超聲波抑藻效果及影響因素研究

劉智軍,任 虹,蔡明凱,吉方英

1.重慶大學三峽庫區(qū)生態(tài)環(huán)境教育部重點實驗室,重慶 400045 2.重慶市長壽區(qū)環(huán)境監(jiān)測站,重慶401220

藍藻水華是富營養(yǎng)化湖泊的典型特征,高密度的藻細胞存在于水中,能惡化水質(zhì)釋放藻毒素、損害水體生態(tài)系統(tǒng)并危及人類的飲用水安全[1]。我國重要湖泊水華頻繁爆發(fā)[2-3],已經(jīng)成為我國湖泊、河流治理中的主要難題。目前藻類污染治理方法有化學法、生物法、物理法等[4-6]。超聲波作為一種清潔、高效的污染控制手段,具有操作條件溫和、適用范圍廣、可以單獨或與其它水處理技術(shù)聯(lián)合使用等優(yōu)點,越來越受到研究人員的重視。研究表明超聲波對藻體的結(jié)構(gòu)和功能具有破壞作用[7-8],其降解藻類細胞中有機物是一個物理-化學過程,主要是利用機械以及空化效應產(chǎn)生高溫(5 300 K)、高壓(100 MPa)、沖擊波、聲流和剪切等力學作用降解藻類[9]。此外,在空化氣泡表面層的水分子則可形成具有低介電常數(shù)、高擴散性及高傳輸能力等特性的超臨界水,有利于藻類細胞中有機物降解速率的增加。

超聲波抑藻技術(shù)已經(jīng)在景觀水體水質(zhì)保障中都有較多的應用[10-11],但在地表水體富營養(yǎng)化控制方面尚研究不多[12]。本研究針對三峽庫區(qū)次級河流澎溪河富營養(yǎng)化藻類及水華爆發(fā)特性,研究低功率超聲對水華爆發(fā)期間藻類生長的抑制效果,以期為今后實現(xiàn)工程化超聲除藻和控制富營養(yǎng)化水體的水華爆發(fā)提供有效的、科學的依據(jù)。

1 實驗對象

1.1 材料與儀器

1)藻類取得與培養(yǎng)

藻種采自澎溪河水華爆發(fā)較為嚴重的回水區(qū)域,監(jiān)測發(fā)現(xiàn)水華的優(yōu)勢藻種主要為水華微囊藻、小環(huán)藻、多甲藻、空球藻、以及隱藻等3個門類6個品種的藻類。取樣在自然條件下平行培養(yǎng)。

2)超聲波裝置

配置Aquasonic NT4.1型超聲波發(fā)生器,適用電壓220 V,單機功率 50W,頻率 20～ 50 kHz、60～ 100 kH z和 100～150 kHz各1個。

1.2 主要研究內(nèi)容和實驗方法

分別取5 L原水樣3份,各置于3個不同超聲頻率環(huán)境中,作用1 min,3m in,5 m in,7m in時每次取距離超聲波發(fā)生器0.15 m,發(fā)射角0°處作用后水體 250 m L于錐形瓶中自然狀態(tài)下平行培養(yǎng)。各組設置空白對照。培養(yǎng)周期1周,每天下午18:00測定各培養(yǎng)瓶藻密度。

藻密度的測定[13]:取所監(jiān)測水樣用15‰魯哥氏液3.75 m L固定水樣靜置24 h后,用虹吸管小心吸出上清液,將剩下溶液搖勻,然后倒入量筒內(nèi)測量其體積V。再將濃縮樣搖勻,用移液管取一滴于計數(shù)框中,小心蓋上蓋玻片,置 10×40倍顯微鏡下對藻類計數(shù)。隨機選取十個計數(shù)框數(shù)出藻類數(shù)量,然后求均值,再量出水樣占計數(shù)框個數(shù)(共100格),即算出一滴個數(shù)n:

式中:Ni為每毫升水中藻類的細胞數(shù)量,(×104個/m L);

n為一滴濃縮液藻類細胞數(shù)量,(個);

V為水樣吸出上清液后剩余濃縮液樣品體積,(m L)

3.3.2 輸液加溫組在采取常規(guī)保溫措施的基礎上對輸入液體進行加溫，來達到保溫作用。有研究報道，術(shù)中輸入大量與室溫等同的液體或輸血，每升冷晶體使體溫下降 0.25℃，2 單位血液使體溫降低 0.5℃［10］。因此，有人主張輸入接近人體溫度(37℃ ～38℃)的液體［11］。在靜脈輸液管道接上電子加溫儀，溫度調(diào)至37℃，對抗了因冷液體進入體內(nèi)后吸收大量的熱量而引起體溫下降。本研究中輸液加溫組的患者體溫在整個手術(shù)過程中都能維持在正常體溫水平。由此可見，術(shù)中采取加溫輸入液體等措施，可有效維持手術(shù)患者的體溫恒定。但要嚴格控制輸血溫度，不能超過37℃，以免破壞血液成分［12］。

2 實驗結(jié)果分析

2.1 超聲輻照時間對藻密度影響

采用同一輻照功率,不同輻照時間與沒有超聲輻照的對照組在相同條件下培養(yǎng),每天下午18:00測定1次藻密度,共測定7 d,3個頻率超聲波作用后結(jié)果如圖 1、2、3所示。

圖1 超聲(20～50 k Hz)輻照時間對藻密度的影響

由圖1可以看出頻率為20～50 k Hz的超聲波輻照后,各個實驗組藻密度增長值相對于對照組均有不同程度的下降。從曲線的斜率上看,1 m in組藻密度增長率基本未受影響,5 min和7 m in組初始增長緩慢,3 d后恢復增長,5 m in組相比7m in組增長緩慢,后期藻密度增長率趨于平緩;超聲輻照后培養(yǎng)的第3天藻密度增長值出現(xiàn)明顯降低,5 m in和7 min藻密度增長值降低了14.9%;培養(yǎng)7 d后各實驗組藻密度增長值趨于飽和,5m in和7m in的藻密度增長值分別降低了29.2%和31.2%。從藻密度增長率和經(jīng)濟角度上講,可以認為對水體輻照5m in抑制效果最好。

由圖2可以看出頻率為60～100 kHz的超聲波輻照后,實驗組藻密度增長率與對照組大致相同;各個實驗組藻密度增長值相對于對照組均有不同程度的下降,但效果不明顯,隨著輻照時間增長,藻密度增長值相比于對照組變化不大?？赡艿脑蚴沁@一季節(jié)的優(yōu)勢藻種對該頻段超聲波不敏感所致。

圖2 超聲(60～100 kH z)輻照時間對藻密度的影響

圖3 超聲(100～150 kH z)輻照時間對藻密度的影響

根據(jù)圖3實驗結(jié)果,從曲線斜率看可以發(fā)現(xiàn)輻照處理后3 d內(nèi)藻密度增長率降低明顯,處于緩慢增長期,3 d后較快恢復,與對照組大致同步;與對照組比較1 m in組藻密度增長值沒有明顯變化,5 m in和7 m in組基本同步,7d后藻密度增長值分別降低了17.3%和20.9%。

從圖1、2、3分析隨著處理時間增加,抑制效果增加,但是趨于平緩,抑藻的經(jīng)濟性較差,可以初步認為5 m in組處理時間為澎溪河水體最佳處理工況。

2.2 超聲輻照頻率對藻密度影響

在相同實驗條件下平行培養(yǎng)分別研究不同頻率段超聲對水體輻照5 m in的抑制效果見圖4。

圖4 超聲輻照頻率對藻密度的影響

由圖2可知在最佳的輻照時間條件下,超聲輻照頻率對藻密度增長值影響很大。相比于對照組,各個頻段輻照培養(yǎng)1 d后藻密度增加值降低量相當,在第3 d出現(xiàn)較為明顯差異,60～100 kHz和 100～150 kH z分別降低了13.8%、4.6%和 10.8%。3 d后20～50 kH z和100～150 kHz組的抑制效果明顯優(yōu)于60～100 kHz頻段,培養(yǎng) 7 d后 20～50 kH z組藻密度增長值更是降低了31.3%。從曲線的斜率上看,20～50 kHz組的藻密度增長率初始平緩,3 d后恢復快速,6 d后降低到與初始值相當。

從以上分析可以,在超聲輻射時間5m in,輻照頻率為20～50 kHz,為最佳抑藻工況。

2.3 超聲輻照模式對藻密度影響

聲功率是超聲波作用時常用的衡量能量的因子。從以上分析可知當超聲輻照頻率為20～50 kHz時,連續(xù)輻照5 min后培養(yǎng)7 d,抑藻效果最佳。采用20～50 kH z超聲波發(fā)生器,研究在輸入總能量相同條件下不同輻照模式-高劑量、低頻次和低劑量、高頻次對藻類生長的抑制作用。即超聲輻照1m in(每d一次),輻照3m in(每3 d一次),輻照5m in(每5 d一次)和輻照7 m in(每 7 d一次),培養(yǎng)7 d后藻密度變化情況見圖5

圖5 超聲輻照模式對藻密度的影響

1m in組和 7m in組是兩種極端的處理模式,即1 min組輻照時間短,但是頻率高,7m in組輻照時間長而頻率低。各組經(jīng)過超聲輻射后藻密度相對于對照組均有不同程度下降,7 m in組下降最多達到了11.2%,在前4 d的培養(yǎng)過程中處于停滯期,藻密度增長緩慢,在第5 d后恢復增長,最終生物量相比對照組降低了25.1%,效果不如其他3組。1 m in組經(jīng)過高頻次的輻射,在整個培養(yǎng)周期內(nèi)藻密度增長緩慢,最終生物量相比于對照組降低了41.5%。

3m in組和5m in組呈現(xiàn)出了一定的波動性,并且隨著處理頻次的提高,波動性減小。處理頻次提高,使藻體在受到超聲輻射后很難恢復活性,抑制效果較好。兩組的最終生物量相比與對照組降低大致相同,約為41.7%。但隨著處理頻次增加,勞動量也會相應增加。

由以上分析可知,在系統(tǒng)輸入總能量相同的條件下,高頻次、低輻射量對藻類的生長抑制效果較佳。

2.4 最佳抑藻工況與對照組變化值關(guān)系

為了研究水華大規(guī)模爆發(fā)時,超聲波對水華的抑制作用,并且能夠根據(jù)藻類在自然水體中的增長情況,預測低功率低頻率(20～50 kHz)超聲波輻照5m in能夠達到的抑制效果,研究最佳工況下藻類的增長值與自然水體的增長值之間關(guān)系如下:

表1 最佳工況藻類增長值與自然水體藻類增長值數(shù)據(jù)表(個/m L)

圖6 最佳工況藻類增長值與自然水體藻類增長值之間關(guān)系

由圖6可以看出超聲波在最佳工況條件下輻照藻類每天抑制其增長值與自然水體之間每天增長值符合冪指數(shù)關(guān)系y=0.217x1.092,R2=0.993。

3 結(jié) 論

該實驗結(jié)果表明 3個不同頻率20～50 kHz、60～100 kHz和100～150 kH z的超聲波輻照后,對澎溪河藻類生長的抑制具有較為明顯效果:各個實驗組相對于對照度均有不同程度的下降;各頻率段都是隨著輻照時間增長,輻照效果逐漸增強。并且都是在輻照后培養(yǎng)的第3天出現(xiàn)明顯效果,20～50 kHz的抑制效果更是達到了14.9%。并且在培養(yǎng)7 d后20～50 kH z和100～150 kHz效果比較明顯,分別達到了31.3%和20.9%,中頻段60～100 kH z效果不顯著,可能的原因是這一季節(jié)的優(yōu)勢藻種對該頻段超聲波不敏感所致。長時間作用超聲波輻照具有飽和的趨勢,抑藻經(jīng)濟效果差,對水體輻照5 m in抑制效果最好。

在研究超聲輻照模式對藻類生長的抑制效果中可知,在系統(tǒng)輸入總能量相同的條件下,高頻次、低輻射量對藻類的生長抑制效果較佳。

當采用低頻率(20～50 k Hz)輻照5 m in后,培養(yǎng)7 d,藻密度降低29.2%。最佳抑制工況下藻濃度變化值△Y5與對照組藻濃度變化值△Y5符合冪指數(shù)關(guān)系,R2=0.993。

研究雖找到抑制澎溪河藻類爆發(fā)的最佳參數(shù),但是由于實驗條件和開展場地差異和大規(guī)模工程應用還有差距,這是超聲波抑藻現(xiàn)場工程實驗后期研究難題。超聲波處理藻類的技術(shù)操作條件溫和,降解速度快,適用范圍廣,可以單獨或與其他水處理技術(shù)聯(lián)合使用,是1種很有發(fā)展?jié)摿蛻们熬暗乃幚砑夹g(shù)。

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