超声波除藻系统的开发

超声波除藻系统的开发

项目背景

藻类水华的危害

由于近百年来全球社会及工业的快速发展，人类向湖泊、海洋等水体内排放了大量富含氮、磷的污染物，使得这些水体内氮磷营养盐含量急剧增加，进而导致水体中浮游植物过量生长与繁殖，并引发一系列严重的环境问题。我国约60%的湖泊处于富营养化状态，水体富营养化会使得水体中的一些生物生态活性异常强化，原本的生态平衡遭到严重破坏，水体食物网结构和组成发生改变，尤其是藻类物种组成的改变，引起的最大的环境问题是水华的暴发。

广东省水库蓝藻水华风险较高

广东省地处热带、亚热带地区，温度、湿度、气候非常适合藻类生长，是蓝藻水华易发地区。2011年韩博平等对广东全省 54 座重要供水水库蓝藻水华风险和水体富营养化进行了调查与分析后发现，约70%的水库处于由中营养向富营养的过渡状态，约 20%水库处于富营养状态，广东省重要供水水库水体富营养化程度较高；调查分析结果中蓝藻水华风险较高的水库比例高达 37%（20 座），而正发生蓝藻水华占 22%（12 座）。

国内外运用的除藻技术

在现阶段，治理藻类水华的方法一般分为三种：物理法、化学法和生物法。物理方法花费大量人力物力，治标不治本。化学方法容易造成二次污染，直接威胁鱼类和浮游动物的生存，而且使用量大，大水面施工有一定难度，难以达到标本兼治的目的。生物方法虽然效果很好而且也最持久，但见效较慢，而且使用不当有可能引起湖泊生态系统的变化。超声波除藻技术作为一种环境友好技术，具有操作和控制容易，便于自动化操作，在处理中不引入其他化学物质，反应条件温和，反应速度快等优点。目前国内外超声波除藻设备多采用单频超声波探头，作用于部分藻类，因此除藻效果有限。

意义

有效防御蓝藻水华的出现，提高水域安全

蓝藻水华频频暴发威胁着流域的饮用水安全和灌溉安全，系统可以全自动一体化在线即时监测水中藻类种类、大小、分布等情况，制定出有效地超声波发射模式，从而实时控制藻类密度清除过多藻类，防止蓝藻水华的爆发。

环境友好型除藻系统，不会造成二次污染，同时节约处理的成本

该系统采用的是超声波除藻技术及智能化系统。超声波发射系统对广东省常见的鲢鱼、鳙鱼进行了多次实验，实验证明该系统的超声波发射模式对鲢鱼、鳙鱼的日常生活没有影响；同时超声波除藻设备的超声波发射器是采用向水下向水面斜向上发射的结构，能较大程度减少干扰水生物。智能化系统可以通过巡航船将超声波除藻设备拖动到指定的除藻区域，可以有效地减少了超声波除藻设备的数量，从而节约了处理成本。

创新点

多频率超声波技术

经过大量实验表明，发射超声波能使藻类细胞产生共振，声波持续发生震动使藻类细胞结构产生破损，先将其细胞壁破坏，超声波引起的冲击波、射流、辐射压可以挤压、击穿从而破坏气胞，在适当的震动频率下，气胞成为空化泡而破裂，然后毁灭活性酶，使藻类细胞的内含物逐渐分解，最后使整个细胞死亡并沉淀在水底，经过一段时间超声波的处理后，水底的坏死细胞沉淀物会自动降解。

对于不同的藻类，处理藻类的最佳频段是不同的，这是由于各种藻类的耐受能力是不同的。藻类的耐受能力与藻类的细胞结构、细胞壁的成分有关，导致超声波发生共振的效果不同。实验数据表明，特定频率下，超声波发射器的功率越大，效果越明显；特定功率下，超声波发射出的频率不同，处理藻类的效果也不同。

多频率超声波发射仪提供多个频率工作模式，在同一时段使用不同频率的超声波信号交互工作除藻，使得藻类中叶泡更易迅速被压缩、崩溃、泯灭，达到良好的除藻效果。多个频率超声波技术使超声波的能量叠加，波峰与波谷的间距增大。超声波除藻技术利用特殊频率的超声波所产生的震荡波，由于藻类是单细胞生物，只要破坏藻细胞运性壁、破坏气胞、破坏活酶就能达到完美清除的效果。多个频率作用的超声波除藻技术针对藻类的不同生长特性来进行对症下药，利用多个频率同时工作，具有更有效的治藻效果。

智能化超声波除藻系统

超声波除藻设备有效除藻范围有限，如果将超声波除藻设备固定在水面上，往往需要较多超声波除藻设备；同时藻类的分布随着时间、水流等因素的不同，处理的地方也有所不同。对此，项目组开发出一个能减少除藻设备数量，又能有效控制藻类生长的智能化系统。该系统由智能控制软件、无人机、寻航船和浮标式超声波除藻设备组成。

图1　智能化超声波除藻系统运行模式

图2　智能化超声波除藻系统

图3　操作界面

图4　程序框图

图5　水域水藻分布图及系统生成除藻定点坐标

图6　无人机

智能化超声波除藻系统运行模式

无人机监测到藻类的信息之后会通过互联网实时把数据资料传输到电脑的LabVIEW系统当中，系统会通过藻类的分布情况自动生成除藻定点坐标。当定点坐标位置确认后会自动发送指令到电动船使其拖动设备到定点坐标除藻。全程用电脑控制，体现了自动化、智能化。

打开超声波除藻软件

超声波除藻软件是由LabVIEW开发出来的一个控制超声波除藻系统的一套程序，该程序能智能控制无人机、电动船、浮标式超声波除藻设备。

无人机航拍，获取水域水藻分布情况，绘制出浮标式超声波除藻设备的多个工作坐标

无人机装上了特制的摄像头及水域环境的传感器；无人机接到系统发出的监测指令后，会根据已经设定好的水域飞行路线进行拍摄，特制的摄像头可以通过可见光和近红外波段及其组合的方式提取蓝藻的分布信息，系统根据蓝藻分布信息及设备的相关函数生成浮标式超声波除藻设备的工作坐标。

电动船将浮标式超声波除藻设备拖动到相应的工作坐标

电动船接到系统发出的拖动指令后，电动船将浮标式超声波除藻设备拖动到指定的工作坐标。电动船与浮标式超声波除藻设备采用电磁铁吸附式连接，电动船尾部与浮标外部均有安装牵引电磁铁装置。牵引电磁铁由线圈与铁心组成，通电时产生吸力将电磁能转化为机械能来操动、牵引某机械装置或铁磁性物体已完成预期的操作或控制。当收到牵引指令时，电动船与超声波除藻设备（浮标式）用电磁铁连在一起，电动船到达相应的除藻定点时会自动通电使磁体分离，让超声波除藻设备在定点上工作，当电动船收到反馈指令，便会自动断开牵引电磁铁的电流，与浮漂设备脱离，并沿原规划路线自动返回主控台，进行充电储能。

浮标式超声波除藻设备开始工作

浮标式超声波除藻设备由一个浮标搭载，浮标的水上部分由主控器构成，水下部分由三个超声波探头以及一个支撑结构组成，除此之外，在浮标边缘边还搭载着一个信号接收发射智能马达。而水下装置中的三个超声波探头，不仅能360°全方位无死角的发射多个频率超声波，还可以很大程度上的扩大声波的覆盖区域，提高除藻速率，缩短除藻时间。而位于水下的重心装置不仅可以减少水波与水流对浮标定点的影响，还可以使浮标固定以及悬浮在水面上。

图7　电工船及与电磁铁吸附式连接

图8　浮标式超声波除藻设备水下结构设计图

图9　浮标式超声波除藻设备

图10　观察藻类

多频超声波清除藻类过程

先把超声波探头放入含有蓝藻和绿藻样本的水中，我们实验所选择的超声波功率为2W，而实际运用中除藻则为40W～80W，频率为20kHZ～80kHZ。蓝藻绿藻是单细胞生物，超声波探头会发射超声波能使藻类细胞产生共振，声波持续发生震动使藻类细胞结构由外到内产生破裂，先将其细胞壁破坏，超声波引起的冲击波、射流、辐射压可以挤压、击穿从而破坏气胞，细胞膜随之破坏，在适当的震动频率下，气胞成为空化泡而破裂，释放出自由基，这就是“空化反应”，然后毁灭活性酶，使藻类细胞的内含物逐渐分解，最后导致整个细胞死亡，死亡的细胞残骸会沉在水底，过一段时间以后死亡的细胞会自动降解。

电动船将浮标式超声波除藻设备拖动到下一个工作坐标

系统会根据预先计算好的除藻时间在确保不会对其他生物造成影响的情况下实时计时，当计时器红灯亮起时证明除藻完成。这时，电动船会自动行驶到超声波除藻设备旁，两磁体接上，再把超声波除藻设备拖往下一个除藻定点进行除藻，以此方式循环，达到既节能又高效同时环保无污染的除藻目的。

蓝藻治理效果

1天后，在使用超声波处理的体系中，蓝藻活性变为处理前的3%，由于蓝藻受超声波影响，出现很多的小个的蓝藻细胞，其个体为正常细胞的一半大小，在治理一天后，使用超声波处理的体系变的更浑浊，藻个体中有很多小的蓝藻个体；2天后，尽管藻浓度和细胞个数均较高，但是细胞已不是完整的细胞个体形状，细胞核（蓝藻没核）明显偏小，水体颜色稍微变浅；三天后，处理的体系少见成形的细胞，水体开始清澈，底部有丝状黄色物质出现；5天后，蓝藻生物量处于一个较低的水平，仅为未使用超声波处理体系中的20%左右，且细胞核均较小；到达6天时，处理的体系中无蓝藻个体存在，但仍有少量叶绿素存在，用仪器测量的叶绿素浓度仍然较高，但是藻活性为0。蓝藻在实验室治理中6天基本处理得到较好效果。

应用实践

超声波除藻技术具有非常广的应用前景，这是由于本技术的优势决定的。由前述实验可知，超声波除藻对蓝藻、绿藻有非常好的处理效果，可以避免蓝藻水华爆发产生蓝藻毒素；同时。该技术不仅可以除藻还具有较好的抑制藻类生长的作用。

在珠江三角洲地区，随着经济发展人口增加，废污水排放量不断增加，景观水体湖泊污染不断加重，水体中的氮磷指数偏高，导致水体中经常出现大量的藻类，即破坏了景观又可能产生一定的难闻味道。在景观水体中产生最多的是蓝藻和绿藻， 而超声波对此类藻有非常好的处理效果。可提高水体的透明度，改变水体的外观或者大量漂浮藻类的现象。

使用注意事项，根据实验研究，超声波除藻覆盖要广，无死角；大面积发生蓝藻水华时，先进行打捞或水藻分离，避免过多藻类集中破损沉入水底腐烂。

10.3969/j.issn.1001- 8972.2016.15.030