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(tài)修復技術國家工程實驗室，中國環(huán)境科學研究院 2.西安建筑科技大學環(huán)境與市政工程學院

水體富營養(yǎng)化是指湖泊等水體接納過量的氮、磷等營養(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]。水體富營養(yǎng)化帶來的突出問題是藍藻水華的暴發(fā)。藍藻水華常會引發(fā)水體缺氧與出現(xiàn)異味、供水處理系統(tǒng)堵塞等問題，且一些藍藻產(chǎn)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(yǎng)化水體中有害藻類的暴發(fā)性增長是生態(tài)學和環(huán)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(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、二次污染風險低等優(yōu)點，多用于營養(yǎng)鹽削減后湖庫水質(zhì)的改善。但生物方法控藻周期長，在藍藻水華大規(guī)模暴發(fā)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(tài)系統(tǒng)。

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(yǎng)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?；瘜W方法具有除藻速度快、效果明顯的優(yōu)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(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、改變水體水力學控藻、機械控藻等。Hosper等[10]在費呂沃湖采用調(diào)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(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(huán)境友好技術，其對水生態(tài)系統(tǒng)和環(huán)境的影響較小，且具有操作簡單、反應速度快等優(yōu)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(fā)展?jié)摿蛷V闊的應用前景[12- 14]。近年來超聲波控藻產(chǎn)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(tài)的影響及超聲波與其他技術聯(lián)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(jié)構(gòu)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(zhì)質(zhì)點的交替壓縮與膨脹，造成介質(zhì)壓力的變化，從而產(chǎn)生機械效應。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)生的機械效應、熱效應，可使藻類細胞破裂、物質(zhì)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(chǎn)生正負壓強交替的周期性變化，在此變化中會產(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，同時產(chǎn)生強烈的沖擊波和速度超過100 m/s的微射流[19]?？栈輳漠a(chǎn)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(chǎn)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(chǎn)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(nèi)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(fā)現(xiàn)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(fā)現(xiàn)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(xiàn)類似于共振的現(xiàn)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(chuàng)造了一個極端的物理環(huán)境，在該環(huán)境下水被分解，產(chǎn)生·H和·OH自由基[24]，自由基進一步造成水中有機分子的斷鏈、自由基的轉(zhuǎn)移和氧化還原反應。自由基能夠影響細胞結(jié)構(gòu)，使生物組分發(fā)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(fā)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(chǎn)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(chǎn)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(fā)現(xiàn)，不同超聲波頻率下，超聲輻照的空化作用會產(chǎn)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(fā)現(xiàn)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(fā)現(xiàn)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(fā)生器的地方產(chǎn)生的大量空化泡會形成屏蔽，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(fā)生越難。但隨著超聲波頻率的提高，單位時間內(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(fā)現(xiàn)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(fā)現(xiàn)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(fā)現(xiàn)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(fā)現(xiàn)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(zhì)稀疏相內(nèi)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(xù)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(jié)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(wěn)定。Zhang等[32]研究發(fā)現(xiàn)，5 min為銅綠微囊藻發(fā)生質(zhì)變的臨界處理時間，處理時間進一步增加，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(chǎn)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(nèi)。

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(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。舒天閣等[40]對超聲5 d后的藻液進行二次超聲，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(tài)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(fā)現(xiàn)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(fā)現(xiàn)，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(jīng)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(fā)現(xiàn)，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(chǎn)生一定影響。研究發(fā)現(xiàn)，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(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(zhì)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(lián)用

目前超聲波控藻技術已得到了較多應用?？傮w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(lián)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(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)運行，明顯改善了水質(zhì)且未發(fā)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(fā)的位置往往隨風向發(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(jù)風向、藍藻暴發(fā)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(qū)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(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在三峽庫區(qū)支流澎溪河特定區(qū)域內(nèi)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(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)不僅可以人為設定行進路線，還可以通過實時水藻監(jiān)測結(jié)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(lián)用控藻

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(lián)合裝置處理富營養(yǎng)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(jié)合，建立了超聲輻照系統(tǒng)(ultrasonic radiation system，USRS)，并將10套USRS系統(tǒng)布設于Senba湖中，治理Senba湖的水華。

4.3.2超聲波與臭氧技術聯(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)修復試驗工程中，采用臭氧與超聲波相結(jié)合的控藻技術，分別于2001年9月6—8日和14—20日在試驗區(qū)(50 m×50 m)進行了2次超聲波+臭氧復合試驗，每天作業(yè)7 h，使藻細胞濃度明顯降低，且8個月后水體生態(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(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(fā)現(xiàn)集成技術能明顯提高藻類去除率，且對群體形態(tài)藻的去除效果更好。

超聲波與其他控藻技術聯(lián)用的比較見表1。

表1 超聲波與其他控藻技術聯(lián)用的比較

5 結(jié)語

超聲波控藻技術是近年來發(fā)展起來的新型控藻技術，具有設備簡單、經(jīng)濟性好、無二次污染及管理簡單等優(yōu)點。超聲波控藻時，超聲波強度越大，耗能就越高，經(jīng)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(jīng)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(chǎn)生影響，加上對水生態(tài)安全的擔憂，限制了該技術的發(fā)展。超聲波和其他控藻技術聯(lián)用能提高控藻效率，運用低頻低強超聲波聯(lián)合其他技術控藻，將是今后控藻技術發(fā)展的方向之一。