3结果与讨论

3.1放电功率对小球藻杀灭效率的影响

在小球藻待处理液初始密度106CFU/mL，放电处理时间300 s，空气流速1 SLM的实验条件下，探究放电功率对小球藻杀灭效率的影响。小球藻失活效率如图4所示，当其他条件保持不变，小球藻的失活效率和放电功率密切相关。

图4放电功率对杀菌效率的影响

随着放电时间增加，放电功率由5 W逐渐增加到25 W，小球藻杀灭效率由17.8%升高到99.9%.特别是在放电功率由15 W增加至25 W阶段，放电充满气泡内部，产生大量活性物质，小球藻杀灭效果较为明显。

3.2处理时间对小球藻杀灭效率的影响

在其他条件不变的前提下，控制电功率为15 W，探究放电时间对小球藻杀灭效率的影响。小球藻失活效率变化如图5所示，在其他条件保持不变的情况下，放电时间对小球藻的失活效率的影响明显。当放电时间由5 s依次增加至300 s时，小球藻杀灭效率由3.2%升高至95.2%.随着放电时间累积，放电产生的瞬态活性物质与溶液相互作用，转化成稳态活性物质，再与小球藻相互作用，破坏小球藻的细胞结构，渗入到其细胞的内部，致使小球藻氧化脱色，导致小球藻大量失活。

图5处理时间对小球藻杀灭效率的影响

3.3初始浓度对小球藻杀灭效率的影响

同样，在其他条件不变前提下，控制放电功率为15 W，为更加清晰地观察气液两相放电等离子体对低浓度小球藻失活效率的影响，放电处理时间控制在60 s.小球藻失活效率如图6所示，在放电其他条件保持不变情况下，小球藻待处理液的初始浓度对小球藻失活效率影响显著。随着溶液浓度由102CFU/mL增加到106CFU/mL，小球藻杀灭效率由99.9%急剧降低至25.2%.在低浓度小球藻处理液中，溶液气、液放电产生活性物质含量充足，可实现小球藻形态破坏而失活。随着小球藻待处理溶液浓度的持续增加，放电产的生活性物质与小球藻的相互作用减弱，小球藻杀灭现象不明显。

图6初始浓度对小球藻杀灭效率的影响

3.4等离子体小球藻杀灭机理

图7放电产生O3，H2O2和含量及溶液pH随时间变化曲线

在放电功率为15 W，空气流量为1 SLM，放电处理液为无菌水条件下，放电时间由0 s增长至300 s，溶液pH快速下降后趋于稳定，如表1所示，其主要化学反应为

表1 H2O2混合HNO3含量配比及pH配比对照表

由于反应开始时电子与空气和水分子碰撞，形成NO和NO2气体及大量的H+，从而导致溶液pH急速下降；随着放电反应继续进行，放电产生的NO和NO2在气液界面处与溶液反应，形成硝酸盐和亚硝酸盐，最终溶液的pH值从6.8降至3.2，溶液呈酸性并且达到稳定。溶液中O3，H2O2和NO3-含量随着放电时间的增加而增加，当O3增加至3.2 mg/L，H2O2增加至102 mg/L，NO3-增加至23 mg/L时，此时放电活性物质H2O2溶液活性物质的主要成分，通过与H2O2混合HNO3配比对比（如表1所示）和H2O2混合HNO3配比液与小球藻混合处理（如图8所示），发现近似相同成分的H2O2混合HNO3配比液对小球藻的失活效率影响与放电处理初期基本相同，其原因为该时期放电主要形成稳定的H2O2和硝酸盐，其成分含量与配比液成分含量相当。

图8放电杀菌效率和H2O2混合HNO3含量配比溶液杀菌效率对比

当放电处理时长多于60 s时，H2O2受紫外光子辐射继续分解形成·OH，其氧化电势为2.85 eV，远高于H2O2氧化电势（1.77 eV），因而该阶段，H2O2混合HNO3配比液对小球藻的失活效率影响远低于相同条件下的放电处理效果，原因为·OH在失活过程中起主导作用。

4结论

基于微电极结构和阵列式电极排布形式设计了气~液放电装置，对小球藻开展了杀灭处理研究。研究结果表明气~液放电对小球藻有明显的杀灭效果。其中放电功率、处理时间对低浓度小球藻的高效失活起重要作用。在放电功率为15 W，空气流速为1 SLM条件下，随着放电处理时间的延长，小球藻失活效率迅速提高。小球藻失活的主要原因为酸化条件下H2O2转变为·OH，·OH与小球藻的相互作用使细胞及其内溶物氧化，破坏了小球藻的细胞结构致使小球藻凋亡。