超聲波防海生物技術(shù)試驗研究

鄭曉濤，王丹，陳景峰

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超聲波防海生物技術(shù)試驗研究

鄭曉濤，王丹，陳景峰

(中海油能源發(fā)展采油服務公司技術(shù)中心，天津 300457)

闡述了海洋污損生物存在的危害及海生物的特點，對比了傳統(tǒng)的污損生物防除技術(shù)與方法，其中有物理法、化學法，但傳統(tǒng)方法存在勞動強度大，成本代價高，污染環(huán)境等缺陷。引入新型超聲波防海生物技術(shù)，利用大功率超聲波的空化效應，研究超聲波技術(shù)在防除海洋污損生物中的應用。但目前關(guān)于超聲波對海生物殺死效果方面的研究很少，通過設計一套完整的試驗方案，分別對海生物的幼蟲和卵進行靜態(tài)試驗、動態(tài)試驗，驗證了超聲波對海生物的殺死作用效果明顯，該項技術(shù)具有操作簡單、經(jīng)濟環(huán)保、高效等優(yōu)點，具有廣闊的應用前景。

防海生物；超聲波；靜態(tài)和動態(tài)試驗

0 引言

海洋污損生物棲息、附著及生長在船底、碼頭、浮標和各類人工設施上，對人類經(jīng)濟活動產(chǎn)生不利的影響。海洋污損生物可以分為以下三類：一類是細菌和單細胞有機質(zhì)，如各類細菌及藻類；一類是柔軟的生長物如海綿體等；第三類是硬質(zhì)海洋動物，如藤壺、雙殼類軟體動物等。其中危害較大的種類主要是硬性污損生物，一方面會破壞金屬結(jié)構(gòu)表層，進而產(chǎn)生局部腐蝕；另一方面較大型的污損生物會堵塞給排水管道、換熱器等，如下圖1所示，其嚴重影響了海洋設施的安全及其使用壽命[1]。

1 污損生物特點

污損生物群落類型繁多，不同地區(qū)、不同海域不盡相同，這與當?shù)氐乃募暗孛差愋陀嘘P(guān)。其中渤海海域污損生物群落中的具石灰質(zhì)外殼或骨架的種類主要為紫貽貝、牡蠣(包括密鱗牡蠣、褶牡蠣、大連灣牡蠣等)及藤壺類。

牡蠣多為雌雄異體，受精卵經(jīng)卵裂等過程后依次發(fā)育為可以游動的擔輪幼蟲，面盤幼蟲(如圖2所示)，最后變態(tài)固著，正常條件下，從胚胎發(fā)育至固著變態(tài)一般需2~3個星期，渤海海域牡蠣繁殖季節(jié)在5月中旬至9月份。紫貽貝的發(fā)育過程與牡蠣類似，從胚胎發(fā)育至變態(tài)附著一般需25天左右，繁殖季節(jié)在遼寧為5~6月份，山東為4~5月份和9~10月份[2]。

藤壺屬節(jié)肢動物門蔓足類，受精卵經(jīng)卵裂等過程發(fā)育為可以自由游動的無節(jié)幼體，2~3周后發(fā)育為腺介幼體，尋找合適的基質(zhì)進行附著，最后經(jīng)變態(tài)發(fā)育成為幼藤壺。其在渤海灣地區(qū)夏秋季節(jié)為繁殖附著盛季[3]。

2 超聲波防海生物技術(shù)

鑒于海洋污損生物造成的嚴重危害，可采用多種方法來防治和消除污損生物，主要分為物理和化學兩類方法。傳統(tǒng)的物理機械清除方法存在著勞動強度大、工作效率低等缺陷，甚至會對海洋設施產(chǎn)生機械損傷；在化學防污方面，現(xiàn)有涂料存在著生產(chǎn)成本高、有效時間不長及污染環(huán)境的風險。近年來，中海油能源發(fā)展采油服務公司經(jīng)過探索研究，成功研制了超聲波防海生物技術(shù)，并進行了實踐應用，取得了良好的效果。該技術(shù)具有簡單、經(jīng)濟、有效、環(huán)保等優(yōu)點，既可以清除海生物在海水管線內(nèi)壁和濾網(wǎng)上的附著，還可以殺死海生物幼體，因此，運用該技術(shù)開展海生物的防除實驗研究具有重要意義。

超聲波防海生物是應用超聲波的“空化效應”，即當在液體中施加一定頻率和強度的超聲波時，會產(chǎn)生大量的微小氣泡，這些微小氣泡在其形成振蕩生長收縮至崩潰的過程中，會引發(fā)一系列的物理化學變化，在局部產(chǎn)生瞬時的高溫高壓，將海生物震碎殺死[4-10]。

3 試驗方案

本實驗目的首先是驗證超聲波對海生物卵和幼蟲的殺死作用，二是檢測超聲波對海生物的殺死效果，通過設計一套試驗設備，制訂超聲波防海生物裝置檢測試驗方案，在實驗室進行超聲波對海生物的殺死率檢測。

本實驗主要分為兩部分，靜態(tài)試驗和動態(tài)試驗，動態(tài)試驗是模擬現(xiàn)場海水在流動情況下超聲波對海生物的殺死率。靜態(tài)試驗研究在超聲波作用時間不同時，幼蟲和卵的殺死率情況；動態(tài)試驗在靜態(tài)試驗基礎上，增加了水流速參數(shù)，對比兩組試驗的殺死效果。

超聲波設備選用杭州成功超聲設備有限公司的振棒式超聲波聲化學設備，額定功率為2 kW，工作頻率為20 kHz，實驗中超聲波的輸出功率為額定功率的75%。

試驗所需的相關(guān)檢測儀器設備有BMM-200 生物顯微鏡、篩絹(300目、400目)、仿海洋條件培養(yǎng)桶等。

3.1 靜態(tài)試驗

靜態(tài)試驗所用的試驗設備原理圖如圖3所示。在盛水的容器中盛滿海水，固定并連接好超聲波裝置。試驗前對原海水中的海生物進行取樣，分幼蟲和卵兩種情況進行超聲波處理。

3.1.1 幼蟲殺死率檢測

對幼蟲殺死率的檢測，共分為四組，一組為空白對照組，其他三組分別用超聲波對幼蟲進行5、15、30 s作用，活的幼蟲能在水里自由游動，死亡的幼蟲則處于靜止狀態(tài)，沉在水體底部，可用吸管將底部的死亡幼蟲吸出，抽樣后在顯微鏡下進行觀察計數(shù)。

圖4為在顯微鏡下觀察到的空白對照組與其他三組幼蟲試驗后的情況。

由圖4可以明顯地看出，在進行超聲處理后，活的幼蟲數(shù)量明顯減少，超聲處理5 s后幼蟲僅有少數(shù)存活，而超聲處理15 s和30 s后僅有1個幼蟲存活。

(a) 幼蟲空白對照照片?? (b) 幼蟲超聲處理5 s結(jié)果照片

(c) 幼蟲超聲處理15 s結(jié)果照片 (d) 幼蟲超聲處理30 s結(jié)果照片

圖4 幼蟲殺死率試驗照片

Fig.4 Photos of larvae killing rate test

該組試驗中，超聲波對幼蟲具體的殺死率情況如表1所示。

表1 超聲波對幼蟲殺死率結(jié)果

通過表1看出，超聲波震碎幼蟲的數(shù)量遠大于幼蟲死亡的數(shù)量，超聲波作用15 s和30 s的震碎率比作用5 s提高15%左右。隨著超聲波作用的時間越長，對幼蟲的殺死率也越高，效果更好。

3.1.2 卵的殺死率檢測

對海生物卵細胞的殺死率檢測，同樣分為四組，一組為空白對照組，其他三組分別用超聲波對幼蟲進行5、15、30 s作用，卵細胞在死亡后會變黑，抽樣后在顯微鏡下進行觀察計數(shù)。圖5為在顯微鏡下觀察到的空白對照組與其他三組幼蟲試驗后的情況。

由圖5可以看出，空白對照組的卵細胞數(shù)量多、密集，進行超聲處理后，在顯微鏡下幾乎看不到存活的卵細胞，能觀察到若干個死亡的卵細胞。

該組試驗中，超聲波對卵的具體殺死率情況如表2所示。

通過表2看出，超聲波震碎卵細胞的數(shù)量遠大于卵細胞死亡的數(shù)量，三組試驗的震碎率均在95%以上，成活率在2%以下。三組試驗的殺死率均在98%以上，因此超聲波在作用5 s后，隨著時間的增長，殺死率并沒有顯著提高。

(a) 卵空白對照照片?? (b) 卵超聲處理5 s 結(jié)果照片

(c) 卵超聲處理15 s 結(jié)果照片?? (d) 卵超聲處理30 s 結(jié)果照片

圖5 卵的殺死率試驗照片

Fig.5 Photos of ova killing rate test

表2 超聲波對卵殺死率結(jié)果

3.2 動態(tài)試驗

動態(tài)試驗的目的是模擬海上海水系統(tǒng)實際工況，驗證海水在流動情況下超聲波防海生物裝置的有效性。動態(tài)試驗所需的裝置由水箱、超聲波發(fā)生裝置、控制電源、水管組成，由水箱提供流動的海水，海水流經(jīng)超聲波發(fā)生裝置進行海生物殺死試驗。試驗裝置的示意圖如圖6所示。

動態(tài)試驗的步驟與靜態(tài)試驗一致，先取樣，設置空白對照組，分別進行海生物幼蟲和卵的超聲波處理。處理后的結(jié)果如圖7所示。

圖片中幼蟲雖未震碎，但在顯微鏡下觀察幼蟲細胞發(fā)黑，培養(yǎng)2天后繼續(xù)觀察，未見發(fā)育，判斷幼蟲已死亡。顯微鏡下觀察到兩個卵細胞發(fā)黑，推斷細胞內(nèi)結(jié)構(gòu)已被超聲波破壞，卵細胞已死亡。

在動態(tài)試驗中，超聲波對幼蟲和卵的具體殺死率情況如表3所示。

由表3可以看出，在動態(tài)試驗中，超聲波對海生物幼蟲及卵的殺死率在75%~80%之間，較靜態(tài)試驗有所降低，但能夠?qū)崿F(xiàn)防海生物的目的；超聲波對幼蟲和卵的震碎率降低，而死亡率增加，證明超聲波在海水流動時空化效果要差。

表3 超聲波對幼蟲和卵動態(tài)殺死率結(jié)果

4 結(jié)論

本文介紹了海洋污損生物的類型、特點及產(chǎn)生的危害，引出了使用超聲波防海生物的方法，通過設計一套完整的靜態(tài)和動態(tài)試驗來驗證超聲波對海生物幼蟲及卵的殺死效果，通過試驗得出如下結(jié)論：

(1) 本試驗方案的設計能夠滿足超聲波防海生物殺死率檢測的試驗要求；

(2) 超聲波對海生物的幼蟲和卵都有殺死作用；

(3) 靜態(tài)試驗中，超聲波作用5 s后對海生物幼蟲的殺死率能夠達到90%以上，作用時間越長，殺死率越高，超聲波震碎幼蟲的數(shù)量遠大于幼蟲死亡的數(shù)量；

(4) 靜態(tài)試驗中，超聲波作用5 s后對海生物卵細胞的殺死率能夠達到98%以上，作用時間的延長對殺死率影響很小，超聲波作用5 s后卵細胞的震碎率即達到95%以上；

(5) 動態(tài)試驗中，超聲波對海生物幼蟲及卵的殺死率在75%~80%之間，相對靜態(tài)試驗結(jié)果有一定程度降低，這是由于海水流動導致超聲作用時間短，對幼蟲和卵的作用效果差。

如何通過延長超聲波的作用時間，以更好地實現(xiàn)超聲波空化作用殺死海生物，提高殺死率，今后需要繼續(xù)深入地研究。

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Experimental study of ultrasonic marine anti-biofouling technique

ZHENG Xiao-tao, WANGDan, CHEN Jing-feng

(China National Offshore Oil Corporation Energy Technology & Services-Oil Production Services Co.,Tianjin 300457, China)

The article illustrates the harm of marine biofouling and the characteristics of marine organism. Also, comparisons between traditional anti-fouling techniques and methods are made in this paper, including physical methods and chemical methods. But, there are some defects in these traditional methods, such as high strength labor, high cost and environmental pollution. This article introduces the new ultrasonic anti-fouling technique. However, up to now very few researches on using ultrasonic to treat marine biofouling have been reported. In this article, a set of experimental scheme is designed for separately doing the static and dynamic tests to kill the larvae and ova of marine organism. The test results show that the effect of ultrasonic wave on killing marine biofouling is obvious, and this technique has several advantages in solving biofouling problem, such as easy operation, low cost, high efficiency and environmental protection. Thus the ultrasonic anti-biofouling technique has a broad application prospect in marine anti-biofouling.

anti-biofouling; ultrasonic; static and dynamic tests

TB533

A

1000-3630(2015)-06-0525-04

10.16300/j.cnki.1000-3630.2015.06.011

2014-12-03;

2015-03-12

鄭曉濤(1973－), 男, 天津塘沽人, 工程師, 研究方向為海洋石油裝備和超聲波技術(shù)。

王丹, E-mail: wangdanbulls2008@126.com