低溫等離子體除藻應(yīng)用的研究進(jìn)展

李俊楠，楊蘇文，金衛(wèi)棟，楊知穎，閆玉紅

中國(guó)環(huán)境科學(xué)研究院

藻類水華的頻繁暴發(fā)不僅會(huì)引發(fā)魚(yú)類死亡、生物多樣性下降、湖泊生態(tài)結(jié)構(gòu)和功能退化等生態(tài)問(wèn)題，還會(huì)造成人體健康損害等環(huán)境安全問(wèn)題[1-2]。藻類水華控制是水體富營(yíng)養(yǎng)化治理的重要內(nèi)容之一，常用的藻類水華控制技術(shù)包括物理、化學(xué)、生物法等。其中，物理法主要對(duì)水體中的藻類進(jìn)行物理分離、滅殺和驅(qū)散，具有簡(jiǎn)單快速、無(wú)二次污染的特點(diǎn)，但存在費(fèi)用高、耗時(shí)長(zhǎng)、適用范圍小等問(wèn)題，不能從根本上解決和控制大規(guī)模藻類水華暴發(fā)[3-5]；化學(xué)法利用化學(xué)試劑抑制藻細(xì)胞活性、殺死或阻礙藻類生長(zhǎng)繁殖，具有見(jiàn)效快、效率高的特點(diǎn)，但藥劑殘留造成的水體重金屬污染、藻毒素釋放等二次污染問(wèn)題是其應(yīng)用的瓶頸，因此較難應(yīng)用于大面積水體[6-8]；生物法利用生態(tài)系統(tǒng)內(nèi)部的調(diào)節(jié)機(jī)制和生物相生相克等上下行關(guān)系抑制藻類生長(zhǎng)[9]，具有成本低、環(huán)境友好的優(yōu)勢(shì)，但存在作用時(shí)間長(zhǎng)、對(duì)較高密度水華的去除率低和藻類孢子處理后存活率高等缺陷[10]。

低溫等離子體是集光、電、化學(xué)氧化于一體的新型環(huán)境治理技術(shù)[11]，具有機(jī)械破碎、紫外輻射作用，還具有電化學(xué)作用產(chǎn)生的自由基等強(qiáng)氧化作用，可高效破碎藻細(xì)胞，并對(duì)藻細(xì)胞內(nèi)核酸、藻蛋白、藻毒素等大分子物質(zhì)進(jìn)行分解、降解，兼具物理法和化學(xué)法的優(yōu)勢(shì)，且清潔高效、無(wú)二次污染。目前，低溫等離子體用于除藻已有一些初步的研究和應(yīng)用。

筆者介紹了低溫等離子體的特性及應(yīng)用，梳理了低溫等離子體除藻的機(jī)理及其研究進(jìn)展，總結(jié)了已有的低溫等離子體除藻反應(yīng)器類型與除藻效果；對(duì)低溫等離子體除藻效率影響因素進(jìn)行了分析，提出了該技術(shù)的優(yōu)勢(shì)與應(yīng)用前景，并對(duì)未來(lái)技術(shù)的研究方向進(jìn)行了展望，以期為低溫等離子體除藻的工程化應(yīng)用提供參考。

1 低溫等離子體特性及應(yīng)用

美國(guó)科學(xué)家Langmuir[12]于1928年將生物學(xué)領(lǐng)域的plasma一詞引入到物理學(xué)領(lǐng)域中，開(kāi)啟了等離子體物理學(xué)研究的新紀(jì)元，明確了等離子體是除氣體、液體和固體3種常規(guī)物質(zhì)存在形態(tài)以外的第4種物質(zhì)存在形態(tài)[13]。等離子體中存在電子、正離子體和中性粒子3種粒子[14]，根據(jù)3種粒子的溫度是否達(dá)到熱平衡，可以把等離子體分為高溫等離子體和低溫等離子體(表1)。低溫等離子體屬于部分電離氣體，電磁場(chǎng)對(duì)其有明顯的作用效果，電子溫度高、內(nèi)部粒子動(dòng)能很大[15]。低溫等離子體又分為熱等離子體和冷等離子體[16]，這2種等離子體由于熱力平衡狀態(tài)的差異分別具有不同的特性：熱等離子體的能量密度高，重粒子(等離子體的組分，包括分子、離子和原子)溫度與電子溫度相近，通常為10 000～20 000 K，且各種粒子的反應(yīng)活性都很高；冷等離子體又叫非平衡態(tài)等離子體，能量密度較低，電子具有很高的反應(yīng)活性，溫度高達(dá)10 000 K以上，遠(yuǎn)高于重粒子溫度(接近室溫)[17]，因此整個(gè)系統(tǒng)的宏觀溫度接近甚至達(dá)到室溫。

表1 等離子體按熱力平衡的分類

氣體放電是產(chǎn)生低溫等離子體的有效方式[12]。根據(jù)生成機(jī)理、放電屬性或電極幾何形狀等特性[18-19]，產(chǎn)生低溫等離子體的方式主要有輝光放電、電暈放電、電弧放電、流光放電、介質(zhì)阻擋放電、射流放電等[20-25]。經(jīng)過(guò)幾十年的發(fā)展，低溫等離子體的應(yīng)用已經(jīng)成為物理化學(xué)、生物醫(yī)學(xué)、材料工程、環(huán)境科學(xué)與工程等多學(xué)科交叉融合的特色研究領(lǐng)域，在國(guó)防軍事、生物醫(yī)學(xué)、化工材料、食品滅菌以及環(huán)境保護(hù)等眾多領(lǐng)域具有獨(dú)特的優(yōu)勢(shì)和廣闊的應(yīng)用前景[26-34]。

2 低溫等離子體除藻機(jī)理及其研究進(jìn)展

2.1 低溫等離子體除藻機(jī)理

低溫等離子體應(yīng)用于除藻時(shí)，主要通過(guò)液相放電產(chǎn)生低溫等離子體對(duì)藻類進(jìn)行處理[13]，液相放電產(chǎn)生低溫等離子體的機(jī)理主要有氣泡理論和電子理論。氣泡理論：假設(shè)電場(chǎng)區(qū)域內(nèi)的電流可以導(dǎo)致液體被加熱和蒸發(fā)，從而在電極周?chē)a(chǎn)生氣泡(層)。電場(chǎng)作用首先在每個(gè)氣泡內(nèi)形成擊穿，最后導(dǎo)致水溶液中形成更高的熱量和更多的氣泡，直至水溶液被完全擊穿，形成等離子通道，該過(guò)程中包含著陰極電子發(fā)射、液體分子電離、溶液電流的形成、相變以及電場(chǎng)擊穿等一系列復(fù)雜的過(guò)程[35-36]。電子理論：在強(qiáng)電場(chǎng)的作用下，液體介質(zhì)中僅電子被加速，加速的電子可以與周?chē)x子化的分子碰撞生成更多的自由電子，形成電子雪崩，電子雪崩的根須狀先導(dǎo)到達(dá)對(duì)面電極時(shí)，形成放電通道，即低溫等離子體通道[37]。

電流使等離子體通道內(nèi)形成高能量密度空間，引起等離子體通道內(nèi)溫度升高[38]，當(dāng)通道內(nèi)溫度達(dá)14 000～15 000 K[39]時(shí)，放電通道可看作是一個(gè)紫外輻射源[40]，紫外輻射被等離子體通道周?chē)囊后w吸收后，促使水中的溶解氧(DO)產(chǎn)生激發(fā)態(tài)氧原子、自由基等；由于溫度瞬間升高，放電通道內(nèi)壓力迅速升高，從而使等離子體迅速向外膨脹，進(jìn)而產(chǎn)生強(qiáng)烈的沖擊波，形成液電空穴[41-42]，并完成整個(gè)擊穿過(guò)程。在液相放電產(chǎn)生低溫等離子體的過(guò)程中，伴隨著強(qiáng)電磁場(chǎng)、熱效應(yīng)、沖擊波等物理效應(yīng)，這些物理效應(yīng)具有足夠的能量打破化學(xué)鍵并啟動(dòng)一系列化學(xué)反應(yīng)，在與藻細(xì)胞作用時(shí)體現(xiàn)出快速高效的除藻能力[43]。

通過(guò)液相放電產(chǎn)生等離子體除藻的過(guò)程是放電過(guò)程中產(chǎn)生的電場(chǎng)力、帶電粒子、沖擊波、紫外輻射和各種活性物質(zhì)共同作用的過(guò)程：1)電場(chǎng)力作用。在高壓脈沖放電的過(guò)程中，等離子通道中產(chǎn)生了瞬間高溫及強(qiáng)電場(chǎng)力作用，由于細(xì)胞膜中的磷脂雙分子層的特殊性質(zhì)，受到電場(chǎng)中的高熱作用會(huì)受損，原有的親水性孔及蛋白質(zhì)輸送通道被進(jìn)一步打開(kāi)[44]，造成了膜上的不可逆性變異，隨著電場(chǎng)力的增強(qiáng)，藻細(xì)胞受損逐漸嚴(yán)重，最終死亡。2)帶電粒子作用。除電場(chǎng)力作用之外，由于等離子體中存在帶電粒子，而帶電粒子可以改變甚至破壞細(xì)胞膜上負(fù)責(zé)離子通道開(kāi)啟和閉合的蛋白質(zhì)的三維結(jié)構(gòu)[45]，從而導(dǎo)致藻細(xì)胞膜通透性的改變，使藻細(xì)胞物質(zhì)流出。3)沖擊波作用。由于瞬間高溫加熱的原因，放電通道內(nèi)的壓力急劇升高，使等離子體通道以較高的速度迅速向外膨脹，形成沖擊波[46-47]；沖擊波的強(qiáng)大壓力作用到細(xì)胞上，使細(xì)胞膜破裂并被壓碎，造成細(xì)胞內(nèi)部的強(qiáng)迫振動(dòng)，致使藻細(xì)胞死亡。4)紫外輻射作用。放電過(guò)程中的等離子通道向外輻射紫外光，水溶液吸收輻射的紫外光后對(duì)藻類的生存有抑制作用，藻細(xì)胞的核酸和部分氨基酸吸收輻射的紫外線后會(huì)發(fā)生一系列的光化學(xué)反應(yīng)，破壞細(xì)胞內(nèi)部的DNA、RNA、脂類等物質(zhì)，使蛋白質(zhì)無(wú)法合成，從而破壞細(xì)胞的結(jié)構(gòu)，導(dǎo)致藻體死亡[48]。5)放電中產(chǎn)生的活性物質(zhì)作用。水中高壓脈沖放電等離子體能夠在電場(chǎng)內(nèi)不加速離子的情況下，僅使電子加速，從而形成高能自由電子，這些高能自由電子碰撞水分子，使水分子激發(fā)、裂解或電離，產(chǎn)生許多高溫、高壓的水蒸氣泡，促使產(chǎn)生強(qiáng)氧化性自由基(·OH、·H、·O等)和活性物質(zhì)(臭氧、過(guò)氧化氫等)等液相活性物質(zhì)。這些高活性物質(zhì)具有極強(qiáng)的氧化性，能氧化破壞各種大分子有機(jī)物，從而破壞細(xì)胞膜，損害細(xì)胞壁，破壞DNA分子，最終導(dǎo)致藻細(xì)胞死亡[49]。

2.2 低溫等離子體除藻機(jī)理研究進(jìn)展

為進(jìn)一步提高除藻效率、擴(kuò)大除藻規(guī)模，同時(shí)提高除藻的安全性，研究人員加強(qiáng)了對(duì)低溫等離子體除藻機(jī)理的研究，且從除藻過(guò)程中藻液顏色、濁度、pH、DO濃度、電導(dǎo)率等物理化學(xué)性質(zhì)的變化，逐漸延伸到藻細(xì)胞形態(tài)變化和藻細(xì)胞內(nèi)含物釋放情況等方面的研究。

針對(duì)藍(lán)藻水華暴發(fā)時(shí)典型特征是在水面形成綠色或其他顏色的藻類漂浮物，并且引起明顯的水色變化，Korachi等[50]利用大氣壓電暈放電，通過(guò)觀察藻液顏色變化和藻類漂浮狀態(tài)的變化判斷除藻效果，發(fā)現(xiàn)在30 ℃條件下，經(jīng)電暈放電處理8 min后，綠藻的顏色由綠變棕，并在瓶底沉淀形成絮狀物，放置培養(yǎng)72 h后，綠藻不再生長(zhǎng)。Sakugawa等[51]采用水下脈沖流式放電系統(tǒng)，通過(guò)對(duì)比除藻前后藻液的水質(zhì)指標(biāo)的變化，研究了除藻效果與機(jī)理。該系統(tǒng)采用流光放電的方式，系統(tǒng)輸出電壓為30 kV、脈沖寬度為4 μs，處理60 min后，幾乎所有細(xì)胞都沉入容器的底部，放電處理期間葉綠素濃度、藻液濁度、pH、DO濃度、電導(dǎo)率和水溫都降低。特別是葉綠素濃度和濁度顯著降低，藻細(xì)胞被有效破壞，表明低溫等離子體除藻對(duì)于藻細(xì)胞中葉綠素具有脫色作用，致使藻細(xì)胞無(wú)法正常進(jìn)行光合作用，從而導(dǎo)致藻細(xì)胞死亡。

此外，Mizukoshi等[52]通過(guò)掃描電子顯微鏡(SEM)和透射電子顯微鏡(TEM)觀察低溫等離子體作用前后藻細(xì)胞結(jié)構(gòu)的變化，發(fā)現(xiàn)低溫等離子體具有電場(chǎng)力、帶電粒子、沖擊波、紫外線以及活性物質(zhì)等作用，對(duì)藻細(xì)胞的結(jié)構(gòu)以及DNA、RNA、脂類等物質(zhì)具有破壞作用。該試驗(yàn)利用高壓脈沖放電產(chǎn)生等離子體處理硅藻和鈣球藻，在峰值電流為5 A，峰值電壓為±1 kV，重復(fù)頻率為200 kHz，脈沖寬度為400 ns條件下，發(fā)現(xiàn)藻細(xì)胞失活是原位形成的氧化劑(如過(guò)氧化氫、游離的殘留氯)與等離子體直接作用(如UV照射、與高能粒子的碰撞)的結(jié)果。Tang等[53]用介質(zhì)阻擋放電等離子體對(duì)1種海洋硅藻和3種海洋鞭毛藻進(jìn)行滅活，當(dāng)控制藻液深度為5 mm，等離子體與液面距離為25 mm時(shí)，通過(guò)掃描電子顯微鏡觀察發(fā)現(xiàn)，藻細(xì)胞膜被破壞，一些細(xì)胞內(nèi)含物釋放，細(xì)胞形狀發(fā)生改變，處理480 s后藻細(xì)胞全部破裂死亡。

低溫等離子體除藻后，藻毒素、藻細(xì)胞內(nèi)含物是否產(chǎn)生釋放并降解是衡量除藻效果的重要依據(jù)。李臘梅等[54]利用介質(zhì)阻擋放電等離子體處理藍(lán)藻，并以三維熒光光譜技術(shù)為手段，通過(guò)區(qū)域熒光體積積分的方法，考察了介質(zhì)阻擋放電過(guò)程中藻細(xì)胞熒光類內(nèi)含物釋放與降解的規(guī)律。結(jié)果表明，隨著處理時(shí)間的延長(zhǎng)，藻細(xì)胞先發(fā)生細(xì)胞膜受損，接著藻毒素、藻藍(lán)蛋白、葉綠素及光合色素類化合物、類腐殖酸類物質(zhì)等可溶性有機(jī)物釋放到細(xì)胞外，然后其逐漸被降解。

綜上，低溫等離子體通過(guò)對(duì)藻細(xì)胞的細(xì)胞膜、氣囊進(jìn)行破壞，使細(xì)胞內(nèi)含物產(chǎn)生外泄并降解，進(jìn)而影響細(xì)胞的正常生長(zhǎng)，達(dá)到除藻目的。對(duì)于低溫等離子體除藻前后蛋白質(zhì)、核酸、藻毒素等濃度和結(jié)構(gòu)形態(tài)的動(dòng)力學(xué)變化特征，及其對(duì)水體的物理、化學(xué)指標(biāo)和生態(tài)系統(tǒng)產(chǎn)生的影響還有待進(jìn)一步深入研究。

3 低溫等離子體除藻反應(yīng)器

放電反應(yīng)器是低溫等離子體除藻的核心，目前在各項(xiàng)研究和試驗(yàn)過(guò)程中出現(xiàn)的適用于除藻的反應(yīng)器主要有“板-孔-板”式反應(yīng)器、“棒-棒”式反應(yīng)器、同軸式介質(zhì)阻擋放電反應(yīng)器、平板式介質(zhì)阻擋放電反應(yīng)器以及大氣壓射流式反應(yīng)器等。

“板-孔-板”式反應(yīng)器中正極、接地極均為板，在兩極板之間設(shè)置絕緣的孔板，迫使電力線必須穿過(guò)孔從而形成強(qiáng)電場(chǎng)并達(dá)到放電效果，這種放電方式在除藻過(guò)程中可以有效避免電極損耗，形成更均勻的放電，應(yīng)用于除藻時(shí)具有較好的穩(wěn)定性和較高的除藻率。如宋艷靜[55]利用“板-孔-板”式反應(yīng)器(圖1)處理了壓載水中的小球藻，放電反應(yīng)器由2個(gè)圓柱形有機(jī)玻璃筒和1個(gè)中間帶有小孔的絕緣板組成，反應(yīng)器的體積為40 mL，電極是由不銹鋼做成的圓盤(pán)，可通過(guò)調(diào)節(jié)不銹鋼電極的位置或者改變有機(jī)玻璃筒的高度來(lái)改變2個(gè)電極的間距。結(jié)果發(fā)現(xiàn)，向反應(yīng)系統(tǒng)中通入氧氣，并且調(diào)節(jié)電源參數(shù)，處理8 min后，小球藻的滅活率達(dá)到100%。

1—容器；2—恒流泵；3—高壓電極；4—接地電極；5—帶孔絕緣板； 6—電壓探頭；7—電流探頭；8—示波器；9—高壓脈沖電源；10—?dú)夤迗D1 “板-孔-板”式反應(yīng)器示意[55]Fig.1 Schematic diagram of plate-pinhole-plate reactor

“棒-棒”式反應(yīng)器[56]采用2根棒作為放電電極，其中1根棒接地，1根棒接高壓，該反應(yīng)器一般用于大電流的電弧放電。由于放電過(guò)程中形成的紫外光、沖擊波對(duì)藻細(xì)胞有破壞作用，該反應(yīng)器在除藻領(lǐng)域得到了一定的應(yīng)用。如Lee等[57]采用“棒-棒”式反應(yīng)器，其放電電極的材料是高熔點(diǎn)、直徑為2 mm的鉬鋼，電極彼此面對(duì)，相距1.5 mm，單次處理量為50 mL，處理2 min后，細(xì)胞沉入水底，因缺乏足夠的陽(yáng)光而生長(zhǎng)緩慢，從而達(dá)到控藻的效果。

1—不帶孔玻璃介質(zhì)；2—線電極；3—金屬網(wǎng)電極； 4～6—帶孔玻璃介質(zhì)；7—不帶孔玻璃介質(zhì) 注：(a)為反應(yīng)器主體構(gòu)造；(b)～(f)為單放電電極雙電介質(zhì)層三相放電反應(yīng)器；(g)～(j)為多放電電極單電介質(zhì)層三相放電反應(yīng)器。圖2 介質(zhì)阻擋放電反應(yīng)器結(jié)構(gòu)[58]Fig.2 Schematic diagram of dielectric barrier discharge reactor

介質(zhì)阻擋放電是指將絕緣介質(zhì)插入氣體間隙中的一種常見(jiàn)放電形式，特點(diǎn)是電子密度高，放電均勻穩(wěn)定，能誘發(fā)產(chǎn)生多種有強(qiáng)氧化性的活性物質(zhì)[23-24]，使細(xì)胞膜破裂并且造成色素脫色。介質(zhì)阻擋放電在除藻中取得了良好的應(yīng)用效果。根據(jù)電極結(jié)構(gòu)將介質(zhì)阻擋放電反應(yīng)器分為同軸式和平板式2種。王翠華等[58]設(shè)計(jì)了單電極和多電極放電系統(tǒng)的同軸式介質(zhì)阻擋放電反應(yīng)器(圖2)，發(fā)現(xiàn)雙電介質(zhì)位置的改變對(duì)銅綠微囊藻滅活率沒(méi)有影響，且會(huì)導(dǎo)致系統(tǒng)放電不穩(wěn)定；電極直徑與藻滅活率不成正比，而是存在一個(gè)合適值，電極材料對(duì)銅綠微囊藻的滅活率影響不明顯。此外，對(duì)比多電極和單電極放電系統(tǒng)，放電處理40 min后放置培養(yǎng)到第5天時(shí)，電極數(shù)目為6的多放電系統(tǒng)中銅綠微囊藻的滅活率為93.40%，大于單電極系統(tǒng)中87.31%的滅活率，這說(shuō)明在保證均勻放電的前提下，在多電極系統(tǒng)中增加電極數(shù)目對(duì)于提高滅活率具有很大的幫助。宋丹[59]利用平板式介質(zhì)阻擋放電反應(yīng)器對(duì)小球藻進(jìn)行了殺滅試驗(yàn)，反應(yīng)器放電容器尺寸為250 mm×250 mm×150 mm，體積約為9 375 mL，容器壁由有機(jī)玻璃制成，阻擋介質(zhì)層為石英板，板式電極為白鋼板，板式高壓電極中心焊接不銹鋼螺旋桿，用以連接高壓脈沖電源，石英板與溶液表面之間為放電間隙，放電處理10 min，小球藻滅活率達(dá)到100%。

大氣壓低溫等離子體射流具有高密度、高活性、發(fā)熱少等優(yōu)點(diǎn)，在除藻中也具有一定的應(yīng)用價(jià)值。如Bai等[60]利用射流式反應(yīng)裝置(圖3)產(chǎn)生活性粒子去除船艙壓載水中藻類，在Ag薄板放電電極上覆蓋2層厚度為0.2 mm的α-Al2O3介電層，放電在電極間隙(寬度為0.47 mm)中發(fā)生，通入O2和H2O，經(jīng)過(guò)強(qiáng)電離放電產(chǎn)生·OH等活性物質(zhì)滅活船舶壓載水中的藻類，滅活率接近100%?？梢?jiàn)，利用大氣壓射流滅藻可以使等離子體中的活性粒子與電場(chǎng)分離，不僅可以不受電極裝置的空間限制，還能遠(yuǎn)離高壓電場(chǎng)[61-62]，活性粒子在破壞藻細(xì)胞結(jié)構(gòu)的同時(shí)，提高了除藻的安全性和可靠性。

圖3 ·OH等離子發(fā)生器裝置示意[60]Fig.3 Configuration of ·OH plasma generator

通過(guò)對(duì)比不同類型反應(yīng)器可以發(fā)現(xiàn)，“板-孔-板”式反應(yīng)器和“棒-棒”式反應(yīng)器的處理量分別為40和50 mL，處理時(shí)間分別為8和2 min，雖然處理時(shí)間相對(duì)較短，并且達(dá)到了控藻的目的，但是存在處理量過(guò)小，一旦擴(kuò)大反應(yīng)器容量可能會(huì)出現(xiàn)放電不均勻、除藻率降低的現(xiàn)象，未來(lái)在規(guī)?；瘧?yīng)用上存在一定的問(wèn)題；大氣壓射流放電處理系統(tǒng)雖然活性粒子與電場(chǎng)分離，具有較高安全性的優(yōu)勢(shì)，但是卻舍棄了低溫等離子體放電過(guò)程中的電場(chǎng)力作用、帶電粒子作用、沖擊波作用、紫外作用等，可能對(duì)除藻效果有一定的影響；介質(zhì)阻擋反應(yīng)器不僅可以通過(guò)增加電極提高處理量還提高了除藻率，并且具有電子密度高、放電均勻穩(wěn)定的優(yōu)勢(shì)，在工業(yè)化應(yīng)用上較其他類型反應(yīng)器具有獨(dú)特的潛能和優(yōu)勢(shì)。

4 低溫等離子體除藻效率的影響因素

低溫等離子體除藻系統(tǒng)主要由高壓電源和反應(yīng)器組成。以介質(zhì)阻擋放電反應(yīng)器為例，影響其除藻效率的因素主要包括電源參數(shù)以及反應(yīng)系統(tǒng)參數(shù)，電源參數(shù)主要包括峰值電壓、脈沖頻率、放電處理時(shí)間等；反應(yīng)系統(tǒng)參數(shù)主要包括電極間距、電極數(shù)目、溶液電導(dǎo)率、曝氣量、pH等。目前在實(shí)驗(yàn)室尺度內(nèi)，已經(jīng)對(duì)低溫等離子體除藻效率的影響因素展開(kāi)了一些研究。如王翠華[63]采用脈沖放電的方法研究了低溫等離子體對(duì)銅綠微囊藻的滅活，結(jié)果表明：適當(dāng)增加放電處理時(shí)間、脈沖峰值電壓、脈沖重復(fù)頻率和曝入氣體量(小于0.75 m3h)均能提高藻的滅活率；脈沖峰值電壓為40 kV，頻率為50 Hz，氣體量為0.75 m3h，放電處理40 min的銅綠微囊藻藻樣，在放置培養(yǎng)的第5天，光密度去除率達(dá)93.4%，細(xì)胞數(shù)和葉綠素a去除率達(dá)100%。顧雨辰等[64]發(fā)現(xiàn)高壓脈沖氣液混合等離子體反應(yīng)體系對(duì)銅綠微囊藻有明顯的抑制作用，隨著放電處理時(shí)間、脈沖峰值電壓、脈沖頻率、載氣流量增大，藻的滅活率相應(yīng)升高；隨著藻液初始電導(dǎo)率、電極間距的擴(kuò)大，除藻率則會(huì)降低。通過(guò)試驗(yàn)得到最優(yōu)的工藝參數(shù)：脈沖放電時(shí)間為30 min，脈沖峰值電壓為30 kV，脈沖頻率為80 Hz，放電電極間距為1 cm，有效處理體積為0.3 L，載氣流量為3 Lmin。謝靜等[65]研究了低溫等離子射流對(duì)銅綠微囊藻的抑制滅活作用，分別考察了放電時(shí)間、放電電壓、藻液電導(dǎo)率、藻液初始濃度、載氣流速對(duì)銅綠微囊藻的滅活效果的影響，試驗(yàn)結(jié)果與顧雨辰等[64]一致。通過(guò)試驗(yàn)得到最佳工藝參數(shù)：反應(yīng)器容積為0.3 L，放電時(shí)間為30 min，放電電壓為7 kV，以空氣作為氣源，載氣流速為4 Lmin，初始電導(dǎo)率為1 000 μScm時(shí)，藻細(xì)胞的滅活率大于99%。

綜上，在介質(zhì)阻擋放電反應(yīng)器除藻時(shí)，適當(dāng)增加放電處理時(shí)間，提高脈沖峰值電壓、脈沖重復(fù)頻率、曝入氣體量以及曝氣流速均能提高藻的滅活率，且隨著電極間距、溶液電導(dǎo)率的增大，除藻效率相應(yīng)降低，對(duì)各項(xiàng)參數(shù)進(jìn)行優(yōu)化后，藻的滅活率均可達(dá)到90%以上，甚至接近100%。但上述研究中放電處理時(shí)間均在30～40 min，反應(yīng)器容量?jī)H在300 mL左右，脈沖峰值電壓相對(duì)較大，表明低溫等離子體除藻時(shí)雖然滅活率得到了保證，但還存在能耗高、處理量小的局限。因此在保證滅活率的前提下，降低能耗、縮短處理時(shí)間、擴(kuò)大處理規(guī)模將成為未來(lái)低溫等離子體除藻研究的重點(diǎn)。

5 低溫等離子體除藻優(yōu)勢(shì)及研究展望

相較于傳統(tǒng)除藻技術(shù)，低溫等離子體集光、電、化學(xué)氧化于一體，不僅具有電場(chǎng)力作用、帶電粒子作用、沖擊波作用、紫外輻射作用，還具有產(chǎn)生自由基和活性物質(zhì)的強(qiáng)氧化作用，具有高效的除藻效果。低溫等離子體不僅可以破壞藻細(xì)胞結(jié)構(gòu)，還對(duì)藻毒素和細(xì)胞內(nèi)含物具有分解與降解作用，具有無(wú)選擇性、無(wú)二次污染，清潔、高效、環(huán)境友好的優(yōu)勢(shì)。由于低溫等離子體可以在大氣壓開(kāi)放環(huán)境條件下產(chǎn)生和應(yīng)用，可降低化學(xué)反應(yīng)的活化能，因此降低了操作難度和運(yùn)行成本，這為其應(yīng)用于除藻且實(shí)現(xiàn)自動(dòng)化提供了條件。

目前，在低溫等離子體除藻方面，基本明確了峰值電壓、脈沖頻率、電極材料、電極間距、電極數(shù)目、溶液電導(dǎo)率、曝氣量、pH、溫度等因素對(duì)于除藻效率的影響，但如何提高液相放電穩(wěn)定性、擴(kuò)大放電面積、降低能耗、縮短處理時(shí)間，仍是未來(lái)突破低溫等離子體除藻局限性的關(guān)鍵問(wèn)題。在利用低溫等離子體除藻的過(guò)程中，可能會(huì)引起水體的溫度、pH、電導(dǎo)率等發(fā)生變化，而這些變化對(duì)于湖泊生態(tài)系統(tǒng)的影響還尚不明確，仍有待深入研究。

目前低溫等離子體除藻的研究尚局限在實(shí)驗(yàn)室水平，今后在研究反應(yīng)器各項(xiàng)關(guān)鍵參數(shù)的基礎(chǔ)上，工程應(yīng)用研究的重點(diǎn)應(yīng)放在保證放電穩(wěn)定的前提下，擴(kuò)大放電規(guī)模，設(shè)計(jì)大規(guī)模的適合工業(yè)應(yīng)用的低溫等離子除藻系統(tǒng)，并注重開(kāi)發(fā)防腐蝕性電極、降低電源設(shè)備生產(chǎn)成本、減少電能消耗。另外，在處理工藝上，可以嘗試與催化劑、超聲波、微波或其他工藝進(jìn)行聯(lián)合處理，達(dá)到同時(shí)提高除藻效率和除藻安全性的目的。鑒于低溫等離子體自身具有的獨(dú)特優(yōu)勢(shì)，突破工程化應(yīng)用的瓶頸后，該技術(shù)今后在湖泊、水庫(kù)等較大水體除藻方面將會(huì)有廣闊的應(yīng)用前景。