超聲波除藻概述

遲 巍，萬(wàn)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(lèi)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(kù)和觀賞娛樂(lè)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(lèi)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(wèn)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(lái)對(duì)藻類(lèi)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(lái)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(guò)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(wèn)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(lèi)控制領(lǐng)域有著廣闊的應(yīng)用前景。

2 超聲波對(duì)藻類(lèi)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(lèi)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(guò)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(guò)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^(guò)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(guò)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(guò)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(lèi)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(lái)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(lèi)生長(zhǎng)的過(guò)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(méi)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(lái)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(lèi)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(lái)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?，從而產(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(lèi)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(lèi)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(lái)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(guò)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(lái)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(guò)濾器、紫外線(xiàn)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(lèi)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(lái)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(kāi)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(kāi)發(fā)出節(jié)能、高效、低耗和適用面廣的新工藝，是未來(lái)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(xiàn)、過(guò)濾法、氣浮法等結(jié)合起來(lái)，將會(huì)有更廣闊的應(yīng)用前景。

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