超声波除藻概述

迟 巍，万成炎，彭建华，潘晓洁，陈小娟，冯 坤

（水利部中国科学院水工程生态研究所，水利部水工程生态效用与生态修复重点实验室，湖北 武汉 430079）

随着社会经济的发展和工业化进程的加快，人类在生产和生活中所排放的氮、磷污染物超出了环境的承载力，导致了水体富营养化程度的加剧和范围的扩大。从滇池、太湖和巢湖等大型湖泊到中小型湖泊、供水性水库和观赏娱乐性湖泊，每年都有水华现象发生［1－4］。水华蓝藻的大量繁殖，一方面降低了水体的透明度，阻碍水生植物进行光合作用，导致水体含氧量降低，进而影响水生生物的多样性；另一方面大量藻毒素的释放，严重威胁着人类的饮用水安全；同时，水体散发出的腥臭气味极大地影响环境美观，也给水污染治理增加了难度和经济成本。因此，如何治理湖泊富营养化是我国目前及今后相当长一段时期的重大水环境问题。

1 现有的除藻方法

现有常用的除藻方法有化学除藻法、生物除藻法和物理除藻法。化学除藻是利用化学药剂来对藻类进行杀除，包括氯除藻、臭氧除藻和高锰酸钾除藻等［5－8］。其特点是工艺简单，操作方便，效果明显。但投加化学药剂并不能从根本上改善水质，相反，对环境的二次污染也会不断增加，从而使水质环境形成严重的恶性循环［9］。生物除藻是利用培育的生物或培养、接种的生物的生命活动，对水中污染物进行转化、降解及转移，从而使水体环境健康得到恢复的一种方法［5－6］。用来除藻的生物主要有微生物、水生植物和水生动物等［10－11］。生物除藻是一种环境友好除藻方法，不会造成二次污染，但其整个系统容易受到外界环境的影响和人为的破坏，同时有可能造成物种入侵。物理除藻法有微滤机法、气浮法、直接过滤法、大梯度磁滤器法和活性炭吸附法等［5－6，12］。物理除藻不会造成二次污染和物种入侵，但存在技术成本高、操作环境差、除藻效率低等问题［13－14］。随着超声波技术及声化学的不断发展，将超声波用于除藻抑藻方面日益引起重视，超声除藻抑藻技术以其清洁、高效、反应条件温和、速度快等显著特点，在藻类控制领域有着广阔的应用前景。

2 超声波对藻类的作用原理

超声波主要是利用机械力和空化效应产生的冲击波、高温高压、射流等，对藻细胞结构和功能及生物活性进行破坏。超声波是指频率高于16 k Hz的声波，由一系列疏密相间的纵波构成，可在气体、液体、固体、固熔体等介质中有效传播，能够产生反射、干涉、叠加和共振现象，具有能量集中，方向性好，穿透力强等特点［15］。其对藻类的作用机理与其在水中产生的空化效应和自由基反应有关。超声波在水体中的传播过程存在一个正负压强的交变周期。在正压相位时其对水分子挤压使水的密度增大，负压相位时又使水分子稀疏离散，水的密度减小。当振幅足够大时，负压相位下水分子间的平均距离会超过水的临界分子距离，使水体的连续性遭到破坏，并形成空化核；空化核迅速长大形成空化泡，在随后的正压相位时这些空化泡又被迅速压缩甚至崩溃，这就是超声空化效应［16］。空化过程分为稳态空化和瞬态空化。稳态空化中空化泡寿命长，体积变化绕平衡点呈周期性震荡，不发生崩溃；瞬态空化则指在一定的超声波条件下，空化泡急剧膨胀和收缩，并发生崩溃。空化泡崩溃瞬间可产生约5 000 K、100 MPa的局高温高压环境，即所谓的“热点”。该“热点”持续数微秒后又以109K／s的冷却率冷却，并伴随强烈的冲击波和速度超过100 m／s的微射流。热效应形成的高温、冲击波和微射流形成的高梯度剪切力及空化泡在膨胀、闭合崩溃过程中充放电产生的强电流作用，都会使溶有空气和有机物的水体产生各种各样的自由基。

蓝藻，又叫蓝细菌，是一种古老、原始的单细胞生物。和其他原核生物一样，蓝藻不具有细胞核和成型的细胞器，但它们具有独特的藻胆蛋白体。蓝藻的细胞壁分两层，内层为肽聚糖层，外层为脂蛋白层。细胞壁内含有质膜及其所包被的细胞质。形成水华的浮游蓝藻细胞内含有对光照强度比较敏感的伪空泡，泡内有气体，可以调节蓝藻细胞所受的浮力。Bowen和Jensen［17］研究发现，这种伪空泡是由众多圆柱形的子气囊垛叠而成的气囊群。伪空泡外部是细胞质，从声学角度讲，其特征和藻外水体相近；而伪空泡内部所包含的主要是气体及少量生物组织，其总体声学特征和气体相近。在适当频率下，超声波引起的冲击波、射流和辐射压能够破坏藻类的细胞壁；藻细胞内部的伪空泡在超声波作用下发生空化，形成空化泡，随后空化泡发生崩溃。崩溃产生的冲击波和高温高压能够破坏藻细胞内部的活性物质，也能破坏细胞内的结构，干扰叶绿素的合成；同时产生的自由基也可将细胞破裂所释放出来的藻毒素氧化。

3 影响超声波除藻效果的因素

在利用超声波控制藻类生长的过程中，超声波的频率、强度和持续时间会直接影响到其控制效果。

频率是控制产生空化现象的一个非常重要的因素。当频率较低时，空化泡有充足的时间在不破裂的情况下产生最大的负压，这样空化泡在崩溃时才会产生更强的冲击波。而当超声波的频率较高时，伪空泡没有足够的时间空化，在崩溃时产生的冲击力也相对减弱［18］。另外，在诱导空化反应时声波的频率越高，能耗也越大［19］，而且高频率高功率超声会对铜绿微囊藻产生较大的机械损伤，从而可能会加速微囊藻毒素的释放。陈矜和陈伟中［20］研究了不同频率的超声波对伪空泡的作用效果，利用伪空泡脉动的最大半径压缩比来描述其脉动剧烈程度。以100 k Hz为步长在100 k Hz～1 MHz频段进行初步扫描，发现有显著的共振响应特征，在600 k Hz有最大的响应，出现类似于共振的现象。进一步精确扫描发现当驱动频率在512 k Hz时，伪空泡的响应达到最大。表明伪空泡的脉动对超声波的频率具有较高的敏感性。

除频率外，影响超声波作用效果的另一个重要因素是声强，一般用 W／cm2来衡量。较高的声强意味着较高的振幅。Guo等［21］研究表明，振幅增大能够导致空化泡更剧烈的崩溃，从而产生更高的温度和压力，同时也增大了自由基的浓度。而不同频率、不同振幅的超声波所对应的辐射时间长短也有差别。一般而言，功率相同的情况下，辐射时间越长除藻效果越好，但这种效果具有饱和的趋势。因为固定的超声设备所产生的空化强度是一定的，延长时间并不能改变空化强度。因此，从效率和成本的角度考虑，控制好作用时间是很有必要的。

另外，藻类自身的特征也对超声波的作用效果产生影响。浮游蓝藻的伪空泡内部包含气体和少量非气态物质，而正是这种非气态物质的存在，能够削弱超声波对伪空泡的影响。研究表明，在同样超声波的作用下，排斥核越小，伪空泡的运动越剧烈，越接近声空化泡的运动。而排斥核的大小，取决于伪空泡内部非气态物质的多少。因而，随着伪空泡内部非气态物质的增加，超声波的作用被削弱，蓝藻则具有更强的抵抗外界压力作用的能力。

4 应用

关于超声波对藻类的清除效果及在不同环境下参数的设置，国内外的许多学者都在试验条件下进行了深入地研究。同时，也有报道超声波在实际除藻中的应用。丁暘等［22］在太湖的现场试验中，将载有超声除藻装置的试验船放置在400 m2试验区域中作用1 h后，水体表层的藻细胞数由107个／mL降到105个／mL，水体透明度由0 cm上升为35 cm，同时叶绿素a含量降低为初始浓度的3.3%，表明在超声波的直接作用下，能使太湖水质得到明显改善。但由于单个超声装置的作用范围有限，若要在更大面积的水域中起到效果，则需要安放多个超声装置，或辅以其他手段来对浮游蓝藻进行清除。Nakano等［23］学者的研究发现，当水体流速超过5 cm／s时便会抑制蓝藻的生长。于是他们在用超声除藻时，使用水泵来制造水流，这样不但干扰了蓝藻的增殖，同时也将超声波作用范围外的水体引入作用范围内。Klemencic［24］将玻璃纤维过滤器、紫外线和超声装置组合在一起，并应用于水产养殖中对藻类进行控制，能够将藻细胞数量减少87%，这种组合技术的应用对于池塘和小型湖泊的水华控制很有参考价值，也是未来超声波除藻的一个发展方向。

5 展望

超声波除藻具有清洁、高效、反应条件温和、速度快等优点，但至今仍然不是控制和清除浮游蓝藻的主要手段。因为在水体中实现空化需要105Pa的声压，而在开阔水域中形成如此高的声压，需要非常大的能量，而巨大的能耗限制了其应用范围。如何在实际应用中加以改进，开发出节能、高效、低耗和适用面广的新工艺，是未来超声波除藻的主要研究方向。同时，将超声波作为一种强化手段，与其他方法如紫外线、过滤法、气浮法等结合起来，将会有更广阔的应用前景。

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