水力超聲空化協(xié)同滅活壓載水中微藻的研究

趙杰

摘 要：船舶壓載水異域排放已經(jīng)威脅很多國(guó)家的海岸生態(tài)環(huán)境，人類的安全和健康。為了在船舶壓載水排放前就對(duì)其中的微生物進(jìn)行滅活處理，該文自制了水力超聲空化裝置，并研究其對(duì)船舶壓載水中的典型藻類異彎藻的滅活效果，探討了超聲波脈沖時(shí)間對(duì)滅活效果的影響。經(jīng)研究表明，超聲波能和水力空化協(xié)同作用，在離心泵頻率為35Hz，作用60min之后，超聲波脈沖時(shí)間為5s和8s的滅活效果較好，滅活率分別達(dá)到68.83%和68.52%。該技術(shù)在壓載水處理領(lǐng)域有很好的應(yīng)用前景。把該技術(shù)實(shí)際用于處理現(xiàn)實(shí)生活中大規(guī)模的壓載水，還需要進(jìn)一步研究。

關(guān)鍵詞：船舶壓載水 水力超聲空化 離心泵頻率 脈沖時(shí)間 滅活率

中圖分類號(hào)：O426 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A 文章編號(hào)：1672-3791（2015）04（b）-0113-01

船舶作為海上主要的運(yùn)輸工具，在國(guó)際貿(mào)易方面發(fā)揮了巨大的作用。然而，船舶壓載水中的微生物如果不經(jīng)處理就當(dāng)?shù)嘏欧?，就?huì)污染當(dāng)?shù)氐纳鷳B(tài)環(huán)境，嚴(yán)重的會(huì)破壞生物多樣性甚至危害人體健康[1-2]。幾十年來，各國(guó)研究創(chuàng)新的處理壓載水的方法已超過20種。但這些方法都無法同時(shí)滿足IMO所提出的安全、實(shí)用、經(jīng)濟(jì)、有效和環(huán)境容許這五項(xiàng)標(biāo)準(zhǔn)[3]。該文將研究一種全新的水力超聲空化技術(shù)對(duì)壓載水的處理效果。該技術(shù)操作簡(jiǎn)單且無二次污染，有很好的研究?jī)r(jià)值[4]。

1 實(shí)驗(yàn)材料與方法

1.1 實(shí)驗(yàn)材料和儀器

該文采用赤潮異彎藻作為研究對(duì)象，水力超聲空化實(shí)驗(yàn)裝置主要包括輕型立式多級(jí)離心泵、智能電磁流量計(jì)、壓力計(jì)、超聲波儀器、管道、孔板等。孔板的孔徑為8mm，計(jì)數(shù)儀器選用流式細(xì)胞儀。

1.2 實(shí)驗(yàn)方法

A.前期準(zhǔn)備：藻類的培養(yǎng)。

B.正式實(shí)驗(yàn)：異彎藻的滅活。

通過控制超聲時(shí)間和間隙時(shí)間這兩個(gè)變量來研究超聲波與水力空化共同作用下對(duì)藻類的滅活效果，設(shè)置離心泵的頻率為35Hz，研究不同超聲時(shí)間與間隙時(shí)間（都是3s，5s，8s）分別作用30min，45min，60min對(duì)滅活效果的影響

實(shí)驗(yàn)操作：在水箱中注入配置好的海水，再加入一定量異彎藻，攪拌均勻，取水箱內(nèi)的水樣為初樣；設(shè)置好離心泵和超聲波儀器的參數(shù)，啟動(dòng)離心泵，待水流經(jīng)過超聲波觸發(fā)器時(shí)，啟動(dòng)鈦角；水箱內(nèi)的海水經(jīng)過超聲波作用和水力空化作用后，排入回原水箱，如此往復(fù)，作用至規(guī)定時(shí)間后，記錄進(jìn)、出口壓力以及流量，同時(shí)取水樣。重復(fù)以上步驟完成其他實(shí)驗(yàn)。

C.后期實(shí)驗(yàn)：數(shù)據(jù)的測(cè)量及計(jì)算。

（1）測(cè)量的具體步驟。

①打開流式細(xì)胞儀，設(shè)置讀數(shù)方式為Volumetric counting with electrodes，用移液槍移取400μL實(shí)驗(yàn)所得的樣品加入到玻璃管中，再分別移取400μL Via-count染色液和400微升人工海水至玻璃管中，靜置10min；②用流式細(xì)胞儀測(cè)量配置好的預(yù)測(cè)樣品，記錄總藻數(shù)、活藻數(shù)、死藻數(shù)和容積的數(shù)值，保存實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)；③取1mL蒸餾水清洗流式細(xì)胞儀的輸液管路；④重復(fù)上訴步驟，測(cè)量其他樣品。

（2）實(shí)驗(yàn)結(jié)果的計(jì)算。

把流式細(xì)胞儀讀出的活藻數(shù)除以相應(yīng)容積，可得相應(yīng)樣品的濃度，滅活率的計(jì)算如下：

2 結(jié)果與討論

在離心泵頻率為35Hz時(shí)，設(shè)置三組實(shí)驗(yàn)（超聲時(shí)間和間隔時(shí)間分別為3s，5s，8s），研究脈沖時(shí)間對(duì)滅活效果的影響。實(shí)驗(yàn)結(jié)果如圖1所示：其中超聲波脈沖時(shí)間為5s和8s的滅活效果較好。當(dāng)脈沖時(shí)間為5s時(shí)，作用60min之后，滅活率可以達(dá)到68.83%；當(dāng)脈沖時(shí)間為8s時(shí)，作用60min之后，滅活率可以達(dá)到68.52%。

圖1實(shí)驗(yàn)條件：孔板孔徑8mm，離心泵頻率35Hz，超聲波功率80%。

由此可知：作用時(shí)間越長(zhǎng)，滅活效果越好。由于整個(gè)實(shí)驗(yàn)是閉合回路，增加作用的總時(shí)間，會(huì)增加異彎藻被作用的次數(shù)，從而增強(qiáng)滅活效果。此外，隨著超聲波脈沖時(shí)間的增加，其對(duì)異彎藻的滅活效果也增強(qiáng)。超聲波的作用隨脈沖時(shí)間的增大而增大。根據(jù)超聲波空化作用的機(jī)理可知，空化泡經(jīng)過振蕩作用后形成，再生長(zhǎng)，再收縮，直至潰滅是一整個(gè)過程。增長(zhǎng)脈沖時(shí)間，可以加長(zhǎng)空化泡形成和發(fā)展的時(shí)間，促使產(chǎn)生更多空化泡和較大的空化泡。因此在在空化泡潰滅時(shí)，就能產(chǎn)生更強(qiáng)的機(jī)械效應(yīng)和熱效應(yīng)，從而達(dá)到高滅活率。

3 結(jié)語

如今，處理壓載水的20多種方法中，幾乎沒有完全符合處理要求的，水力超聲空化技術(shù)有其優(yōu)越性，它不僅裝置設(shè)計(jì)簡(jiǎn)單，操作方便，而且該技術(shù)不會(huì)產(chǎn)生二次污染。最關(guān)鍵的在于超聲波和水力空化的協(xié)同處理效果較好，能耗也不高。所以，該技術(shù)有很好的發(fā)展應(yīng)用前景，進(jìn)一步研究該技術(shù)也有其可行性和必要性。如果能進(jìn)一步研究用于處理大規(guī)模的壓載水的效果，并且通過IMO的技術(shù)認(rèn)定，那么利用水力超聲技術(shù)處理船舶壓載水，將有效的阻止外來物種入侵，并且進(jìn)一步推動(dòng)我國(guó)航運(yùn)業(yè)的發(fā)展。

參考文獻(xiàn)

[1] Nahui Zhang， Zhitao Zhang， Mindong Bai.Evaluation of the ecotoxicity and biological efficacy of ships ballast water treatment based on hydroxyl radicals technique[J].Marine Pollution Bulletin，2012（64）：2742-2748.

[2] Elisabetta Petrucci，Luca Di Palma. Biocides electrogeneration for a zero-reagent on board disinfection of ballast water[J].Journal of applied electrochemistry，2013（43）：237-244.

[3] Liu Zhengjiang，Wu Zhaolin，Li Zhen. Latest Development of IMO Maritime