同前。实验中扫频范围确定在1 000 Hz 附近，设置扫频的步进频率为50 Hz、脉冲间隔时间 10 ms、扫频电压10 V，采用正脉冲方波(占空比为 90%)，水温度30 ℃，循环水流速0.89 m/s。
3.2.2 实验数据
实验数据见表 4。
从表 4 可以看出，当扫频范围为100～1 000 Hz 时，杀菌率达78.09%，当扫频范围在100～2 000、 200～2 000 Hz 时，杀菌率均达到60%以上，而扫频范围在500～3 000 Hz 时，杀菌率出现负值，由此可见，扫频范围100～1 000 Hz 时的杀菌效率较好。
4 结论
(1)低频脉冲电磁场既能抑制循环水中异养菌生长，也能刺激异养菌繁衍，杀菌率在-107.69%到 82.64%间波动，其中脉冲频率是关键参数，只有通过实验筛选出有效的频率范围，才能取得较好杀菌效果。
(2)无论磁场方向与水流方向平行或垂直，在实验中均设置磁场方向与地磁方向垂直，最大杀菌率均能达到70%以上。主要原因是磁场方向扰乱了微生物自身的生物磁效应，影响了微生物的内外部特性及新陈代谢功能，微生物受到抑制，达到灭菌目的。
(3)扫频状态下的杀菌率要比固定频率好一些，这是因为水中的异养菌不仅生长繁殖快，而且种属较多，当使用固定频率时，某一频率的电磁波只对特定细菌具有杀灭和抑制作用，对于其他细菌作用效果较差。实验中可以观察出当磁场方向与水流方向平行时，扫频脉冲波杀菌实验的杀菌率达到 82.64%，比固定频率的杀菌率74.24%效果要好;当磁场方向与水流方向垂直时，扫频脉冲波的杀菌率可达78.09%，也比固定频率下的70.31%高一些。所以对循环冷却水中的异养菌进行电磁场杀灭处理时，首先应确定有效的扫频范围，在该范围内才能达到较好的杀灭效果。
