多因素對離子膜電解處理壓載水中藻類的影響

孫金陽， 王俊生， 潘新祥

(1.大連海事大學(xué) 輪機(jī)工程學(xué)院， 遼寧 大連 116026；2.大連海事大學(xué) 信息科學(xué)技術(shù)學(xué)院， 遼寧 大連 116026)

多因素對離子膜電解處理壓載水中藻類的影響

孫金陽1， 王俊生2， 潘新祥1

(1.大連海事大學(xué) 輪機(jī)工程學(xué)院， 遼寧 大連 116026；2.大連海事大學(xué) 信息科學(xué)技術(shù)學(xué)院， 遼寧 大連 116026)

采用離子膜電解法處理船舶壓載水，研究電解產(chǎn)物注入量、作用時間、藻類密度、海水溫度和水體中有機(jī)物等不同因素對電解產(chǎn)物滅活藻類的影響。實(shí)驗(yàn)結(jié)果中，電解產(chǎn)物濃度和作用時間會直接影響藻類的殺滅效果，有效氯濃度為5 mg/L、作用時間24 h時，藻類全部死亡；海水溫度為10～25 ℃，隨溫度的升高，藻類的致死率增大，當(dāng)溫度達(dá)30 ℃時，殺滅效果降低；藻類密度增大、海水中有機(jī)物含量增加都會減弱電解產(chǎn)物對藻類的殺滅效果。實(shí)驗(yàn)?zāi)M海洋中各因素的變化，為離子膜電解法處理壓載水提供實(shí)驗(yàn)依據(jù)。

船舶工程；壓載水；離子膜電解；藻類；影響因素

船舶壓載水和沉積物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。[1]隨著船舶營運(yùn)速度的加快，這些有害水生生物和病原體在運(yùn)載過程中存活的幾率越來越高，對生態(tài)、經(jīng)濟(jì)和人類健康構(gòu)成嚴(yán)重威脅。[2-3]跟隨壓載水傳播的某些微藻能產(chǎn)生藻毒素并被海中貝類動物吸入,人類食用后,會產(chǎn)生麻痹癱瘓癥狀，甚至死亡。[4]科學(xué)家一致認(rèn)為，全球海洋生物多樣性的破壞主要是由船舶壓載水引發(fā)的。[5]如果船舶壓載水載入水域和排放水域之間在環(huán)境因子上存在相當(dāng)大的差異，那么這些差異大的環(huán)境因子會成為外來物種生長繁殖最主要的障礙。[6]因此，載入水域與排放水域間的環(huán)境因素對藻類的入侵有重要影響。本文以海域環(huán)境因素為出發(fā)點(diǎn)，探討海水溫度、營養(yǎng)鹽濃度、藻細(xì)胞的初始濃度、電解產(chǎn)物的注入濃度和作用時間等因素對離子膜電解法殺滅壓載水中藻類的影響，為使用離子膜電解法處理船舶壓載水中的藻類提供實(shí)驗(yàn)依據(jù)。

目前，船上常用的壓載水處理方法主要有置換法、紫外法、臭氧法和電解法等。[7-10]本文在傳統(tǒng)電解法的基礎(chǔ)上，采用離子膜電解法處理壓載水。

1 材料和方法

1.1離子膜電解系統(tǒng)

離子膜是一種特殊的陽離子選擇性透過膜。陽極反應(yīng)可描述為: 2H2O→O2+4H++4e, 2Cl-→Cl2↑+2e, Cl2+H2O→HCl+HClO；陰極反應(yīng)可描述為: 2H2O+2e→H2↑+2OH-。陽極電解產(chǎn)物用于處理壓載水，陰極電解產(chǎn)物用于處理船舶尾氣。離子膜電解槽采用單元槽式、矩形板狀結(jié)構(gòu)，有效面積為0.2 m2，尺寸為400 mm×500 mm，陽極為金屬陽極(DSA)，陰極采用活性鎳電極;離子膜采用杜邦全氟羧酸復(fù)合膜。

離子膜電解系統(tǒng)流程圖見圖1。實(shí)驗(yàn)選取電解系統(tǒng)最佳工況：最佳電流密度為直流1.5 kA/m2,電流為300 A,電流效率為80%，槽電壓為4.27 V，陽極電解產(chǎn)物的有效氯濃度為800 mg/L。實(shí)驗(yàn)條件按照船舶實(shí)際工況，陽極電解液為船舶造水機(jī)的排出海水，對應(yīng)氯化鈉的質(zhì)量分?jǐn)?shù)為4.5%。船舶造水機(jī)排出的海水經(jīng)主機(jī)缸套水或者蒸汽加熱，實(shí)驗(yàn)溫度為75 ℃。陰極電解液氫氧化鈉的質(zhì)量分?jǐn)?shù)為15%。

1.2藻類的選擇及培養(yǎng)

3種藻類分別為米氏凱倫藻、藻新月菱形藻和亞心形扁藻。藻種均來自于遼寧省水產(chǎn)科學(xué)研究所。藻類培養(yǎng)液為f/2營養(yǎng)鹽，鹽度31，pH 8.0，光暗周期為12 h∶12 h。

2 結(jié)果與討論

2.1陽極電解產(chǎn)物注入量對藻類活性的影響

取實(shí)驗(yàn)的藻細(xì)胞懸浮液各100 mL。米氏凱倫藻密度為1.0×103個/mL，其余兩種藻類密度為1.0×105個/mL。分別注入不同濃度的陽極電解產(chǎn)物溶液，有效氯濃度分別為0 mg/L，0.5 mg/L，1.0 mg/L，2.0 mg/L，3.0 mg/L，4.0 mg/L，5.0 mg/L。溫度25 ℃, 陽極電解產(chǎn)物與藻類的作用時間分別為0 h，6 h、24 h，48 h，72 h。每種藻類的每個濃度梯度設(shè)3個平行樣,藻類計數(shù)采用血細(xì)胞計數(shù)法,致死率為死亡細(xì)胞占總細(xì)胞數(shù)的百分比,有效氯濃度的測定采用碘量法。不同濃度電解產(chǎn)物對3種藻類的致死曲線見圖2。

從圖2中可以看出，電解產(chǎn)物對藻類的致死效果顯著，3種藻類的實(shí)驗(yàn)曲線趨勢大體相同。在5 mg/L有效氯濃度作用下，滅活時間為24 h，滅活率可達(dá)到100%。在各個濃度的有效氯處理下，滅活率基本上是前24 h上升最快，此現(xiàn)象與有效氯在水中的衰減有關(guān)。[11]同時，由于實(shí)驗(yàn)?zāi)M的是壓載艙中的黑暗環(huán)境，藻類無法進(jìn)行光合作用，藻細(xì)胞會自然死亡。[12]這些因素會共同影響藻類的活性。

2.2藻類的初始密度對陽極電解產(chǎn)物作用的影響

一般不同水體的藻細(xì)胞數(shù)量不盡相同，在壓載水的裝載過程中會出現(xiàn)不同海域、不同密度的藻類，因此,藻類的初始密度會影響處理壓載水的效果。藻類的種類選取和計數(shù)方法均同“2.1”。有效氯濃度為5 mg/L，作用時間為24 h，米氏凱倫藻的初始密度為10×102～50×102個/mL，其余兩種藻類的密度為10×104～50×104個/mL，溫度為25 ℃。

從圖3可以看出，隨著藻類初始密度增加，電解產(chǎn)物殺滅藻類的效果大大降低。當(dāng)有效氯濃度為5 mg/L、米氏凱倫藻初始濃度為10×102個/mL時，死亡率為100%；有效氯濃度為5 mg/L、米氏凱倫藻初始濃度為50×102個/mL時，死亡率為88.7%。這是由于電解產(chǎn)物的殺藻作用是受多種因素影響的, 如水中膠體雜質(zhì)的理化性質(zhì)、水溫、水中存在的離子、注入過程的攪拌、加藥量等。[13]電解產(chǎn)物是一種強(qiáng)氧化劑，會與藻細(xì)胞發(fā)生反應(yīng)，當(dāng)水體中藻細(xì)胞密度增大時，電解產(chǎn)物要作用并殺滅每一個藻細(xì)胞，其效果會大大降低。同時，有效氯殺滅藻類所需劑量和藻類的密度并不呈直線型關(guān)系，這可能是由于藻類的培養(yǎng)基是f/2營養(yǎng)鹽，其中含有Mn2+、維生素等還原性物質(zhì)，有效氯能與之發(fā)生氧化還原反應(yīng)。[14]藻細(xì)胞密度較低時，這些物質(zhì)也會消耗有效氯。

(a) 米氏凱倫藻

(b) 新月菱形藻

(c) 亞心形扁藻

圖3 不同初始藻細(xì)胞密度對電解產(chǎn)物滅活藻類的影響

2.3溫度對陽極電解產(chǎn)物作用藻類活性的影響

藻類種類、密度和計數(shù)方法同“2.1”。有效氯濃度5 mg/L，作用時間為24 h，溫度分別為10 ℃，15 ℃，20 ℃，25 ℃，30 ℃。實(shí)驗(yàn)結(jié)果見圖4。

圖4 不同溫度對電解產(chǎn)物滅活藻類的影響

從圖4可以看出，25 ℃之前，藻細(xì)胞的殺滅率隨溫度的升高而升高，隨后開始下降。這是由于溫度會影響有效氯的作用效果，且與藻類的活性有密切關(guān)系。較高溫度條件下，電解產(chǎn)物中的次氯酸易于透過細(xì)胞外膜，并會促進(jìn)其在藻類細(xì)胞內(nèi)的化學(xué)反應(yīng)速度，因此溫度的升高易于電解產(chǎn)物殺滅藻細(xì)胞。[15]同時，溫度對藻類的生長和發(fā)育有調(diào)節(jié)作用，當(dāng)溫度達(dá)到30 ℃時，影響了藻類的生長，并且在此溫度下，有效氯易于分解，氧化能力減弱了。[16]

2.4水體中有機(jī)物對電解產(chǎn)物作用藻類的影響

近年來，隨著排入海水中的營養(yǎng)物質(zhì)總量不斷增加，中國近海海域海水營養(yǎng)鹽濃度不斷提高。為模擬海水中的營養(yǎng)物質(zhì)，在藻類的營養(yǎng)液中添加土壤抽出液。藻類種類、密度和計數(shù)方法同“2.1”。有效氯濃度為5 mg/L，作用時間為24 h，溫度為25 ℃，海水培養(yǎng)液中添加土壤抽出液分別為0 μL，1.0 μL，2.0 μL，3.0 μL，4.0 μL。實(shí)驗(yàn)結(jié)果見圖5。

從圖5可以看出，隨著培養(yǎng)液中有機(jī)物含量不斷增加，藻細(xì)胞的殺滅率逐漸降低。有效氯濃度為5 mg/L時，添加0 μL的土壤抽出液，亞心形扁藻的死亡率達(dá)到97.4%；添加4 μL的土壤抽出液，藻細(xì)胞的死亡率只有86.5%。這是由于土壤抽出液的添加使水體中的懸浮物質(zhì)增加，這些物質(zhì)對藻類有一定的吸附作用，從而影響電解產(chǎn)物的滅活能力。由于添加了有機(jī)物質(zhì)，水體濁度改變，影響了電解產(chǎn)物的氧化能力，使得殺滅效果降低。[17]

圖5 海水有機(jī)物對電解產(chǎn)物滅活藻類的影響

3 結(jié) 語

采用離子膜電解系統(tǒng)處理船舶壓載水中的3種藻類。隨著陽電解產(chǎn)物濃度和作用時間的增加，藻類的殺滅率增加；隨著藻類初始密度的增加，藻類致死率降低。藻類的致死率隨溫度的升高而增加，溫度達(dá)到30℃時，藻類致死率降低。海水中添加有機(jī)物，藻類的致死率大大降低。

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FactorsAffectingProcessofIon-ExchangeMembraneElectrolysisInactivatingAlgaeinBallastWaterTreatment

SUNJinyang1,WANGJunsheng2,PANXinxiang1
(1. College of Marine Engineering, Dalian Maritime University, Dalian 116026, China; 2. College of Information and Science Technology, Dalian Maritime University, Dalian 116026, China)

The effect of factors influencing the inactivation of algae, electrolysis products, action time, algal cell density, temperature, seawater organisms, in the process of ion-exchange membrane electrolysis ballast water treatment are studied. The object of study covers three algae species: Karenia mikimotoi, Nitzschia closterium minutissima and Platymonas subcordiformis. The results indicate that the dose of electrolysis products and the action time directly affect the inactivation of algae. The three kinds of algal died in 24 h when available chlorine concentration is 5 mg/L.The inactivating effect increases with the increasing of temperature within the range of 10 to 25 ℃, but goes down beyond 30 ℃. Inactivating effect decreases as the density of algal cells and seawater organisms increase. The results of experiments may be used in designing water treatment equipment of the type.

ship engineering; ballast water; ion-exchange membrane electrolysis; algae; effect factor

2014-01-20

國家自然科學(xué)基金(51309042)；中央高?；究蒲袠I(yè)務(wù)費(fèi)專項(xiàng)資金(3132014207, 2011TD027)

孫金陽 (1983-)，女，遼寧大連人，博士生，主要從事船舶防污染技術(shù)的研究。E-mail：golden_sun@126.com.

1000-4653(2014)02-0089-04

U698.7

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