多孔孔板水力空化灭活船舶压载水中微藻的研究

刘 刚，许乐平（上海海事大学 商船学院，上海 201306）

0 引言

根据船舶营运的需要，要对船舶的压载舱注入或排出压载水，以保证船舶的稳性和航行的安全。船舶在加装压载水的同时，当地的水生物也随之被装入到压载舱中，直至航程结束后随压载水排放到目的地海域。船舶压载水的随意排放会造成有害水生物滋生和病原体传播，破坏不同海域生物的生态平衡，严重威胁着海洋环境。因此，如何避免因压载水排放造成的环境污染是当前主要航运大国急需解决的问题。

水力空化是指流体流过一个收缩装置（如几何孔板）时产生的一种物理现象。在管道中加装一块布有少量开孔的孔板，当流体流经孔板时，在高压下快速通过孔板上的小孔，在孔板的另一侧会产生空气泡，空气泡溃灭时会产生热效应和机械效应（微射流，冲击波），这种高度集中的能量释放，以及产生的机械效应作用在微生物上时，能够破坏细胞壁，起到杀灭细菌的作用[1-2]。目前，水力空化作为一种新型的水处理技术，在美国、印度等国家得到较为广泛的研究，相关研究工作国内报道甚少[3]，利用水力空化技术来灭活船舶压载水中的藻类生物尚处于一个探索阶段。与现有的船舶压载水处理技术相比，水力空化技术具有非常独特的优势：首先，利用水力空化技术处理船舶压载水，只需在管道中加装一片孔板，能够方便的调整设备参数达到最优的空化效果，基本不需对船舶做其它改动，反应设备简单；其次，水力空化技术具有耗能少，处理量大，操作方便等优点；再次，该处理方法主要通过局部空穴溃灭后产生的局部高温高压灭活生物，属物理方法，不会产生二次污染。

文章结合前期的研究实验，对水力空化装置进行了改进，研究了多孔孔板的孔径和开孔个数对异弯藻灭活率、装置能耗及单位能耗所灭活异弯藻个数的影响。期望通过本课题的研究，找出最为匹配的孔板参数，使得该技术处理船舶压载水更为经济、有效。

1 材料与方法

1.1 实验微生物

本课题选用了赤潮异弯藻为研究对象。赤潮异弯藻Heterosigma akashiwo为异弯藻属，单细胞，略呈椭圆形，长约 8 μm ～ 25 μm，宽约 6 μm ～ 15 μm，呈绿色，在显微镜下能观察其快速游动，实验之前使用f/2培养基对其进行培养[4-5]。

1.2 实验装置

本课题自行设计搭建的水力空化实验装置如图1所示。

图1中，孔板是水力空化发生器，为该装置的核心。本文研究所使用的孔板的各项参数如表1所示。

1.3 实验过程

表1 实验所用孔板规格参数

将培养至对数生长期的赤潮异湾藻用海水稀释至一定浓度（约 1×106个 /ml～ 2×106个 /ml)，将其置于储液槽，搅拌均匀，确保实验过程中异弯藻均匀分布在海水中，从中取出3个平行水样，其浓度记为初始浓度。实验开始后，开启高压离心泵，打开阀门1、2，关闭阀门3，使海藻水样通过孔板空化发生器，实验运行一定时间，待压力和流量读数稳定后，在集液槽中取3个平行水样，其浓度记为处理后浓度，同时用压力传感器（PX409-150GUSB OMEGA）测量孔板前后的压力、用电磁流量计（上海星空仪表厂产，XKD99Z 型）测量管道内水样的流量。

1）异弯藻灭活率

由于压载水中活体微生物的浓度很低，故模拟以及灭活后的人工压载水中的异弯藻浓度都很低。对此，本文采用离心浓缩的办法。经试验，在离心之前，向50 ml样品藻液中加入1 ml浓度为4‰的戊二醛溶液，然后再以3 000 rad/min的转速离心10 min，将取得很好的离心效果，保证上清液中没有残余藻体。根据以上步骤将处理液浓缩20倍后用Sedgwick-rafter计数框对处理前后人工压载水中的异弯藻进行计数，确定灭活前后活的异弯藻的浓度；处理前后异弯藻的形态变化用Nikon 90i全电动显微镜进行观察，处理后样品中微藻的处理效果即灭活率可以通过公式（1）计算。

其中：η为灭活率；n1为处理后异弯藻浓度；n2为异弯藻初始浓度。

2）水力空化能耗

根据伯努利方程，对实际流体的机械能进行计算[6]。

其中：z1和z2分别是孔板前后管道离基准水平面的距离，单位为m；u1和u2为孔板前后管道内流体的流速，单位为m/s；p1和p2为孔板前后的压力，单位为Pa；we是单位流体通过流动系统时所接受的外功，单位J/kg，wf是单位质量流体通过流动系统的机械能损失，单位为J/kg；ρ为实验温度下流体的密度，为1.025×103kg/m3。本实验中，z1=z2，u1=u2，we=0，可得出式（3）。

3）水力空化装置中单位能量灭活异弯藻个数AS的计算

其中：n1和n2分别为实验处理后异弯藻的浓度和异弯藻的初始浓度，单位为：个/ml。

2 实验结果与分析

2.1 多孔孔板孔径的影响

本课在孔数恒定时，考察了多孔孔板孔径与异弯藻灭活率、装置能耗以及单位能耗所灭活异弯藻个数的关系，实验结果如图2、图3所示。结果表明：当孔数恒定时（孔数为4），随着孔径的增大，异弯藻的灭活效果会降低，如图2，当孔径Ø为4 mm时，处理效果为31.44%；孔径Ø为8 mm时，处理效果为22.6%；孔径Ø为10 mm时，处理效果为21.63%。另一方面，随着孔径的增大，装置的能耗减小，但是单位能耗所灭活的异弯藻的个数却增加，如图3所示，孔径Ø为4 mm时，单位能量所灭活的异弯藻的个数约为0.20×106个/J；孔径Ø为8 mm时，单位能量所灭活的异弯藻的个数约为0.97×106个/J；孔径Ø为10 mm时，单位能量所灭活的异弯藻的个数约为1.73×106个/J。由此可得出，对于多孔孔板，当孔数恒定时，尽管大孔径孔板的灭活率较小孔径孔板低，但随着孔径的增大，流量也相应增大，孔板前后压力差会减小，其消耗的能量较小孔径孔板降低很多，这使得大孔径孔板的灭活率尽管不高，但单位能量灭活的异弯藻个数却较小孔径孔板有明显增加。

图2 多孔孔板孔径对异弯藻灭活率的影响

图3 多孔孔板孔径对单位能量灭活异湾藻个数的影响

2.2 多孔孔板开孔个数的影响

对于多孔孔板，开孔个数也是水力空化处理过程中非常重要的一个参数[7-8]。在开孔率恒定的情况下（开孔率为6%和25%），考察了不同开孔个数与异弯藻灭活率、装置能耗以及单位能耗所灭活异弯藻个数的关系，实验结果如图4、图5所示。结果表明：

1）随着孔板开孔个数的增加，异湾藻的灭活率会降低（图4）。当开孔率为6%，开孔个数为1时，异弯藻灭活率为42.24%；开孔个数为4时，异弯藻灭活率为31.25%；开孔个数为16时，异弯藻灭活率为26.92%。当开孔率为25%，开孔个数为1时，异弯藻灭活率为25%；开孔个数为4时，异弯藻灭活率为22.6%。

2）随着开孔个数的增加，单位能量灭活异弯藻个数却较高（图5）。当开孔率为6%，开孔数为1时，单位能量灭活异弯藻个数为1.6×105个/J；开孔数为4时，单位能量灭活异弯藻个数为2.0×105个/J；开孔数为16时，单位能量灭活异弯藻个数为2.1×105个/J。当开孔率为25%，开孔数为1时，单位能量灭活异弯藻个数为7.2×105个/J；开孔数为4时，单位能量灭活异弯藻个数为9.7×105个/J。

由此可得出：当开孔率一定时，随着开孔个数的增加，流量也相应增加，孔板前后压力差会减小，能量的损耗减小，这使得开孔数多的孔板灭活率较低，但单位能量灭活微藻个数却较高。

3 结束语

通过对多孔孔板水力空化灭活异弯藻进行的实验研究，得到以下结论：

1）在孔数恒定时（孔数为4），随着孔径的增大，异弯藻灭活效果会降低。孔径Ø为4 mm时，灭活效果为31.44%；孔径Ø为 10 mm时，灭活效果仅为21.63%。但是，孔径增大却使水力空化装置的能耗减小，使单位能耗所灭活的异弯藻的个数增加，提高了装置的能量利用率。

2）当孔板的开孔率一定时，随着开孔个数的增加，微藻的灭活率会降低。但是开孔个数的增加也降低了水力空化装置的能耗，从而使单位能耗所灭活的异弯藻的个数增加，同样也提高了装置的能量利用率。

总的来说，水力空化因其简单易行且有效的特点，非常适合作为一种辅助手段来处理船舶压载水中的微藻。水力空化技术的最高目标就是，在消耗较低能量的情况下，保证灭活率。相比之下，开孔个数多的孔板以及大孔径的多孔孔板在这方面反而更具优势，因此，在确保一定灭活效率的前提下，应尽可能选择孔数较多且孔径较大的孔板。

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