代淑文 馮德仁

(安徽工業(yè)大學(xué)電氣與信息工程學(xué)院 馬鞍山 243000)

1 引言

電磁場除藻法是近幾年新興的除藻技術(shù)，電場或磁場能夠抑制藻類和細(xì)菌的生長，以及在微觀上藻類的生物細(xì)胞會(huì)受到一定的損害[1]。電磁場和細(xì)胞之間的關(guān)系復(fù)雜多樣，既有抑制效應(yīng)，又有增殖效應(yīng)，影響是多層次的。首先它可以將復(fù)雜的大分子體系變?yōu)楹唵涡》肿芋w系，從而提高分子的反應(yīng)活度[2-3]。其次磁場和水體之間以相同的頻率振蕩，產(chǎn)生共振，導(dǎo)致水分子運(yùn)動(dòng)強(qiáng)度增加，與水分子鍵合在一起形成的團(tuán)狀物(H2O)n被解離，解離后水分子再次以新的鍵合形式結(jié)合，形成雙分子(H2O2)。雙分子相比于團(tuán)狀物活性要高，所以，電磁場作用下的系列反應(yīng)提高了水的活性，有利于水體恢復(fù)正常[4-6]。最后，藻細(xì)胞由于高頻磁場能量傳遞到含藻的水體中而受到一定的損害，導(dǎo)致細(xì)胞內(nèi)的各種酶被分解，細(xì)胞膜被擠壓和貫穿，藻類的生物活性被抑制。

電磁除藻裝置大多數(shù)采用正弦波的波形[7-10]，但鑒于正弦波頻譜的單一性，當(dāng)采用正弦波磁場進(jìn)行除藻時(shí)，其作用的頻率下可能僅有一種藻類對(duì)其響應(yīng)，而在實(shí)際水體中，是多種藻類并存的，所以在實(shí)際使用時(shí)要想取得較好的效果，要求磁場具有一定的帶寬。

本文提出了一種采用正負(fù)對(duì)稱高頻三角波的方法來提高除藻效果[11-12]，電磁轉(zhuǎn)換的裝置采用的是繞制的電感線圈，來實(shí)現(xiàn)電場能量向高頻磁場能量的轉(zhuǎn)化，然后將磁場能量引至含藻類水體的管道中，直接對(duì)藻類進(jìn)行殺滅處理。由于三角波有大量的高次諧波和寬泛的頻譜，相當(dāng)于藻類被同時(shí)置于多種頻率的磁場下，相比于單一頻率而言多頻率磁場可以很好地解決藻類的多樣性問題，有利于提高除藻效率。

2 除藻試驗(yàn)裝置設(shè)計(jì)

水的磁化處理需要一定的磁場強(qiáng)度和水流速度。PVC 管道上繞制的電感線圈實(shí)現(xiàn)了電場能量向高頻磁場能量的轉(zhuǎn)化，提供了一定的磁場強(qiáng)度；采用水泵抽水保證水體循環(huán)使水體具有一定的水流速度；流動(dòng)的水在磁場中受到洛倫茲力，洛倫茲力對(duì)水中生物細(xì)胞的結(jié)構(gòu)有破壞作用。由于交變磁場下洛倫茲力時(shí)刻在變化，藻細(xì)胞受到的作用力更加復(fù)雜。同時(shí)，高頻磁場作用下細(xì)胞壁通透性大大增強(qiáng)[13]，大量的粒子進(jìn)入到細(xì)胞中，細(xì)胞結(jié)構(gòu)遭到破壞。除藻試驗(yàn)裝置的設(shè)計(jì)如圖1 所示。

3 三角波譜系分析與電源研制

圖2 所示的三角波函數(shù)可以表示為

式中，A 為三角波峰值；T 為周期。

對(duì)式(1)進(jìn)行傅里葉展開，可以得到

假設(shè)T=1 s，圖3 是上述三角波的頻譜圖，橫坐標(biāo)表示頻率(Hz)，縱坐標(biāo)表示為歸一化以后的相對(duì)幅值。

由圖3 頻譜圖得，大量的高次諧波存在于三角波中，0.5 Hz 為主頻率，明顯還存在1.5 Hz、2.5 Hz、3.5 Hz 的附加譜系，即可得三角波具有頻譜寬泛的特點(diǎn)。寬泛的頻譜產(chǎn)生的多頻率磁場可以處理各種類型的藻類，解決了因藻類多樣性而導(dǎo)致的除藻不完全問題，除藻效率大大提高。當(dāng)然實(shí)際除藻時(shí)其頻率要高得多，但三角波的頻譜分布趨勢不變。

圖4 所示為三角波產(chǎn)生電路，其電路是由直流電源Vin經(jīng)全橋逆變電路，并利用電感的充放電原理來產(chǎn)生三角波電流。電感是一個(gè)慣性元件，流經(jīng)其電流不會(huì)發(fā)生突變，在一段時(shí)間內(nèi)電流是呈線性的增長或下降趨勢，線性的增長或下降即可近似的看成三角波電流。全橋逆變的控制方式采用上下橋臂互補(bǔ)導(dǎo)通且包含死區(qū)的PWM 控制，當(dāng)t 較小逐漸趨于零時(shí)其充電回路電流方程表示為

由式(3)可知，當(dāng)t 趨于零，回路電流iL與時(shí)間t 成線性關(guān)系，斜率為E/L。線圈的最大電流為

式中，E 為全橋逆變輸出AB 端的交流電壓；wT 為開關(guān)導(dǎo)通的脈沖寬度。

運(yùn)用Matlab 軟件對(duì)三角波產(chǎn)生電路進(jìn)行仿真分析，器件仿真參數(shù)為：Vin=24 V，L=50 μH，R= 1 Ω，工作頻率為20 kHz，占空比為0.5，仿真結(jié)果如圖5 所示。

由仿真結(jié)果可得，全橋逆變電路經(jīng)電感充放電三角波電源的設(shè)計(jì)可以產(chǎn)生穩(wěn)定的正負(fù)對(duì)稱的三角波電流。

圖6 為通過全橋逆變電路產(chǎn)生的頻率為50 kHz正負(fù)對(duì)稱的三角波示波器實(shí)測波形。圖7 為線圈模型。

4 線圈中磁場分布

假定線圈為密繞，不計(jì)漏磁，圖7 模型的線圈中磁場分布可以計(jì)算出[14]

由于存在磁場屏蔽，分別對(duì)PVC 管、銅管、不銹鋼管、鐵管的磁場強(qiáng)度分布進(jìn)行磁場仿真，仿真結(jié)果如圖8 所示(由左到右)。

由仿真結(jié)果可得，相對(duì)磁導(dǎo)率接近于1 的PVC管和銅管的管道內(nèi)磁感應(yīng)強(qiáng)度較大，相對(duì)磁導(dǎo)率較大的鐵管管道內(nèi)磁場強(qiáng)度較小，因此本試驗(yàn)管道材質(zhì)選用磁感應(yīng)強(qiáng)度較大的PVC 管。

5 除藻試驗(yàn)

除藻裝置如圖1 所示，本文設(shè)計(jì)的頻率變化范圍為20～60 kHz。根據(jù)磁場仿真，試驗(yàn)用的管道采用PVC 管。

5.1 設(shè)備選型

(1) 水泵選型。

本文采用水泵抽水實(shí)現(xiàn)除藻裝置的水體循環(huán)，水泵選型從工藝參數(shù)、輸送液體性能以及現(xiàn)場使用環(huán)境三方面來考慮。對(duì)于流量為1 500 L/h，揚(yáng)程為2 m，輸送液體可能為淡水海水而言，液體流過的部件應(yīng)選用非金屬材料，如陶瓷、石墨等。綜上分析選用森森旗下JTP-1800 型水泵，表1 為JTP-1800型水泵的性能參數(shù)。該型水泵轉(zhuǎn)軸為陶瓷材質(zhì)，適合淡水海水以及酸堿度高的污水。

表1 JTP-1800 性能參數(shù)

(2) PVC 管道選型。

PVC 管道選用公稱直徑d=50 mm，壁厚e= 2 mm。

5.2 藻種選擇

為了避免從自然中選取的污水藻類數(shù)量隨機(jī)性對(duì)試驗(yàn)結(jié)果的影響以及更直觀地看到試驗(yàn)現(xiàn)象，本試驗(yàn)選用藻種培養(yǎng)的方式提供藻類環(huán)境，藻種選用細(xì)胞結(jié)構(gòu)簡單易于培養(yǎng)的單細(xì)胞藻類——小球藻。

小球藻是單細(xì)胞真核生物，三層細(xì)胞壁，細(xì)胞分裂形式是一個(gè)分裂為四個(gè)，生長繁殖速度極快。在自然界中廣泛存在，其中淡水水域中種類居多。

由于工業(yè)廢水的排放，大量氮磷元素排放于水體中，導(dǎo)致水體的富營養(yǎng)化，浮游生物驟然增長，引起海洋的赤潮現(xiàn)象、淡水水域的水華現(xiàn)象[15]。淡水中藍(lán)藻是水化現(xiàn)象的主要原因。藍(lán)藻沒有細(xì)胞核，細(xì)胞中央含有核物質(zhì)，沒有核膜和和核仁，稱其為原核生物。其結(jié)構(gòu)比小球藻結(jié)構(gòu)簡單，即如果本文的設(shè)計(jì)對(duì)小球藻起到殺滅作用，則處理藍(lán)藻效果更好。

5.3 試驗(yàn)設(shè)置

5.3.1 試驗(yàn)綜述

(1) 藻種培養(yǎng)。將1 L 小球藻藻種和1 L 自來水混合，恒溫25℃靜置培養(yǎng)2 天，分析溶液中藻細(xì)胞數(shù)目。

(2) 用滴管取0.5 mL 溶液，顯微鏡下觀察藻細(xì)胞的數(shù)目，根據(jù)藻細(xì)胞數(shù)目計(jì)算公式近似得到整個(gè)培養(yǎng)皿中藻細(xì)胞數(shù)目。將藻種培養(yǎng)液倒入水桶中，進(jìn)行除藻試驗(yàn)。

(3) 設(shè)置對(duì)比樣，分別測量無磁場作用小球藻自然生長5 min、10 min、15 min 下的藻細(xì)胞個(gè)數(shù)，重復(fù)試驗(yàn)三次，選取平均值。

(4) 分別測量磁場頻率在20 kHz、30 kHz、40 kHz、50 kHz、60 kHz 時(shí)，5 min、10 min、15 min后的藻細(xì)胞數(shù)目，找出頻率與滅藻率的關(guān)系。最后進(jìn)行改進(jìn)的自動(dòng)調(diào)頻試驗(yàn)。

5.3.2 試驗(yàn)平臺(tái)

試驗(yàn)平臺(tái)的搭建如圖9 所示。調(diào)壓器提供工頻交流電源，其經(jīng)降壓變壓器和整流濾波電路后輸出24 V 直流電加在全橋逆變電路和RL 負(fù)載上，L 為繞制在PVC 管道上的繞制電感，R 為1 ? 功率電阻，并將示波器探頭夾其兩端以觀察試驗(yàn)波形。PVC 管道的出水口和入水口放入水桶中，水桶中放有JTP-1800 型水泵，以此實(shí)現(xiàn)水體的循環(huán)。

5.3.3 初步試驗(yàn)

圖10a 是小球藻藻種在恒溫25 ℃培養(yǎng)2 天的狀態(tài)。圖10b 是滴管取0.5 mL 溶液在顯微鏡下放大80 倍后的藻細(xì)胞分布圖。

由圖10a 可以觀察到，溶液中有很多絮狀物和沉淀物即表明小球藻在2 天內(nèi)迅速增長繁殖。圖10b可大致數(shù)得顯微鏡下取樣0.5 mL 的液體中藻細(xì)胞數(shù)量大約有50 個(gè)。藻細(xì)胞個(gè)數(shù)=液體比例×取樣觀察數(shù)目×顯微鏡放大倍數(shù)，由此計(jì)算公式可以近似得到整個(gè)培養(yǎng)皿中藻細(xì)胞數(shù)目(文中藻細(xì)胞分布圖均為顯微鏡放大80 倍后的效果圖)。

5.4 試驗(yàn)結(jié)果與討論

5.4.1 對(duì)比樣

首先對(duì)對(duì)比樣進(jìn)行觀察，觀察結(jié)果列于表2 中。由表2 結(jié)果可得小球藻在適宜的環(huán)境自然生長下，其生長和繁殖速度驚人。15 min 后藻細(xì)胞的增長率就達(dá)到了89.7%。由于磁場對(duì)細(xì)胞的增殖既有促進(jìn)作用又有抑制作用，所以磁場頻率的選擇決定除藻還是助于藻類增殖。根據(jù)查閱文獻(xiàn)，本試驗(yàn)先選用頻率為20 kHz 進(jìn)行試驗(yàn)。

5.4.2 20 kHz 試驗(yàn)樣

磁場頻率為20 kHz 時(shí)，分別觀察0、5 min、10 min 和15 min 后，顯微鏡下看到的結(jié)果見表2。

由表2 中顯微鏡計(jì)數(shù)圖可以看到，在20 kHz的磁場頻率下，隨著時(shí)間的增加，藻細(xì)胞的數(shù)目在逐漸減少。即表明20 kHz 的磁場頻率對(duì)藻細(xì)胞的增殖具有抑制作用，交變的三角波磁場可以實(shí)現(xiàn)除藻效果。下面為了提高除藻效率，通過調(diào)節(jié)頻率進(jìn)行除藻試驗(yàn)，找到除藻效率最高對(duì)應(yīng)的最佳頻率。

表2 對(duì)比樣與20 kHz 試驗(yàn)樣

5.4.3 綜合分析

表3 為磁場頻率分別在20 kHz、30k Hz、40 kHz、50 kHz、60 kHz 下的除藻試驗(yàn)數(shù)據(jù)。圖 11 用折線圖的方式直觀的將表3 中滅藻率和頻率的關(guān)系呈現(xiàn)。

由表3 和圖11 可得，在適當(dāng)?shù)念l率范圍內(nèi)，頻率越高，藻體去除率越高。試驗(yàn)中在20～50 kHz范圍內(nèi)，隨著頻率增加，藻體去除率增加；在50～60 kHz，頻率增加，藻體去除率降低，由此可得50 kHz 的除藻效率最高。

5.5 改進(jìn)方案

本文在控制部分寫入了自動(dòng)調(diào)頻程序，頻率下限為20 kHz，上限為60 kHz，初值為20 kHz，每5 min 頻率自動(dòng)增加5 kHz。從20～60 kHz 整個(gè)調(diào)頻過程歷時(shí)40 min，圖12 為調(diào)頻試驗(yàn)前后顯微鏡(放大倍數(shù)為80)下藻細(xì)胞數(shù)目對(duì)比圖。

由圖12 易見，經(jīng)40 min 調(diào)頻試驗(yàn)后，藻細(xì)胞數(shù)目基本為0，絮狀凝聚物和沉淀物也基本消失。即表明改進(jìn)下的自動(dòng)掃頻模式比施加單一頻率藻類去除效果更好。

5.6 工頻對(duì)比

將工頻24 V 電源直接連接電感線圈和限流電阻，通過改變電阻大小使得其電流與20 kHz 試驗(yàn)下電流相同，試驗(yàn)計(jì)時(shí)10 min。圖13 為試驗(yàn)前后顯微鏡(放大倍數(shù)為80)下的藻類分布對(duì)比圖。

由試驗(yàn)前后對(duì)比圖可以看出，工頻下的磁場對(duì)藻類的去除沒有作用，其狀態(tài)與表2 小球藻自然生長下的細(xì)胞分裂狀態(tài)類似，即表明工頻磁場沒有抑制藻細(xì)胞的增殖，頻率對(duì)藻細(xì)胞的狀態(tài)有很大的影響。

表3 試驗(yàn)總體數(shù)據(jù)

6 結(jié)論

本文基于藻類生長對(duì)于磁場頻率的敏感性，研究了運(yùn)用頻譜寬泛的正負(fù)對(duì)稱三角波產(chǎn)生的磁場對(duì)藻類進(jìn)行去除，設(shè)計(jì)了三角波發(fā)生裝置，并利用Simulink 對(duì)三角波產(chǎn)生電路進(jìn)行仿真，搭建了試驗(yàn)平臺(tái)，進(jìn)行了不同磁場頻率下的除藻試驗(yàn)，通過仿真波形和顯微鏡下藻細(xì)胞數(shù)目的變化可以得到以下結(jié)論。

(1) 三角波電源的設(shè)計(jì)可以產(chǎn)生穩(wěn)定的正負(fù)對(duì)稱的三角波電流。不同磁場頻率試驗(yàn)下顯微鏡中藻細(xì)胞數(shù)目的變化，證實(shí)了三角波磁場除藻的可行性和有效性，找到了除藻效率最高對(duì)應(yīng)的最佳頻率。自動(dòng)調(diào)頻實(shí)驗(yàn)表明掃頻模式比施加單一頻率的藻類去除效果更好。

(2) 對(duì)藻處理的情況不能進(jìn)行實(shí)時(shí)采集和反饋，需要合適的傳感器設(shè)計(jì)一套完善的閉環(huán)裝置，提高裝置整體的工作效率。