超聲波除藻系統(tǒng)的開發(fā)

項目背景

藻類水華的危害

由于近百年來全球社會及工業(yè)的快速發(fā)展，人類向湖泊、海洋等水體內(nèi)排放了大量富含氮、磷的污染物，使得這些水體內(nèi)氮磷營養(yǎng)鹽含量急劇增加，進而導(dǎo)致水體中浮游植物過量生長與繁殖，并引發(fā)一系列嚴重的環(huán)境問題。我國約60%的湖泊處于富營養(yǎng)化狀態(tài)，水體富營養(yǎng)化會使得水體中的一些生物生態(tài)活性異常強化，原本的生態(tài)平衡遭到嚴重破壞，水體食物網(wǎng)結(jié)構(gòu)和組成發(fā)生改變，尤其是藻類物種組成的改變，引起的最大的環(huán)境問題是水華的暴發(fā)。

廣東省水庫藍藻水華風險較高

廣東省地處熱帶、亞熱帶地區(qū)，溫度、濕度、氣候非常適合藻類生長，是藍藻水華易發(fā)地區(qū)。2011年韓博平等對廣東全省 54 座重要供水水庫藍藻水華風險和水體富營養(yǎng)化進行了調(diào)查與分析后發(fā)現(xiàn)，約70%的水庫處于由中營養(yǎng)向富營養(yǎng)的過渡狀態(tài)，約 20%水庫處于富營養(yǎng)狀態(tài)，廣東省重要供水水庫水體富營養(yǎng)化程度較高；調(diào)查分析結(jié)果中藍藻水華風險較高的水庫比例高達 37%（20 座），而正發(fā)生藍藻水華占 22%（12 座）。

國內(nèi)外運用的除藻技術(shù)

在現(xiàn)階段，治理藻類水華的方法一般分為三種：物理法、化學(xué)法和生物法。物理方法花費大量人力物力，治標不治本?；瘜W(xué)方法容易造成二次污染，直接威脅魚類和浮游動物的生存，而且使用量大，大水面施工有一定難度，難以達到標本兼治的目的。生物方法雖然效果很好而且也最持久，但見效較慢，而且使用不當有可能引起湖泊生態(tài)系統(tǒng)的變化。超聲波除藻技術(shù)作為一種環(huán)境友好技術(shù)，具有操作和控制容易，便于自動化操作，在處理中不引入其他化學(xué)物質(zhì)，反應(yīng)條件溫和，反應(yīng)速度快等優(yōu)點。目前國內(nèi)外超聲波除藻設(shè)備多采用單頻超聲波探頭，作用于部分藻類，因此除藻效果有限。

意義

有效防御藍藻水華的出現(xiàn)，提高水域安全

藍藻水華頻頻暴發(fā)威脅著流域的飲用水安全和灌溉安全，系統(tǒng)可以全自動一體化在線即時監(jiān)測水中藻類種類、大小、分布等情況，制定出有效地超聲波發(fā)射模式，從而實時控制藻類密度清除過多藻類，防止藍藻水華的爆發(fā)。

環(huán)境友好型除藻系統(tǒng)，不會造成二次污染，同時節(jié)約處理的成本

該系統(tǒng)采用的是超聲波除藻技術(shù)及智能化系統(tǒng)。超聲波發(fā)射系統(tǒng)對廣東省常見的鰱魚、鳙魚進行了多次實驗，實驗證明該系統(tǒng)的超聲波發(fā)射模式對鰱魚、鳙魚的日常生活沒有影響；同時超聲波除藻設(shè)備的超聲波發(fā)射器是采用向水下向水面斜向上發(fā)射的結(jié)構(gòu)，能較大程度減少干擾水生物。智能化系統(tǒng)可以通過巡航船將超聲波除藻設(shè)備拖動到指定的除藻區(qū)域，可以有效地減少了超聲波除藻設(shè)備的數(shù)量，從而節(jié)約了處理成本。

創(chuàng)新點

多頻率超聲波技術(shù)

經(jīng)過大量實驗表明，發(fā)射超聲波能使藻類細胞產(chǎn)生共振，聲波持續(xù)發(fā)生震動使藻類細胞結(jié)構(gòu)產(chǎn)生破損，先將其細胞壁破壞，超聲波引起的沖擊波、射流、輻射壓可以擠壓、擊穿從而破壞氣胞，在適當?shù)恼饎宇l率下，氣胞成為空化泡而破裂，然后毀滅活性酶，使藻類細胞的內(nèi)含物逐漸分解，最后使整個細胞死亡并沉淀在水底，經(jīng)過一段時間超聲波的處理后，水底的壞死細胞沉淀物會自動降解。

對于不同的藻類，處理藻類的最佳頻段是不同的，這是由于各種藻類的耐受能力是不同的。藻類的耐受能力與藻類的細胞結(jié)構(gòu)、細胞壁的成分有關(guān)，導(dǎo)致超聲波發(fā)生共振的效果不同。實驗數(shù)據(jù)表明，特定頻率下，超聲波發(fā)射器的功率越大，效果越明顯；特定功率下，超聲波發(fā)射出的頻率不同，處理藻類的效果也不同。

多頻率超聲波發(fā)射儀提供多個頻率工作模式，在同一時段使用不同頻率的超聲波信號交互工作除藻，使得藻類中葉泡更易迅速被壓縮、崩潰、泯滅，達到良好的除藻效果。多個頻率超聲波技術(shù)使超聲波的能量疊加，波峰與波谷的間距增大。超聲波除藻技術(shù)利用特殊頻率的超聲波所產(chǎn)生的震蕩波，由于藻類是單細胞生物，只要破壞藻細胞運性壁、破壞氣胞、破壞活酶就能達到完美清除的效果。多個頻率作用的超聲波除藻技術(shù)針對藻類的不同生長特性來進行對癥下藥，利用多個頻率同時工作，具有更有效的治藻效果。

智能化超聲波除藻系統(tǒng)

超聲波除藻設(shè)備有效除藻范圍有限，如果將超聲波除藻設(shè)備固定在水面上，往往需要較多超聲波除藻設(shè)備；同時藻類的分布隨著時間、水流等因素的不同，處理的地方也有所不同。對此，項目組開發(fā)出一個能減少除藻設(shè)備數(shù)量，又能有效控制藻類生長的智能化系統(tǒng)。該系統(tǒng)由智能控制軟件、無人機、尋航船和浮標式超聲波除藻設(shè)備組成。

圖1　智能化超聲波除藻系統(tǒng)運行模式

圖2　智能化超聲波除藻系統(tǒng)

圖3　操作界面

圖4　程序框圖

圖5　水域水藻分布圖及系統(tǒng)生成除藻定點坐標

圖6　無人機

智能化超聲波除藻系統(tǒng)運行模式

無人機監(jiān)測到藻類的信息之后會通過互聯(lián)網(wǎng)實時把數(shù)據(jù)資料傳輸?shù)诫娔X的LabVIEW系統(tǒng)當中，系統(tǒng)會通過藻類的分布情況自動生成除藻定點坐標。當定點坐標位置確認后會自動發(fā)送指令到電動船使其拖動設(shè)備到定點坐標除藻。全程用電腦控制，體現(xiàn)了自動化、智能化。

打開超聲波除藻軟件

超聲波除藻軟件是由LabVIEW開發(fā)出來的一個控制超聲波除藻系統(tǒng)的一套程序，該程序能智能控制無人機、電動船、浮標式超聲波除藻設(shè)備。

無人機航拍，獲取水域水藻分布情況，繪制出浮標式超聲波除藻設(shè)備的多個工作坐標

無人機裝上了特制的攝像頭及水域環(huán)境的傳感器；無人機接到系統(tǒng)發(fā)出的監(jiān)測指令后，會根據(jù)已經(jīng)設(shè)定好的水域飛行路線進行拍攝，特制的攝像頭可以通過可見光和近紅外波段及其組合的方式提取藍藻的分布信息，系統(tǒng)根據(jù)藍藻分布信息及設(shè)備的相關(guān)函數(shù)生成浮標式超聲波除藻設(shè)備的工作坐標。

電動船將浮標式超聲波除藻設(shè)備拖動到相應(yīng)的工作坐標

電動船接到系統(tǒng)發(fā)出的拖動指令后，電動船將浮標式超聲波除藻設(shè)備拖動到指定的工作坐標。電動船與浮標式超聲波除藻設(shè)備采用電磁鐵吸附式連接，電動船尾部與浮標外部均有安裝牽引電磁鐵裝置。牽引電磁鐵由線圈與鐵心組成，通電時產(chǎn)生吸力將電磁能轉(zhuǎn)化為機械能來操動、牽引某機械裝置或鐵磁性物體已完成預(yù)期的操作或控制。當收到牽引指令時，電動船與超聲波除藻設(shè)備（浮標式）用電磁鐵連在一起，電動船到達相應(yīng)的除藻定點時會自動通電使磁體分離，讓超聲波除藻設(shè)備在定點上工作，當電動船收到反饋指令，便會自動斷開牽引電磁鐵的電流，與浮漂設(shè)備脫離，并沿原規(guī)劃路線自動返回主控臺，進行充電儲能。

浮標式超聲波除藻設(shè)備開始工作

浮標式超聲波除藻設(shè)備由一個浮標搭載，浮標的水上部分由主控器構(gòu)成，水下部分由三個超聲波探頭以及一個支撐結(jié)構(gòu)組成，除此之外，在浮標邊緣邊還搭載著一個信號接收發(fā)射智能馬達。而水下裝置中的三個超聲波探頭，不僅能360°全方位無死角的發(fā)射多個頻率超聲波，還可以很大程度上的擴大聲波的覆蓋區(qū)域，提高除藻速率，縮短除藻時間。而位于水下的重心裝置不僅可以減少水波與水流對浮標定點的影響，還可以使浮標固定以及懸浮在水面上。

圖7　電工船及與電磁鐵吸附式連接

圖8　浮標式超聲波除藻設(shè)備水下結(jié)構(gòu)設(shè)計圖

圖9　浮標式超聲波除藻設(shè)備

圖10　觀察藻類

多頻超聲波清除藻類過程

先把超聲波探頭放入含有藍藻和綠藻樣本的水中，我們實驗所選擇的超聲波功率為2W，而實際運用中除藻則為40W～80W，頻率為20kHZ～80kHZ。藍藻綠藻是單細胞生物，超聲波探頭會發(fā)射超聲波能使藻類細胞產(chǎn)生共振，聲波持續(xù)發(fā)生震動使藻類細胞結(jié)構(gòu)由外到內(nèi)產(chǎn)生破裂，先將其細胞壁破壞，超聲波引起的沖擊波、射流、輻射壓可以擠壓、擊穿從而破壞氣胞，細胞膜隨之破壞，在適當?shù)恼饎宇l率下，氣胞成為空化泡而破裂，釋放出自由基，這就是“空化反應(yīng)”，然后毀滅活性酶，使藻類細胞的內(nèi)含物逐漸分解，最后導(dǎo)致整個細胞死亡，死亡的細胞殘骸會沉在水底，過一段時間以后死亡的細胞會自動降解。

電動船將浮標式超聲波除藻設(shè)備拖動到下一個工作坐標

系統(tǒng)會根據(jù)預(yù)先計算好的除藻時間在確保不會對其他生物造成影響的情況下實時計時，當計時器紅燈亮起時證明除藻完成。這時，電動船會自動行駛到超聲波除藻設(shè)備旁，兩磁體接上，再把超聲波除藻設(shè)備拖往下一個除藻定點進行除藻，以此方式循環(huán)，達到既節(jié)能又高效同時環(huán)保無污染的除藻目的。

藍藻治理效果

1天后，在使用超聲波處理的體系中，藍藻活性變?yōu)樘幚砬暗?%，由于藍藻受超聲波影響，出現(xiàn)很多的小個的藍藻細胞，其個體為正常細胞的一半大小，在治理一天后，使用超聲波處理的體系變的更渾濁，藻個體中有很多小的藍藻個體；2天后，盡管藻濃度和細胞個數(shù)均較高，但是細胞已不是完整的細胞個體形狀，細胞核（藍藻沒核）明顯偏小，水體顏色稍微變淺；三天后，處理的體系少見成形的細胞，水體開始清澈，底部有絲狀黃色物質(zhì)出現(xiàn)；5天后，藍藻生物量處于一個較低的水平，僅為未使用超聲波處理體系中的20%左右，且細胞核均較?。坏竭_6天時，處理的體系中無藍藻個體存在，但仍有少量葉綠素存在，用儀器測量的葉綠素濃度仍然較高，但是藻活性為0。藍藻在實驗室治理中6天基本處理得到較好效果。

應(yīng)用實踐

超聲波除藻技術(shù)具有非常廣的應(yīng)用前景，這是由于本技術(shù)的優(yōu)勢決定的。由前述實驗可知，超聲波除藻對藍藻、綠藻有非常好的處理效果，可以避免藍藻水華爆發(fā)產(chǎn)生藍藻毒素；同時。該技術(shù)不僅可以除藻還具有較好的抑制藻類生長的作用。

在珠江三角洲地區(qū)，隨著經(jīng)濟發(fā)展人口增加，廢污水排放量不斷增加，景觀水體湖泊污染不斷加重，水體中的氮磷指數(shù)偏高，導(dǎo)致水體中經(jīng)常出現(xiàn)大量的藻類，即破壞了景觀又可能產(chǎn)生一定的難聞味道。在景觀水體中產(chǎn)生最多的是藍藻和綠藻， 而超聲波對此類藻有非常好的處理效果?？商岣咚w的透明度，改變水體的外觀或者大量漂浮藻類的現(xiàn)象。

使用注意事項，根據(jù)實驗研究，超聲波除藻覆蓋要廣，無死角；大面積發(fā)生藍藻水華時，先進行打撈或水藻分離，避免過多藻類集中破損沉入水底腐爛。

10.3969/j.issn.1001- 8972.2016.15.030