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多频次低频率低强度超声波除(控)藻技术

文章出处:青岛长圣设备科技有限公司 人气:-发表时间:2019-07-25 16:16:42


随着社会经济发展和工业化进程的加快,生态环境也受到了严重的破坏。其中,水体富营养化的加剧,导致了河流、湖泊、水库中藻类水华频发,既影响美观,也破坏了水生生物多样性,且威胁着人类饮用水的安全。相比于传统的除藻技术,多频次低频低强度超声波除藻技术以其高效、节能、速度快及环境友好性等优点,受到了越来越多的关注。本文论述了超声波除藻技术的基本原理,影响除藻效果的各种因素及低频(60kHz以下)低强度(50W以下)超声波实际应用情况。
 
  【关键词】超声波除(控)藻技术;低频率;低强度;多频次 
  1 应用背景
  随着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。海洋、湖泊、河流、水库等每年都有藻类水华现象发生。根据2014年中国环境状况公报,26个国控重点湖泊(水库)中,大部分都在富营养化状态。而其中发生的藻类水华,以蓝藻门的微囊藻和鱼腥藻最为常见。
  大面积的藻类水华暴发,不仅会严重影响水生生态系统的平衡,而且也对人类以及陆地动物的身体健康构成威胁,影响人们生活和生产。
  超声波除藻技术被普遍认为是一种相对安全的除藻技术。近年来,国内外学者对各种模式的超声波除藻技术进行了大量的研究,利用超声波进行除藻、控藻已成为当前除藻技术的研究热点之一。
  2 超声波除藻技术基本原理
  超声波对藻类的作用机理与其在水中产生的空化效应和机械效应有关。
  2.1 空化作用原理
  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。空化核迅速膨胀形成空化泡,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。
  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。
  2.2 机械作用原理
  在适当频率下,超声波引起的冲击波、射流和辐射压能使藻类细胞发生弹性振动,当达到一定声强时,藻类细胞的机械振动超过其弹性极限,造成细胞壁和伪空泡破裂,使藻类细胞丧失部分活性和生存能力。这就是超声波机械效应的作用。
  3 影响超声波除藻效果的因素
  在超声波除藻过程中,超声波的频率、声强度和辐射时间(频次)等因素都会直接影响到除藻效果。
  3.1 超声波频率是超声波除藻技术的一个关键的因素
  当超声波频率较低时,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。当外界作用频率与藻类自身频率接近时,便会引起共振,更易引起空化泡的破裂。
  根据Rayleigh-Plessent公式:
  R为气泡半径;η为粘滞系数;σ为表面张力;ρ为介质密度;P0为环境压力。可以估算出,水常见的微囊藻、鱼腥藻的最佳抑制工况在20-80kHz间。
  3.2 超声波的声强度(功率)也是超声波除藻的重要因素
  声强,一般用W/cm?表示。在15kHz时,产生空化气泡所需的声强为0.16-2.6 W/cm?,而500kHz时,产生空化气泡所需的声强为100-400 W/cm?。理论上,同一频率下声功率的增加能使空化作用更加剧烈,除藻效果也更好。但在实际应用过程中,藻类细胞对声波具有一定的饱和效应。同时,过高的声强度不但会对水生生物产生一定的影响,而且所产生的大量空化气泡也会阻碍声波在水体中的传播,影响除藻范围;而且,过于强烈的空化作用会将藻类细胞直接打碎,使细胞中的藻毒素释放到水中,反而影响水质。
  有研究表明,低强度的超声辐射并不会对水生动植物产生影响,也是除藻效果和除藻范围较为理想的结合。因此,实际应用时,多选择低强度的超声辐射。
  3.3 超声波辐射时间(频次)也会影响超声除藻的性能
  随着超声辐射时间的增加,超声除藻的效果也会增强,达到一定剂量后,藻类的去除率变化不大。这是由于固定超声设备在一定的功率和频率辐射下,它所产生的空化强度是一定的,延长超声处理时间不能改变超声空化强度,所以在超声处理时间方面应合理控制。
  另外,不同的处理模式对藻类的抑制效果不同。对藻类进行多频次超声辐射,可以增强对藻类的抑制效果。处理频次越高,对藻类的即时去除越有利,多次作用比单次作用的即时去除效果可以提高59.09%。所以在实际处理时,多频次间歇性超声处理将是控藻和抑制藻类生长的一个有效的方法。
  4 多频次低频率低强度超声实际处理效果及结论
  同暨南大学水生生物研究所、广东省水库蓝藻防治中心合作,在广州市从化流溪湖水库中建立小型重富营养化藻类培养围格,进行超声波抑藻实验。
  4.1 不同频率段的处理效果
  利用频率带宽为 20-50kHz,60-100kHz,100-150kHz的三种宽频带超声换能器,搭配智能超声电源,对富含鱼腥藻的水体进行处理,每天30分钟,共6天。
  由上图可知,相比于对照组,各个频段辐照培养1天后藻密度增加值相当,在第3天出现较为明显差异,3天后20-50kHz和100-150kHz组的抑制效果明显优于60-100kHz频段,培养6天后20-50kHz组藻密度增长值更是降低了58.8%。

harsonic超声波除藻一个月效果对比图


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