超聲波控藻技術現狀及研究進展

陳賀林，李蕓，儲昭升*，葉碧碧，李國宏

1.湖泊水污染治理與生態修復技術國家工程實驗室，中國環境科學研究院 2.西安建筑科技大學環境與市政工程學院

水體富營養化是指湖泊等水體接納過量的氮、磷等營養物質使藻類及其他水生生物異常繁殖，水體溶解氧濃度和透明度降低，水質惡化的現象[1]。水體富營養化帶來的突出問題是藍藻水華的暴發。藍藻水華常會引發水體缺氧與出現異味、供水處理系統堵塞等問題，且一些藍藻產生的毒素對水生生物、家畜及人類健康存在極大的威脅[2- 4]。因此，如何控制和消除富營養化水體中有害藻類的暴發性增長是生態學和環境科學領域的重要任務。

目前控制藍藻水華的方法有生物方法、化學方法、物理方法等。生物方法主要包括水生植物抑藻、濾食性魚類抑藻和微生物抑藻等。邴旭文等[5]用覆蓋水面20%面積的美人蕉浮島凈化水體，該浮島對總氮、總磷、化學需氧量及葉綠素a(Chla)的去除率分別達72%、82%、31%和56%；劉建康等[6]在武漢東湖圍隔內放養以浮游生物為食的鰱、鳙魚，有效遏制了微囊藻水華的暴發。生物方法具有成本低、二次污染風險低等優點，多用于營養鹽削減后湖庫水質的改善。但生物方法控藻周期長，在藍藻水華大規模暴發時無法作為應急處理措施，只能作為長效輔助措施；該方法的應用可能會引進新的物種，破壞生物鏈，如利用水葫蘆控藻可能會導致水葫蘆的大量繁殖，破壞水生態系統。

化學方法主要包括化學鈍化法、銅制劑法和除草劑法等。Jacoby等[7]在美國Green湖投放181 t明礬和76.5 t鋁酸鈉鈍化水體營養鹽，明顯抑制了藻類生長，使湖水透明度由1.9 m升至6.1 m；繆柳等[8]采用硫酸銅處理水華水體，使Chla濃度從298.98 mg/m3降至40.71 mg/m3。化學方法具有除藻速度快、效果明顯的優點，缺點是易造成二次污染，如采用銅制劑法控藻時，有毒的重金屬銅可能會在底泥中大量富集，對環境造成新的危害[9]。

物理方法包括超聲波控藻、調水稀釋控藻、遮光控藻、改變水體水力學控藻、機械控藻等。Hosper等[10]在費呂沃湖采用調水稀釋的方法進行控藻，使水體Chla濃度從200～400 mg/m3降至50～150 mg/m3；周起超等[11]在滇池的圍隔內利用遮光法控藻，在最佳工況下浮游植物生物量削減了28.8%。物理方法相較其他控藻方法更為安全，既不會帶來新的化學污染，也不會有新的物種入侵，缺點是處理范圍及能力受到限制，且要投入一定的人力和物力。

物理方法中，超聲波控藻被認為是一種環境友好技術，其對水生態系統和環境的影響較小，且具有操作簡單、反應速度快等優點。超聲波在控藻方面顯示出良好的效果，且其破壞藻類細胞的超聲機制已被廣泛接受，因此，該技術具有很大的發展潛力和廣闊的應用前景[12- 14]。近年來超聲波控藻產品應運而生，但大都應用于中小型水域。筆者對超聲波控藻的基本原理、控藻效果影響因素、超聲波對水生態的影響及超聲波與其他技術聯用的控藻效果進行了綜述，以期為超聲波控藻技術的推廣和應用提供參考。

1 超聲波控藻基本原理

超聲波是指頻率高于20 kHz的聲波，是一種具有聚屬、定向、反射及透射等特性的物理能量形式。一般認為，超聲波對微生物的細胞結構及功能具有破壞作用，這種破壞可能源于超聲機械效應以及空化效應引起的局部高溫、高壓、沖擊波、剪切應力及自由基等[15- 18]。超聲波主要從以下4個方面破壞藻細胞。

1.1 機械效應和熱效應

超聲波在傳播過程中，會引起介質質點的交替壓縮與膨脹，造成介質壓力的變化，從而產生機械效應。由于物質具有聲吸收特性，超聲能量射入物質后，部分超聲能量將轉變成熱能，使物質溫度升高。超聲波在傳播中產生的機械效應、熱效應，可使藻類細胞破裂、物質分子中的化學鍵斷裂。超聲波傳播過程見圖1。

圖1 超聲波傳播過程示意Fig.1 Schematic diagram of ultrasound propagation process

1.2 空化效應

超聲波在水中傳播時會產生正負壓強交替的周期性變化，在此變化中會產生空化泡，在空化泡崩潰的瞬間，可在局部產生約5 000 K、500×107Pa的高溫、高壓，同時產生強烈的沖擊波和速度超過100 m/s的微射流[19]。空化泡從產生到崩潰的過程稱為超聲空化效應，超聲空化示意見圖2。利用空化作用產生的高溫、高壓、沖擊波、射流和剪切力等破壞藻細胞(機械損傷)，從而控制藻類生長。Khanal等[20]認為，在誘導空化反應時超聲波的頻率越高，能耗也越大，而且高頻率、高功率超聲波會對銅綠微囊藻產生較大的機械損傷，從而可能加速微囊藻毒素的釋放。

圖2 超聲空化示意Fig.2 Schematic diagram of ultrasonic cavitation

1.3 偽空胞破裂

有些藻類如藍藻含有偽空胞，偽空胞為藍藻提供浮力，使其獲得適宜的生長條件。超聲波可以使藻細胞內偽空胞破裂[21]，導致藻細胞失去上浮能力而沉降下來，降低藻細胞的光合作用，增強底棲動物的捕食作用，從而達到控藻的目的。Tang等[22]利用超聲波(0.6 W/cm2、1.7 MHz)輻照2種藍藻(具偽空胞的銅綠微囊藻和不具偽空胞的聚球藻)，發現銅綠微囊藻細胞增長率下降了65%，而聚球藻細胞增長率與對照組基本相同。陳矜等[23]研究了不同頻率的超聲波對偽空胞的作用效果，發現偽空胞有顯著的共振響應特征，在600 kHz時有最大的響應，出現類似于共振的現象。以上研究表明，偽空胞破裂對超聲波的頻率具有較高的敏感性。

1.4 自由基效應

超聲空化作用為有機物和藻類創造了一個極端的物理環境，在該環境下水被分解，產生·H和·OH自由基[24]，自由基進一步造成水中有機分子的斷鏈、自由基的轉移和氧化還原反應。自由基能夠影響細胞結構，使生物組分發生物理和化學變化[25]；·OH自由基還會與DNA嘌呤堿基和嘧啶堿基發生反應，導致DNA斷鏈，造成細胞損傷[26]；·OH自由基可使微囊藻毒素濃度降低[27]。脫水產生自由基的量與超聲波頻率、強度有關，如Guo等[28]研究表明，振幅增大能夠使空化泡更劇烈地崩潰，從而產生更高的溫度和壓力，同時也增大了自由基的濃度；Lee等[29]研究發現，不同超聲波頻率下，超聲輻照的空化作用會產生不同量的·OH自由基。

2 超聲波控藻效果的影響因素

2.1 超聲波強度

一般來說，隨著超聲波強度的增加，其控藻效果也隨之提高[9]，Joyce等[30]使用1.8、21.0和49.0 W/L的580 kHz超聲波處理銅綠微囊藻懸浮液，發現藻細胞密度分別降低了13.2%、36.8%、47.4%，增加超聲波強度可以提高對藻類的去除效果。Wu等[31]利用不同強度的雙頻超聲波(26和20 kHz)輻照含銅綠微囊藻的水樣，發現高強度的超聲波對微囊藻的去除率較高。這是由于超聲波強度越大，化學反應速率加快，對藻細胞的去除效果越好。但隨著超聲波強度的增加，其控藻效果具有趨向飽和的趨勢，原因在于超聲波強度過高時，靠近超聲波發生器的地方產生的大量空化泡會形成屏蔽，使大部分聲能轉化為熱能，降低了控藻效率。高強度的超聲波還會使藻細胞破裂，導致細胞液及藻毒素釋放，如Zhang等[32]利用80 W/L超聲波處理高藻水5 min，微囊藻毒素濃度從0.87 μg/L增至3.11 μg/L。為了在實際工程中能安全有效地控藻，應將超聲波功率密度控制在15～30 W/L。

2.2 超聲波頻率

一般認為，超聲波頻率越高，空化作用發生越難。但隨著超聲波頻率的提高，單位時間內的超聲周期增多，控藻效果先增加后降低，因此超聲波控藻存在一個最佳頻率。超聲波控藻試驗的最佳頻率，在不同文獻報道中有很大差異。如Joyce等[30]在超聲波強度一定時，設定頻率為20、50、580、864和1 146 kHz對銅綠微囊藻進行輻照，發現580 kHz為最佳頻率。Hao等[33]將3個螺旋藻樣品在1.7、20和200 kHz的頻率下以40 W的功率處理5 min，發現200 kHz的超聲波對螺旋藻細胞的抑制作用最明顯。Srisuksomwong等[34]利用29、43、108、200和1 000 kHz超聲波輻照含有微囊藻的魚塘水，發現200 kHz的超聲波對沉積微囊藻的影響最大，且能有效減少微囊藻毒素濃度和霉味。Zhang等[32]利用20、80和1 320 kHz超聲波處理含微囊藻水樣，發現80 kHz超聲波對微囊藻的去除速率最快。低頻超聲時形成的空化泡少，空化泡的生長充分，在介質稀疏相內達到共振而強烈振蕩，因此空化泡崩潰時會很劇烈，而高頻超聲波需要更大的能量輸入才能達到相同的效果。對于藍藻水華常見的微囊藻，頻率為40～200 kHz的超聲波有較好的控藻效果。

2.3 超聲時間

隨著超聲時間的增加，超聲波控藻的效果增強；但繼續作用時，藻細胞的去除率變化不大。如Yamamoto等[35]利用超聲波對衣藻和杜氏藻的懸浮液進行不同時間的輻照，結果表明，對于同一頻率的超聲波，隨超聲時間的增加，控藻效果先增強，后趨于穩定。Zhang等[32]研究發現，5 min為銅綠微囊藻發生質變的臨界處理時間，處理時間進一步增加，控藻效果增加緩慢。Hao等[33]研究發現，超聲波控藻的效果隨作用時間的增加而增加，但最后會趨于飽和，10 min為最佳作用時間。這是由于一定功率和頻率的超聲波所產生的空化強度是一定的，超聲時間的延長不能改變超聲空化強度[36]。因此，為了兼顧控藻效果與能量投入，超聲波控藻時應將輻照時間控制在10 min以內。

2.4 超聲模式

對同一種藻細胞采用不同的處理模式，其控藻效果不同，對含藻水體多次超聲，可增強對藻的抑制效果[37]。如Tang等[38]的研究表明，對鈍頂螺旋藻每3 d采用超聲波輻照4 min，抑藻率為30.1%，而每11 d輻照12 min，抑藻率減少了18.06%。Ahn等[39]研究發現，在同樣的能量輸入條件下，低劑量、多頻次的超聲波輻照更有利于抑制藻類生長。舒天閣等[40]對超聲5 d后的藻液進行二次超聲，發現上清液的濃度維持在較低的水平，而且藻液的穩定性較一次超聲更好，控藻效果能持續15～20 d。筆者通過總結提出以下運行模式供實踐工作參考：單次超聲時，超聲波頻率為40～200 kHz，功率密度為30 W/L，輻照時間為10 min；5 d超聲1次時，超聲波頻率為40～200 kHz，功率密度為20 W/L，輻照時間為4 min。

3 超聲波對水生態的影響

3.1 對水生生物的影響

儲昭升等[41]利用低強度(功率為20 W)的超聲波輻照浮游動物、魚類以及沉水植物，發現低強度超聲波對水生生物的生長并沒有顯著影響。Zhou等[42]研究發現，將青石斑魚置于低頻低強(頻率低于50 kHz，聲強小于400 mW/cm2)的超聲波輻射場中時，其死亡率很低；但經高頻高強(頻率高于50 kHz，聲強大于400 mW/cm2)的超聲波處理后，其死亡率較高。方金等[43- 44]研究發現，聲強為400 mW/cm2的超聲波輻照可促進江黃顙幼魚的生長；聲強為200 mW/cm2的超聲波會促進羅非魚幼魚的生長，而聲強為600 mW/cm2的超聲波則具有抑制作用。綜上可知，低強度的超聲波對水生生物沒有顯著影響，而高強度的超聲波會抑制水生生物的生長，甚至會導致水生生物死亡。所以，可通過低強度(聲強小于400 mW/cm2)超聲波控藻，同時最大程度地降低對水生生物的影響。

3.2 對水體其他指標的影響

超聲波用于控藻的同時也會對水體其他指標產生一定影響。研究發現，超聲波對藻液濁度的去除有一定的作用，可以降低水體pH，對水中的有機質也有很好的降解作用[45- 46]。Ahn等[47]的研究表明，超聲波輻照使水體溶解氧、總氮和總磷濃度及pH降低，但同時增加了電導率和磷酸鹽濃度。Li等[48]用頻率為20 kHz、功率為10～30 W的超聲波輻照不同濃度的藍綠藻樣，得到在最佳條件下，Chla、微囊藻毒素、總氮、總磷和化學需氧量的最高去除率分別為26.2%、96%、86%、63%和60.9%。綜上，超聲波控藻對水質有顯著的改善作用，但也可能存在負面影響，如超聲波強度過大會使藻細胞破裂，導致藻毒素和藻細胞液外泄，影響水體安全。

4 超聲波控藻技術及與其他技術的聯用

目前超聲波控藻技術已得到了較多應用。總體上，超聲設備按作用形式可分為3類：固定式超聲波控藻技術、移動式超聲波控藻技術和超聲波與其他控藻技術的聯用。

4.1 固定式超聲波控藻技術

固定式超聲波控藻技術在小型湖泊及景觀水體中有較多應用。崔竣嶺等[49]在銀川市一人工湖泊(73 370 m2)安裝了8臺超聲波除藻儀(有效輻照半徑為120 m)，60 d后水體中Chla濃度由48.5 mg/L降為7.5 mg/L，控藻效果明顯。上海市虹口區園林綠化局于2005年5月在曲陽公園小湖安裝超聲波水域凈水滅藻裝置(功率為50 W，有效輻照半徑為150 m)，經100多天、24 h連續運行，明顯改善了水質且未發生水華[50]。閆莉[51]在水庫設置圍欄(約1 600 m2)并安裝超聲共振設備(功率為5 W，輻照半長軸為180 m、半短軸為90 m)，處理后總藻濃度降低了25.4%～30.4%，藍藻濃度降低了23.5%～39.9%，控藻效果明顯。

4.2 移動式超聲波控藻技術

大中型湖泊中，水華暴發的位置往往隨風向發生改變。由于超聲波的能量隨距離衰減很快，固定式超聲波控藻設備的工作范圍僅為100～200 m，很難在大中型湖泊中有效控藻，移動式超聲波控藻設備應運而生。移動式超聲波控藻技術機動性強，可以根據風向、藍藻暴發的位置隨時改變航向，能更有效地去除水體中藻細胞，達到最佳的控藻效果。移動式控藻技術大多為船載式的，如丁暘等[52]用載有超聲波除藻裝置(頻率為20 kHz，功率為40 W，輻照時間為15 s)的實驗船在400 m2區域作用1 h后，水表層的藻細胞密度由107個/mL降至105個/mL，透明度由0 cm升到35 cm，水質明顯改善。韓景明等[53]利用研制的多功能超聲除抑藻平臺在三峽庫區支流澎溪河特定區域內移動除藻，在最佳工況(頻率為20～50 kHz，輻照時間為5 min)下，取得了一定的控藻效果。周學軍等[54]發明的智能化超聲波除藻裝置(功率為0.1～2.0 kW、頻率為15～100 kHz)不僅可以人為設定行進路線，還可以通過實時水藻監測結果自動確定超聲波控藻行進路線。

4.3 超聲波與其他技術聯用控藻

4.3.1超聲波與推流聯用

超聲波與推流聯用能有效強化控藻效果，其主要通過推流促進水體流動，擴大超聲波的輻照范圍，從而解決超聲波輻照范圍小的問題。Ahn等[39]利用超聲波與水泵聯合裝置處理富營養化池塘中的藍藻，處理池中Chla濃度和總藻量分別為對照池的61%和53%。Lee等[29,55]將射流曝氣與200 kHz的超聲波處理相結合，建立了超聲輻照系統(ultrasonic radiation system，USRS)，并將10套USRS系統布設于Senba湖中，治理Senba湖的水華。

4.3.2超聲波與臭氧技術聯用

超聲波引起的湍流可加快臭氧在水中的傳播速度，促使其分解生成真正的氧化劑(·OH)，加快臭氧的氧化速率[56]。在北京市什剎海后海的生態修復試驗工程中，采用臭氧與超聲波相結合的控藻技術，分別于2001年9月6—8日和14—20日在試驗區(50 m×50 m)進行了2次超聲波+臭氧復合試驗，每天作業7 h，使藻細胞濃度明顯降低，且8個月后水體生態系統向良性方向發展[57]。

4.3.3超聲波與混凝沉淀法聯用

超聲波可以破壞藻細胞的偽空胞，降低藻細胞遷移能力，改善藻類的聚集性和沉降性，從而提高混凝沉淀對藻類的去除效果。陳杰等[58]證明超聲波可以快速提高藻類混凝去除效率。Liang等[59]發現5 s的超聲波處理，能夠提高含藻水的混凝效果。王利平等[60]采用超聲波/改性黏土工藝去除人工水體中的藍藻，證明可達到很好的去除效果。陸貽超等[61]研究了超聲波和改性黏土集成技術對藻類的去除效果，發現集成技術能明顯提高藻類去除率，且對群體形態藻的去除效果更好。

超聲波與其他控藻技術聯用的比較見表1。

表1 超聲波與其他控藻技術聯用的比較

5 結語

超聲波控藻技術是近年來發展起來的新型控藻技術，具有設備簡單、經濟性好、無二次污染及管理簡單等優點。超聲波控藻時，超聲波強度越大，耗能就越高，經濟性也越差，且易影響水生生物，因而高強度超聲波不適合實際推廣應用。綜合考慮超聲波控藻技術的經濟性和控藻效果，建議采用低強度超聲波進行藍藻水華控制。

超聲波控藻目前大都局限于景觀水體或中小型水域，大型湖泊實際應用案例較少。由于超聲波的能量在傳播過程中衰減得很快，很難對遠距離的藻細胞產生影響，加上對水生態安全的擔憂，限制了該技術的發展。超聲波和其他控藻技術聯用能提高控藻效率，運用低頻低強超聲波聯合其他技術控藻，將是今后控藻技術發展的方向之一。