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超声波除藻原理和研究现状
- 发布日期:2013-04-10
超声波除藻原理为超声波在传播中引起质点的交替压缩和伸张,可以通过机械作用、热效应和声流作用,使藻类细胞破裂、物质分子中的化学键断裂;超声空化的破坏作用使藻蓝蛋白丧失了活性功能,表现为光合能力的降低,从而有效抑制藻细胞的生长;另外,进入空化泡的水蒸气在高温和高压下产生羟基自由基,可与亲水性、难挥发的有机物在空化泡气液界面上进行氧化反应;而疏水性、易挥发的有机物可进入空化泡进行类似燃烧的热解反应。超声波还能通过触变效应引起生物组织结合状态的改变,造成细胞液变稀,细胞质沉淀。超声波引起的化学效应也能分解藻毒素等藻细胞分泌物和代谢产物,使水体的有害藻种类减少,总密度降低。
超声波杀藻具有突出优势。(1)超声波空化效应引起的高梯度剪切力可破解微生物细胞壁,释放出胞内物质,形成溶解性有机物,与此同时也释放出酶,酶的作用可使其余未被击破的微生物细胞失去对周围环境的适应能力,迅速成为厌氧微生物的营养物而被消耗,加速了发酵过程,缩短了消化周期。(2)藻细胞富含气泡,是藻类漂浮在水面上而不会下沉的原因,气泡具有了产生超声空化效应的重要条件——空化核。在超声波空化效应的作用下,藻细胞的气囊被打破,生物膜与细胞核的结构与构型被破坏,导致藻细胞失去控制浮动的能力,破坏藻内的气泡结构,使细胞爆裂,使其因丧失气泡的浮力沉于水底,无法进行光合作用而失去存活和繁殖能力,它们失去阳光的照射就会死亡。(3)不同藻类其藻细胞的共振频率也不同,因此超声波可以针对某种特定的藻类,而不会损害其他水生生物。(4)利用低频超声空化阈值较低的特性,仅需较小的低频超声功率作用于微囊藻内的气泡就有可能产生空化效应。超声波除藻技术处理设备相对简单,寿命长。将超声波技术引入到水处理单元中,可以安全、经济地提高富营养化水的处理效果。通过超声波还可以降解其他有机污染物和藻毒素。藻类破碎后的细胞残骸,由于其体积明显减小,也便于动物藻类补食或进一步分离处理。
因此,在水华爆发时大规模应用超声波超声波技术除藻是可行的。以前超声处理藻类时多选用几十kHz的频率,使得该工艺存在能耗大、投资多、处理量小的缺点,所以超声处理水体技术多在发达国家使用。现在的超声除藻设备LG Sound Sonic除藻仪、Sonic Solutions LLC.com的除藻仪、Water&Soil Management Associates的Waterman除藻仪等产品已应用到现场。这些设备均采用高功率、高频率的超声,在杀藻的同时也会影响水中生物的;过大的耗能、过高的成本局限了类似设备的推广。近年来发现的低频低功率超声对微囊藻细胞有显著的生长抑制作用,较之前高频高功率超声除藻技术更有实际应用意义,这种高效节能低成本的超声技术具有广阔的应用前景。低频低功率超声波可以显著抑制藻细胞生长,对环境友好无藻毒素溢出污染水体,且节能高效易于实现自动化操作,这使得超声除藻技术成为一项应用技术。
超声波杀藻的不足:超声波的频率在水中会迅速降低,因此该技术更适于解决湖泊或池塘中发生的藻类问题。同时治理的成本,自动化控制技术的发展,都制约着超声波除藻技术的普及。目前,我国首条超声波蓝藻消杀船已在常州武进区雪堰镇太湖湾正式投用,可以预期随着技术的提高,成本的降低,超声波除藻的生命力将越来越强。