陳賀林,李蕓,儲(chǔ)昭升*,葉碧碧,李國(guó)宏
1.湖泊水污染治理與生態(tài)修復(fù)技術(shù)國(guó)家工程實(shí)驗(yàn)室,中國(guó)環(huán)境科學(xué)研究院 2.西安建筑科技大學(xué)環(huán)境與市政工程學(xué)院
水體富營(yíng)養(yǎng)化是指湖泊等水體接納過量的氮、磷等營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)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(zhì)惡化的現(xiàn)象[1]。水體富營(yíng)養(yǎng)化帶來的突出問題是藍(lán)藻水華的暴發(fā)。藍(lán)藻水華常會(huì)引發(fā)水體缺氧與出現(xiàn)異味、供水處理系統(tǒng)堵塞等問題,且一些藍(lán)藻產(chǎn)生的毒素對(duì)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(yíng)養(yǎng)化水體中有害藻類的暴發(fā)性增長(zhǎng)是生態(tài)學(xué)和環(huán)境科學(xué)領(lǐng)域的重要任務(wù)。
目前控制藍(lán)藻水華的方法有生物方法、化學(xué)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(duì)總氮、總磷、化學(xué)需氧量及葉綠素a(Chla)的去除率分別達(dá)72%、82%、31%和56%;劉建康等[6]在武漢東湖圍隔內(nèi)放養(yǎng)以浮游生物為食的鰱、鳙魚,有效遏制了微囊藻水華的暴發(fā)。生物方法具有成本低、二次污染風(fēng)險(xiǎn)低等優(yōu)點(diǎn),多用于營(yíng)養(yǎng)鹽削減后湖庫水質(zhì)的改善。但生物方法控藻周期長(zhǎng),在藍(lán)藻水華大規(guī)模暴發(fā)時(shí)無法作為應(yīng)急處理措施,只能作為長(zhǎng)效輔助措施;該方法的應(yīng)用可能會(huì)引進(jìn)新的物種,破壞生物鏈,如利用水葫蘆控藻可能會(huì)導(dǎo)致水葫蘆的大量繁殖,破壞水生態(tài)系統(tǒng)。
化學(xué)方法主要包括化學(xué)鈍化法、銅制劑法和除草劑法等。Jacoby等[7]在美國(guó)Green湖投放181 t明礬和76.5 t鋁酸鈉鈍化水體營(yíng)養(yǎng)鹽,明顯抑制了藻類生長(zhǎng),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?;瘜W(xué)方法具有除藻速度快、效果明顯的優(yōu)點(diǎn),缺點(diǎn)是易造成二次污染,如采用銅制劑法控藻時(shí),有毒的重金屬銅可能會(huì)在底泥中大量富集,對(duì)環(huán)境造成新的危害[9]。
物理方法包括超聲波控藻、調(diào)水稀釋控藻、遮光控藻、改變水體水力學(xué)控藻、機(jī)械控藻等。Hosper等[10]在費(fèi)呂沃湖采用調(diào)水稀釋的方法進(jìn)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(nèi)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(huì)帶來新的化學(xué)污染,也不會(huì)有新的物種入侵,缺點(diǎn)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(rèn)為是一種環(huán)境友好技術(shù),其對(duì)水生態(tài)系統(tǒng)和環(huán)境的影響較小,且具有操作簡(jiǎn)單、反應(yīng)速度快等優(yōu)點(diǎn)。超聲波在控藻方面顯示出良好的效果,且其破壞藻類細(xì)胞的超聲機(jī)制已被廣泛接受,因此,該技術(shù)具有很大的發(fā)展?jié)摿蛷V闊的應(yīng)用前景[12- 14]。近年來超聲波控藻產(chǎn)品應(yīng)運(yùn)而生,但大都應(yīng)用于中小型水域。筆者對(duì)超聲波控藻的基本原理、控藻效果影響因素、超聲波對(duì)水生態(tài)的影響及超聲波與其他技術(shù)聯(lián)用的控藻效果進(jìn)行了綜述,以期為超聲波控藻技術(shù)的推廣和應(yīng)用提供參考。
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(rèn)為,超聲波對(duì)微生物的細(xì)胞結(jié)構(gòu)及功能具有破壞作用,這種破壞可能源于超聲機(jī)械效應(yīng)以及空化效應(yīng)引起的局部高溫、高壓、沖擊波、剪切應(yīng)力及自由基等[15- 18]。超聲波主要從以下4個(gè)方面破壞藻細(xì)胞。
超聲波在傳播過程中,會(huì)引起介質(zhì)質(zhì)點(diǎn)的交替壓縮與膨脹,造成介質(zhì)壓力的變化,從而產(chǎn)生機(jī)械效應(yīng)。由于物質(zhì)具有聲吸收特性,超聲能量射入物質(zhì)后,部分超聲能量將轉(zhuǎn)變成熱能,使物質(zhì)溫度升高。超聲波在傳播中產(chǎn)生的機(jī)械效應(yīng)、熱效應(yīng),可使藻類細(xì)胞破裂、物質(zhì)分子中的化學(xué)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
超聲波在水中傳播時(shí)會(huì)產(chǎn)生正負(fù)壓強(qiáng)交替的周期性變化,在此變化中會(huì)產(chǎn)生空化泡,在空化泡崩潰的瞬間,可在局部產(chǎn)生約5 000 K、500×107Pa的高溫、高壓,同時(shí)產(chǎn)生強(qiáng)烈的沖擊波和速度超過100 m/s的微射流[19]。空化泡從產(chǎn)生到崩潰的過程稱為超聲空化效應(yīng),超聲空化示意見圖2。利用空化作用產(chǎn)生的高溫、高壓、沖擊波、射流和剪切力等破壞藻細(xì)胞(機(jī)械損傷),從而控制藻類生長(zhǎng)。Khanal等[20]認(rèn)為,在誘導(dǎo)空化反應(yīng)時(shí)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(huì)對(duì)銅綠微囊藻產(chǎn)生較大的機(jī)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
有些藻類如藍(lán)藻含有偽空胞,偽空胞為藍(lán)藻提供浮力,使其獲得適宜的生長(zhǎng)條件。超聲波可以使藻細(xì)胞內(nèi)偽空胞破裂[21],導(dǎo)致藻細(xì)胞失去上浮能力而沉降下來,降低藻細(xì)胞的光合作用,增強(qiáng)底棲動(dòng)物的捕食作用,從而達(dá)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(lán)藻(具偽空胞的銅綠微囊藻和不具偽空胞的聚球藻),發(fā)現(xiàn)銅綠微囊藻細(xì)胞增長(zhǎng)率下降了65%,而聚球藻細(xì)胞增長(zhǎng)率與對(duì)照組基本相同。陳矜等[23]研究了不同頻率的超聲波對(duì)偽空胞的作用效果,發(fā)現(xiàn)偽空胞有顯著的共振響應(yīng)特征,在600 kHz時(shí)有最大的響應(yīng),出現(xiàn)類似于共振的現(xiàn)象。以上研究表明,偽空胞破裂對(duì)超聲波的頻率具有較高的敏感性。
超聲空化作用為有機(jī)物和藻類創(chuàng)造了一個(gè)極端的物理環(huán)境,在該環(huán)境下水被分解,產(chǎn)生·H和·OH自由基[24],自由基進(jìn)一步造成水中有機(jī)分子的斷鏈、自由基的轉(zhuǎn)移和氧化還原反應(yīng)。自由基能夠影響細(xì)胞結(jié)構(gòu),使生物組分發(fā)生物理和化學(xué)變化[25];·OH自由基還會(huì)與DNA嘌呤堿基和嘧啶堿基發(fā)生反應(yīng),導(dǎo)致DNA斷鏈,造成細(xì)胞損傷[26];·OH自由基可使微囊藻毒素濃度降低[27]。脫水產(chǎn)生自由基的量與超聲波頻率、強(qiáng)度有關(guān),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(chǎn)生更高的溫度和壓力,同時(shí)也增大了自由基的濃度;Lee等[29]研究發(fā)現(xiàn),不同超聲波頻率下,超聲輻照的空化作用會(huì)產(chǎn)生不同量的·OH自由基。
一般來說,隨著超聲波強(qiáng)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(fā)現(xiàn)藻細(xì)胞密度分別降低了13.2%、36.8%、47.4%,增加超聲波強(qiáng)度可以提高對(duì)藻類的去除效果。Wu等[31]利用不同強(qiáng)度的雙頻超聲波(26和20 kHz)輻照含銅綠微囊藻的水樣,發(fā)現(xiàn)高強(qiáng)度的超聲波對(duì)微囊藻的去除率較高。這是由于超聲波強(qiáng)度越大,化學(xué)反應(yīng)速率加快,對(duì)藻細(xì)胞的去除效果越好。但隨著超聲波強(qiáng)度的增加,其控藻效果具有趨向飽和的趨勢(shì),原因在于超聲波強(qiáng)度過高時(shí),靠近超聲波發(fā)生器的地方產(chǎn)生的大量空化泡會(huì)形成屏蔽,使大部分聲能轉(zhuǎn)化為熱能,降低了控藻效率。高強(qiáng)度的超聲波還會(huì)使藻細(xì)胞破裂,導(dǎo)致細(xì)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(shí)際工程中能安全有效地控藻,應(yīng)將超聲波功率密度控制在15~30 W/L。
一般認(rèn)為,超聲波頻率越高,空化作用發(fā)生越難。但隨著超聲波頻率的提高,單位時(shí)間內(nèi)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(gè)最佳頻率。超聲波控藻試驗(yàn)的最佳頻率,在不同文獻(xiàn)報(bào)道中有很大差異。如Joyce等[30]在超聲波強(qiáng)度一定時(shí),設(shè)定頻率為20、50、580、864和1 146 kHz對(duì)銅綠微囊藻進(jìn)行輻照,發(fā)現(xiàn)580 kHz為最佳頻率。Hao等[33]將3個(gè)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(fā)現(xiàn)200 kHz的超聲波對(duì)螺旋藻細(xì)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(fā)現(xiàn)200 kHz的超聲波對(duì)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(fā)現(xiàn)80 kHz超聲波對(duì)微囊藻的去除速率最快。低頻超聲時(shí)形成的空化泡少,空化泡的生長(zhǎng)充分,在介質(zhì)稀疏相內(nèi)達(dá)到共振而強(qiáng)烈振蕩,因此空化泡崩潰時(shí)會(huì)很劇烈,而高頻超聲波需要更大的能量輸入才能達(dá)到相同的效果。對(duì)于藍(lán)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。
隨著超聲時(shí)間的增加,超聲波控藻的效果增強(qiáng);但繼續(xù)作用時(shí),藻細(xì)胞的去除率變化不大。如Yamamoto等[35]利用超聲波對(duì)衣藻和杜氏藻的懸浮液進(jìn)行不同時(shí)間的輻照,結(jié)果表明,對(duì)于同一頻率的超聲波,隨超聲時(shí)間的增加,控藻效果先增強(qiáng),后趨于穩(wěn)定。Zhang等[32]研究發(fā)現(xiàn),5 min為銅綠微囊藻發(fā)生質(zhì)變的臨界處理時(shí)間,處理時(shí)間進(jìn)一步增加,控藻效果增加緩慢。Hao等[33]研究發(fā)現(xiàn),超聲波控藻的效果隨作用時(shí)間的增加而增加,但最后會(huì)趨于飽和,10 min為最佳作用時(shí)間。這是由于一定功率和頻率的超聲波所產(chǎn)生的空化強(qiáng)度是一定的,超聲時(shí)間的延長(zhǎng)不能改變超聲空化強(qiáng)度[36]。因此,為了兼顧控藻效果與能量投入,超聲波控藻時(shí)應(yīng)將輻照時(shí)間控制在10 min以內(nèi)。
對(duì)同一種藻細(xì)胞采用不同的處理模式,其控藻效果不同,對(duì)含藻水體多次超聲,可增強(qiáng)對(duì)藻的抑制效果[37]。如Tang等[38]的研究表明,對(duì)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(fā)現(xiàn),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(zhǎng)。舒天閣等[40]對(duì)超聲5 d后的藻液進(jìn)行二次超聲,發(fā)現(xiàn)上清液的濃度維持在較低的水平,而且藻液的穩(wěn)定性較一次超聲更好,控藻效果能持續(xù)15~20 d。筆者通過總結(jié)提出以下運(yùn)行模式供實(shí)踐工作參考:?jiǎn)未纬晻r(shí),超聲波頻率為40~200 kHz,功率密度為30 W/L,輻照時(shí)間為10 min;5 d超聲1次時(shí),超聲波頻率為40~200 kHz,功率密度為20 W/L,輻照時(shí)間為4 min。
儲(chǔ)昭升等[41]利用低強(qiáng)度(功率為20 W)的超聲波輻照浮游動(dòng)物、魚類以及沉水植物,發(fā)現(xiàn)低強(qiáng)度超聲波對(duì)水生生物的生長(zhǎng)并沒有顯著影響。Zhou等[42]研究發(fā)現(xiàn),將青石斑魚置于低頻低強(qiáng)(頻率低于50 kHz,聲強(qiáng)小于400 mW/cm2)的超聲波輻射場(chǎng)中時(shí),其死亡率很低;但經(jīng)高頻高強(qiáng)(頻率高于50 kHz,聲強(qiáng)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(fā)現(xiàn),聲強(qiáng)為400 mW/cm2的超聲波輻照可促進(jìn)江黃顙幼魚的生長(zhǎng);聲強(qiáng)為200 mW/cm2的超聲波會(huì)促進(jìn)羅非魚幼魚的生長(zhǎng),而聲強(qiáng)為600 mW/cm2的超聲波則具有抑制作用。綜上可知,低強(qiáng)度的超聲波對(duì)水生生物沒有顯著影響,而高強(qiáng)度的超聲波會(huì)抑制水生生物的生長(zhǎng),甚至?xí)?dǎo)致水生生物死亡。所以,可通過低強(qiáng)度(聲強(qiáng)小于400 mW/cm2)超聲波控藻,同時(shí)最大程度地降低對(duì)水生生物的影響。
超聲波用于控藻的同時(shí)也會(huì)對(duì)水體其他指標(biāo)產(chǎn)生一定影響。研究發(fā)現(xiàn),超聲波對(duì)藻液濁度的去除有一定的作用,可以降低水體pH,對(duì)水中的有機(jī)質(zhì)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(shí)增加了電導(dǎo)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(lán)綠藻樣,得到在最佳條件下,Chla、微囊藻毒素、總氮、總磷和化學(xué)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(duì)水質(zhì)有顯著的改善作用,但也可能存在負(fù)面影響,如超聲波強(qiáng)度過大會(huì)使藻細(xì)胞破裂,導(dǎo)致藻毒素和藻細(xì)胞液外泄,影響水體安全。
目前超聲波控藻技術(shù)已得到了較多應(yīng)用??傮w上,超聲設(shè)備按作用形式可分為3類:固定式超聲波控藻技術(shù)、移動(dòng)式超聲波控藻技術(shù)和超聲波與其他控藻技術(shù)的聯(lián)用。
固定式超聲波控藻技術(shù)在小型湖泊及景觀水體中有較多應(yīng)用。崔竣嶺等[49]在銀川市一人工湖泊(73 370 m2)安裝了8臺(tái)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(qū)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(jīng)100多天、24 h連續(xù)運(yùn)行,明顯改善了水質(zhì)且未發(fā)生水華[50]。閆莉[51]在水庫設(shè)置圍欄(約1 600 m2)并安裝超聲共振設(shè)備(功率為5 W,輻照半長(zhǎng)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(lán)藻濃度降低了23.5%~39.9%,控藻效果明顯。
大中型湖泊中,水華暴發(fā)的位置往往隨風(fēng)向發(fā)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(shè)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(dòng)式超聲波控藻設(shè)備應(yīng)運(yùn)而生。移動(dòng)式超聲波控藻技術(shù)機(jī)動(dòng)性強(qiáng),可以根據(jù)風(fēng)向、藍(lán)藻暴發(fā)的位置隨時(shí)改變航向,能更有效地去除水體中藻細(xì)胞,達(dá)到最佳的控藻效果。移動(dòng)式控藻技術(shù)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(shí)間為15 s)的實(shí)驗(yàn)船在400 m2區(qū)域作用1 h后,水表層的藻細(xì)胞密度由107個(gè)/mL降至105個(gè)/mL,透明度由0 cm升到35 cm,水質(zhì)明顯改善。韓景明等[53]利用研制的多功能超聲除抑藻平臺(tái)在三峽庫區(qū)支流澎溪河特定區(qū)域內(nèi)移動(dòng)除藻,在最佳工況(頻率為20~50 kHz,輻照時(shí)間為5 min)下,取得了一定的控藻效果。周學(xué)軍等[54]發(fā)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(shè)定行進(jìn)路線,還可以通過實(shí)時(shí)水藻監(jiān)測(cè)結(jié)果自動(dòng)確定超聲波控藻行進(jìn)路線。
4.3.1超聲波與推流聯(lián)用
超聲波與推流聯(lián)用能有效強(qiáng)化控藻效果,其主要通過推流促進(jìn)水體流動(dòng),擴(kuò)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(lián)合裝置處理富營(yíng)養(yǎng)化池塘中的藍(lán)藻,處理池中Chla濃度和總藻量分別為對(duì)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(jié)合,建立了超聲輻照系統(tǒng)(ultrasonic radiation system,USRS),并將10套USRS系統(tǒng)布設(shè)于Senba湖中,治理Senba湖的水華。
4.3.2超聲波與臭氧技術(shù)聯(lián)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(tài)修復(fù)試驗(yàn)工程中,采用臭氧與超聲波相結(jié)合的控藻技術(shù),分別于2001年9月6—8日和14—20日在試驗(yàn)區(qū)(50 m×50 m)進(jìn)行了2次超聲波+臭氧復(fù)合試驗(yàn),每天作業(yè)7 h,使藻細(xì)胞濃度明顯降低,且8個(gè)月后水體生態(tài)系統(tǒng)向良性方向發(fā)展[57]。
4.3.3超聲波與混凝沉淀法聯(lián)用
超聲波可以破壞藻細(xì)胞的偽空胞,降低藻細(xì)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(duì)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(fā)現(xiàn)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(lán)藻,證明可達(dá)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(shù)對(duì)藻類的去除效果,發(fā)現(xiàn)集成技術(shù)能明顯提高藻類去除率,且對(duì)群體形態(tài)藻的去除效果更好。
超聲波與其他控藻技術(shù)聯(lián)用的比較見表1。
表1 超聲波與其他控藻技術(shù)聯(lián)用的比較
超聲波控藻技術(shù)是近年來發(fā)展起來的新型控藻技術(shù),具有設(shè)備簡(jiǎn)單、經(jīng)濟(jì)性好、無二次污染及管理簡(jiǎn)單等優(yōu)點(diǎn)。超聲波控藻時(shí),超聲波強(qiáng)度越大,耗能就越高,經(jīng)濟(jì)性也越差,且易影響水生生物,因而高強(qiáng)度超聲波不適合實(shí)際推廣應(yīng)用。綜合考慮超聲波控藻技術(shù)的經(jīng)濟(jì)性和控藻效果,建議采用低強(qiáng)度超聲波進(jìn)行藍(lán)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(shí)際應(yīng)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(duì)遠(yuǎn)距離的藻細(xì)胞產(chǎn)生影響,加上對(duì)水生態(tài)安全的擔(dān)憂,限制了該技術(shù)的發(fā)展。超聲波和其他控藻技術(shù)聯(lián)用能提高控藻效率,運(yùn)用低頻低強(qiáng)超聲波聯(lián)合其他技術(shù)控藻,將是今后控藻技術(shù)發(fā)展的方向之一。