液相放電處理海水中鹵蟲的研究

王晶,孫冰,朱小梅,內(nèi)愛(ài),佐藤正之

(大連海事大學(xué)環(huán)境科學(xué)與工程學(xué)院,遼寧大連 116026)

液相放電處理海水中鹵蟲的研究

王晶,孫冰,朱小梅,內(nèi)愛(ài),佐藤正之

(大連海事大學(xué)環(huán)境科學(xué)與工程學(xué)院,遼寧大連 116026)

運(yùn)用液相高壓脈沖技術(shù),采用自行設(shè)計(jì)的板-孔-板反應(yīng)器,處理壓載水中典型的浮游動(dòng)物——鹵蟲.對(duì)鹵蟲的蟲卵、幼蟲和成蟲3個(gè)成長(zhǎng)期進(jìn)行研究,通過(guò)改變峰值電壓、脈沖頻率和處理時(shí)間這些參數(shù)來(lái)考查其對(duì)鹵蟲處理效果的影響.結(jié)果表明：隨著峰值電壓、脈沖頻率和處理時(shí)間的增加,鹵蟲幼蟲和成蟲的殺滅率增加,蟲卵的孵化率降低;在適當(dāng)?shù)姆烹妳?shù)下,鹵蟲成蟲和幼蟲的殺滅率均可以達(dá)到100%;較低電壓對(duì)鹵蟲卵的孵化率沒(méi)有影響,在電壓高于34 kV時(shí),蟲卵的孵化率才會(huì)降低,然而,經(jīng)過(guò)放電處理后蟲卵的孵化時(shí)間會(huì)縮短.

高壓脈沖放電;壓載水;鹵蟲

據(jù)資料顯示[1],每年有超過(guò)100億t的壓載水在世界范圍內(nèi)轉(zhuǎn)移,由船舶壓載水帶來(lái)的生物入侵及細(xì)菌和病毒的傳播問(wèn)題已引起越來(lái)越多的關(guān)注.目前國(guó)際上處理壓載水的方法主要有壓載水置換、過(guò)濾、加熱、紫外輻射、化學(xué)方法及各種聯(lián)合處理技術(shù)[2-6].研究表明,單一的壓載水處理方法存在一定的局限性,聯(lián)合處理技術(shù)雖然效果優(yōu)于單一的處理技術(shù),但是這些技術(shù)離廣泛地實(shí)際應(yīng)用還有很遠(yuǎn)的距離.

本研究利用液相高壓脈沖放電技術(shù)處理船舶壓載水[7].該技術(shù)在水中形成液相放電,放電過(guò)程同時(shí)產(chǎn)生強(qiáng)力沖擊波、紫外線、強(qiáng)電場(chǎng)和各種活性自由基[8].該方法是多種效應(yīng)的集合作用,可以避免單一方法的弊端,也避免了氣相放電產(chǎn)生的羥基等自由基再通入水里的能量損失.本文主要研究了高壓脈沖放電對(duì)不同生長(zhǎng)時(shí)期的鹵蟲和鹵蟲卵的處理效果.

1 實(shí)驗(yàn)裝置和方法

1.1 實(shí)驗(yàn)裝置

本文采用自有發(fā)明專利技術(shù)的板-孔-板式放電反應(yīng)器,板電極是白鋼材質(zhì),直徑為28 mm,中間絕緣板的孔徑是2.5 mm,實(shí)驗(yàn)裝置如圖1所示.實(shí)驗(yàn)中通入少量空氣(0.04 L/min)以降低起始放電電壓,增強(qiáng)自由基生成,一次處理液量為200 m L,放電反應(yīng)器體積約為36 m L.整個(gè)實(shí)驗(yàn)是一個(gè)循環(huán)體系.

圖1 實(shí)驗(yàn)裝置示意Fig.1 Schematic diagram of experimental apparatus

1.2 鹵蟲的培養(yǎng)

本次研究選用的鹵蟲卵產(chǎn)于膠東灣海域,鹵蟲卵在光照2 000 lx,溫度28℃的條件下,曝氣孵化24～48 h后,即可收集鹵蟲的無(wú)節(jié)幼蟲.選用扁藻作為餌料培養(yǎng)鹵蟲,將培養(yǎng)好的鹵蟲用于實(shí)驗(yàn).

2 實(shí)驗(yàn)結(jié)果及討論

2.1 放電參數(shù)變化對(duì)鹵蟲處理效果的影響

實(shí)驗(yàn)對(duì)鹵蟲幼蟲期和成蟲期2個(gè)生長(zhǎng)時(shí)期進(jìn)行研究.由于不同的水域浮游動(dòng)物的含量不同,參考相關(guān)的文獻(xiàn),將鹵蟲分為高、中、低3個(gè)濃度進(jìn)行研究,其中高濃度的鹵蟲含量為500個(gè)/L,中濃度的鹵蟲含量為300個(gè)/L,低濃度的鹵蟲含量為100個(gè)/L.

處理結(jié)果如圖2所示,由圖可知,經(jīng)22 kV,30 Hz,放電處理6 min后的鹵蟲幼蟲再繼續(xù)培養(yǎng)24 h后,死亡率不再下降并保持穩(wěn)定,出現(xiàn)這種現(xiàn)象是因?yàn)閯偺幚磉^(guò)后的部分鹵蟲處于一種假死狀態(tài),在適宜的條件下培養(yǎng)一段時(shí)間可恢復(fù)生命跡象;而作為空白樣培養(yǎng)的幼蟲(圖3)則在24 h后出現(xiàn)死亡現(xiàn)象,并且隨著時(shí)間的增加死亡率越來(lái)越高.出現(xiàn)這種現(xiàn)象是因?yàn)橛行u蟲從休眠卵到孵化出來(lái)后,由于自身?xiàng)l件及外界因素,一部分自然死亡,而放電處理首先將那些不具競(jìng)爭(zhēng)力的弱勢(shì)鹵蟲殺滅,余下存活的鹵蟲短時(shí)間內(nèi)就不會(huì)死亡.因此,選擇處理后培養(yǎng)24 h為計(jì)數(shù)點(diǎn).經(jīng)實(shí)驗(yàn)證實(shí)鹵蟲成蟲與幼蟲有相同的規(guī)律,所以同樣選取處理后再培養(yǎng)24 h為計(jì)數(shù)點(diǎn).

由圖4可知,隨著峰值電壓的升高鹵蟲幼蟲的死亡率變大,其中低濃度、中濃度和高濃度的鹵蟲幼蟲分別在24,28及30 kV時(shí)達(dá)到100%的去除.由圖5可知,隨著峰值電壓的升高鹵蟲成蟲的死亡率變大,其中,低濃度的鹵蟲成蟲在22 kV時(shí)即可達(dá)到100%死亡,中濃度和高濃度的鹵蟲成蟲在28 kV時(shí)達(dá)到100%去除.

綜合圖4和圖5：隨著峰值電壓的升高鹵蟲幼蟲和成蟲的死亡率都增加,但是,與幼蟲相比成蟲的死亡率更高一些,也就是說(shuō)在相同的實(shí)驗(yàn)條件下鹵蟲成蟲更容易死亡.這是因?yàn)辂u蟲成蟲的個(gè)體要比幼蟲個(gè)體大幾倍,而個(gè)體大的生物在生存條件突然惡化的時(shí)候相較于小個(gè)體生物更不容易存活.因此,以下的實(shí)驗(yàn)均選用幼蟲為代表來(lái)研究.

由圖6可知,在峰值電壓和脈沖頻率相同的情況下,隨著處理時(shí)間的增加,鹵蟲幼蟲的殺滅率增加.其中,低濃度的幼蟲在處理時(shí)間為4 min時(shí),可達(dá)到100%殺滅;中濃度和高濃度的幼蟲在處理時(shí)間為6 min時(shí),達(dá)到100%殺滅.同時(shí)也可以得出這樣的結(jié)論,鹵蟲濃度越低殺滅效果越好.由圖7可知,在峰值電壓和處理時(shí)間不變的情況下,隨著脈沖頻率的增加,鹵蟲幼蟲的殺滅率增加.其中,低濃度的幼蟲在30 Hz時(shí),殺滅率達(dá)100%;中濃度的幼蟲在40 Hz時(shí),殺滅率達(dá)100%.

2.2 放電參數(shù)變化對(duì)鹵蟲卵孵化效果的影響

由圖8可知,隨著峰值電壓的升高,鹵蟲卵的孵化率是降低的,但是,在電壓達(dá)到34 kV之前蟲卵的孵化率與沒(méi)有經(jīng)過(guò)處理的蟲卵的孵化率相差不多,在電壓達(dá)到34 kV之后,蟲卵的孵化率大幅度降低.因此可知,電壓達(dá)到34 kV以上對(duì)鹵蟲卵的孵化率才有明顯的影響.雖然較低電壓對(duì)蟲卵的孵化率沒(méi)有明顯影響,但是卻可以縮短蟲卵的孵化時(shí)間.經(jīng)放電處理后,鹵蟲卵的孵化時(shí)間縮短了16 h.由圖9可知,在峰值電壓和處理時(shí)間一定的情況下,鹵蟲卵的孵化率隨著頻率的增加而降低.頻率由20 Hz升到50 Hz,蟲卵的孵化率從22.5%降到10%,由此可見(jiàn)頻率的改變對(duì)鹵蟲卵的孵化率的影響不是很大.

3 結(jié)論

通過(guò)以上的實(shí)驗(yàn)表明,高壓脈沖放電技術(shù)可以有效地殺滅不同生長(zhǎng)時(shí)期的鹵蟲,在28 kV,30 Hz,處理時(shí)間6 min和30 kV,30 Hz,處理時(shí)間6 min的條件下,高濃度的鹵蟲成蟲和幼蟲的殺滅率分別達(dá)到100%.在相同的放電條件下,鹵蟲幼蟲的殺滅率要低于成蟲的殺滅率,高濃度鹵蟲的殺滅率要低于低濃度鹵蟲的殺滅率.較低電壓對(duì)鹵蟲卵的孵化率沒(méi)有影響,在電壓高于34 kV時(shí),蟲卵的孵化率才會(huì)降低至20%以下,然而,經(jīng)過(guò)放電處理后蟲卵的孵化時(shí)間會(huì)縮短16 h.

[1]GloBallast Programme.Ballast Water New s.Issue l[Z].2000.

[2]GEMMA QU ILEZ-BAD IA,TRACY MCCOLL IN.On board short-time high temperature heat treatment of ballastwater：A field trial under operational conditions[J].Marine Pollution Bulletin,2008(56)：127-135.

[3]TRACYMCCOLL IN.The efficiency of regional ballastwater exchange：Changesin phytoplankton abundance and diversity[J].Harmful A lgae,2007(6)：531-546.

[4]李芳,李偉.船舶壓載水污染的處理方法研究進(jìn)展[J].中國(guó)水運(yùn),2007(5)：12-13.

[5]TANG Zhijian,M ICHAEL A,BU TKUS.Enhanced perfo rmance of crumb rubber filtration for ballast water treatment[J].Chemosphere,2009(74)：1396-1399.

[6]李成玉.船舶壓載水處理系統(tǒng)的最新成果[J].青島遠(yuǎn)洋船員學(xué)院學(xué)報(bào),2007(4)：18-21.

[7]孫冰,朱小梅.一種處理船舶壓載水的新方法[P].CN101074138A.2007-11-21.

[8]SUN B,SA TO M,HARANO A,et al.NON-unifo rm pulse discharge-induced radical p roduction in distilled water[J].electrostatics,1998,43：115-126.

Study of Eradicating Anem ia with High Voltage Pulsed Discharge in L iquid

WANG Jing,SUN Bing,ZHU Xiao-mei,NYEIN Aye,SATO Masayouki
(College of Environmental Science and Engineering,Dalian M aritime University,Dalian 116026,China)

High voltage pulsed discharge directly in water and the board-hole-board reactor were used to treat Anemia in ballast water.The grow th periods(eggs,larvae,adult)for Anemia were studied by changing the peak voltage,pulse frequency and treatment time these parameters to exam ine the kill effect.The results showed that as the increase of peak voltage,pulse frequency and treatment time,kill rates of larvae and adultwere increasing and hatch rate of eggswas decreasing.In the app rop riate discharge parameters,the kill rate on larvae and adult could reach 100%.There was no influence on hatch rate of eggs at low voltage.W hen the voltage w as over 34 kV,hatch rate of eggs began to decreasing.How ever,the brooding time of eggs would curtail after treatment.

high voltage pulsed discharge;ballast w ater;Anemia

O 539

A

1000-1565(2010)05-0564-05

2010-01-20

國(guó)家自然科學(xué)基金資助項(xiàng)目(NSFC-No.10875019);國(guó)家海洋局重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室開放基金資助項(xiàng)目(200919);中央高?？蒲袠I(yè)務(wù)費(fèi)專項(xiàng)資金資助項(xiàng)目(2009QN060)

王晶(1986—),女,黑龍江雙鴨山人,大連海事大學(xué)在讀研究生,從事液相放電及應(yīng)用研究.

孫冰(1960—),男,遼寧朝陽(yáng)人,大連海事大學(xué)教授,博士生導(dǎo)師,主要從事液相放電和低溫等離子體應(yīng)用研究.

梁俊紅)