陳龍甫，姚娟娟，張 智，張?jiān)佈瑥垑?mèng)然

(重慶大學(xué)三峽庫(kù)區(qū)生態(tài)環(huán)境教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，重慶 400045)

目前，我國(guó)水體的富營(yíng)養(yǎng)化嚴(yán)重，藻類爆發(fā)頻繁發(fā)生?！八A”現(xiàn)象已成為亟待解決的環(huán)境問(wèn)題之一。超聲波空化氧化是一種新興的除 (滅活)藻技術(shù)。較之其他的除藻工藝，超聲波有著無(wú)可比擬的優(yōu)勢(shì)。首先，超聲波在水中的衰減較慢，傳播距離長(zhǎng)，作用范圍廣，適合于水域作業(yè)，尤其適合于控制給水廠取水口的藻類繁殖。其次，在發(fā)生水華的高藻水體中，水體的濁度很高，超聲波的穿透能力強(qiáng)的特點(diǎn)能有效的克服這一問(wèn)題。再次，超聲波是一種環(huán)境友好的水處理技術(shù)，無(wú)需向水體中投入化學(xué)藥劑 (例如，殺藻劑等)，同時(shí)對(duì)藻類細(xì)胞破碎后釋放出的有毒物質(zhì)有一定的降解和控制作用［1，2］。本文將就超聲波除藻的機(jī)制以及安全性進(jìn)行綜述。

1 超聲波空化氧化機(jī)理

水體在一定頻率的超聲波輻射作用下會(huì)產(chǎn)生大量空化泡。在超聲波正壓相和負(fù)壓相的交替作用下，空化泡在數(shù)微秒甚至納秒內(nèi)經(jīng)歷絕熱的振蕩、生長(zhǎng)、壓縮和破滅整個(gè)過(guò)程，從而在水溶液中產(chǎn)生局部的高溫高壓微環(huán)境 (溫度可達(dá)5000 K，壓力可達(dá)1000 bar)，同時(shí)產(chǎn)生具有強(qiáng)烈沖擊力的微射流，形成沖擊波效應(yīng)。在空化泡破滅的瞬間，進(jìn)入空化泡的水分子會(huì)在極端的高溫高壓條件下均裂為高活性的自由基 (氫原子 (·H)、羥基自由基(·OH))［3，4］。綜上所述，超聲波輻射水體時(shí)，可在水體中產(chǎn)生如下幾種物理化學(xué)效應(yīng):高溫裂解效應(yīng)、自由基氧化效應(yīng)、空化泡共振效應(yīng)、微射流剪切效應(yīng)。

2 超聲波對(duì)藻的滅活機(jī)制

2.1 超聲波對(duì)藻類光合作用系統(tǒng)的破壞機(jī)制

藻類和其他植物一樣利用光合作用獲得能量，以此來(lái)維持自身的生命活動(dòng)。藻類光合作用中獲取能量的重要的物質(zhì)有胞內(nèi)的葉綠素和胞外的藻膽蛋白。藻蛋白吸收波段為470～650 nm的光線，葉綠素則吸收波段為430～440 nm的光線，兩者結(jié)合提高了藻類的光利用率［5］。超聲超聲波空化產(chǎn)生的高溫裂解效應(yīng)、自由基氧化效應(yīng)可對(duì)這些光合作用色素造成破壞，抑制光合作用，最終導(dǎo)致藻類滅活。

Zhang等人［5］對(duì)比了微囊藻低頻超聲波作用前后葉綠素和藻膽蛋白的含量和光合作用產(chǎn)氧速率的變化，結(jié)果發(fā)現(xiàn)頻率25 KHz，強(qiáng)度0.32 W/mL的超聲波作用5min后微囊藻細(xì)胞濃度下降10.8%，葉綠素a的含量減少21.35%，藻青蛋白的含量減少44.8%，光合作用中的產(chǎn)氧速率減少44.8%。Tang等人［6］研究高頻超聲波對(duì)墩頂螺旋藻光合作用活性的影響，結(jié)果發(fā)現(xiàn)頻率1.7 MHz，強(qiáng)度0.6 W/cm2的超聲波作用5min后藻膽蛋白的含量減少了40%，葉綠素a的含量減少了25%，光合作用產(chǎn)氧速率減少了49%，這與Zhang等的研究結(jié)果一致。因此，超聲波通過(guò)破壞了藻細(xì)胞的光合作用色素有效抑制了藻類光合作用的進(jìn)行。而上述研究結(jié)果均顯示，超聲波對(duì)胞外藻膽蛋白的破壞程度要比胞內(nèi)葉綠素a大，這可能因?yàn)榧?xì)胞膜的保護(hù)作用。

Purcell等人［7］的研究還發(fā)現(xiàn)超聲波對(duì)光合作用活性抑制效率明顯高于超聲波對(duì)藻細(xì)胞的破壞效率。而藻細(xì)胞破壞釋放出的胞內(nèi)有機(jī)物也被證實(shí)是一種重要的消毒副產(chǎn)前體物［8～10］。因此，是否可以通過(guò)優(yōu)化超聲波處理參數(shù)，達(dá)到破壞藻類光合作用系統(tǒng)，而盡量保持藻細(xì)胞的完整性的目的，對(duì)藻類進(jìn)行抑制和滅活值得研究。但目前還沒(méi)有相關(guān)的研究報(bào)道。

此外，上述研究都只考察了超聲波對(duì)藻類光合作用的短期影響，而藻類自身具有自我修復(fù)的功能。研究并未驗(yàn)證超聲波作用后藻類光合作用的恢復(fù)能力。

2.2 對(duì)細(xì)胞膜細(xì)胞壁的的破壞機(jī)制

超聲波空化作用還可以通過(guò)超聲波空化產(chǎn)生的高溫裂解效應(yīng)、自由基氧化效應(yīng)及機(jī)械剪切效應(yīng)破壞藻細(xì)胞的細(xì)胞壁或細(xì)胞膜，導(dǎo)致藻細(xì)胞破裂。Purcell等人［7］使用強(qiáng)度為 0.023 ～0.031W/mL，頻率為20，582，862和1144 KHz超聲波處理4種藻，顯微鏡下觀察并比較了四種不同頻率下超聲波處理前后細(xì)胞的破裂情況，超聲波作用8.6 min后完整藻細(xì)胞的去除率分別為:Aphanizomenon fq.(水華束絲藻，藍(lán)藻):48±5，72±4，91±3 and 93±7%;Melosira sp.(直鏈藻，硅藻):71±5，57±6，48±5 and 9±4%;Scenedesmus sub.(柵藻，綠藻):2.5±6，8±5，20±3 and 14±8%;Microcystis aerg.(銅綠微囊藻，藍(lán)藻):11±4%，11±4%，16±7%and 10±7。由此可以看出，細(xì)胞形態(tài)在超聲波處理中對(duì)處理效果有很大影響，絲狀結(jié)構(gòu)的藻 (水華束絲藻、直鏈藻)對(duì)超聲波的敏感度要比單細(xì)胞結(jié)構(gòu)的藻強(qiáng)，且細(xì)胞結(jié)構(gòu)的破壞處主要位于連接處。同時(shí)超聲波頻率對(duì)絲狀結(jié)構(gòu)的藻細(xì)胞的破壞程度影響更大。直鏈藻在低頻20 KHz時(shí)細(xì)胞壁破損相當(dāng)嚴(yán)重，而水華束絲藻在862和1144 KHz時(shí)細(xì)胞壁破損相當(dāng)嚴(yán)重，這種不同歸因于藻種類不同所帶來(lái)的細(xì)胞壁結(jié)構(gòu)的差異。

2.3 對(duì)氣泡的影響

藍(lán)藻細(xì)胞內(nèi)具有一種調(diào)節(jié)細(xì)胞沉降的結(jié)構(gòu)--氣泡 (gas vacuoles)，氣泡內(nèi)中充滿氣體，外由蛋白質(zhì)膜所包圍，具有調(diào)節(jié)細(xì)胞比重，以使其漂浮在合適水層中的作用，借以獲取光能、氧和營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)［11］。

Tang等人研究了兩種不同的藍(lán)藻 (有氣泡的銅綠微囊藻和沒(méi)有氣泡的聚球藻)在0.6 W/cm2，1.7 MHz超聲波場(chǎng)中的處理效果，結(jié)果發(fā)現(xiàn)經(jīng)超聲波處理的微囊藻細(xì)胞增長(zhǎng)量降低了65%，而經(jīng)超聲波處理的聚球藻細(xì)胞增長(zhǎng)量與控制樣幾乎相同，因此是否有氣泡對(duì)超聲波處理的效果有顯著影響，并且超聲波破壞氣泡可以有效控制藻類的生長(zhǎng)。該研究認(rèn)為超聲波對(duì)微囊藻氣泡的破壞機(jī)制為超聲波產(chǎn)生的共振效應(yīng)。即，當(dāng)藻類氣泡的固有震蕩頻率與超聲波的頻率一致時(shí)，氣泡就會(huì)發(fā)生共振 (即振幅最大)，最終導(dǎo)致破裂［12］。

Rajasekhar等［13］使用低頻 (20 KHz)超聲波分別處理卷曲魚(yú)腥藻，小球藻和微囊藻，結(jié)果發(fā)現(xiàn)在相同條件下3者的滅活效果:卷曲魚(yú)腥藻＞微囊藻＞小球藻，出現(xiàn)這種情況的主要原因是超聲波對(duì)氣泡的破壞，因?yàn)榫砬~(yú)腥藻的氣泡比微囊藻的更易受到超聲波的破壞，而小球藻沒(méi)有氣泡，因此處理效果才出現(xiàn)這樣的差異。

但由于藍(lán)藻的氣泡在3～5μm等級(jí)，因此所需的超聲波頻率需達(dá)到1.3～2.16 MHz。故當(dāng)超聲波頻率為上述頻率范圍內(nèi)或附近時(shí)，空化泡共振效應(yīng)可能是破壞藍(lán)藻氣泡的主要機(jī)制。而當(dāng)超聲波頻率低于上述頻率范圍時(shí)，超聲波產(chǎn)生的微射流機(jī)械剪切作用可能是破壞藍(lán)藻氣泡的主要機(jī)制，這需要更多的能量輸入。

Zhang等人的研究發(fā)現(xiàn)，對(duì)于含藍(lán)藻原水而言，這種對(duì)藍(lán)藻氣泡破壞除能很好地抑制和滅活藍(lán)藻外，也能極大地改善混凝沉淀過(guò)程中含藻絮體的沉降性能，大幅提高常規(guī)凈水工藝 (混凝-沉淀-過(guò)濾-消毒)對(duì)藻的去除效率［14］，因此超聲波也可以用作一種對(duì)混凝的輔助工藝應(yīng)對(duì)高藻原水。

3 超聲波參數(shù)對(duì)除藻效果的影響

通過(guò)上面的論述可以清楚地看到超聲波除藻的機(jī)制與藻的種類、生理形態(tài)以及超聲波的操作參數(shù)(如頻率)均有密切的關(guān)系。Yang等人的研究發(fā)現(xiàn)在同樣超聲波強(qiáng)度不同超聲波頻率的輻射條件下，水中產(chǎn)生的羥基自由基濃度的順序?yàn)?354＞620＞803 ＞206 ＞1062 KHz［15］。因此當(dāng)超聲波滅活藻的最優(yōu)頻率位于300～600 KHz之間時(shí)，其滅活機(jī)制可能為自由基氧化效應(yīng)為主;在1.3～2.16 MHz范圍內(nèi)時(shí)，其滅活機(jī)制可能以空化泡共振效應(yīng)破壞氣泡的主要機(jī)制;在低頻范圍 (20～100 KHz)范圍內(nèi)時(shí)，可能主要依賴微射流的機(jī)械剪切作用以及熱裂解作用。Zhang等［16］進(jìn)行了超聲波頻率對(duì)微囊藻去除的研究，結(jié)果表明藻的去除速率在1320 KHz，0.4 W/mL 時(shí)為 0.114 min-1，在 20 KHz，0.4 W/mL 時(shí)的去除速率為 0.0224 min-1。Joyce等［17］分別利用 20，40，580，864 和 1146 KHz 的超聲波在強(qiáng)度分別為 0.0178，0.0213，0.0018，0.0042 和 0.0026 W/mL 下作用于微囊藻30 min，研究發(fā)現(xiàn)580 KHz時(shí)的去除率效率最大。因此，依靠自由基氧化作用去除微囊藻可能更為有效。

除頻率外，功率對(duì)于微囊藻的去除效果也有顯著的影響。Rajasekhar等［13］研究了同一頻率 20 KHz 下不同強(qiáng)度 (0.043 W/mL，0.085 W/mL，0.139 W/mL，0.186 W/mL 和 0.32 W/mL)的超聲波的去除微囊藻的效果，實(shí)驗(yàn)表明在實(shí)驗(yàn)所研究的超聲波強(qiáng)度范圍內(nèi)，微囊藻在最初的5 min內(nèi)去除率達(dá)到最大值，而后逐漸趨于穩(wěn)定，這與實(shí)驗(yàn)所使用的超聲波強(qiáng)度無(wú)關(guān)。同時(shí)研究還發(fā)現(xiàn)，超聲波強(qiáng)度越大趨于穩(wěn)定后的去除率越大。因此，通過(guò)超聲波參數(shù)的優(yōu)化，可以有效提高除藻的效果。

4 超聲波除藻的水質(zhì)安全性研究

藻毒素是藻類產(chǎn)生的細(xì)胞內(nèi)生物毒素，當(dāng)藻細(xì)胞死亡或破裂后其會(huì)釋放到水體中嚴(yán)重影響水質(zhì)安全［2］;目前，關(guān)于超聲波除藻過(guò)程中藻毒素的釋放和降解規(guī)律的主要研究見(jiàn)下表所示。從下表中可以發(fā)現(xiàn)，超聲波除藻過(guò)程中參數(shù)的不同可以導(dǎo)致藻毒素的釋放，但是在一定條件下藻毒素也可以被超聲波作用所降解。

微囊藻毒素的毒性主要通過(guò)ADDA結(jié)構(gòu)進(jìn)行表達(dá)。SONG等的研究認(rèn)為超聲波對(duì)藻毒素的去除主要依賴羥基自由基攻擊ADDA結(jié)構(gòu)的苯環(huán)以及不飽和 C=C，從而有效的破壞藻毒素［2，18］。Ma等［19］研 究 了 頻 率 分 別 為 20，150，410 和1700KHz，功率為0.075W/mL超聲波降解藻毒素的效果，實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明20min后藻毒素的降解率分別為 54.7%，70.6%，65.2% 和 53.9%，因此超聲波降解藻毒素存在一個(gè)最佳頻率。超聲波功率對(duì)藻毒素降解也有明顯的影響，當(dāng)頻率為20KHz，功率分別為0.075，0.150，0.225 W/mL 的超聲波作用藻毒素溶液5min后在，藻毒素的降解率分別為18.1%，50.2%和 63.6% 。

表1 超聲波除藻過(guò)程中藻毒素釋放規(guī)律的研究Tab.1 The research of Microcystins releasing in the algae removal process by Ultrasonic

因此超聲波作為一種除藻技術(shù)，雖然有增加水體中藻毒素的可能，但是對(duì)水體中的藻毒素也有很好的降解作用，這也是超聲波除藻技術(shù)的優(yōu)勢(shì)所在。故可以通過(guò)超聲波參數(shù)的優(yōu)化對(duì)藻毒素進(jìn)行控制，達(dá)到保證除藻安全性的目的。即，耦合超聲波除藻效能以及除藻安全性，展開(kāi)參數(shù)優(yōu)化研究。

5 結(jié)論與展望

超聲波除藻的效能與機(jī)制同藻的種類、生理形態(tài)以及超聲波的操作參數(shù)均有密切的關(guān)系。目前的研究中還存在一定的不足。

(1)藻類研究的單一，均為實(shí)驗(yàn)室培養(yǎng)的純?cè)宸N;而實(shí)際水體中發(fā)生水華，優(yōu)勢(shì)藻種可能不止一種。

(2)超聲波除藻的安全性研究中多圍繞藻毒素的展開(kāi)，未考慮藻類胞內(nèi)有機(jī)物的釋放可能對(duì)水質(zhì)安全帶來(lái)的隱患。未來(lái)應(yīng)該開(kāi)展胞內(nèi)有機(jī)物釋放和降解規(guī)律的研究。

(3)超聲波處理參數(shù)的研究較多，但優(yōu)化的研究較少，未來(lái)應(yīng)該耦合超聲波除藻效能以及除藻安全性，展開(kāi)參數(shù)優(yōu)化研究。

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