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超聲波除藻概述

2012-08-15 00:54:58萬成炎彭建華潘曉潔陳小娟
關(guān)鍵詞:空泡藍(lán)藻空化

遲 巍,萬成炎,彭建華,潘曉潔,陳小娟,馮 坤

(水利部中國(guó)科學(xué)院水工程生態(tài)研究所,水利部水工程生態(tài)效用與生態(tài)修復(fù)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室,湖北 武漢 430079)

隨著社會(huì)經(jīng)濟(jì)的發(fā)展和工業(yè)化進(jìn)程的加快,人類在生產(chǎn)和生活中所排放的氮、磷污染物超出了環(huán)境的承載力,導(dǎo)致了水體富營(yíng)養(yǎng)化程度的加劇和范圍的擴(kuò)大。從滇池、太湖和巢湖等大型湖泊到中小型湖泊、供水性水庫和觀賞娛樂性湖泊,每年都有水華現(xiàn)象發(fā)生[1-4]。水華藍(lán)藻的大量繁殖,一方面降低了水體的透明度,阻礙水生植物進(jìn)行光合作用,導(dǎo)致水體含氧量降低,進(jìn)而影響水生生物的多樣性;另一方面大量藻毒素的釋放,嚴(yán)重威脅著人類的飲用水安全;同時(shí),水體散發(fā)出的腥臭氣味極大地影響環(huán)境美觀,也給水污染治理增加了難度和經(jīng)濟(jì)成本。因此,如何治理湖泊富營(yíng)養(yǎng)化是我國(guó)目前及今后相當(dāng)長(zhǎng)一段時(shí)期的重大水環(huán)境問題。

1 現(xiàn)有的除藻方法

現(xiàn)有常用的除藻方法有化學(xué)除藻法、生物除藻法和物理除藻法。化學(xué)除藻是利用化學(xué)藥劑來對(duì)藻類進(jìn)行殺除,包括氯除藻、臭氧除藻和高錳酸鉀除藻等[5-8]。其特點(diǎn)是工藝簡(jiǎn)單,操作方便,效果明顯。但投加化學(xué)藥劑并不能從根本上改善水質(zhì),相反,對(duì)環(huán)境的二次污染也會(huì)不斷增加,從而使水質(zhì)環(huán)境形成嚴(yán)重的惡性循環(huán)[9]。生物除藻是利用培育的生物或培養(yǎng)、接種的生物的生命活動(dòng),對(duì)水中污染物進(jìn)行轉(zhuǎn)化、降解及轉(zhuǎn)移,從而使水體環(huán)境健康得到恢復(fù)的一種方法[5-6]。用來除藻的生物主要有微生物、水生植物和水生動(dòng)物等[10-11]。生物除藻是一種環(huán)境友好除藻方法,不會(huì)造成二次污染,但其整個(gè)系統(tǒng)容易受到外界環(huán)境的影響和人為的破壞,同時(shí)有可能造成物種入侵。物理除藻法有微濾機(jī)法、氣浮法、直接過濾法、大梯度磁濾器法和活性炭吸附法等[5-6,12]。物理除藻不會(huì)造成二次污染和物種入侵,但存在技術(shù)成本高、操作環(huán)境差、除藻效率低等問題[13-14]。隨著超聲波技術(shù)及聲化學(xué)的不斷發(fā)展,將超聲波用于除藻抑藻方面日益引起重視,超聲除藻抑藻技術(shù)以其清潔、高效、反應(yīng)條件溫和、速度快等顯著特點(diǎn),在藻類控制領(lǐng)域有著廣闊的應(yīng)用前景。

2 超聲波對(duì)藻類的作用原理

超聲波主要是利用機(jī)械力和空化效應(yīng)產(chǎn)生的沖擊波、高溫高壓、射流等,對(duì)藻細(xì)胞結(jié)構(gòu)和功能及生物活性進(jìn)行破壞。超聲波是指頻率高于16 k Hz的聲波,由一系列疏密相間的縱波構(gòu)成,可在氣體、液體、固體、固熔體等介質(zhì)中有效傳播,能夠產(chǎn)生反射、干涉、疊加和共振現(xiàn)象,具有能量集中,方向性好,穿透力強(qiáng)等特點(diǎn)[15]。其對(duì)藻類的作用機(jī)理與其在水中產(chǎn)生的空化效應(yīng)和自由基反應(yīng)有關(guān)。超聲波在水體中的傳播過程存在一個(gè)正負(fù)壓強(qiáng)的交變周期。在正壓相位時(shí)其對(duì)水分子擠壓使水的密度增大,負(fù)壓相位時(shí)又使水分子稀疏離散,水的密度減小。當(dāng)振幅足夠大時(shí),負(fù)壓相位下水分子間的平均距離會(huì)超過水的臨界分子距離,使水體的連續(xù)性遭到破壞,并形成空化核;空化核迅速長(zhǎng)大形成空化泡,在隨后的正壓相位時(shí)這些空化泡又被迅速壓縮甚至崩潰,這就是超聲空化效應(yīng)[16]??栈^程分為穩(wěn)態(tài)空化和瞬態(tài)空化。穩(wěn)態(tài)空化中空化泡壽命長(zhǎng),體積變化繞平衡點(diǎn)呈周期性震蕩,不發(fā)生崩潰;瞬態(tài)空化則指在一定的超聲波條件下,空化泡急劇膨脹和收縮,并發(fā)生崩潰??栈荼罎⑺查g可產(chǎn)生約5 000 K、100 MPa的局高溫高壓環(huán)境,即所謂的“熱點(diǎn)”。該“熱點(diǎn)”持續(xù)數(shù)微秒后又以109K/s的冷卻率冷卻,并伴隨強(qiáng)烈的沖擊波和速度超過100 m/s的微射流。熱效應(yīng)形成的高溫、沖擊波和微射流形成的高梯度剪切力及空化泡在膨脹、閉合崩潰過程中充放電產(chǎn)生的強(qiáng)電流作用,都會(huì)使溶有空氣和有機(jī)物的水體產(chǎn)生各種各樣的自由基。

藍(lán)藻,又叫藍(lán)細(xì)菌,是一種古老、原始的單細(xì)胞生物。和其他原核生物一樣,藍(lán)藻不具有細(xì)胞核和成型的細(xì)胞器,但它們具有獨(dú)特的藻膽蛋白體。藍(lán)藻的細(xì)胞壁分兩層,內(nèi)層為肽聚糖層,外層為脂蛋白層。細(xì)胞壁內(nèi)含有質(zhì)膜及其所包被的細(xì)胞質(zhì)。形成水華的浮游藍(lán)藻細(xì)胞內(nèi)含有對(duì)光照強(qiáng)度比較敏感的偽空泡,泡內(nèi)有氣體,可以調(diào)節(jié)藍(lán)藻細(xì)胞所受的浮力。Bowen和Jensen[17]研究發(fā)現(xiàn),這種偽空泡是由眾多圓柱形的子氣囊垛疊而成的氣囊群。偽空泡外部是細(xì)胞質(zhì),從聲學(xué)角度講,其特征和藻外水體相近;而偽空泡內(nèi)部所包含的主要是氣體及少量生物組織,其總體聲學(xué)特征和氣體相近。在適當(dāng)頻率下,超聲波引起的沖擊波、射流和輻射壓能夠破壞藻類的細(xì)胞壁;藻細(xì)胞內(nèi)部的偽空泡在超聲波作用下發(fā)生空化,形成空化泡,隨后空化泡發(fā)生崩潰。崩潰產(chǎn)生的沖擊波和高溫高壓能夠破壞藻細(xì)胞內(nèi)部的活性物質(zhì),也能破壞細(xì)胞內(nèi)的結(jié)構(gòu),干擾葉綠素的合成;同時(shí)產(chǎn)生的自由基也可將細(xì)胞破裂所釋放出來的藻毒素氧化。

3 影響超聲波除藻效果的因素

在利用超聲波控制藻類生長(zhǎng)的過程中,超聲波的頻率、強(qiáng)度和持續(xù)時(shí)間會(huì)直接影響到其控制效果。

頻率是控制產(chǎn)生空化現(xiàn)象的一個(gè)非常重要的因素。當(dāng)頻率較低時(shí),空化泡有充足的時(shí)間在不破裂的情況下產(chǎn)生最大的負(fù)壓,這樣空化泡在崩潰時(shí)才會(huì)產(chǎn)生更強(qiáng)的沖擊波。而當(dāng)超聲波的頻率較高時(shí),偽空泡沒有足夠的時(shí)間空化,在崩潰時(shí)產(chǎn)生的沖擊力也相對(duì)減弱[18]。另外,在誘導(dǎo)空化反應(yīng)時(shí)聲波的頻率越高,能耗也越大[19],而且高頻率高功率超聲會(huì)對(duì)銅綠微囊藻產(chǎn)生較大的機(jī)械損傷,從而可能會(huì)加速微囊藻毒素的釋放。陳矜和陳偉中[20]研究了不同頻率的超聲波對(duì)偽空泡的作用效果,利用偽空泡脈動(dòng)的最大半徑壓縮比來描述其脈動(dòng)劇烈程度。以100 k Hz為步長(zhǎng)在100 k Hz~1 MHz頻段進(jìn)行初步掃描,發(fā)現(xiàn)有顯著的共振響應(yīng)特征,在600 k Hz有最大的響應(yīng),出現(xiàn)類似于共振的現(xiàn)象。進(jìn)一步精確掃描發(fā)現(xiàn)當(dāng)驅(qū)動(dòng)頻率在512 k Hz時(shí),偽空泡的響應(yīng)達(dá)到最大。表明偽空泡的脈動(dòng)對(duì)超聲波的頻率具有較高的敏感性。

除頻率外,影響超聲波作用效果的另一個(gè)重要因素是聲強(qiáng),一般用 W/cm2來衡量。較高的聲強(qiáng)意味著較高的振幅。Guo等[21]研究表明,振幅增大能夠?qū)е驴栈莞鼊×业谋罎ⅲ瑥亩a(chǎn)生更高的溫度和壓力,同時(shí)也增大了自由基的濃度。而不同頻率、不同振幅的超聲波所對(duì)應(yīng)的輻射時(shí)間長(zhǎng)短也有差別。一般而言,功率相同的情況下,輻射時(shí)間越長(zhǎng)除藻效果越好,但這種效果具有飽和的趨勢(shì)。因?yàn)楣潭ǖ某曉O(shè)備所產(chǎn)生的空化強(qiáng)度是一定的,延長(zhǎng)時(shí)間并不能改變空化強(qiáng)度。因此,從效率和成本的角度考慮,控制好作用時(shí)間是很有必要的。

另外,藻類自身的特征也對(duì)超聲波的作用效果產(chǎn)生影響。浮游藍(lán)藻的偽空泡內(nèi)部包含氣體和少量非氣態(tài)物質(zhì),而正是這種非氣態(tài)物質(zhì)的存在,能夠削弱超聲波對(duì)偽空泡的影響。研究表明,在同樣超聲波的作用下,排斥核越小,偽空泡的運(yùn)動(dòng)越劇烈,越接近聲空化泡的運(yùn)動(dòng)。而排斥核的大小,取決于偽空泡內(nèi)部非氣態(tài)物質(zhì)的多少。因而,隨著偽空泡內(nèi)部非氣態(tài)物質(zhì)的增加,超聲波的作用被削弱,藍(lán)藻則具有更強(qiáng)的抵抗外界壓力作用的能力。

4 應(yīng)用

關(guān)于超聲波對(duì)藻類的清除效果及在不同環(huán)境下參數(shù)的設(shè)置,國(guó)內(nèi)外的許多學(xué)者都在試驗(yàn)條件下進(jìn)行了深入地研究。同時(shí),也有報(bào)道超聲波在實(shí)際除藻中的應(yīng)用。丁暘等[22]在太湖的現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)中,將載有超聲除藻裝置的試驗(yàn)船放置在400 m2試驗(yàn)區(qū)域中作用1 h后,水體表層的藻細(xì)胞數(shù)由107個(gè)/mL降到105個(gè)/mL,水體透明度由0 cm上升為35 cm,同時(shí)葉綠素a含量降低為初始濃度的3.3%,表明在超聲波的直接作用下,能使太湖水質(zhì)得到明顯改善。但由于單個(gè)超聲裝置的作用范圍有限,若要在更大面積的水域中起到效果,則需要安放多個(gè)超聲裝置,或輔以其他手段來對(duì)浮游藍(lán)藻進(jìn)行清除。Nakano等[23]學(xué)者的研究發(fā)現(xiàn),當(dāng)水體流速超過5 cm/s時(shí)便會(huì)抑制藍(lán)藻的生長(zhǎng)。于是他們?cè)谟贸暢鍟r(shí),使用水泵來制造水流,這樣不但干擾了藍(lán)藻的增殖,同時(shí)也將超聲波作用范圍外的水體引入作用范圍內(nèi)。Klemencic[24]將玻璃纖維過濾器、紫外線和超聲裝置組合在一起,并應(yīng)用于水產(chǎn)養(yǎng)殖中對(duì)藻類進(jìn)行控制,能夠?qū)⒃寮?xì)胞數(shù)量減少87%,這種組合技術(shù)的應(yīng)用對(duì)于池塘和小型湖泊的水華控制很有參考價(jià)值,也是未來超聲波除藻的一個(gè)發(fā)展方向。

5 展望

超聲波除藻具有清潔、高效、反應(yīng)條件溫和、速度快等優(yōu)點(diǎn),但至今仍然不是控制和清除浮游藍(lán)藻的主要手段。因?yàn)樵谒w中實(shí)現(xiàn)空化需要105Pa的聲壓,而在開闊水域中形成如此高的聲壓,需要非常大的能量,而巨大的能耗限制了其應(yīng)用范圍。如何在實(shí)際應(yīng)用中加以改進(jìn),開發(fā)出節(jié)能、高效、低耗和適用面廣的新工藝,是未來超聲波除藻的主要研究方向。同時(shí),將超聲波作為一種強(qiáng)化手段,與其他方法如紫外線、過濾法、氣浮法等結(jié)合起來,將會(huì)有更廣闊的應(yīng)用前景。

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