高频交变磁场在藻类去除方面的实验研究

唐铭，冯德仁

(安徽工业大学电气与信息工程学院，安徽马鞍山243000)

高频交变磁场在藻类去除方面的实验研究

唐铭，冯德仁

(安徽工业大学电气与信息工程学院，安徽马鞍山243000)

研究高频交变磁场对水中蓝藻的抑制及去除效果。实验表明，高频交变磁场对循环水样具有很好的杀藻效果，增加磁感应强度、处理时间和脉冲频率可以提高处理效果。实验中，当停留时间为10 min、磁感应强度为500 mT、频率为40 kHz时，磁场对藻类具有比较理想的灭杀效果。 该方法具有一定的应用价值。

高频；交变磁场；藻类去除

0 引言

当今，工业高速发展，各种有机物的排放严重影响了水质，水体的富营养化而形成的藻类“水华”现象，直接威胁人类的健康[1]。藻体的次生代谢产物藻毒素通过食物链影响人的健康，能损害肝脏，具有促癌效应。电磁水处理是一种新型藻类处理技术，它利用电场或磁场作用来抑制藻类和细菌生长。研究表明，高频交变磁场比其他类型的电磁场对生物细胞具有更强的作用效果，在特定条件下对细胞的生长具有明显的抑制作用[2]。本文主要研究了高频正弦交变磁场对藻类的抑制作用和去除效果，并且对影响灭藻效果的参数以及处理机制进行初步探讨。

1 利用磁场去除藻类的基本原理

含藻水体在一定幅度和频率的交变磁场作用下，水体中的正、负离子不断地做往复运动，水偶极子会被反复极化，振荡的磁场也会和水体产生共振，这样就增强了水的活性。磁场力直接作用于藻细胞内的酶，使酶钝化或失活，这样就导致了细胞的死亡。在磁场作用下，生化耗氧量降低，使藻类的营养物质减少，导致藻类死亡速度大于其繁殖速度[3]。

图1 电磁水处理器结构图

图1中，缠绕在水管外壁的线圈，可以等效为电感，则该水处理器主要由高频电源、等效电感及谐振电容组成。工作时，当电源频率等于LC电路的谐振频率时，LC电路处于谐振状态，此时水管上缠绕的励磁线圈将被施加高频正弦信号，在管道中产生交变磁场，利用磁场能量进行水处理，从而达到对水中藻类灭除的效果。

2 高频电源部分

图2中，高频电源的输入端为220 V单相交流电，经过整流电路、滤波电路，由交流电转化为直流电，直流电输入到逆变电路后又转化为具有一定频率的交流电，将此交流电输入到LC串联电路，使串联电路发生谐振，励磁线圈将电能转化为磁场能，从而对藻类进行处理。

图2 高频电源组成框图

图3 藻处理系统主电路图

交变电磁藻处理系统主电路包括不可控整流电路、降压斩波电路、全桥逆变电路和磁场转换电路。如图3所示，C、L、R分别为谐振电容、谐振电感及负载等效电阻，Q1～Q4为MOSFET。220 V工频交流电经过不可控整流电路和降压斩波电路后，转换为24 V直流电压，将此直流电输入全桥逆变电路中，得到高频双极性脉冲信号，将此信号输入RLC串联电路，当双极性脉冲信号频率等于谐振频率时，串联电路发生谐振，在线圈中产生所需要的正弦电磁场[4]。

3 管道内磁场分析

如图4所示，有限长螺线管左端在-Z1处，右端在Z2处，P为螺线管内一点。该螺线管半径为R，单位长度上的匝数为n，通有电流I。在Z轴上坐标为ρ处取宽度为dZ的圆形电流元，则该螺线管在P点的磁感应强度[5]为：

B=Bρρ0+BzZ0

图4 螺线管示意图

在实际操作中，选用有限元软件ANSYS建模,分析不同磁导率材料的管道中磁感线的分布[6]。本实验选取PVC管、铜管、304不锈钢管以及铸铁管作为研究对象，其相对磁导率分别为1、0.99、1.014、300，图5为各管道磁感线分布图。

(a)PVC管

(b)铜管

(c)304不锈钢管

(d)铁管图5 磁感线分布

由上述磁感线分布情况可以看出，铁管的磁感线基本在管道外，这是因为铁管磁导率比水磁导率大得多，磁场中磁导率不同的两种介质的交界面处磁感应强度要发生突变，所以绝大部分磁感线从水管壁内通过，而管道中磁感线很少，即形成了磁场屏蔽。虽然铜管、不锈钢管的磁导率与PVC材料相差不多，但是磁感线也主要分布在管壁中，这是因为铜和不锈钢具有导电性，而交变磁场能够产生变化的电场，当外加电场发生变化时，位移电荷电场与外电场抗衡，而且铜和不锈钢是抗磁质，不会像铁那样具有很大的相对磁导率，所以它们对交变磁场具有一定的屏蔽作用，管道内的感应磁场也相对较小一些。只有相对磁导率为1的PVC水管才能够使较多的磁感线分布在管道中，从而减少磁场能量的外部损耗。

4 实验材料和方法

4.1 实验对象

本实验选用的藻类为颤藻，是分布最广、种类最多的蓝藻，且生长不受季节变化的影响。

4.2 实验装置

实验时，将线圈缠绕在管径为16 cm的PVC水管上，水处理器的工作电压为24 V。图6为交变磁场灭藻的实验装置。

图6 交变磁场灭藻实验系统

4.3 实验方案

灭藻实验用水取自安徽工业大学慧灵湖内，根据水质监测站资料，湖中主要藻类为颤藻和小球藻，颤藻密度为9.7×106个/L。实验温度为25 ℃。使用移液管准确移取5 mL水样注入495 mL水中，作为实验样本。实验溶液中藻含量约为(9.7×106×5×10-3/0.5) 个/L =97 000个/L。

将实验溶液置于水槽内，使水样在系统中循环，对处理后的水样，用胶头滴管取出0.05 ml溶液制成涂片在显微镜下观察，估测藻类数目，重复三次，取平均值。

5 实验结果和讨论

5.1 磁场作用时间对藻类去除效果的影响

图7是在磁场中不同累积停留时间的藻类密度的变化情况。实验中，磁感应强度为200 mT，脉冲频率为10 kHz。从图中可以看出，在磁场中停留2 min的水样和控制样相比，基本一致，而停留了4 min的水样，和控制样相比，藻细胞密度有所下降。停留6 min以上的水样，其藻细胞密度显著下降，藻细胞已经大量死亡。

图7 循环水样藻密度随磁场处理时间的变化

5.2 磁感应强度对藻类去除效果的影响

在不同磁感应强度下，循环水系统中藻密度如图8所示。实验中，循环水样在磁场中停留时间为2 min，脉冲频率为10 kHz。从图中可以看到，当磁感应强度为200 mT时，经磁场处理后的循环水藻密度变化不大，这说明低强度的磁处理对水中藻类影响效果不大。当磁感应强度增加到300 mT时，处理效果有所提升；在500 mT时，藻类细胞的灭杀效果已经非常显著。这说明磁感应强度也是决定去藻效果的因素之一。

5.3 脉冲频率对藻类去除效果的影响

交变磁场对生物体的影响，不仅与磁感应强度和作用时间有关，而且还与脉冲频率有关[7]。实验中，停留时间为2 min，磁感应强度为300 mT。颤藻密度随脉冲频率的变化如图9所示。由图可看见，在20～40 kHz时，藻密度显著下降，说明随着脉冲频率的增加，灭藻效果显著提升。

图8 循环水样藻密度随磁感应强度的变化

6 结论

实验结果表明，使用交变磁场处理循环水，可以有效灭杀水中藻体。增加磁场作用时间、磁感应强度和脉冲频率，可以明显提高除藻效果。本实验中，当停留时间为10 min、磁感应强度为500 mT、脉冲频率为40 kHz时，对蓝藻的灭杀效果最好，水中藻体基本死亡。磁场对于生物体的作用是一个非常复杂的过程，糅合了物理化学生物的变化。当今微处理器技术发展日新月异，通信技术的革命也推动了电力电子技术的快速进步，未来的水处理装置将朝着体积小、效率高、稳定性好、适用性强的方向发展。

[1]顾启华.富营养化水体中藻类水华成因分析与研究[D].天津：天津大学,2006.

[2]周蔚红,张钧.电磁脉冲灭菌研究[J].微波学报,2000,16(3):320-321.

[3]崔凤磊.高频电场磁化水在防垢杀菌方面的研究[J].工业水处理,1997,17(6):20-21.

[4]张英杰,潘超,程亮,等.一种电磁感应水处理器关键技术的研究[J].电源学报,2013(5):93-98.

[5]陈红,侯国栋.长直螺线管的电磁场分析与仿真[J].郑州轻工业学院学报,2013,28(1):101-104.

[6]李所.ECT正问题有限元剖分方法的研究与应用[D].沈阳:东北大学,2007.

[7]李梅,曲久辉,彭永臻.脉冲磁场水处理技术在杀菌灭藻方面的研究[J].环境科学学报,2004,24(2):260-264.

责任编辑：杨子立

Algae Removal by Alternating Magnetic Field with High Frequency

TANG Ming，FENG Deren

(School of Electrical and Information Engineering,Anhui University of Technology,Maanshan 243000)

Cyanobacteria inactivation and removal was made by alternative magnetic field created by sine wave with high frequency.The experiments showed that algae could be killed by the magnetic field,and increase in intensity,retention time and the pulse frequency could improve the effect of the magnetic field.In this experiment,when the duration is 10 minutes,the intensity of the magnetic field is 500 mT and the pulse frequency is 40kHz,producing an ideal algae removal effect.The method has an application value.

high frequency;alternating magnetic field；algae removal

10.3969/j.issn.1671- 0436.2017.02.004

2017- 03-28

唐铭(1993— )，男，硕士研究生。

TM15;X524

A

1671- 0436(2017)02- 0021- 04