Interaction of impulsed discharges and electric fields with organisms in water
Interakce impulsních výbojů a elektrických polí s biologickým oživením vod
Vedoucí/Supervisor
RNDr. Jana Říhová Ambrožová, Ph.D.
Jazyk/Language
Czech
Abstrakt
V předkládané práce byly zkoumány schopnosti impulsního korónového výboje a impulsního elektrického pole inaktivovat bakterie ve vodním prostředí. Byly zkoumány nejen rozdíly v účinnosti jednotlivých typů zařízení generujících impulsní korónové výboje, ale i podíl některých procesů na celkové inaktivační schopnosti tohoto výboje. Studie na toto téma na těchto zařízeních nebyly dosud provedeny. Pro tyto účely byly jako experimentální mikroorganismy použity bakterie Escherichia coli a Enterococcus faecalis, které se ve vodách běžně stanovují.
Opakovanými experimenty bylo prokázáno, že impulsní korónový výboj ve vodním prostředí je schopen efektivně inaktivovat bakterie za využití fyzikálních a chemických procesů iniciovaných hořením tohoto výboje ve vodě. Impulsní korónový výboj byl schopen účinně odstraňovat jak Gram-pozitivní tak i Gram-negativní bakterie. Po otestování všech dostupných typů zařízení pro generaci impulsního korónového výboje, lze prohlásit, že z technologického hlediska jsou všechny typy testovaných elektrodových konfigurací schopné účinně odstraňovat bakterie z vodného prostředí. Z hlediska energetické náročnosti se jako nejvhodnější pro desinfekci vod jeví uspořádání hrot-rovina. Avšak oproti ostatním konfiguracím je její značnou nevýhodou velmi malá životnost hrotové elektrody. Tato životnost v řádu desítek minut (při daných experimentálních podmínkách) toto uspořádání prakticky vylučuje z úvah o jeho nasazení ve vodárenské praxi.
Výsledky získané při experimentech s aplikační celou pro impulsní elektrické pole ukazují, že lze impulsní elektrické pole využít pro inaktivaci bakterií ve vodě. Při těchto experimentech byly z experimentálního roztoku rychleji odstraňovány Gram-negativní bakterie Escherichia coli než Gram-pozitivní bakterie Enterococcus faecalis. Pro oba typy bakterií však platí, že se zvyšující se hodnotou vkládaného impusního napětí roste rychlost odstraňování bakterií z experimentálního roztoku. V rámci těchto experimentů byla stanovena hodnota prahové intenzity elektrického pole pro bakterii Escherichia coli (pro danou geometrii aplikační cely a tvar napěťového impulsu. Pro bakterie T Enterococcus faecalis tato hodnota nemohla být stanovena, protože není k dispozici dostatečné množství relevantních dat.
Experimenty, kdy byl k experimentálnímu roztoku, který byl zpracováván v aplikační cele pro impulsní elektrické pole, prokázaly, že přítomnost impuslního elektrického pole zvyšuje mikrobicidní účinnost peroxidu. Úbytek bakterií byl v takovém případě vyšší, než by odpovídalo prostému součtu samotného impulsního elektrického pole a samotného peroxidu vodíku. Tento jev byl pozorován jak u Gram-pozitivních bakterií Enterococcus faecalis, tak u Gram-negativních bakterií Escherichia coli.
Abstract
The main objective of this thesis was to study abilities of pulsed corona discharge and pulsed electric field to inactivate bacteria in water. It has been investigated the differences in effectiveness of different types of apparatuses for generating of pulsed corona discharges and how separate processes generated by the discharge contributes on overall inactivation effectiveness of the corona discharge. In these experiments till now performed there were used bacteria Escherichia coli and Enterococcus faecalis.
By the repetitive experiments it has been demonstrated that pulsed corona discharge in water is able to inactivate bacteria. Pulsed corona discharge has been able to remove Gram-positive bacteria as well as Gram-negative bacteria. After testing of all types of apparatuses for generation of pulsed corona discharge it could be declared that all types of electrode configurations are able to remove bacteria from water effectively. From the point of view of power consumption the best configuration is the needle-plate configuration. But this configuration is the less durable. The durability of needle electrode is only tens of minutes (at given conditions) so it seems that industrial use is unreal.
Results obtained by experiments with application chamber for pulsed electric field show that pulsed electric field could be used for inactivation of bacteria in water. Gram-negative bacteria Escherichia coli were removed faster than Gram-positive Enterococcus faecalis during these tests. For both types of bacteria, it holds that with higher level of applied pulsed voltage is the speed of bacteria removal faster. Within the scope of these tests the threshold intensity of pulsed electric field for Escherichia coli (at given geometry of application chamber and pulse shape) was determined. This threshold intensity for Enterococcus faecalis could not be determinate because of deficiency of relevant data.
Experiments with addition of hydrogen peroxide to experimental solution in application chamber for pulsed electric field demonstrated that presence of pulsed electric field increases microbial efficiency of hydrogen peroxide. This phenomenon was observed at Gram-positive bacteria Enterococcus faecalis as well as at Gram-negative bacteria Escherichia coli.