超聲波抑制銅綠微囊藻生長(zhǎng)研究

朱麗楠，康 凱，成 功，王天琪，羅 艷

(哈爾濱工程大學(xué)航天與建筑工程學(xué)院，哈爾濱150001)

隨著人口增長(zhǎng)和社會(huì)經(jīng)濟(jì)的飛速發(fā)展，受人類活動(dòng)影響，短期內(nèi)使大量含氮含磷等植物營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)進(jìn)入水體，從而引起藻類和浮游植物的迅速繁殖，使水體中溶解氧降低、透明度下降、水質(zhì)惡化、魚類及其他水生生物大量死亡，這種現(xiàn)象即為水體富營(yíng)養(yǎng)化[1].富營(yíng)養(yǎng)化不僅破壞了生態(tài)系統(tǒng)平衡，甚至危害到飲用者的身體健康.目前，國(guó)內(nèi)外水廠采用的除藻技術(shù)有投加化學(xué)藥劑法、微絮凝直接過濾、氣浮和生物處理等方法[2].但是上述方法在安全性、經(jīng)濟(jì)性和除藻效率仍然不能滿足要求.超聲波處理技術(shù)是一種新穎、清潔且極具產(chǎn)業(yè)前景的高級(jí)氧化技術(shù).它是集高級(jí)氧化、熱解、超臨界氧化等技術(shù)于一體的新技術(shù)[3].它可改變反應(yīng)條件，加快反應(yīng)速度，還能使一些難以進(jìn)行的化學(xué)反應(yīng)得以實(shí)現(xiàn).超聲波抑藻是利用超聲空化效應(yīng)和機(jī)械效應(yīng)抑制藻類的生長(zhǎng)[4－6].

1 材料和方法

1.1 實(shí)驗(yàn)藻種及培養(yǎng)

銅綠微囊藻(FACHB－315)購(gòu)買于中國(guó)武漢水生生物研究所.培養(yǎng)基采用BG11培養(yǎng)基(pH值為7.0).光照培養(yǎng)條件為:溫度(28±2)℃ ，光照強(qiáng)度1 500～2 000 lx，光暗周期12 h.采用對(duì)數(shù)生長(zhǎng)期的藻液進(jìn)行試驗(yàn).

1.2 超聲反應(yīng)裝置

實(shí)驗(yàn)采用上海聲彥超聲波儀器有限公司定制的超聲波處理器，超聲功率180 W，功率可調(diào)，頻率可切換20、40、60 kHz.

1.3 藻細(xì)胞生物量的測(cè)定

藻類的細(xì)胞數(shù)目和懸浮液的吸光度有良好的線性關(guān)系[5].實(shí)驗(yàn)采用銅綠微囊藻懸浮液680 nm處吸光度作為藻濃度的度量標(biāo)準(zhǔn).實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)取自三個(gè)平行樣的均值.

2 結(jié)果與討論

2.1 超聲作用時(shí)間對(duì)抑制藻類生長(zhǎng)的影響

取五組藻液，每組200 mL，一組作為對(duì)照組，其他四組分別用頻率40 kHz，功率180 W超聲輻照2、4、6、8min，將五組藻液靜置于光照培養(yǎng)箱中，每24 h取上清液測(cè)量吸光度，結(jié)果如圖1所示.

圖1 超聲波作用時(shí)間對(duì)抑藻效果的影響

由圖1可見，與對(duì)照組相比，超聲作用能夠明顯抑制藻類的生長(zhǎng).對(duì)照樣品24 h內(nèi)吸光度從0.27增加到0.31，經(jīng)過超聲作用的藻液吸光度都有不同程度的下降.隨著時(shí)間的增加，超聲抑藻的效果也增強(qiáng).超聲6 min和8 min后抑制效果并沒有比4 min有明顯的提高，即使再增加處理時(shí)間，抑制效果有所增加，但這種效果越來(lái)越不明顯，經(jīng)濟(jì)性越來(lái)越差.因此，之后的實(shí)驗(yàn)選擇4 min為最佳輻照時(shí)間.

2.2 超聲功率對(duì)抑藻效果的影響

用不同超聲功率分別輻照藻液4 min，超聲頻率為40 kHz，將超聲后的藻液靜置于光照培養(yǎng)箱中，每24 h取上清液測(cè)量吸光度.不同超聲強(qiáng)度處理銅綠微囊藻后，效果如圖2所示.

圖2 超聲波功率對(duì)抑藻效果的影響

從圖中可以看出提高超聲功率可以強(qiáng)化抑制藻類生長(zhǎng)的效果，和對(duì)照組相比，初始生物量均有下降，但每組之間的差別很小，分別為60%、60%、62%、64%，表明初期超聲功率對(duì)藻類的生長(zhǎng)抑制作用有飽和的趨勢(shì)，繼續(xù)培養(yǎng)一周之后，可以看出較高功率的超聲對(duì)藻類的抑制效果較強(qiáng)，144 W輻照的藻類只是恢復(fù)到初始濃度，說(shuō)明高功率超聲輻照可能對(duì)藻類的光合作用系統(tǒng)結(jié)構(gòu)產(chǎn)生了破壞，影響了藻類的正常生長(zhǎng).

2.3 超聲頻率對(duì)抑藻的效果的影響

分別研究20、40、60 kHz不同頻率超聲對(duì)藻類生長(zhǎng)的抑制效果，超聲功率90W，超聲輻照時(shí)間4 min，結(jié)果如圖3所示.從圖3中可以看出，不同超聲頻率對(duì)藻類的抑制效果并沒有很明顯的區(qū)別，在低頻范圍內(nèi)去除率不是隨著頻率的增加而增大，即超聲作用也存在一個(gè)最佳頻率.任何一種物體都具有特征頻率(共振頻率)，當(dāng)外界施加的頻率與這一頻率相吻合時(shí)，即可引起共振.因此，超聲最佳頻率是由銅綠微囊藻本身的特性和所使用超聲設(shè)備的參數(shù)決定的.

圖3 超聲頻率對(duì)抑藻效果的影響

2.4 不同超聲模式的影響

取150 mL的藻液5份，在輸入總能量相同的情況下，分別以不同處理模式進(jìn)行處理，采用相同的功率180W，頻率60 kHz，第一組每天超聲處理1 min，第二組處理2 min，隔2天超聲1次，第三組處理4 min，隔4天處理1次，第四組處理6 min，隔6天處理1次，第五組作為對(duì)照組.連續(xù)培養(yǎng)12 d，每天進(jìn)行觀測(cè)記錄藻濃度，結(jié)果如圖4所示.

從圖4中可以得到，各組在培養(yǎng)初期與對(duì)照組相比都有不同程度下降，生長(zhǎng)速度緩慢，5 d后逐漸恢復(fù)增長(zhǎng).1 min組和2 min組呈現(xiàn)出了一定的波動(dòng)性，并且隨著處理頻次的提高，波動(dòng)性減小.處理頻次提高，使藻體在受到超聲輻射后很難恢復(fù)活性，抑制效果較好.兩組的最終生物量相比與對(duì)照組降低大致相同.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(duì)藻類的生長(zhǎng)抑制效果較佳.

圖4 不同超聲模式對(duì)抑藻效果的影響

2.5 溫度的影響

超聲作用會(huì)產(chǎn)生熱效應(yīng)，在不同的溫度下，超聲波產(chǎn)生的空化、藻類的結(jié)構(gòu)均有所差別，可能對(duì)藻類的即時(shí)去除率不同.試驗(yàn)中取150 mL藻液14份，分別在18～44℃范圍內(nèi)的不同溫度下用180 W、60 kHz的超聲輻照，超聲時(shí)間2 min，培養(yǎng)1 d后觀測(cè)得到不同溫度下對(duì)藻的去除率，如圖5所示.

圖5 溫度對(duì)抑藻效果的影響

從圖5中可以看出，藻類的即時(shí)去除率隨著溫度的升高呈緩慢上升的趨勢(shì)，超過30℃之后，去除率有一個(gè)明顯的增長(zhǎng)，推測(cè)是因?yàn)殂~綠微囊藻的最適生長(zhǎng)溫度在28℃左右，溫度的升高加上超聲輻照的熱效應(yīng)，對(duì)藻的生長(zhǎng)起到了一定得抑制作用.總體看來(lái)，溫度對(duì)去除率的影響不大，在超聲輻照除藻的應(yīng)用中，選擇一個(gè)合適的溫度范圍即可.

3 討論

影響超聲波抑制效果的主要因素有超聲功率、頻率以及超聲作用時(shí)間等.超聲在水中產(chǎn)生的機(jī)械效應(yīng)以及空化引起的高壓、強(qiáng)烈沖擊波、高速和高剪切力等力學(xué)作用，會(huì)嚴(yán)重破壞銅綠微囊藻的形態(tài)和細(xì)胞結(jié)構(gòu)，從而抑制藻類的生長(zhǎng)[7].本試驗(yàn)中雖然超聲波在初期能夠有效地抑制藻類的生長(zhǎng)，但是隨著超聲時(shí)間的延長(zhǎng)，抑藻效果增加越來(lái)越不明顯，出現(xiàn)飽和的趨勢(shì).在一次輻照后，部分依然存活的藻類，在良好的環(huán)境條件下，再次繁殖生長(zhǎng).

而當(dāng)超聲波頻率超過一定值時(shí)，超聲波周期就變短，空化泡形成(特別是在正壓相壓縮和崩潰等空化過程)的時(shí)間就不足，因此發(fā)生空化的幾率和強(qiáng)度就降低[8].有實(shí)驗(yàn)研究表明，超聲頻率越接近藻類的固有頻率，去除效果越好[9].

超聲功率的增加能夠提高抑藻效果，但是功率過高會(huì)影響空化泡的生長(zhǎng)，使系統(tǒng)可利用的聲場(chǎng)能量反而降低，效果反而有可能會(huì)下降，因此從經(jīng)濟(jì)環(huán)保的角度考慮，超聲波抑藻也應(yīng)該選擇低功率.

實(shí)驗(yàn)結(jié)果顯示，超聲波輻照，可以抑制藻類的生長(zhǎng)，短時(shí)間內(nèi)藻生物量有明顯降低.隨著超聲功率的增加，抑制效果也提高，但又飽和的趨勢(shì)，在20～60 kHz頻率范圍內(nèi)，對(duì)藻類抑制影響并不明顯.本實(shí)驗(yàn)條件下，超聲功率180 W，頻率為40 kHz，輻照4 min，對(duì)銅綠微囊藻的抑制效果最佳.超聲波技術(shù)高效無(wú)污染，抑藻效果顯著，具有廣闊的應(yīng)用前景.

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