宽带电磁场除藻技术的试验研究

代淑文 冯德仁

(安徽工业大学电气与信息工程学院 马鞍山 243000)

1 引言

电磁场除藻法是近几年新兴的除藻技术，电场或磁场能够抑制藻类和细菌的生长，以及在微观上藻类的生物细胞会受到一定的损害[1]。电磁场和细胞之间的关系复杂多样，既有抑制效应，又有增殖效应，影响是多层次的。首先它可以将复杂的大分子体系变为简单小分子体系，从而提高分子的反应活度[2-3]。其次磁场和水体之间以相同的频率振荡，产生共振，导致水分子运动强度增加，与水分子键合在一起形成的团状物(H2O)n被解离，解离后水分子再次以新的键合形式结合，形成双分子(H2O2)。双分子相比于团状物活性要高，所以，电磁场作用下的系列反应提高了水的活性，有利于水体恢复正常[4-6]。最后，藻细胞由于高频磁场能量传递到含藻的水体中而受到一定的损害，导致细胞内的各种酶被分解，细胞膜被挤压和贯穿，藻类的生物活性被抑制。

电磁除藻装置大多数采用正弦波的波形[7-10]，但鉴于正弦波频谱的单一性，当采用正弦波磁场进行除藻时，其作用的频率下可能仅有一种藻类对其响应，而在实际水体中，是多种藻类并存的，所以在实际使用时要想取得较好的效果，要求磁场具有一定的带宽。

本文提出了一种采用正负对称高频三角波的方法来提高除藻效果[11-12]，电磁转换的装置采用的是绕制的电感线圈，来实现电场能量向高频磁场能量的转化，然后将磁场能量引至含藻类水体的管道中，直接对藻类进行杀灭处理。由于三角波有大量的高次谐波和宽泛的频谱，相当于藻类被同时置于多种频率的磁场下，相比于单一频率而言多频率磁场可以很好地解决藻类的多样性问题，有利于提高除藻效率。

2 除藻试验装置设计

水的磁化处理需要一定的磁场强度和水流速度。PVC 管道上绕制的电感线圈实现了电场能量向高频磁场能量的转化，提供了一定的磁场强度；采用水泵抽水保证水体循环使水体具有一定的水流速度；流动的水在磁场中受到洛伦兹力，洛伦兹力对水中生物细胞的结构有破坏作用。由于交变磁场下洛伦兹力时刻在变化，藻细胞受到的作用力更加复杂。同时，高频磁场作用下细胞壁通透性大大增强[13]，大量的粒子进入到细胞中，细胞结构遭到破坏。除藻试验装置的设计如图1 所示。

3 三角波谱系分析与电源研制

图2 所示的三角波函数可以表示为

式中，A 为三角波峰值；T 为周期。

对式(1)进行傅里叶展开，可以得到

假设T=1 s，图3 是上述三角波的频谱图，横坐标表示频率(Hz)，纵坐标表示为归一化以后的相对幅值。

由图3 频谱图得，大量的高次谐波存在于三角波中，0.5 Hz 为主频率，明显还存在1.5 Hz、2.5 Hz、3.5 Hz 的附加谱系，即可得三角波具有频谱宽泛的特点。宽泛的频谱产生的多频率磁场可以处理各种类型的藻类，解决了因藻类多样性而导致的除藻不完全问题，除藻效率大大提高。当然实际除藻时其频率要高得多，但三角波的频谱分布趋势不变。

图4 所示为三角波产生电路，其电路是由直流电源Vin经全桥逆变电路，并利用电感的充放电原理来产生三角波电流。电感是一个惯性元件，流经其电流不会发生突变，在一段时间内电流是呈线性的增长或下降趋势，线性的增长或下降即可近似的看成三角波电流。全桥逆变的控制方式采用上下桥臂互补导通且包含死区的PWM 控制，当t 较小逐渐趋于零时其充电回路电流方程表示为

由式(3)可知，当t 趋于零，回路电流iL与时间t 成线性关系，斜率为E/L。线圈的最大电流为

式中，E 为全桥逆变输出AB 端的交流电压；wT 为开关导通的脉冲宽度。

运用Matlab 软件对三角波产生电路进行仿真分析，器件仿真参数为：Vin=24 V，L=50 μH，R= 1 Ω，工作频率为20 kHz，占空比为0.5，仿真结果如图5 所示。

由仿真结果可得，全桥逆变电路经电感充放电三角波电源的设计可以产生稳定的正负对称的三角波电流。

图6 为通过全桥逆变电路产生的频率为50 kHz正负对称的三角波示波器实测波形。图7 为线圈模型。

4 线圈中磁场分布

假定线圈为密绕，不计漏磁，图7 模型的线圈中磁场分布可以计算出[14]

由于存在磁场屏蔽，分别对PVC 管、铜管、不锈钢管、铁管的磁场强度分布进行磁场仿真，仿真结果如图8 所示(由左到右)。

由仿真结果可得，相对磁导率接近于1 的PVC管和铜管的管道内磁感应强度较大，相对磁导率较大的铁管管道内磁场强度较小，因此本试验管道材质选用磁感应强度较大的PVC 管。

5 除藻试验

除藻装置如图1 所示，本文设计的频率变化范围为20～60 kHz。根据磁场仿真，试验用的管道采用PVC 管。

5.1 设备选型

(1) 水泵选型。

本文采用水泵抽水实现除藻装置的水体循环，水泵选型从工艺参数、输送液体性能以及现场使用环境三方面来考虑。对于流量为1 500 L/h，扬程为2 m，输送液体可能为淡水海水而言，液体流过的部件应选用非金属材料，如陶瓷、石墨等。综上分析选用森森旗下JTP-1800 型水泵，表1 为JTP-1800型水泵的性能参数。该型水泵转轴为陶瓷材质，适合淡水海水以及酸碱度高的污水。

表1 JTP-1800 性能参数

(2) PVC 管道选型。

PVC 管道选用公称直径d=50 mm，壁厚e= 2 mm。

5.2 藻种选择

为了避免从自然中选取的污水藻类数量随机性对试验结果的影响以及更直观地看到试验现象，本试验选用藻种培养的方式提供藻类环境，藻种选用细胞结构简单易于培养的单细胞藻类——小球藻。

小球藻是单细胞真核生物，三层细胞壁，细胞分裂形式是一个分裂为四个，生长繁殖速度极快。在自然界中广泛存在，其中淡水水域中种类居多。

由于工业废水的排放，大量氮磷元素排放于水体中，导致水体的富营养化，浮游生物骤然增长，引起海洋的赤潮现象、淡水水域的水华现象[15]。淡水中蓝藻是水化现象的主要原因。蓝藻没有细胞核，细胞中央含有核物质，没有核膜和和核仁，称其为原核生物。其结构比小球藻结构简单，即如果本文的设计对小球藻起到杀灭作用，则处理蓝藻效果更好。

5.3 试验设置

5.3.1 试验综述

(1) 藻种培养。将1 L 小球藻藻种和1 L 自来水混合，恒温25℃静置培养2 天，分析溶液中藻细胞数目。

(2) 用滴管取0.5 mL 溶液，显微镜下观察藻细胞的数目，根据藻细胞数目计算公式近似得到整个培养皿中藻细胞数目。将藻种培养液倒入水桶中，进行除藻试验。

(3) 设置对比样，分别测量无磁场作用小球藻自然生长5 min、10 min、15 min 下的藻细胞个数，重复试验三次，选取平均值。

(4) 分别测量磁场频率在20 kHz、30 kHz、40 kHz、50 kHz、60 kHz 时，5 min、10 min、15 min后的藻细胞数目，找出频率与灭藻率的关系。最后进行改进的自动调频试验。

5.3.2 试验平台

试验平台的搭建如图9 所示。调压器提供工频交流电源，其经降压变压器和整流滤波电路后输出24 V 直流电加在全桥逆变电路和RL 负载上，L 为绕制在PVC 管道上的绕制电感，R 为1 Ω 功率电阻，并将示波器探头夹其两端以观察试验波形。PVC 管道的出水口和入水口放入水桶中，水桶中放有JTP-1800 型水泵，以此实现水体的循环。

5.3.3 初步试验

图10a 是小球藻藻种在恒温25 ℃培养2 天的状态。图10b 是滴管取0.5 mL 溶液在显微镜下放大80 倍后的藻细胞分布图。

由图10a 可以观察到，溶液中有很多絮状物和沉淀物即表明小球藻在2 天内迅速增长繁殖。图10b可大致数得显微镜下取样0.5 mL 的液体中藻细胞数量大约有50 个。藻细胞个数=液体比例×取样观察数目×显微镜放大倍数，由此计算公式可以近似得到整个培养皿中藻细胞数目(文中藻细胞分布图均为显微镜放大80 倍后的效果图)。

5.4 试验结果与讨论

5.4.1 对比样

首先对对比样进行观察，观察结果列于表2 中。由表2 结果可得小球藻在适宜的环境自然生长下，其生长和繁殖速度惊人。15 min 后藻细胞的增长率就达到了89.7%。由于磁场对细胞的增殖既有促进作用又有抑制作用，所以磁场频率的选择决定除藻还是助于藻类增殖。根据查阅文献，本试验先选用频率为20 kHz 进行试验。

5.4.2 20 kHz 试验样

磁场频率为20 kHz 时，分别观察0、5 min、10 min 和15 min 后，显微镜下看到的结果见表2。

由表2 中显微镜计数图可以看到，在20 kHz的磁场频率下，随着时间的增加，藻细胞的数目在逐渐减少。即表明20 kHz 的磁场频率对藻细胞的增殖具有抑制作用，交变的三角波磁场可以实现除藻效果。下面为了提高除藻效率，通过调节频率进行除藻试验，找到除藻效率最高对应的最佳频率。

表2 对比样与20 kHz 试验样

5.4.3 综合分析

表3 为磁场频率分别在20 kHz、30k Hz、40 kHz、50 kHz、60 kHz 下的除藻试验数据。图 11 用折线图的方式直观的将表3 中灭藻率和频率的关系呈现。

由表3 和图11 可得，在适当的频率范围内，频率越高，藻体去除率越高。试验中在20～50 kHz范围内，随着频率增加，藻体去除率增加；在50～60 kHz，频率增加，藻体去除率降低，由此可得50 kHz 的除藻效率最高。

5.5 改进方案

本文在控制部分写入了自动调频程序，频率下限为20 kHz，上限为60 kHz，初值为20 kHz，每5 min 频率自动增加5 kHz。从20～60 kHz 整个调频过程历时40 min，图12 为调频试验前后显微镜(放大倍数为80)下藻细胞数目对比图。

由图12 易见，经40 min 调频试验后，藻细胞数目基本为0，絮状凝聚物和沉淀物也基本消失。即表明改进下的自动扫频模式比施加单一频率藻类去除效果更好。

5.6 工频对比

将工频24 V 电源直接连接电感线圈和限流电阻，通过改变电阻大小使得其电流与20 kHz 试验下电流相同，试验计时10 min。图13 为试验前后显微镜(放大倍数为80)下的藻类分布对比图。

由试验前后对比图可以看出，工频下的磁场对藻类的去除没有作用，其状态与表2 小球藻自然生长下的细胞分裂状态类似，即表明工频磁场没有抑制藻细胞的增殖，频率对藻细胞的状态有很大的影响。

表3 试验总体数据

6 结论

本文基于藻类生长对于磁场频率的敏感性，研究了运用频谱宽泛的正负对称三角波产生的磁场对藻类进行去除，设计了三角波发生装置，并利用Simulink 对三角波产生电路进行仿真，搭建了试验平台，进行了不同磁场频率下的除藻试验，通过仿真波形和显微镜下藻细胞数目的变化可以得到以下结论。

(1) 三角波电源的设计可以产生稳定的正负对称的三角波电流。不同磁场频率试验下显微镜中藻细胞数目的变化，证实了三角波磁场除藻的可行性和有效性，找到了除藻效率最高对应的最佳频率。自动调频实验表明扫频模式比施加单一频率的藻类去除效果更好。

(2) 对藻处理的情况不能进行实时采集和反馈，需要合适的传感器设计一套完善的闭环装置，提高装置整体的工作效率。