超聲波除藻技術(shù)設(shè)備研究及推廣前景

盧 健 谷金鈺

技術(shù)研究背景

近年，我國許多湖泊水藻泛濫，河湖水華現(xiàn)象嚴(yán)重，除了云南滇池、江蘇太湖、安徽巢湖、武漢東湖和上海淀山湖等大型淡水湖泊已發(fā)生嚴(yán)重的藍(lán)藻水華污染外,長江、黃河以及珠江中下游的許多湖泊和水庫也都相繼發(fā)生了不同程度的藍(lán)藻水華，目前已有超過70%的湖泊呈富營養(yǎng)化狀態(tài)，水藻的面積、強(qiáng)度以及藻毒素含量均大幅度增長。湖泊是最大的淡水供水源, 其富營養(yǎng)化的典型標(biāo)志——藍(lán)藻水華暴發(fā)，加劇了我國水質(zhì)性缺水的矛盾。

為了清除藻類水華，國內(nèi)外專家已經(jīng)投入多年努力，研究了多種控制藻類水華暴發(fā)的方法，如化學(xué)法、機(jī)械法、生物法、生態(tài)法和絮凝法等，但由于各種方法都存在一定缺陷，多年來，人們一直期待著一套安全、有效、成本較低、操作簡便的技術(shù)出現(xiàn)。

超聲波技術(shù)是近年發(fā)展起來的一種新型環(huán)境技術(shù),被稱為環(huán)境友好技術(shù)，具有操作和控制容易、便于引進(jìn)自動化操作手段、在處理中不引入其他化學(xué)物質(zhì)、反應(yīng)條件溫和及反應(yīng)速度快等優(yōu)點(diǎn)。目前有研究利用超聲波的空化效應(yīng)抑制自然水體中藻類的生長，從而達(dá)到控制水華暴發(fā)的目的。但目前的超聲波除藻技術(shù)大多數(shù)還在實(shí)驗(yàn)室和小水體規(guī)模，自然大水面湖泊中的實(shí)驗(yàn)和成功的例子還未見報(bào)道。

由于藻類暴發(fā)周期短，生長速度快，如不能實(shí)時快速地監(jiān)測并形成預(yù)警系統(tǒng)，同時采取有效措施抑制其大面積暴發(fā)，將嚴(yán)重影響人民群眾基本的生活需求，甚至威脅其生命安全，因此開展外界環(huán)境對水質(zhì)的影響等多方向課題研究，實(shí)時快速地監(jiān)測出藻的種類及含量，開展新技術(shù)在藻治理上的研究及水體生態(tài)修復(fù)示范課題研究非常必要和緊迫，且意義重大。

超聲波除藻技術(shù)原理

超聲波除藻技術(shù)主要是利用特殊頻率的超聲波所產(chǎn)生的振蕩波，作用于水藻外壁并使之破裂、死亡，以達(dá)到消滅水藻、平衡水環(huán)境生態(tài)的目的。超聲波抑藻殺藻機(jī)理是：破壞細(xì)胞壁，破壞氣胞，破壞活性酶。藻類細(xì)胞的特殊構(gòu)造是一個占細(xì)胞體積50% 的氣胞，氣胞控制藻類細(xì)胞的升降運(yùn)動。超聲波引起的沖擊波、射流、輻射壓等可以破壞氣胞。在適當(dāng)?shù)念l率下，氣胞成為空化泡而破裂；同時，空化產(chǎn)生的高溫高壓和大量自由基，可破壞藻細(xì)胞內(nèi)活性酶和活性物質(zhì)，從而影響細(xì)胞的生理生化活性。此外，超聲波引發(fā)的化學(xué)效應(yīng)也能分解藻毒素等藻細(xì)胞分泌物和代謝產(chǎn)物。

藍(lán)藻、綠藻和硅藻是天然湖泊中最為主要的三類藻，其中藍(lán)藻危害最為嚴(yán)重。在富營養(yǎng)化水體中水華頻繁發(fā)生，水華的發(fā)生會導(dǎo)致水體異味，堵塞供水系統(tǒng)，影響景觀，而且藍(lán)藻產(chǎn)生的毒素會對水生生態(tài)、牲畜甚至人類的安全產(chǎn)生威脅。

低能量的超聲波對水體中危害性最強(qiáng)的藍(lán)藻有較強(qiáng)的治理能力，對綠藻有較好的治理抑制作用，對硅藻具有較好的抑制作用，選用超聲波抑藻，在很大程度上可降低水體浮游植物生物量，改善水質(zhì)。

總之，采用低能量超聲波抑藻，有可能通過控制超聲波的輻射能量，有選擇地抑制有害的藍(lán)藻，而不對沉水植物、魚類以及浮游生物產(chǎn)生明顯的危害，從而改善水生生態(tài)環(huán)境。

“948”項(xiàng)目消化吸收及創(chuàng)新情況

水利部南京水利水文自動化研究所承擔(dān)了水利部“948”項(xiàng)目“藻類監(jiān)測分析系統(tǒng)及超聲波除藻設(shè)備”研發(fā)，在引進(jìn)德國BBE公司藻類分類監(jiān)測分析系統(tǒng)和比利時Thomas Electronics 公司超聲波除藻技術(shù)及設(shè)備基礎(chǔ)上，通過對其工作原理、構(gòu)造及工藝水平的研究，分析系統(tǒng)設(shè)備的優(yōu)缺點(diǎn)、精準(zhǔn)度、適用范圍及儀器各參數(shù)，進(jìn)行消化吸收。

經(jīng)過幾年努力，該項(xiàng)目完成了超聲波除藻設(shè)備對水生動植物的影響試驗(yàn)，確定超聲波治理技術(shù)具有較好的除藻效果且對水生動植物無影響；完成了監(jiān)測及治理設(shè)備在無錫梅梁湖和廣東佛山東風(fēng)水庫的示范應(yīng)用，并研制出配套的數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)和水泵控制系統(tǒng)，形成了完整的藻類在線監(jiān)測系統(tǒng)；完成了超聲波除藻設(shè)備在東風(fēng)水庫的實(shí)際應(yīng)用，確定超聲波除藻技術(shù)在實(shí)際應(yīng)用中可行，且無二次污染。

此外，項(xiàng)目實(shí)施過程中還建立了以水利部南京水利水文自動化研究所為依托的超聲波除藻設(shè)備研發(fā)中試基地。研制出的復(fù)頻超聲波除藻設(shè)備不僅性能穩(wěn)定，處理效果好，而且價格低于國外進(jìn)口設(shè)備，便于國內(nèi)推廣應(yīng)用。

1.實(shí)現(xiàn)了藻在線監(jiān)測系統(tǒng)集成

野外藻類監(jiān)測常規(guī)均為采樣取樣分析方法，這樣既不能及時準(zhǔn)確地測定藻濃度，為監(jiān)測單位和管理單位作出正確決策提供實(shí)時數(shù)據(jù)，又由于預(yù)測預(yù)報(bào)系統(tǒng)沒有及時的數(shù)據(jù)，也無法很好地驗(yàn)證預(yù)報(bào)模型是否正確。該項(xiàng)目引進(jìn)設(shè)備后，通過系統(tǒng)集成和軟件開發(fā)，在太湖梅梁湖和佛山東風(fēng)水庫建立了快速實(shí)時的藻類監(jiān)測系統(tǒng)，并可根據(jù)藻濃度變化，結(jié)合溫度、光照等因子對藻進(jìn)行初步預(yù)警。

（1）配套自動進(jìn)出水系統(tǒng)

正常水質(zhì)監(jiān)測站均將監(jiān)測站點(diǎn)設(shè)置在比取水口更低的地點(diǎn)，讓水流可以實(shí)時通過儀器測量點(diǎn)，但實(shí)際中該方案實(shí)現(xiàn)較為困難。為實(shí)現(xiàn)純自動測量，該項(xiàng)目針對實(shí)際情況，開發(fā)了可任意設(shè)定取樣時間的水自動控制系統(tǒng)，可以將原水樣在規(guī)定的時間內(nèi)取至觀測房，并可以將測量完畢的水樣排除。

（2）預(yù)處理系統(tǒng)

該系統(tǒng)的作用主要是將水路進(jìn)行沉沙、過濾、配水等。

（3）通信系統(tǒng)

在線監(jiān)測站點(diǎn)采用GPRS和CDMA無線通信技術(shù)將數(shù)據(jù)發(fā)送到控制中心。采用中國移動的GPRS通信網(wǎng)絡(luò)作為無線監(jiān)控調(diào)度系統(tǒng)數(shù)據(jù)的載體，這種方式具有很多突出特點(diǎn)，是現(xiàn)階段較有競爭力的選擇之一。該系統(tǒng)按數(shù)據(jù)流量收費(fèi)，每1kB的數(shù)據(jù)只需0.01元，數(shù)據(jù)流量大的站點(diǎn)還可以采用包月方式，平均費(fèi)用更低。

（4）建立綜合監(jiān)測系統(tǒng)

在梅梁湖水質(zhì)自動監(jiān)測站將監(jiān)測項(xiàng)目常規(guī)6項(xiàng)（水溫、pH、溶解氧、電導(dǎo)率、氧化還原電位、濁度）和總磷、總氮、氨氮、高錳酸鹽指數(shù)與藻類等共11項(xiàng)參數(shù)形成一個綜合的測量單位。這些參數(shù)同時測量，便于數(shù)據(jù)的管理和后期科研分析。

系統(tǒng)控制單元主要由南京水利水文自動化研究所研制的現(xiàn)場級JSZ110中心控制儀、各類閥門管路傳感器等部件組成。JSZ110內(nèi)嵌的PLC控制器實(shí)現(xiàn)水質(zhì)自動監(jiān)測系統(tǒng)水樣采集、預(yù)處理等過程控制。JSZ110內(nèi)嵌式的DAS及DI/O數(shù)模采集模塊，實(shí)現(xiàn)各類信號及數(shù)據(jù)的采集、處理等過程。JSZ110內(nèi)集成的專用采集控制組態(tài)軟件包，完成水質(zhì)自動監(jiān)測系統(tǒng)的控制，數(shù)據(jù)采集、存儲、處理等工作。采用標(biāo)準(zhǔn)的RS232/485標(biāo)準(zhǔn)接口及以太網(wǎng)網(wǎng)絡(luò)接口，可支持標(biāo)準(zhǔn)4～20mA信號采集、RS232/485信號采集。

系統(tǒng)采用南京水利水文自動化研究所成熟軟件產(chǎn)品JSZ110系列應(yīng)用軟件：YGJK_w軟件包、DCS_mis軟件包。JSZ110系列應(yīng)用軟件在結(jié)構(gòu)上可分為2層：第一層為現(xiàn)場自動化層（嵌入式Y(jié)GJK_w軟件包、PLC時序控制軟件），主要通過信號采集模塊、JSZ110內(nèi)嵌的PLC、檢測分析儀表、電氣控制等設(shè)備采集實(shí)時數(shù)據(jù)信息；同時提供現(xiàn)場級的人機(jī)交互等控制操作實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)采集測試、控制測試等指令現(xiàn)場實(shí)施。第二層為控制中心管理層（DCS_mis軟件包），主要由工業(yè)控制計(jì)算機(jī)、網(wǎng)絡(luò)適配器、無線網(wǎng)絡(luò)適配器通信設(shè)備等組成。通過DCS_mis軟件分析處理、人機(jī)交換等操作實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)的實(shí)時交互，控制指令現(xiàn)場實(shí)施。

嵌入式實(shí)時監(jiān)控軟件(YGJK_w)采用Win2000系統(tǒng)，內(nèi)置安裝在JSZ110中心控制儀機(jī)柜內(nèi)，主要用于系統(tǒng)水質(zhì)監(jiān)測分析儀表的數(shù)據(jù)采集、傳輸、控制及整個系統(tǒng)運(yùn)行控制及監(jiān)視?，F(xiàn)場監(jiān)控操作軟件(DCS_mis)安裝于控制中心計(jì)算機(jī)內(nèi)，滿足管理層的監(jiān)視性操作及數(shù)據(jù)的接收、入庫，報(bào)表的生成等。

2.研發(fā)了復(fù)頻超聲波除藻技術(shù)及設(shè)備

根據(jù)對引進(jìn)設(shè)備的實(shí)驗(yàn)摸索，發(fā)現(xiàn)將不同頻率在不同時段進(jìn)行交互工作，可以對藻類起到更好的抑制作用。針對該思路，研制開發(fā)出復(fù)頻超聲波除藻設(shè)備。該設(shè)備性能技術(shù)主要特點(diǎn)：①高科技超聲波滅藻殺菌，防止水藻再生，屬高科技環(huán)保設(shè)備；②對水中生物無害，維持水域的生態(tài)平衡，無二次污染。

復(fù)頻超聲波除藻設(shè)備主要由發(fā)射筒（超聲波發(fā)生器）、浮漂、電子發(fā)生器、電纜線4部分組成。電子發(fā)生器用于產(chǎn)生一定頻率的高頻電子，經(jīng)變壓器傳輸給超聲波發(fā)生器，產(chǎn)生超聲波作用于水體，設(shè)備結(jié)構(gòu)及原理如圖1、圖2所示。

該設(shè)備包含電路探頭和電路兩部分。其中電路分模擬電路部分、數(shù)字電路部分以及匹配部分（數(shù)字電路和模擬電路的匹配，模擬電路和探頭的匹配）。

數(shù)字電路部分采用555電路并結(jié)合分時電路，將0～80kHz分為9個頻段和一個空頻段進(jìn)行交互作用，激發(fā)超聲波探頭發(fā)射不同功率、不同頻率的復(fù)頻超聲波信號。整個設(shè)備工作過程如圖3所示。

圖3 復(fù)頻超聲波除藻設(shè)備工作過程示意圖

針對自研的復(fù)頻超聲波除藻設(shè)備，在實(shí)驗(yàn)室進(jìn)行滅藻比對試驗(yàn)，選用銅綠微囊藻進(jìn)行試驗(yàn)，試驗(yàn)結(jié)果如圖4、圖5所示。

由圖可見，復(fù)頻超聲波除藻設(shè)備具有更好的治理效果，36小時后水體發(fā)黃，藻黏結(jié)成絲，72小時后基本無明顯藻存在。

前景展望

我國約有70%的湖泊呈現(xiàn)富營養(yǎng)化，導(dǎo)致水庫、湖泊、景觀水體均可能暴發(fā)藻類，該項(xiàng)目通過引進(jìn)消化吸收后形成的監(jiān)測手段可以實(shí)時快速監(jiān)測藻類變化，研制的國產(chǎn)化復(fù)頻超聲波除藻設(shè)備具有使用方便、無二次污染、成本低等諸多優(yōu)點(diǎn)，通過實(shí)時監(jiān)測與治理并用，可確保水體藻類濃度安全，減少現(xiàn)場取樣耗費(fèi)的大量人工、交通、化驗(yàn)等費(fèi)用，單個監(jiān)測點(diǎn)每年即可節(jié)省7萬～8萬元。隨著各用戶單位對于新技術(shù)、新產(chǎn)品的渴求，有著更好性價比和服務(wù)質(zhì)量的產(chǎn)品將有著更為廣闊的市場前景。該成果如果在全國推廣應(yīng)用，將推動我國藻類監(jiān)測及治理技術(shù)的發(fā)展，提升我國監(jiān)測及治理水平，開闊水環(huán)境治理的思路，促進(jìn)水環(huán)境研究領(lǐng)域快速發(fā)展，并產(chǎn)生巨大的社會和經(jīng)濟(jì)效益。