超声波除藻技术设备研究及推广前景

卢 健 谷金钰

技术研究背景

近年，我国许多湖泊水藻泛滥，河湖水华现象严重，除了云南滇池、江苏太湖、安徽巢湖、武汉东湖和上海淀山湖等大型淡水湖泊已发生严重的蓝藻水华污染外,长江、黄河以及珠江中下游的许多湖泊和水库也都相继发生了不同程度的蓝藻水华，目前已有超过70%的湖泊呈富营养化状态，水藻的面积、强度以及藻毒素含量均大幅度增长。湖泊是最大的淡水供水源, 其富营养化的典型标志——蓝藻水华暴发，加剧了我国水质性缺水的矛盾。

为了清除藻类水华，国内外专家已经投入多年努力，研究了多种控制藻类水华暴发的方法，如化学法、机械法、生物法、生态法和絮凝法等，但由于各种方法都存在一定缺陷，多年来，人们一直期待着一套安全、有效、成本较低、操作简便的技术出现。

超声波技术是近年发展起来的一种新型环境技术,被称为环境友好技术，具有操作和控制容易、便于引进自动化操作手段、在处理中不引入其他化学物质、反应条件温和及反应速度快等优点。目前有研究利用超声波的空化效应抑制自然水体中藻类的生长，从而达到控制水华暴发的目的。但目前的超声波除藻技术大多数还在实验室和小水体规模，自然大水面湖泊中的实验和成功的例子还未见报道。

由于藻类暴发周期短，生长速度快，如不能实时快速地监测并形成预警系统，同时采取有效措施抑制其大面积暴发，将严重影响人民群众基本的生活需求，甚至威胁其生命安全，因此开展外界环境对水质的影响等多方向课题研究，实时快速地监测出藻的种类及含量，开展新技术在藻治理上的研究及水体生态修复示范课题研究非常必要和紧迫，且意义重大。

超声波除藻技术原理

超声波除藻技术主要是利用特殊频率的超声波所产生的振荡波，作用于水藻外壁并使之破裂、死亡，以达到消灭水藻、平衡水环境生态的目的。超声波抑藻杀藻机理是：破坏细胞壁，破坏气胞，破坏活性酶。藻类细胞的特殊构造是一个占细胞体积50% 的气胞，气胞控制藻类细胞的升降运动。超声波引起的冲击波、射流、辐射压等可以破坏气胞。在适当的频率下，气胞成为空化泡而破裂；同时，空化产生的高温高压和大量自由基，可破坏藻细胞内活性酶和活性物质，从而影响细胞的生理生化活性。此外，超声波引发的化学效应也能分解藻毒素等藻细胞分泌物和代谢产物。

蓝藻、绿藻和硅藻是天然湖泊中最为主要的三类藻，其中蓝藻危害最为严重。在富营养化水体中水华频繁发生，水华的发生会导致水体异味，堵塞供水系统，影响景观，而且蓝藻产生的毒素会对水生生态、牲畜甚至人类的安全产生威胁。

低能量的超声波对水体中危害性最强的蓝藻有较强的治理能力，对绿藻有较好的治理抑制作用，对硅藻具有较好的抑制作用，选用超声波抑藻，在很大程度上可降低水体浮游植物生物量，改善水质。

总之，采用低能量超声波抑藻，有可能通过控制超声波的辐射能量，有选择地抑制有害的蓝藻，而不对沉水植物、鱼类以及浮游生物产生明显的危害，从而改善水生生态环境。

“948”项目消化吸收及创新情况

水利部南京水利水文自动化研究所承担了水利部“948”项目“藻类监测分析系统及超声波除藻设备”研发，在引进德国BBE公司藻类分类监测分析系统和比利时Thomas Electronics 公司超声波除藻技术及设备基础上，通过对其工作原理、构造及工艺水平的研究，分析系统设备的优缺点、精准度、适用范围及仪器各参数，进行消化吸收。

经过几年努力，该项目完成了超声波除藻设备对水生动植物的影响试验，确定超声波治理技术具有较好的除藻效果且对水生动植物无影响；完成了监测及治理设备在无锡梅梁湖和广东佛山东风水库的示范应用，并研制出配套的数据采集系统和水泵控制系统，形成了完整的藻类在线监测系统；完成了超声波除藻设备在东风水库的实际应用，确定超声波除藻技术在实际应用中可行，且无二次污染。

此外，项目实施过程中还建立了以水利部南京水利水文自动化研究所为依托的超声波除藻设备研发中试基地。研制出的复频超声波除藻设备不仅性能稳定，处理效果好，而且价格低于国外进口设备，便于国内推广应用。

1.实现了藻在线监测系统集成

野外藻类监测常规均为采样取样分析方法，这样既不能及时准确地测定藻浓度，为监测单位和管理单位作出正确决策提供实时数据，又由于预测预报系统没有及时的数据，也无法很好地验证预报模型是否正确。该项目引进设备后，通过系统集成和软件开发，在太湖梅梁湖和佛山东风水库建立了快速实时的藻类监测系统，并可根据藻浓度变化，结合温度、光照等因子对藻进行初步预警。

（1）配套自动进出水系统

正常水质监测站均将监测站点设置在比取水口更低的地点，让水流可以实时通过仪器测量点，但实际中该方案实现较为困难。为实现纯自动测量，该项目针对实际情况，开发了可任意设定取样时间的水自动控制系统，可以将原水样在规定的时间内取至观测房，并可以将测量完毕的水样排除。

（2）预处理系统

该系统的作用主要是将水路进行沉沙、过滤、配水等。

（3）通信系统

在线监测站点采用GPRS和CDMA无线通信技术将数据发送到控制中心。采用中国移动的GPRS通信网络作为无线监控调度系统数据的载体，这种方式具有很多突出特点，是现阶段较有竞争力的选择之一。该系统按数据流量收费，每1kB的数据只需0.01元，数据流量大的站点还可以采用包月方式，平均费用更低。

（4）建立综合监测系统

在梅梁湖水质自动监测站将监测项目常规6项（水温、pH、溶解氧、电导率、氧化还原电位、浊度）和总磷、总氮、氨氮、高锰酸盐指数与藻类等共11项参数形成一个综合的测量单位。这些参数同时测量，便于数据的管理和后期科研分析。

系统控制单元主要由南京水利水文自动化研究所研制的现场级JSZ110中心控制仪、各类阀门管路传感器等部件组成。JSZ110内嵌的PLC控制器实现水质自动监测系统水样采集、预处理等过程控制。JSZ110内嵌式的DAS及DI/O数模采集模块，实现各类信号及数据的采集、处理等过程。JSZ110内集成的专用采集控制组态软件包，完成水质自动监测系统的控制，数据采集、存储、处理等工作。采用标准的RS232/485标准接口及以太网网络接口，可支持标准4～20mA信号采集、RS232/485信号采集。

系统采用南京水利水文自动化研究所成熟软件产品JSZ110系列应用软件：YGJK_w软件包、DCS_mis软件包。JSZ110系列应用软件在结构上可分为2层：第一层为现场自动化层（嵌入式YGJK_w软件包、PLC时序控制软件），主要通过信号采集模块、JSZ110内嵌的PLC、检测分析仪表、电气控制等设备采集实时数据信息；同时提供现场级的人机交互等控制操作实现数据采集测试、控制测试等指令现场实施。第二层为控制中心管理层（DCS_mis软件包），主要由工业控制计算机、网络适配器、无线网络适配器通信设备等组成。通过DCS_mis软件分析处理、人机交换等操作实现数据的实时交互，控制指令现场实施。

嵌入式实时监控软件(YGJK_w)采用Win2000系统，内置安装在JSZ110中心控制仪机柜内，主要用于系统水质监测分析仪表的数据采集、传输、控制及整个系统运行控制及监视。现场监控操作软件(DCS_mis)安装于控制中心计算机内，满足管理层的监视性操作及数据的接收、入库，报表的生成等。

2.研发了复频超声波除藻技术及设备

根据对引进设备的实验摸索，发现将不同频率在不同时段进行交互工作，可以对藻类起到更好的抑制作用。针对该思路，研制开发出复频超声波除藻设备。该设备性能技术主要特点：①高科技超声波灭藻杀菌，防止水藻再生，属高科技环保设备；②对水中生物无害，维持水域的生态平衡，无二次污染。

复频超声波除藻设备主要由发射筒（超声波发生器）、浮漂、电子发生器、电缆线4部分组成。电子发生器用于产生一定频率的高频电子，经变压器传输给超声波发生器，产生超声波作用于水体，设备结构及原理如图1、图2所示。

该设备包含电路探头和电路两部分。其中电路分模拟电路部分、数字电路部分以及匹配部分（数字电路和模拟电路的匹配，模拟电路和探头的匹配）。

数字电路部分采用555电路并结合分时电路，将0～80kHz分为9个频段和一个空频段进行交互作用，激发超声波探头发射不同功率、不同频率的复频超声波信号。整个设备工作过程如图3所示。

图3 复频超声波除藻设备工作过程示意图

针对自研的复频超声波除藻设备，在实验室进行灭藻比对试验，选用铜绿微囊藻进行试验，试验结果如图4、图5所示。

由图可见，复频超声波除藻设备具有更好的治理效果，36小时后水体发黄，藻黏结成丝，72小时后基本无明显藻存在。

前景展望

我国约有70%的湖泊呈现富营养化，导致水库、湖泊、景观水体均可能暴发藻类，该项目通过引进消化吸收后形成的监测手段可以实时快速监测藻类变化，研制的国产化复频超声波除藻设备具有使用方便、无二次污染、成本低等诸多优点，通过实时监测与治理并用，可确保水体藻类浓度安全，减少现场取样耗费的大量人工、交通、化验等费用，单个监测点每年即可节省7万～8万元。随着各用户单位对于新技术、新产品的渴求，有着更好性价比和服务质量的产品将有着更为广阔的市场前景。该成果如果在全国推广应用，将推动我国藻类监测及治理技术的发展，提升我国监测及治理水平，开阔水环境治理的思路，促进水环境研究领域快速发展，并产生巨大的社会和经济效益。