朱麗楠，康 凱，成 功，王天琪，羅 艷

(哈爾濱工程大學(xué)航天與建筑工程學(xué)院，哈爾濱150001)

隨著人口增長和社會經(jīng)濟的飛速發(fā)展，受人類活動影響，短期內(nèi)使大量含氮含磷等植物營養(yǎng)物質(zhì)進(jìn)入水體，從而引起藻類和浮游植物的迅速繁殖，使水體中溶解氧降低、透明度下降、水質(zhì)惡化、魚類及其他水生生物大量死亡，這種現(xiàn)象即為水體富營養(yǎng)化[1].富營養(yǎng)化不僅破壞了生態(tài)系統(tǒng)平衡，甚至危害到飲用者的身體健康.目前，國內(nèi)外水廠采用的除藻技術(shù)有投加化學(xué)藥劑法、微絮凝直接過濾、氣浮和生物處理等方法[2].但是上述方法在安全性、經(jīng)濟性和除藻效率仍然不能滿足要求.超聲波處理技術(shù)是一種新穎、清潔且極具產(chǎn)業(yè)前景的高級氧化技術(shù).它是集高級氧化、熱解、超臨界氧化等技術(shù)于一體的新技術(shù)[3].它可改變反應(yīng)條件，加快反應(yīng)速度，還能使一些難以進(jìn)行的化學(xué)反應(yīng)得以實現(xiàn).超聲波抑藻是利用超聲空化效應(yīng)和機械效應(yīng)抑制藻類的生長[4－6].

1 材料和方法

1.1 實驗藻種及培養(yǎng)

銅綠微囊藻(FACHB－315)購買于中國武漢水生生物研究所.培養(yǎng)基采用BG11培養(yǎng)基(pH值為7.0).光照培養(yǎng)條件為:溫度(28±2)℃ ，光照強度1 500～2 000 lx，光暗周期12 h.采用對數(shù)生長期的藻液進(jìn)行試驗.

1.2 超聲反應(yīng)裝置

實驗采用上海聲彥超聲波儀器有限公司定制的超聲波處理器，超聲功率180 W，功率可調(diào)，頻率可切換20、40、60 kHz.

1.3 藻細(xì)胞生物量的測定

藻類的細(xì)胞數(shù)目和懸浮液的吸光度有良好的線性關(guān)系[5].實驗采用銅綠微囊藻懸浮液680 nm處吸光度作為藻濃度的度量標(biāo)準(zhǔn).實驗數(shù)據(jù)取自三個平行樣的均值.

2 結(jié)果與討論

2.1 超聲作用時間對抑制藻類生長的影響

取五組藻液，每組200 mL，一組作為對照組，其他四組分別用頻率40 kHz，功率180 W超聲輻照2、4、6、8min，將五組藻液靜置于光照培養(yǎng)箱中，每24 h取上清液測量吸光度，結(jié)果如圖1所示.

圖1 超聲波作用時間對抑藻效果的影響

由圖1可見，與對照組相比，超聲作用能夠明顯抑制藻類的生長.對照樣品24 h內(nèi)吸光度從0.27增加到0.31，經(jīng)過超聲作用的藻液吸光度都有不同程度的下降.隨著時間的增加，超聲抑藻的效果也增強.超聲6 min和8 min后抑制效果并沒有比4 min有明顯的提高，即使再增加處理時間，抑制效果有所增加，但這種效果越來越不明顯，經(jīng)濟性越來越差.因此，之后的實驗選擇4 min為最佳輻照時間.

2.2 超聲功率對抑藻效果的影響

用不同超聲功率分別輻照藻液4 min，超聲頻率為40 kHz，將超聲后的藻液靜置于光照培養(yǎng)箱中，每24 h取上清液測量吸光度.不同超聲強度處理銅綠微囊藻后，效果如圖2所示.

圖2 超聲波功率對抑藻效果的影響

從圖中可以看出提高超聲功率可以強化抑制藻類生長的效果，和對照組相比，初始生物量均有下降，但每組之間的差別很小，分別為60%、60%、62%、64%，表明初期超聲功率對藻類的生長抑制作用有飽和的趨勢，繼續(xù)培養(yǎng)一周之后，可以看出較高功率的超聲對藻類的抑制效果較強，144 W輻照的藻類只是恢復(fù)到初始濃度，說明高功率超聲輻照可能對藻類的光合作用系統(tǒng)結(jié)構(gòu)產(chǎn)生了破壞，影響了藻類的正常生長.

2.3 超聲頻率對抑藻的效果的影響

分別研究20、40、60 kHz不同頻率超聲對藻類生長的抑制效果，超聲功率90W，超聲輻照時間4 min，結(jié)果如圖3所示.從圖3中可以看出，不同超聲頻率對藻類的抑制效果并沒有很明顯的區(qū)別，在低頻范圍內(nèi)去除率不是隨著頻率的增加而增大，即超聲作用也存在一個最佳頻率.任何一種物體都具有特征頻率(共振頻率)，當(dāng)外界施加的頻率與這一頻率相吻合時，即可引起共振.因此，超聲最佳頻率是由銅綠微囊藻本身的特性和所使用超聲設(shè)備的參數(shù)決定的.

圖3 超聲頻率對抑藻效果的影響

2.4 不同超聲模式的影響

取150 mL的藻液5份，在輸入總能量相同的情況下，分別以不同處理模式進(jìn)行處理，采用相同的功率180W，頻率60 kHz，第一組每天超聲處理1 min，第二組處理2 min，隔2天超聲1次，第三組處理4 min，隔4天處理1次，第四組處理6 min，隔6天處理1次，第五組作為對照組.連續(xù)培養(yǎng)12 d，每天進(jìn)行觀測記錄藻濃度，結(jié)果如圖4所示.

從圖4中可以得到，各組在培養(yǎng)初期與對照組相比都有不同程度下降，生長速度緩慢，5 d后逐漸恢復(fù)增長.1 min組和2 min組呈現(xiàn)出了一定的波動性，并且隨著處理頻次的提高，波動性減小.處理頻次提高，使藻體在受到超聲輻射后很難恢復(fù)活性，抑制效果較好.兩組的最終生物量相比與對照組降低大致相同.由以上分析可知，在系統(tǒng)輸入總能量相同的條件下，高頻次、低輻射量對藻類的生長抑制效果較佳.

圖4 不同超聲模式對抑藻效果的影響

2.5 溫度的影響

超聲作用會產(chǎn)生熱效應(yīng)，在不同的溫度下，超聲波產(chǎn)生的空化、藻類的結(jié)構(gòu)均有所差別，可能對藻類的即時去除率不同.試驗中取150 mL藻液14份，分別在18～44℃范圍內(nèi)的不同溫度下用180 W、60 kHz的超聲輻照，超聲時間2 min，培養(yǎng)1 d后觀測得到不同溫度下對藻的去除率，如圖5所示.

圖5 溫度對抑藻效果的影響

從圖5中可以看出，藻類的即時去除率隨著溫度的升高呈緩慢上升的趨勢，超過30℃之后，去除率有一個明顯的增長，推測是因為銅綠微囊藻的最適生長溫度在28℃左右，溫度的升高加上超聲輻照的熱效應(yīng)，對藻的生長起到了一定得抑制作用.總體看來，溫度對去除率的影響不大，在超聲輻照除藻的應(yīng)用中，選擇一個合適的溫度范圍即可.

3 討論

影響超聲波抑制效果的主要因素有超聲功率、頻率以及超聲作用時間等.超聲在水中產(chǎn)生的機械效應(yīng)以及空化引起的高壓、強烈沖擊波、高速和高剪切力等力學(xué)作用，會嚴(yán)重破壞銅綠微囊藻的形態(tài)和細(xì)胞結(jié)構(gòu)，從而抑制藻類的生長[7].本試驗中雖然超聲波在初期能夠有效地抑制藻類的生長，但是隨著超聲時間的延長，抑藻效果增加越來越不明顯，出現(xiàn)飽和的趨勢.在一次輻照后，部分依然存活的藻類，在良好的環(huán)境條件下，再次繁殖生長.

而當(dāng)超聲波頻率超過一定值時，超聲波周期就變短，空化泡形成(特別是在正壓相壓縮和崩潰等空化過程)的時間就不足，因此發(fā)生空化的幾率和強度就降低[8].有實驗研究表明，超聲頻率越接近藻類的固有頻率，去除效果越好[9].

超聲功率的增加能夠提高抑藻效果，但是功率過高會影響空化泡的生長，使系統(tǒng)可利用的聲場能量反而降低，效果反而有可能會下降，因此從經(jīng)濟環(huán)保的角度考慮，超聲波抑藻也應(yīng)該選擇低功率.

實驗結(jié)果顯示，超聲波輻照，可以抑制藻類的生長，短時間內(nèi)藻生物量有明顯降低.隨著超聲功率的增加，抑制效果也提高，但又飽和的趨勢，在20～60 kHz頻率范圍內(nèi)，對藻類抑制影響并不明顯.本實驗條件下，超聲功率180 W，頻率為40 kHz，輻照4 min，對銅綠微囊藻的抑制效果最佳.超聲波技術(shù)高效無污染，抑藻效果顯著，具有廣闊的應(yīng)用前景.

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