多孔孔板水力空化滅活船舶壓載水中微藻的研究

劉 剛，許樂平（上海海事大學(xué) 商船學(xué)院，上海 201306）

0 引言

根據(jù)船舶營運(yùn)的需要，要對船舶的壓載艙注入或排出壓載水，以保證船舶的穩(wěn)性和航行的安全。船舶在加裝壓載水的同時，當(dāng)?shù)氐乃镆搽S之被裝入到壓載艙中，直至航程結(jié)束后隨壓載水排放到目的地海域。船舶壓載水的隨意排放會造成有害水生物滋生和病原體傳播，破壞不同海域生物的生態(tài)平衡，嚴(yán)重威脅著海洋環(huán)境。因此，如何避免因壓載水排放造成的環(huán)境污染是當(dāng)前主要航運(yùn)大國急需解決的問題。

水力空化是指流體流過一個收縮裝置（如幾何孔板）時產(chǎn)生的一種物理現(xiàn)象。在管道中加裝一塊布有少量開孔的孔板，當(dāng)流體流經(jīng)孔板時，在高壓下快速通過孔板上的小孔，在孔板的另一側(cè)會產(chǎn)生空氣泡，空氣泡潰滅時會產(chǎn)生熱效應(yīng)和機(jī)械效應(yīng)（微射流，沖擊波），這種高度集中的能量釋放，以及產(chǎn)生的機(jī)械效應(yīng)作用在微生物上時，能夠破壞細(xì)胞壁，起到殺滅細(xì)菌的作用[1-2]。目前，水力空化作為一種新型的水處理技術(shù)，在美國、印度等國家得到較為廣泛的研究，相關(guān)研究工作國內(nèi)報(bào)道甚少[3]，利用水力空化技術(shù)來滅活船舶壓載水中的藻類生物尚處于一個探索階段。與現(xiàn)有的船舶壓載水處理技術(shù)相比，水力空化技術(shù)具有非常獨(dú)特的優(yōu)勢：首先，利用水力空化技術(shù)處理船舶壓載水，只需在管道中加裝一片孔板，能夠方便的調(diào)整設(shè)備參數(shù)達(dá)到最優(yōu)的空化效果，基本不需對船舶做其它改動，反應(yīng)設(shè)備簡單；其次，水力空化技術(shù)具有耗能少，處理量大，操作方便等優(yōu)點(diǎn)；再次，該處理方法主要通過局部空穴潰滅后產(chǎn)生的局部高溫高壓滅活生物，屬物理方法，不會產(chǎn)生二次污染。

文章結(jié)合前期的研究實(shí)驗(yàn)，對水力空化裝置進(jìn)行了改進(jìn)，研究了多孔孔板的孔徑和開孔個數(shù)對異彎藻滅活率、裝置能耗及單位能耗所滅活異彎藻個數(shù)的影響。期望通過本課題的研究，找出最為匹配的孔板參數(shù)，使得該技術(shù)處理船舶壓載水更為經(jīng)濟(jì)、有效。

1 材料與方法

1.1 實(shí)驗(yàn)微生物

本課題選用了赤潮異彎藻為研究對象。赤潮異彎藻Heterosigma akashiwo為異彎藻屬，單細(xì)胞，略呈橢圓形，長約 8 μm ～ 25 μm，寬約 6 μm ～ 15 μm，呈綠色，在顯微鏡下能觀察其快速游動，實(shí)驗(yàn)之前使用f/2培養(yǎng)基對其進(jìn)行培養(yǎng)[4-5]。

1.2 實(shí)驗(yàn)裝置

本課題自行設(shè)計(jì)搭建的水力空化實(shí)驗(yàn)裝置如圖1所示。

圖1中，孔板是水力空化發(fā)生器，為該裝置的核心。本文研究所使用的孔板的各項(xiàng)參數(shù)如表1所示。

1.3 實(shí)驗(yàn)過程

表1 實(shí)驗(yàn)所用孔板規(guī)格參數(shù)

將培養(yǎng)至對數(shù)生長期的赤潮異灣藻用海水稀釋至一定濃度（約 1×106個 /ml～ 2×106個 /ml)，將其置于儲液槽，攪拌均勻，確保實(shí)驗(yàn)過程中異彎藻均勻分布在海水中，從中取出3個平行水樣，其濃度記為初始濃度。實(shí)驗(yàn)開始后，開啟高壓離心泵，打開閥門1、2，關(guān)閉閥門3，使海藻水樣通過孔板空化發(fā)生器，實(shí)驗(yàn)運(yùn)行一定時間，待壓力和流量讀數(shù)穩(wěn)定后，在集液槽中取3個平行水樣，其濃度記為處理后濃度，同時用壓力傳感器（PX409-150GUSB OMEGA）測量孔板前后的壓力、用電磁流量計(jì)（上海星空儀表廠產(chǎn)，XKD99Z 型）測量管道內(nèi)水樣的流量。

1）異彎藻滅活率

由于壓載水中活體微生物的濃度很低，故模擬以及滅活后的人工壓載水中的異彎藻濃度都很低。對此，本文采用離心濃縮的辦法。經(jīng)試驗(yàn)，在離心之前，向50 ml樣品藻液中加入1 ml濃度為4‰的戊二醛溶液，然后再以3 000 rad/min的轉(zhuǎn)速離心10 min，將取得很好的離心效果，保證上清液中沒有殘余藻體。根據(jù)以上步驟將處理液濃縮20倍后用Sedgwick-rafter計(jì)數(shù)框?qū)μ幚砬昂笕斯狠d水中的異彎藻進(jìn)行計(jì)數(shù)，確定滅活前后活的異彎藻的濃度；處理前后異彎藻的形態(tài)變化用Nikon 90i全電動顯微鏡進(jìn)行觀察，處理后樣品中微藻的處理效果即滅活率可以通過公式（1）計(jì)算。

其中：η為滅活率；n1為處理后異彎藻濃度；n2為異彎藻初始濃度。

2）水力空化能耗

根據(jù)伯努利方程，對實(shí)際流體的機(jī)械能進(jìn)行計(jì)算[6]。

其中：z1和z2分別是孔板前后管道離基準(zhǔn)水平面的距離，單位為m；u1和u2為孔板前后管道內(nèi)流體的流速，單位為m/s；p1和p2為孔板前后的壓力，單位為Pa；we是單位流體通過流動系統(tǒng)時所接受的外功，單位J/kg，wf是單位質(zhì)量流體通過流動系統(tǒng)的機(jī)械能損失，單位為J/kg；ρ為實(shí)驗(yàn)溫度下流體的密度，為1.025×103kg/m3。本實(shí)驗(yàn)中，z1=z2，u1=u2，we=0，可得出式（3）。

3）水力空化裝置中單位能量滅活異彎藻個數(shù)AS的計(jì)算

其中：n1和n2分別為實(shí)驗(yàn)處理后異彎藻的濃度和異彎藻的初始濃度，單位為：個/ml。

2 實(shí)驗(yàn)結(jié)果與分析

2.1 多孔孔板孔徑的影響

本課在孔數(shù)恒定時，考察了多孔孔板孔徑與異彎藻滅活率、裝置能耗以及單位能耗所滅活異彎藻個數(shù)的關(guān)系，實(shí)驗(yàn)結(jié)果如圖2、圖3所示。結(jié)果表明：當(dāng)孔數(shù)恒定時（孔數(shù)為4），隨著孔徑的增大，異彎藻的滅活效果會降低，如圖2，當(dāng)孔徑?為4 mm時，處理效果為31.44%；孔徑?為8 mm時，處理效果為22.6%；孔徑?為10 mm時，處理效果為21.63%。另一方面，隨著孔徑的增大，裝置的能耗減小，但是單位能耗所滅活的異彎藻的個數(shù)卻增加，如圖3所示，孔徑?為4 mm時，單位能量所滅活的異彎藻的個數(shù)約為0.20×106個/J；孔徑?為8 mm時，單位能量所滅活的異彎藻的個數(shù)約為0.97×106個/J；孔徑?為10 mm時，單位能量所滅活的異彎藻的個數(shù)約為1.73×106個/J。由此可得出，對于多孔孔板，當(dāng)孔數(shù)恒定時，盡管大孔徑孔板的滅活率較小孔徑孔板低，但隨著孔徑的增大，流量也相應(yīng)增大，孔板前后壓力差會減小，其消耗的能量較小孔徑孔板降低很多，這使得大孔徑孔板的滅活率盡管不高，但單位能量滅活的異彎藻個數(shù)卻較小孔徑孔板有明顯增加。

圖2 多孔孔板孔徑對異彎藻滅活率的影響

圖3 多孔孔板孔徑對單位能量滅活異灣藻個數(shù)的影響

2.2 多孔孔板開孔個數(shù)的影響

對于多孔孔板，開孔個數(shù)也是水力空化處理過程中非常重要的一個參數(shù)[7-8]。在開孔率恒定的情況下（開孔率為6%和25%），考察了不同開孔個數(shù)與異彎藻滅活率、裝置能耗以及單位能耗所滅活異彎藻個數(shù)的關(guān)系，實(shí)驗(yàn)結(jié)果如圖4、圖5所示。結(jié)果表明：

1）隨著孔板開孔個數(shù)的增加，異灣藻的滅活率會降低（圖4）。當(dāng)開孔率為6%，開孔個數(shù)為1時，異彎藻滅活率為42.24%；開孔個數(shù)為4時，異彎藻滅活率為31.25%；開孔個數(shù)為16時，異彎藻滅活率為26.92%。當(dāng)開孔率為25%，開孔個數(shù)為1時，異彎藻滅活率為25%；開孔個數(shù)為4時，異彎藻滅活率為22.6%。

2）隨著開孔個數(shù)的增加，單位能量滅活異彎藻個數(shù)卻較高（圖5）。當(dāng)開孔率為6%，開孔數(shù)為1時，單位能量滅活異彎藻個數(shù)為1.6×105個/J；開孔數(shù)為4時，單位能量滅活異彎藻個數(shù)為2.0×105個/J；開孔數(shù)為16時，單位能量滅活異彎藻個數(shù)為2.1×105個/J。當(dāng)開孔率為25%，開孔數(shù)為1時，單位能量滅活異彎藻個數(shù)為7.2×105個/J；開孔數(shù)為4時，單位能量滅活異彎藻個數(shù)為9.7×105個/J。

由此可得出：當(dāng)開孔率一定時，隨著開孔個數(shù)的增加，流量也相應(yīng)增加，孔板前后壓力差會減小，能量的損耗減小，這使得開孔數(shù)多的孔板滅活率較低，但單位能量滅活微藻個數(shù)卻較高。

3 結(jié)束語

通過對多孔孔板水力空化滅活異彎藻進(jìn)行的實(shí)驗(yàn)研究，得到以下結(jié)論：

1）在孔數(shù)恒定時（孔數(shù)為4），隨著孔徑的增大，異彎藻滅活效果會降低?？讖?為4 mm時，滅活效果為31.44%；孔徑?為 10 mm時，滅活效果僅為21.63%。但是，孔徑增大卻使水力空化裝置的能耗減小，使單位能耗所滅活的異彎藻的個數(shù)增加，提高了裝置的能量利用率。

2）當(dāng)孔板的開孔率一定時，隨著開孔個數(shù)的增加，微藻的滅活率會降低。但是開孔個數(shù)的增加也降低了水力空化裝置的能耗，從而使單位能耗所滅活的異彎藻的個數(shù)增加，同樣也提高了裝置的能量利用率。

總的來說，水力空化因其簡單易行且有效的特點(diǎn)，非常適合作為一種輔助手段來處理船舶壓載水中的微藻。水力空化技術(shù)的最高目標(biāo)就是，在消耗較低能量的情況下，保證滅活率。相比之下，開孔個數(shù)多的孔板以及大孔徑的多孔孔板在這方面反而更具優(yōu)勢，因此，在確保一定滅活效率的前提下，應(yīng)盡可能選擇孔數(shù)較多且孔徑較大的孔板。

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