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超聲波除藻原理和研究現(xiàn)狀
- 發(fā)布日期:2013-04-10
超聲波除藻原理為超聲波在傳播中引起質(zhì)點的交替壓縮和伸張,可以通過機械作用、熱效應(yīng)和聲流作用,使藻類細胞破裂、物質(zhì)分子中的化學鍵斷裂;超聲空化的破壞作用使藻藍蛋白喪失了活性功能,表現(xiàn)為光合能力的降低,從而有效抑制藻細胞的生長;另外,進入空化泡的水蒸氣在高溫和高壓下產(chǎn)生羥基自由基,可與親水性、難揮發(fā)的有機物在空化泡氣液界面上進行氧化反應(yīng);而疏水性、易揮發(fā)的有機物可進入空化泡進行類似燃燒的熱解反應(yīng)。超聲波還能通過觸變效應(yīng)引起生物組織結(jié)合狀態(tài)的改變,造成細胞液變稀,細胞質(zhì)沉淀。超聲波引起的化學效應(yīng)也能分解藻毒素等藻細胞分泌物和代謝產(chǎn)物,使水體的有害藻種類減少,總密度降低。
超聲波殺藻具有突出優(yōu)勢。(1)超聲波空化效應(yīng)引起的高梯度剪切力可破解微生物細胞壁,釋放出胞內(nèi)物質(zhì),形成溶解性有機物,與此同時也釋放出酶,酶的作用可使其余未被擊破的微生物細胞失去對周圍環(huán)境的適應(yīng)能力,迅速成為厭氧微生物的營養(yǎng)物而被消耗,加速了發(fā)酵過程,縮短了消化周期。(2)藻細胞富含氣泡,是藻類漂浮在水面上而不會下沉的原因,氣泡具有了產(chǎn)生超聲空化效應(yīng)的重要條件——空化核。在超聲波空化效應(yīng)的作用下,藻細胞的氣囊被打破,生物膜與細胞核的結(jié)構(gòu)與構(gòu)型被破壞,導致藻細胞失去控制浮動的能力,破壞藻內(nèi)的氣泡結(jié)構(gòu),使細胞爆裂,使其因喪失氣泡的浮力沉于水底,無法進行光合作用而失去存活和繁殖能力,它們失去陽光的照射就會死亡。(3)不同藻類其藻細胞的共振頻率也不同,因此超聲波可以針對某種特定的藻類,而不會損害其他水生生物。(4)利用低頻超聲空化閾值較低的特性,僅需較小的低頻超聲功率作用于微囊藻內(nèi)的氣泡就有可能產(chǎn)生空化效應(yīng)。超聲波除藻技術(shù)處理設(shè)備相對簡單,壽命長。將超聲波技術(shù)引入到水處理單元中,可以安全、經(jīng)濟地提高富營養(yǎng)化水的處理效果。通過超聲波還可以降解其他有機污染物和藻毒素。藻類破碎后的細胞殘骸,由于其體積明顯減小,也便于動物藻類補食或進一步分離處理。
因此,在水華爆發(fā)時大規(guī)模應(yīng)用超聲波超聲波技術(shù)除藻是可行的。以前超聲處理藻類時多選用幾十kHz的頻率,使得該工藝存在能耗大、投資多、處理量小的缺點,所以超聲處理水體技術(shù)多在發(fā)達國家使用,F(xiàn)在的超聲除藻設(shè)備LG Sound Sonic除藻儀、Sonic Solutions LLC.com的除藻儀、Water&Soil Management Associates的Waterman除藻儀等產(chǎn)品已應(yīng)用到現(xiàn)場。這些設(shè)備均采用高功率、高頻率的超聲,在殺藻的同時也會影響水中生物的;過大的耗能、過高的成本局限了類似設(shè)備的推廣。近年來發(fā)現(xiàn)的低頻低功率超聲對微囊藻細胞有顯著的生長抑制作用,較之前高頻高功率超聲除藻技術(shù)更有實際應(yīng)用意義,這種高效節(jié)能低成本的超聲技術(shù)具有廣闊的應(yīng)用前景。低頻低功率超聲波可以顯著抑制藻細胞生長,對環(huán)境友好無藻毒素溢出污染水體,且節(jié)能高效易于實現(xiàn)自動化操作,這使得超聲除藻技術(shù)成為一項應(yīng)用技術(shù)。
超聲波殺藻的不足:超聲波的頻率在水中會迅速降低,因此該技術(shù)更適于解決湖泊或池塘中發(fā)生的藻類問題。同時治理的成本,自動化控制技術(shù)的發(fā)展,都制約著超聲波除藻技術(shù)的普及。目前,我國首條超聲波藍藻消殺船已在常州武進區(qū)雪堰鎮(zhèn)太湖灣正式投用,可以預期隨著技術(shù)的提高,成本的降低,超聲波除藻的生命力將越來越強。