超聲波除藻概述

遲 巍，萬成炎，彭建華，潘曉潔，陳小娟，馮 坤

（水利部中國科學院水工程生態研究所，水利部水工程生態效用與生態修復重點實驗室，湖北 武漢 430079）

隨著社會經濟的發展和工業化進程的加快，人類在生產和生活中所排放的氮、磷污染物超出了環境的承載力，導致了水體富營養化程度的加劇和范圍的擴大。從滇池、太湖和巢湖等大型湖泊到中小型湖泊、供水性水庫和觀賞娛樂性湖泊，每年都有水華現象發生［1－4］。水華藍藻的大量繁殖，一方面降低了水體的透明度，阻礙水生植物進行光合作用，導致水體含氧量降低，進而影響水生生物的多樣性；另一方面大量藻毒素的釋放，嚴重威脅著人類的飲用水安全；同時，水體散發出的腥臭氣味極大地影響環境美觀，也給水污染治理增加了難度和經濟成本。因此，如何治理湖泊富營養化是我國目前及今后相當長一段時期的重大水環境問題。

1 現有的除藻方法

現有常用的除藻方法有化學除藻法、生物除藻法和物理除藻法。化學除藻是利用化學藥劑來對藻類進行殺除，包括氯除藻、臭氧除藻和高錳酸鉀除藻等［5－8］。其特點是工藝簡單，操作方便，效果明顯。但投加化學藥劑并不能從根本上改善水質，相反，對環境的二次污染也會不斷增加，從而使水質環境形成嚴重的惡性循環［9］。生物除藻是利用培育的生物或培養、接種的生物的生命活動，對水中污染物進行轉化、降解及轉移，從而使水體環境健康得到恢復的一種方法［5－6］。用來除藻的生物主要有微生物、水生植物和水生動物等［10－11］。生物除藻是一種環境友好除藻方法，不會造成二次污染，但其整個系統容易受到外界環境的影響和人為的破壞，同時有可能造成物種入侵。物理除藻法有微濾機法、氣浮法、直接過濾法、大梯度磁濾器法和活性炭吸附法等［5－6，12］。物理除藻不會造成二次污染和物種入侵，但存在技術成本高、操作環境差、除藻效率低等問題［13－14］。隨著超聲波技術及聲化學的不斷發展，將超聲波用于除藻抑藻方面日益引起重視，超聲除藻抑藻技術以其清潔、高效、反應條件溫和、速度快等顯著特點，在藻類控制領域有著廣闊的應用前景。

2 超聲波對藻類的作用原理

超聲波主要是利用機械力和空化效應產生的沖擊波、高溫高壓、射流等，對藻細胞結構和功能及生物活性進行破壞。超聲波是指頻率高于16 k Hz的聲波，由一系列疏密相間的縱波構成，可在氣體、液體、固體、固熔體等介質中有效傳播，能夠產生反射、干涉、疊加和共振現象，具有能量集中，方向性好，穿透力強等特點［15］。其對藻類的作用機理與其在水中產生的空化效應和自由基反應有關。超聲波在水體中的傳播過程存在一個正負壓強的交變周期。在正壓相位時其對水分子擠壓使水的密度增大，負壓相位時又使水分子稀疏離散，水的密度減小。當振幅足夠大時，負壓相位下水分子間的平均距離會超過水的臨界分子距離，使水體的連續性遭到破壞，并形成空化核；空化核迅速長大形成空化泡，在隨后的正壓相位時這些空化泡又被迅速壓縮甚至崩潰，這就是超聲空化效應［16］。空化過程分為穩態空化和瞬態空化。穩態空化中空化泡壽命長，體積變化繞平衡點呈周期性震蕩，不發生崩潰；瞬態空化則指在一定的超聲波條件下，空化泡急劇膨脹和收縮，并發生崩潰。空化泡崩潰瞬間可產生約5 000 K、100 MPa的局高溫高壓環境，即所謂的“熱點”。該“熱點”持續數微秒后又以109K／s的冷卻率冷卻，并伴隨強烈的沖擊波和速度超過100 m／s的微射流。熱效應形成的高溫、沖擊波和微射流形成的高梯度剪切力及空化泡在膨脹、閉合崩潰過程中充放電產生的強電流作用，都會使溶有空氣和有機物的水體產生各種各樣的自由基。

藍藻，又叫藍細菌，是一種古老、原始的單細胞生物。和其他原核生物一樣，藍藻不具有細胞核和成型的細胞器，但它們具有獨特的藻膽蛋白體。藍藻的細胞壁分兩層，內層為肽聚糖層，外層為脂蛋白層。細胞壁內含有質膜及其所包被的細胞質。形成水華的浮游藍藻細胞內含有對光照強度比較敏感的偽空泡，泡內有氣體，可以調節藍藻細胞所受的浮力。Bowen和Jensen［17］研究發現，這種偽空泡是由眾多圓柱形的子氣囊垛疊而成的氣囊群。偽空泡外部是細胞質，從聲學角度講，其特征和藻外水體相近；而偽空泡內部所包含的主要是氣體及少量生物組織，其總體聲學特征和氣體相近。在適當頻率下，超聲波引起的沖擊波、射流和輻射壓能夠破壞藻類的細胞壁；藻細胞內部的偽空泡在超聲波作用下發生空化，形成空化泡，隨后空化泡發生崩潰。崩潰產生的沖擊波和高溫高壓能夠破壞藻細胞內部的活性物質，也能破壞細胞內的結構，干擾葉綠素的合成；同時產生的自由基也可將細胞破裂所釋放出來的藻毒素氧化。

3 影響超聲波除藻效果的因素

在利用超聲波控制藻類生長的過程中，超聲波的頻率、強度和持續時間會直接影響到其控制效果。

頻率是控制產生空化現象的一個非常重要的因素。當頻率較低時，空化泡有充足的時間在不破裂的情況下產生最大的負壓，這樣空化泡在崩潰時才會產生更強的沖擊波。而當超聲波的頻率較高時，偽空泡沒有足夠的時間空化，在崩潰時產生的沖擊力也相對減弱［18］。另外，在誘導空化反應時聲波的頻率越高，能耗也越大［19］，而且高頻率高功率超聲會對銅綠微囊藻產生較大的機械損傷，從而可能會加速微囊藻毒素的釋放。陳矜和陳偉中［20］研究了不同頻率的超聲波對偽空泡的作用效果，利用偽空泡脈動的最大半徑壓縮比來描述其脈動劇烈程度。以100 k Hz為步長在100 k Hz～1 MHz頻段進行初步掃描，發現有顯著的共振響應特征，在600 k Hz有最大的響應，出現類似于共振的現象。進一步精確掃描發現當驅動頻率在512 k Hz時，偽空泡的響應達到最大。表明偽空泡的脈動對超聲波的頻率具有較高的敏感性。

除頻率外，影響超聲波作用效果的另一個重要因素是聲強，一般用 W／cm2來衡量。較高的聲強意味著較高的振幅。Guo等［21］研究表明，振幅增大能夠導致空化泡更劇烈的崩潰，從而產生更高的溫度和壓力，同時也增大了自由基的濃度。而不同頻率、不同振幅的超聲波所對應的輻射時間長短也有差別。一般而言，功率相同的情況下，輻射時間越長除藻效果越好，但這種效果具有飽和的趨勢。因為固定的超聲設備所產生的空化強度是一定的，延長時間并不能改變空化強度。因此，從效率和成本的角度考慮，控制好作用時間是很有必要的。

另外，藻類自身的特征也對超聲波的作用效果產生影響。浮游藍藻的偽空泡內部包含氣體和少量非氣態物質，而正是這種非氣態物質的存在，能夠削弱超聲波對偽空泡的影響。研究表明，在同樣超聲波的作用下，排斥核越小，偽空泡的運動越劇烈，越接近聲空化泡的運動。而排斥核的大小，取決于偽空泡內部非氣態物質的多少。因而，隨著偽空泡內部非氣態物質的增加，超聲波的作用被削弱，藍藻則具有更強的抵抗外界壓力作用的能力。

4 應用

關于超聲波對藻類的清除效果及在不同環境下參數的設置，國內外的許多學者都在試驗條件下進行了深入地研究。同時，也有報道超聲波在實際除藻中的應用。丁暘等［22］在太湖的現場試驗中，將載有超聲除藻裝置的試驗船放置在400 m2試驗區域中作用1 h后，水體表層的藻細胞數由107個／mL降到105個／mL，水體透明度由0 cm上升為35 cm，同時葉綠素a含量降低為初始濃度的3.3%，表明在超聲波的直接作用下，能使太湖水質得到明顯改善。但由于單個超聲裝置的作用范圍有限，若要在更大面積的水域中起到效果，則需要安放多個超聲裝置，或輔以其他手段來對浮游藍藻進行清除。Nakano等［23］學者的研究發現，當水體流速超過5 cm／s時便會抑制藍藻的生長。于是他們在用超聲除藻時，使用水泵來制造水流，這樣不但干擾了藍藻的增殖，同時也將超聲波作用范圍外的水體引入作用范圍內。Klemencic［24］將玻璃纖維過濾器、紫外線和超聲裝置組合在一起，并應用于水產養殖中對藻類進行控制，能夠將藻細胞數量減少87%，這種組合技術的應用對于池塘和小型湖泊的水華控制很有參考價值，也是未來超聲波除藻的一個發展方向。

5 展望

超聲波除藻具有清潔、高效、反應條件溫和、速度快等優點，但至今仍然不是控制和清除浮游藍藻的主要手段。因為在水體中實現空化需要105Pa的聲壓，而在開闊水域中形成如此高的聲壓，需要非常大的能量，而巨大的能耗限制了其應用范圍。如何在實際應用中加以改進，開發出節能、高效、低耗和適用面廣的新工藝，是未來超聲波除藻的主要研究方向。同時，將超聲波作為一種強化手段，與其他方法如紫外線、過濾法、氣浮法等結合起來，將會有更廣闊的應用前景。

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