液相放电处理海水中卤虫的研究

王晶,孙冰,朱小梅,内爱,佐藤正之

(大连海事大学环境科学与工程学院,辽宁大连 116026)

液相放电处理海水中卤虫的研究

王晶,孙冰,朱小梅,内爱,佐藤正之

(大连海事大学环境科学与工程学院,辽宁大连 116026)

运用液相高压脉冲技术,采用自行设计的板-孔-板反应器,处理压载水中典型的浮游动物——卤虫.对卤虫的虫卵、幼虫和成虫3个成长期进行研究,通过改变峰值电压、脉冲频率和处理时间这些参数来考查其对卤虫处理效果的影响.结果表明：随着峰值电压、脉冲频率和处理时间的增加,卤虫幼虫和成虫的杀灭率增加,虫卵的孵化率降低;在适当的放电参数下,卤虫成虫和幼虫的杀灭率均可以达到100%;较低电压对卤虫卵的孵化率没有影响,在电压高于34 kV时,虫卵的孵化率才会降低,然而,经过放电处理后虫卵的孵化时间会缩短.

高压脉冲放电;压载水;卤虫

据资料显示[1],每年有超过100亿t的压载水在世界范围内转移,由船舶压载水带来的生物入侵及细菌和病毒的传播问题已引起越来越多的关注.目前国际上处理压载水的方法主要有压载水置换、过滤、加热、紫外辐射、化学方法及各种联合处理技术[2-6].研究表明,单一的压载水处理方法存在一定的局限性,联合处理技术虽然效果优于单一的处理技术,但是这些技术离广泛地实际应用还有很远的距离.

本研究利用液相高压脉冲放电技术处理船舶压载水[7].该技术在水中形成液相放电,放电过程同时产生强力冲击波、紫外线、强电场和各种活性自由基[8].该方法是多种效应的集合作用,可以避免单一方法的弊端,也避免了气相放电产生的羟基等自由基再通入水里的能量损失.本文主要研究了高压脉冲放电对不同生长时期的卤虫和卤虫卵的处理效果.

1 实验装置和方法

1.1 实验装置

本文采用自有发明专利技术的板-孔-板式放电反应器,板电极是白钢材质,直径为28 mm,中间绝缘板的孔径是2.5 mm,实验装置如图1所示.实验中通入少量空气(0.04 L/min)以降低起始放电电压,增强自由基生成,一次处理液量为200 m L,放电反应器体积约为36 m L.整个实验是一个循环体系.

图1 实验装置示意Fig.1 Schematic diagram of experimental apparatus

1.2 卤虫的培养

本次研究选用的卤虫卵产于胶东湾海域,卤虫卵在光照2 000 lx,温度28℃的条件下,曝气孵化24～48 h后,即可收集卤虫的无节幼虫.选用扁藻作为饵料培养卤虫,将培养好的卤虫用于实验.

2 实验结果及讨论

2.1 放电参数变化对卤虫处理效果的影响

实验对卤虫幼虫期和成虫期2个生长时期进行研究.由于不同的水域浮游动物的含量不同,参考相关的文献,将卤虫分为高、中、低3个浓度进行研究,其中高浓度的卤虫含量为500个/L,中浓度的卤虫含量为300个/L,低浓度的卤虫含量为100个/L.

处理结果如图2所示,由图可知,经22 kV,30 Hz,放电处理6 min后的卤虫幼虫再继续培养24 h后,死亡率不再下降并保持稳定,出现这种现象是因为刚处理过后的部分卤虫处于一种假死状态,在适宜的条件下培养一段时间可恢复生命迹象;而作为空白样培养的幼虫(图3)则在24 h后出现死亡现象,并且随着时间的增加死亡率越来越高.出现这种现象是因为有些卤虫从休眠卵到孵化出来后,由于自身条件及外界因素,一部分自然死亡,而放电处理首先将那些不具竞争力的弱势卤虫杀灭,余下存活的卤虫短时间内就不会死亡.因此,选择处理后培养24 h为计数点.经实验证实卤虫成虫与幼虫有相同的规律,所以同样选取处理后再培养24 h为计数点.

由图4可知,随着峰值电压的升高卤虫幼虫的死亡率变大,其中低浓度、中浓度和高浓度的卤虫幼虫分别在24,28及30 kV时达到100%的去除.由图5可知,随着峰值电压的升高卤虫成虫的死亡率变大,其中,低浓度的卤虫成虫在22 kV时即可达到100%死亡,中浓度和高浓度的卤虫成虫在28 kV时达到100%去除.

综合图4和图5：随着峰值电压的升高卤虫幼虫和成虫的死亡率都增加,但是,与幼虫相比成虫的死亡率更高一些,也就是说在相同的实验条件下卤虫成虫更容易死亡.这是因为卤虫成虫的个体要比幼虫个体大几倍,而个体大的生物在生存条件突然恶化的时候相较于小个体生物更不容易存活.因此,以下的实验均选用幼虫为代表来研究.

由图6可知,在峰值电压和脉冲频率相同的情况下,随着处理时间的增加,卤虫幼虫的杀灭率增加.其中,低浓度的幼虫在处理时间为4 min时,可达到100%杀灭;中浓度和高浓度的幼虫在处理时间为6 min时,达到100%杀灭.同时也可以得出这样的结论,卤虫浓度越低杀灭效果越好.由图7可知,在峰值电压和处理时间不变的情况下,随着脉冲频率的增加,卤虫幼虫的杀灭率增加.其中,低浓度的幼虫在30 Hz时,杀灭率达100%;中浓度的幼虫在40 Hz时,杀灭率达100%.

2.2 放电参数变化对卤虫卵孵化效果的影响

由图8可知,随着峰值电压的升高,卤虫卵的孵化率是降低的,但是,在电压达到34 kV之前虫卵的孵化率与没有经过处理的虫卵的孵化率相差不多,在电压达到34 kV之后,虫卵的孵化率大幅度降低.因此可知,电压达到34 kV以上对卤虫卵的孵化率才有明显的影响.虽然较低电压对虫卵的孵化率没有明显影响,但是却可以缩短虫卵的孵化时间.经放电处理后,卤虫卵的孵化时间缩短了16 h.由图9可知,在峰值电压和处理时间一定的情况下,卤虫卵的孵化率随着频率的增加而降低.频率由20 Hz升到50 Hz,虫卵的孵化率从22.5%降到10%,由此可见频率的改变对卤虫卵的孵化率的影响不是很大.

3 结论

通过以上的实验表明,高压脉冲放电技术可以有效地杀灭不同生长时期的卤虫,在28 kV,30 Hz,处理时间6 min和30 kV,30 Hz,处理时间6 min的条件下,高浓度的卤虫成虫和幼虫的杀灭率分别达到100%.在相同的放电条件下,卤虫幼虫的杀灭率要低于成虫的杀灭率,高浓度卤虫的杀灭率要低于低浓度卤虫的杀灭率.较低电压对卤虫卵的孵化率没有影响,在电压高于34 kV时,虫卵的孵化率才会降低至20%以下,然而,经过放电处理后虫卵的孵化时间会缩短16 h.

[1]GloBallast Programme.Ballast Water New s.Issue l[Z].2000.

[2]GEMMA QU ILEZ-BAD IA,TRACY MCCOLL IN.On board short-time high temperature heat treatment of ballastwater：A field trial under operational conditions[J].Marine Pollution Bulletin,2008(56)：127-135.

[3]TRACYMCCOLL IN.The efficiency of regional ballastwater exchange：Changesin phytoplankton abundance and diversity[J].Harmful A lgae,2007(6)：531-546.

[4]李芳,李伟.船舶压载水污染的处理方法研究进展[J].中国水运,2007(5)：12-13.

[5]TANG Zhijian,M ICHAEL A,BU TKUS.Enhanced perfo rmance of crumb rubber filtration for ballast water treatment[J].Chemosphere,2009(74)：1396-1399.

[6]李成玉.船舶压载水处理系统的最新成果[J].青岛远洋船员学院学报,2007(4)：18-21.

[7]孙冰,朱小梅.一种处理船舶压载水的新方法[P].CN101074138A.2007-11-21.

[8]SUN B,SA TO M,HARANO A,et al.NON-unifo rm pulse discharge-induced radical p roduction in distilled water[J].electrostatics,1998,43：115-126.

Study of Eradicating Anem ia with High Voltage Pulsed Discharge in L iquid

WANG Jing,SUN Bing,ZHU Xiao-mei,NYEIN Aye,SATO Masayouki
(College of Environmental Science and Engineering,Dalian M aritime University,Dalian 116026,China)

High voltage pulsed discharge directly in water and the board-hole-board reactor were used to treat Anemia in ballast water.The grow th periods(eggs,larvae,adult)for Anemia were studied by changing the peak voltage,pulse frequency and treatment time these parameters to exam ine the kill effect.The results showed that as the increase of peak voltage,pulse frequency and treatment time,kill rates of larvae and adultwere increasing and hatch rate of eggswas decreasing.In the app rop riate discharge parameters,the kill rate on larvae and adult could reach 100%.There was no influence on hatch rate of eggs at low voltage.W hen the voltage w as over 34 kV,hatch rate of eggs began to decreasing.How ever,the brooding time of eggs would curtail after treatment.

high voltage pulsed discharge;ballast w ater;Anemia

O 539

A

1000-1565(2010)05-0564-05

2010-01-20

国家自然科学基金资助项目(NSFC-No.10875019);国家海洋局重点实验室开放基金资助项目(200919);中央高校科研业务费专项资金资助项目(2009QN060)

王晶(1986—),女,黑龙江双鸭山人,大连海事大学在读研究生,从事液相放电及应用研究.

孙冰(1960—),男,辽宁朝阳人,大连海事大学教授,博士生导师,主要从事液相放电和低温等离子体应用研究.

梁俊红)