近20多年来，国内外多名学者对脉冲放电的灭菌效果进行了研究。1988年，AKIRA et al ^[5]首次探究了高压放电对水中酵母菌和纳豆芽孢杆菌的作用。通过研究20 kV电压下不同电极的处理效果，发现产生电弧放电的棒-棒电极杀菌效率和能量效率均最高：21～42 J/mL的注入能量密度可使得23 mL样品中的酵母菌密度下降6个对数。EFREMOV et al ^[6]也得到了一致的结论，棒-棒电极的杀菌效率和能量效率最高。当注入能量密度为10 J/mL时，细菌去除效率为100%；当注入能量密度为2.625 J/mL时可将密度为10⁶ CFU/mL的大肠杆菌杀死94.2%。CHING et al ^[7]使用脉冲放电对悬浮在磷酸盐缓冲液中的大肠杆菌进行处理：当注入水中的能量密度为105 J/mL时，大肠杆菌浓度下降约2.1个对数。ABOU-GHAZALA et al ^[8]在130 kV、单脉冲能量为13.5 J的条件下，对悬浮在磷酸盐缓冲液中的大肠杆菌和枯草芽孢杆菌分别进行处理，使大肠杆菌细胞浓度降低3个对数需要的能量密度为10 J/mL，使枯草芽孢杆菌浓度降低3个对数需要的能量密度为40 J/mL。XIN et al ^[9]使用脉冲流注放电对水中的腐生菌、铁细菌和硫酸盐还原菌进行处理：当注入25 J/mL的能量后，可使初始密度为6.2×10⁶ CFU/mL的腐生菌密度下降1.2个对数。ANPILOV et al ^[10]采用水下多火花放电对细菌初始密度为10⁷ CFU/mL的污水进行处理，其将细菌密度降低1个对数所需的能量密度为1.25 J/mL。TAISUKE et al ^[11]在75 mL的反应器中，使用脉冲放电处理初始密度为2×10⁶～2×10⁷ CFU/mL大肠杆菌悬液：当连续运行时的流速为0.5 mL/s时，存活细菌的最小比例为15%，此时注入的能量密度为35 J/mL。DORS et al ^[12]使用脉冲电晕放电对河水进行循环处理，处理样品流速为80 mL/min，当注入能量密度为100 J/mL时，大肠杆菌密度降低了2.7个对数。SURYAKANT ^[13]采用水中脉冲流注放电进行水处理，处理样品体积为200 mL，当能量密度为20 J/cm³，自来水中的恶臭假单胞菌密度下降6个对数；当能量密度为180 J/cm³时，市政污水中的粪大肠杆菌密度下降2个对数。IZDEBSKI et al ^[14]采用脉冲放电对400 mL的河水进行处理，经过约350 s的处理后，脉冲电晕放电对大肠杆菌的灭活效率为1.5×10³ CFU/J，脉冲火花放电对大肠杆菌的灭活效率为3.5×10³ CFU/J。YANG et al ^[15]采用脉冲等离子体阵列对10⁴～10⁸ CFU/mL的大肠杆菌进行处理，降低1个对数的细菌密度注入的能量为148～339 J/L。郑超^[16]采用双极性高频脉冲电源对淡水中的大肠杆菌实现了低温灭菌，放电电压为2～6 kV，经过120 000个脉冲处理后大肠杆菌密度下降2～4个对数，消耗的能量密度为70 J/mL，水温<25 ℃。ZHU et al^[17]采用脉冲电弧放电对压载水进行灭菌处理，初始大肠杆菌浓度为20×10⁶ CFU/L，施加200个单脉冲能量为720 J的脉冲后，大肠杆菌灭活率达到99%。寇艳芹^[18]研究了双极性高频脉冲电场的灭菌效果，发现溶液电导率显著影响杀菌效率，当电导率为50 µS/cm时，灭菌效果最好，作用3 min，注入的能量密度为161 J/mL，细菌密度可以降低2.1个对数；该研究者同时也对在曝气条件下脉冲等离子体灭菌的效果进行了研究，曝气量为2.5 L/min，大肠杆菌的初始密度为4.1×10⁵ CFU/mL，控制注入反应器的能量密度为2 J/mL，细菌密度下降的对数值为3.2左右。对文献报道的放电注入能量密度与微生物下降对数之间的关系进行小结，见图1。

图1中以脉宽为横坐标对不同放电方式进行区分；通过对论文中的数据进行计算得到最低能量密度，表示将细菌密度降低1个对数所需的最低能量密度；实心图例表示处理样品的体积<500 mL，空心图例表示处理样品体积>500 mL；而对于无脉宽数据的研究，则用0表示脉宽。

图1可见，自1988年来，研究者们采用了多种水中脉冲放电技术对微生物进行灭活，不同处理方式使细菌密度降低1个对数所需的能量密度相差100倍以上。目前无法得到脉冲放电注入能量密度与灭菌效率之间的明确关系。但可以看到，对于不同体积的样品，微秒脉冲放电相较于纳秒脉冲放电，可以在较低的能耗下实现较高的灭菌效率：对于处理样品体积<500 mL，0.625 J/mL的注入能量密度就可使得细菌密度降低1个对数；对于处理样品体积>500 mL的，1.25 J/mL的注入能量密度就可使的细菌密度降低1个对数。可以看到在保证单位污水注入能量一定的条件下，随着污水处理体积的增大，处理的效果呈下降趋势。研究对应的污水处理体积，见表1。

为了对液相微秒脉冲放电有更全面的认识，本节对放电机理的研究现状进行总结。目前水中放电的发展理论主要有气泡理论、液体直接电离理论和电致伸缩效应，其中基于气泡理论的热学模型旨在描述微秒级击穿。

气泡理论指击穿过程是通过低密度区域的电子雪崩产生的气泡来发展的，该理论的实验依据在于环境压强及温度可以显著的影响击穿强度^[19]。液体中已存在的微气泡可作为低密度区域的来源；微气泡半径要足够大，才能克服液体表面张力的作用而稳定地存在，其稳定存在的半径临界值为1 nm^[20]。当液体中不存在微气泡时，焦耳加热作用下的液体蒸发可以较好地解释微秒脉冲电压下的放电起始过程。JONES et al ^[21]提出了一个基于场致发射电流的动力学模型：①阴极粗糙表面的场致发射电流提供热量和自由电子，引起液体的局部沸腾，形成气泡核；②气泡核生长，直到局部密度低于n_c≈10²⁰/cm³；③该区域形成电子雪崩并演变为电离波前，直到空间电荷迟滞该增长；④电子雪崩延迟发生，直到电离波前弥合间隙。为了对起始过程有更清楚的认识，FUJITA et al ^[22]采用高速相机对该过程进行了观测：施加电压在电极尖端附近的液体引起扰动；接下来在场致电流持续的焦耳热效应下，液体蒸发形成微气泡，并聚集成气泡簇；气泡簇突起尖端分布的正电荷将导致局部电场超过10 MV/cm，从而导致流注的产生。同时ATRAZHEV et al ^[23]的计算结果也表明，对于持续时间约为0.5～1 µS或更长时间的脉冲，焦耳热的作用将会使得蒸馏水局部沸腾。基于气泡的起始理论，见图2。

气泡理论认为流注的传播以气泡的发展为基础，其电离过程主要发生在气泡中，见图3。

当放电开始后，气泡内的高温带电粒子会受到电场的加速，撞击气泡簇顶端的水从而使其受到加热并汽化，汽化后的水分子将受到电子的撞击而发生电离。在汽化-电离的作用下，气泡的边界向外扩张。在低电场下，电极尖端会形成簇状气泡，其平均传播速度很低，一般为10～100 m/s^[24]。簇状气泡根据其传播速度也被称之为亚音速流注。

TOUYA et al ^[25]在研究微秒级击穿过程发现，通过对电极末端周围的水进行加热形成簇状气泡，其以缓慢的速度发展，最终充满整个间隙，引发击穿，见图4。

图4可见，亚音速流注具有符合气泡理论的特征：显著的气泡化外观，并且流注等离子体与液体间存在明显的气体过渡层，同时其传播速度会明显受到液体静压的影响^[26-27]。放电过程中典型的电压及电流波形见图4，其中流注发展的过程对应预击穿阶段。

当流注通道桥接两侧电极后，若通道剩余能量足够，则会形成初始电弧通道引发击穿。JONES et al ^[21]研究发现，完成击穿需要达到2个条件：①气泡内压力×主要气泡半径=18；②电压脉宽大于击穿时延。CLAVERIE et al ^[28]通过高速成像设备可视化了电弧通道的形成。在电流振荡期间及振荡结束后的一段时间内的击穿阶段，具有>10⁴ K温度和10⁴ atm压强的初始放电通道形成，引发击穿^[29-30]。放电通道的形成过程，见图5^[28]。

当放电通道膨胀到一定阶段后，通道外壁与液体间出现了亮度较低的气体过渡鞘层，标志着气泡的形成。此时放电通道变为由等离子体重组形成的原子或分子气体和水蒸汽混合物组成的气泡。沉积到通道中的能量在气泡内部产生较高的压力，使其在很长时间内膨胀，并发生脉动现象，直至破裂；气泡的快速膨胀及坍缩将会在水中产生强烈的冲击波，见图6^[28]。

水中微秒脉冲放电由于放电时间达到微秒量级，通道中将沉积大量的能量，由于焦耳热的作用，将会使得等离子体通道温度不断升高到10⁴～10⁵ K。伴随着温度的急剧升高，通道内会产生高达10⁸ Pa的压强，迅速向外膨胀，形成强烈的冲击波；高温的等离子体通道犹如黑体辐射源，不断向四周产生辐射，主要集中于紫外区；同时，在通道形成的过程中，伴随着等离子体的产生，将会生成高浓度活性自由基^[31]。水中微秒脉冲等离子体放电是一个复杂的物理化学过程，其过程包括紫外辐射、冲击波、活性物质生成及强电场等作用。本节将对4种主要理化过程及其灭菌效应进行总结，其产生的理化效应示意，见图7。

放电过程中将会形成充满热离子和离解气体的非理想等离子体瞬态腔，该高温高压腔体在膨胀和坍塌期间将会辐射声学脉冲，即冲击波。冲击波在传播过程中具有以下物理特性：水中脉冲放电冲击波的区东园多为柱状放电通道，在近场条件下，冲击波传播呈现柱状传播的物理特性；当传播距离为间隙距离的3倍以上时，柱面波将转化为球面波^[32]；初始压力波的传播速度大于水中声速，随着传播距离的增大而下降，最终稳定于水中声速^[33]，其随距离的衰减系数在0.51～1之间^[34]。部分研究者对冲击波的灭菌效应进行了研究。CNANG et al ^[35]使用脉冲电弧放电对水进行消毒时观察到压力波的形成，当充电电压达到3 kV时，反应器壁测量到的最大压力超过2 Mpa。LEE et al ^[36]采用脉冲电晕放电对MS2噬菌体进行灭活，发现脉冲灭活曲线与超声波的灭活曲线的趋势相似，因此，文献[36]认为冲击波是导致噬菌体失活的重要因素。LEE et al^[37]通过透射电镜观察到经过放电处理后的大肠杆菌的外壁、膜及内部细胞被破坏，并且细胞壁破裂，见图8；文献[37]认为灭活机理很可能是：大肠杆菌细胞壁受到脉冲放电等离子体产生的冲击波和紫外线自由基的破坏，暴露于化学活性基团下，该方式的灭活效率远高于化学灭活。

沉积到放电通道中的部分能量将转化为紫外辐射，UV对DNA的破坏作用被认为是引起杀菌的重要原因，其杀菌波长集中在UVC（200～280 nm）波段和真空紫外区VUV（～185 nm）。但是VUV在常压和水中很容易被介质吸收，故其作用有限。 LUKES et al^[38]通过草酸铁钾光度测定法对脉冲电晕放电的紫外辐射进行了定量分析，研究发现位于190～280 nm的光通量J_190−280与脉冲平均输入功率P_p成比例关系：J_190−280=44.33 P_p^2.11，并通过计算得到UV对大肠杆菌灭活的总贡献率约为30%。CHING et al ^[39]对脉冲液电放电、低强度紫外灯及超声波对大肠杆菌的灭活曲线进行了比较研究，研究发现紫外灯与脉冲液电放电的灭活曲线趋势保持一致，并估计了产生的UV强度为10⁶ W/cm²。CHING et al ^[40]还进一步研究了紫外光吸收剂BP-9对杀菌的抑制作用，该结果表明紫外辐射在大肠杆菌灭活中起到主要作用。然而，水中脉冲放电的发射光谱件见图9^[41]，水下脉冲放电并无强烈的UVC紫外辐射^[41]。在水下脉冲放电的过程中，放电发射光谱集中在300～800 nm波段。这些矛盾的现象使得水下脉冲放电的紫外辐射灭菌效应被广泛讨论。

水中脉冲放电形成的放电通道中，存在着高能电子、离子、激发态离子以及多种氧化性物种，包括：·OH、H·、O^·、O₃和H₂O₂等。活性自由基产生的方式主要是高能电子碰撞产生，紫外辐射的诱导以及高温热解等物理过程也会生成活性自由基。当放电过程中产生的高能电子能量超过了水的电离能，将会导致水分子的离解，从而形成H·、·OH以及其他水合阳离子^[42]。水分子吸收的VUV可有效诱导化学反应：含有溶解氧的水吸收VUV会导致水和O₂分解，生成·OH、水合电子和O^·[43]。高温热解也是一个重要的机制，在放电核心区域生成·OH ^[44]。上述过程产生的化学物质会与彼此反应生成其他的活性物质。放电产生的生成活性自由基的反应过程见图10，e^−*表示高能电子。这些活性自由基具有很强的化学反应活性，能与细胞表面的生物大分子发生化学反应，或者穿过细胞膜对细胞内部的生物大分子进行破坏，从而使细胞致死。研究表明，经过放电生成的OH·、${\rm{HO}}_2^- $、$\rm{O}_{\small 2}^{\overline {\,\cdot\,}} $等活性自由基处理后，压载水中的藻类和细菌被迅速杀死，并且5 d的时间内未观察到再生现象^[45]。

首位描述电场杀灭微生物现象的人是20世纪60年代的DOVENSPECK^[46]。高压电场对细菌原生质体、原生质球和红细胞的具有裂解作用，裂解程度由电场强度决定^[47]。OHSHIMA et al ^[48]发现脉冲电场对生物膜的破坏是一种不可逆转的有效杀菌方法。TANINO et al^[49]通过研究证明了电场灭菌的机理不是由于热效应而是由于机械膜的破坏。在高电场下，形成许多的跨膜孔，当孔面积占比较大时，细胞膜将无法修复，随后发生不可逆的破坏。脉冲电场处理液相中的微生物目前主要应用于食品工业，其所采用的电场强度在20～90 kV/cm之间。ABOU-GHAZALA et al^[8]发现脉冲等离子体放电的杀菌效率及能量效率高于脉冲电场。目前微秒脉冲放电水处理过程中电场强度的具体杀菌贡献目前还不明确，有待研究。

微秒脉冲放电污水灭菌是一种全新的技术，有望在污水灭菌领域得到广泛的应用。然而由于其放电过程的复杂性，在投入应用前还有很多基础的科学及实用化问题有待研究，望开展进一步工作。

（1）目前对水中微秒脉冲放电的起始及发展过程已有较为全面的研究，但是关于放电发展过程与理化效应的相互关系仍需突破：应对理化效应的产生机理进行研究，建立数学模型模拟放电过程产生的理化效应，实现对其的定量化描述。

（2）已经证实放电产生的冲击波、紫外辐射、活性自由基及强电场对细菌的灭活作用，但是这些效应对细菌的生理生化的影响还不明确，有待系统研究；理化效应作用强度与细菌灭活程度的关系也需进行研究，明确该结果有助于对放电过程进行调制以实现高效灭活。

（3）可以看到微秒脉冲放电可以在较低的能耗下实现较高的灭菌效果：对于体积>500 mL的处理样品，0.625 J/mL的注入能量密度可使细菌密度降低1个对数，对于体积>500 mL的处理样品，1.25 J/mL的注入能量密度可使细菌密度降低1个对数。但是已有的研究处理对象体积均较小，最大仅为12 L。为实现工业化的需求，应开展中试实验及流动试验，进而进一步明确水中微秒脉冲放电在接近于实际应用场景下的处理效果。