超声波抑制铜绿微囊藻生长研究

朱丽楠，康 凯，成 功，王天琪，罗 艳

(哈尔滨工程大学航天与建筑工程学院，哈尔滨150001)

随着人口增长和社会经济的飞速发展，受人类活动影响，短期内使大量含氮含磷等植物营养物质进入水体，从而引起藻类和浮游植物的迅速繁殖，使水体中溶解氧降低、透明度下降、水质恶化、鱼类及其他水生生物大量死亡，这种现象即为水体富营养化[1].富营养化不仅破坏了生态系统平衡，甚至危害到饮用者的身体健康.目前，国内外水厂采用的除藻技术有投加化学药剂法、微絮凝直接过滤、气浮和生物处理等方法[2].但是上述方法在安全性、经济性和除藻效率仍然不能满足要求.超声波处理技术是一种新颖、清洁且极具产业前景的高级氧化技术.它是集高级氧化、热解、超临界氧化等技术于一体的新技术[3].它可改变反应条件，加快反应速度，还能使一些难以进行的化学反应得以实现.超声波抑藻是利用超声空化效应和机械效应抑制藻类的生长[4－6].

1 材料和方法

1.1 实验藻种及培养

铜绿微囊藻(FACHB－315)购买于中国武汉水生生物研究所.培养基采用BG11培养基(pH值为7.0).光照培养条件为:温度(28±2)℃ ，光照强度1 500～2 000 lx，光暗周期12 h.采用对数生长期的藻液进行试验.

1.2 超声反应装置

实验采用上海声彦超声波仪器有限公司定制的超声波处理器，超声功率180 W，功率可调，频率可切换20、40、60 kHz.

1.3 藻细胞生物量的测定

藻类的细胞数目和悬浮液的吸光度有良好的线性关系[5].实验采用铜绿微囊藻悬浮液680 nm处吸光度作为藻浓度的度量标准.实验数据取自三个平行样的均值.

2 结果与讨论

2.1 超声作用时间对抑制藻类生长的影响

取五组藻液，每组200 mL，一组作为对照组，其他四组分别用频率40 kHz，功率180 W超声辐照2、4、6、8min，将五组藻液静置于光照培养箱中，每24 h取上清液测量吸光度，结果如图1所示.

图1 超声波作用时间对抑藻效果的影响

由图1可见，与对照组相比，超声作用能够明显抑制藻类的生长.对照样品24 h内吸光度从0.27增加到0.31，经过超声作用的藻液吸光度都有不同程度的下降.随着时间的增加，超声抑藻的效果也增强.超声6 min和8 min后抑制效果并没有比4 min有明显的提高，即使再增加处理时间，抑制效果有所增加，但这种效果越来越不明显，经济性越来越差.因此，之后的实验选择4 min为最佳辐照时间.

2.2 超声功率对抑藻效果的影响

用不同超声功率分别辐照藻液4 min，超声频率为40 kHz，将超声后的藻液静置于光照培养箱中，每24 h取上清液测量吸光度.不同超声强度处理铜绿微囊藻后，效果如图2所示.

图2 超声波功率对抑藻效果的影响

从图中可以看出提高超声功率可以强化抑制藻类生长的效果，和对照组相比，初始生物量均有下降，但每组之间的差别很小，分别为60%、60%、62%、64%，表明初期超声功率对藻类的生长抑制作用有饱和的趋势，继续培养一周之后，可以看出较高功率的超声对藻类的抑制效果较强，144 W辐照的藻类只是恢复到初始浓度，说明高功率超声辐照可能对藻类的光合作用系统结构产生了破坏，影响了藻类的正常生长.

2.3 超声频率对抑藻的效果的影响

分别研究20、40、60 kHz不同频率超声对藻类生长的抑制效果，超声功率90W，超声辐照时间4 min，结果如图3所示.从图3中可以看出，不同超声频率对藻类的抑制效果并没有很明显的区别，在低频范围内去除率不是随着频率的增加而增大，即超声作用也存在一个最佳频率.任何一种物体都具有特征频率(共振频率)，当外界施加的频率与这一频率相吻合时，即可引起共振.因此，超声最佳频率是由铜绿微囊藻本身的特性和所使用超声设备的参数决定的.

图3 超声频率对抑藻效果的影响

2.4 不同超声模式的影响

取150 mL的藻液5份，在输入总能量相同的情况下，分别以不同处理模式进行处理，采用相同的功率180W，频率60 kHz，第一组每天超声处理1 min，第二组处理2 min，隔2天超声1次，第三组处理4 min，隔4天处理1次，第四组处理6 min，隔6天处理1次，第五组作为对照组.连续培养12 d，每天进行观测记录藻浓度，结果如图4所示.

从图4中可以得到，各组在培养初期与对照组相比都有不同程度下降，生长速度缓慢，5 d后逐渐恢复增长.1 min组和2 min组呈现出了一定的波动性，并且随着处理频次的提高，波动性减小.处理频次提高，使藻体在受到超声辐射后很难恢复活性，抑制效果较好.两组的最终生物量相比与对照组降低大致相同.由以上分析可知，在系统输入总能量相同的条件下，高频次、低辐射量对藻类的生长抑制效果较佳.

图4 不同超声模式对抑藻效果的影响

2.5 温度的影响

超声作用会产生热效应，在不同的温度下，超声波产生的空化、藻类的结构均有所差别，可能对藻类的即时去除率不同.试验中取150 mL藻液14份，分别在18～44℃范围内的不同温度下用180 W、60 kHz的超声辐照，超声时间2 min，培养1 d后观测得到不同温度下对藻的去除率，如图5所示.

图5 温度对抑藻效果的影响

从图5中可以看出，藻类的即时去除率随着温度的升高呈缓慢上升的趋势，超过30℃之后，去除率有一个明显的增长，推测是因为铜绿微囊藻的最适生长温度在28℃左右，温度的升高加上超声辐照的热效应，对藻的生长起到了一定得抑制作用.总体看来，温度对去除率的影响不大，在超声辐照除藻的应用中，选择一个合适的温度范围即可.

3 讨论

影响超声波抑制效果的主要因素有超声功率、频率以及超声作用时间等.超声在水中产生的机械效应以及空化引起的高压、强烈冲击波、高速和高剪切力等力学作用，会严重破坏铜绿微囊藻的形态和细胞结构，从而抑制藻类的生长[7].本试验中虽然超声波在初期能够有效地抑制藻类的生长，但是随着超声时间的延长，抑藻效果增加越来越不明显，出现饱和的趋势.在一次辐照后，部分依然存活的藻类，在良好的环境条件下，再次繁殖生长.

而当超声波频率超过一定值时，超声波周期就变短，空化泡形成(特别是在正压相压缩和崩溃等空化过程)的时间就不足，因此发生空化的几率和强度就降低[8].有实验研究表明，超声频率越接近藻类的固有频率，去除效果越好[9].

超声功率的增加能够提高抑藻效果，但是功率过高会影响空化泡的生长，使系统可利用的声场能量反而降低，效果反而有可能会下降，因此从经济环保的角度考虑，超声波抑藻也应该选择低功率.

实验结果显示，超声波辐照，可以抑制藻类的生长，短时间内藻生物量有明显降低.随着超声功率的增加，抑制效果也提高，但又饱和的趋势，在20～60 kHz频率范围内，对藻类抑制影响并不明显.本实验条件下，超声功率180 W，频率为40 kHz，辐照4 min，对铜绿微囊藻的抑制效果最佳.超声波技术高效无污染，抑藻效果显著，具有广阔的应用前景.

[1]陈水勇，吴振明，俞伟波.水体富营养化的形成、危害和防治[J].环境科学与技术，1999，22:11－15.

[2]彭海清，谭章荣，高乃云，等.给水处理中藻类的去除[J].中国给水排水，2002，18(2):29－31.

[3]袁易全.近代超声原理及应用[M].南京:南京大学出版社，1996:170－171.

[4]唐玉霖，高乃云，庞维海.超声波技术在饮用水中应用的研究进展[J].给水排水，2007，33(12):113－118.

[5]LEE T J，NAKANO K，MATSUMARA M.Ultrasonic irradiation for blue－green algae bloom control[J].Environment Technology，2001，22(4):383－390.

[6]彭卫民.微藻生成油气的环境条件控制[D].北京:清华大学博士学位论文，2001，29－31.

[7]姜登岭，倪国葳，高 林，等.低频、低功率超声波抑制藻类生长的效果[J].生态环境学报，2009，18(5):1732－1735.

[8]CUM G，GALLIG，GALLO R，et al.Role of frequency in the ultra－sonic activation of chemical reaction[J].Ultrasonics，1992，30(4):267－270.

[9]潘彩萍，张光明，王 波.超声波除藻动力学研究[J].净水技术，2006，25(6):31－34.