超聲除藻動(dòng)力學(xué)研究

凈水技術(shù)WATER PURIFICATION TECHNOLOGY Vol 25 No. 62006超聲除藻動(dòng)力學(xué)研究潘彩萍1張光明2王波3(1.中國城市建設研究院深圳分院,廣東深圳518048;2.清華大學(xué)深圳研究生院,廣東深圳51805;3.深港產(chǎn)學(xué)研環(huán)境技術(shù)中心,廣東深圳518057)摘要研究了超聲波對不同藻類(lèi)的即時(shí)去除,證明超聲波可以安全、高效地去除藻類(lèi)。5min的超聲處理后,藻液的顏色明顯從綠變黃,吸光值下降。80kHz超聲作用9min即可降低銅綠微囊藻細胞濃度25%左右,并且去除過(guò)程符合一級動(dòng)力學(xué)反應規律,速率常數為003006min。在80kHz的頻率下,超聲處理的最佳功率為80w,最適宜溫度為4-3℃。在輸入總能量相同的條件下,增加處理頻次,更有利于藻的即時(shí)去除。超聲頻率越接近藻的固有頻率,去除效果越好。關(guān)鍵詞藻超聲波去除Kinetic Study on Utrasonic algae RemovalPan CailChina Urban Construction& Research Institute, Shenzhen 518048, China; 2. Shenzhen Graduate SchooL,Tsinghua University, Shenzhen 518055, China: 3. Environmental Technology Center,Shenzhen-Hongkong Institution Industry, Education Reseach, Shenzhen 518057, China)Abstract The ultrasonic removal of various algae species was studied. The results confirmed ultrasonic wasand effective way to algae removaL. About 25% algae were removed by 9 mins irradiation of 80kHz ultrasound, and theprocess followed the first order reaction, and the rate constant was 0.03006/min. The optimal working power was 80w, andthe optimum temperature was 24-33C under 80kHz. The increasing of the treatment frequeney is propitious to theremoval of algae at same inputting equivalent energy conditionds algae ult隨著(zhù)社會(huì )工業(yè)化進(jìn)程的加快,人類(lèi)在工農業(yè)生“水華”爆發(fā)的目的“。本文主要研究超聲波機械效產(chǎn)以及日常生活中,向水體中排入大量的含氮、磷的應對藻類(lèi)的即時(shí)去除,探討超聲除藻的最優(yōu)條件,以污染物,加速了湖泊、水庫的富營(yíng)養化進(jìn)程。在富營(yíng)便能夠將超聲波技術(shù)引入到水廠(chǎng)處理中,安全、經(jīng)濟養化的水體中,藻類(lèi)大量繁殖,形成“水華”,消耗地提高富營(yíng)養化水源水的處理效果。水中溶解氧,散發(fā)惡臭,破壞水環(huán)境的生態(tài)平衡。在1材料和方法飲用水的生產(chǎn)中,高藻水源水堵塞濾池,增加反沖洗1.1藻種選擇及培養水量;影響混凝沉淀效果,影響出水濁度。目前水廠(chǎng)實(shí)驗選用銅綠微囊藻與鈍頂螺旋藻。銅綠微糞常用除藻單元工藝主要有化學(xué)藥劑法、氣浮法、直接藻是藍藻“水華”的優(yōu)勢代表種,球狀,具有偽空胞過(guò)濾法和生物處理法等,但是在安全性、經(jīng)濟性、鈍頂螺旋藻為多細胞的絲狀藻體,作為絲狀體形態(tài)除藻效率等方面并不能完全達到要求?！八A”藍藻的代表。藻種購自中國科學(xué)院水生生物超聲波技術(shù)是近年來(lái)發(fā)展起來(lái)的一門(mén)新型的環(huán)研究所,微囊藻編號為 fache-315,螺旋藻編號為境技術(shù),被稱(chēng)為環(huán)境友好技術(shù),具有便于引進(jìn)自動(dòng)fach790培養溫度為25℃光照強度為2000光化操作手段,在處理中不引入其他的化學(xué)物質(zhì),反應周期中國煤化工為BCl1培養液與速度快等優(yōu)點(diǎn)。目前有學(xué)者研究利用超聲波的空化ZaroCNMHG效應來(lái)抑制自然水體中藻類(lèi)的生長(cháng),從而達到控制12活細胞生物量的測定與細胞活性的檢測31超聲除藻動(dòng)力學(xué)研究Vol.25No.62006藍藻的細胞干重和懸浮液吸光度具有良好的線(xiàn)2結果與討論性關(guān)系,因此本文以藍藻懸浮液的吸光度(OD)值作21可行性驗證為活細胞生物量(藻濃度、細胞密度)的度量標準。其超聲波能夠在很短的時(shí)間內大量地去除水體中中,銅綠微囊藻的活細胞生物量用684mm吸光度的藻類(lèi)主要源于其機械效應,即在空化泡破裂過(guò)程(OD)表示,鈍頂螺旋藻的活細胞生物量用560m中產(chǎn)生的高速射流、強烈沖擊波以及剪切力等導致吸光度(OD∞)表示冂。藍藻懸浮液的吸光度用752藻細胞特別是藻類(lèi)的氣囊結構劇烈的破壞。為了驗型紫外可見(jiàn)分光光度計測定,取三次測量結果的平證超聲除藻的可行性,采用20kHz,80W超聲處理銅均值。綠微囊藻5min,藻液的顏色明顯變黃,吸光值由藻細胞活性測定采用分子探針 Live/Dead0.150變化為0.116,說(shuō)明超聲波確實(shí)可以有效地去Baclight染色。操作步驟為將30-50μ L Live/dead除水體中的藻類(lèi)。Baclight,與lmL樣品充分混合,黑暗中靜置用高倍的顯微鏡觀(guān)察超聲處理前后的螺旋藻15min,取5樣品于熒光顯微鏡下觀(guān)察,熒光顯微可以更直觀(guān)的看出超聲波對藻類(lèi)的破壞作用,如圖鏡型號為 OLYMPUS-X71型。1所示,顯微鏡放大倍數為640倍。螺旋藻是多細胞13超聲反應器的絲狀藻體,經(jīng)超聲作用之后,藻體碎裂成個(gè)體比較80kHz超聲反應器采用昆山市超聲儀器有限公小的片斷。進(jìn)一步通過(guò)熒光染色觀(guān)察,超聲作用后的司KQ-80TBE型功率可調式槽式超聲清洗器,其它螺旋藻已經(jīng)大部分被滅活,如圖2所示。頻率超聲反應器為自制。22超聲除藻動(dòng)力學(xué)研究圖1超聲處理鈍頂螺旋藻5mn前后對比圖3所示?？梢园l(fā)現,超聲對銅綠微囊藻的即時(shí)去除反應屬于一級反應,反應速率常數k值為003006min,如圖4所示。0.270.21圖2超聲處理鈍頂螺旋藻的熒光顯微照片中國煤化工為研究不同超聲處理時(shí)間對藻類(lèi)的即時(shí)去除情況,采用8kHz,80w超聲輻照銅綠微囊藻液,每CNMHG濃度變化lmin取一次樣用顯微鏡計數法檢測藻細胞濃度,如23超聲頻率的影響凈水技術(shù)Vol.25No.62006eE-0.2-0.35y=-003006x+471233E-05R=0.998502468101214功率w處理時(shí)間/min圖6超聲功率的影響圖4超聲處理反應動(dòng)力學(xué)曲線(xiàn)處理頻次越高,對于藻類(lèi)的即時(shí)去除越為有利,作用選擇20kHz、150kHz和270kHz三個(gè)超聲頻段,lmin-間隔lmin組比連續作用組的即時(shí)去除效果提調整聲功率同樣為50W,分別輻照鈍頂螺旋藻液,高59.09%。將超聲波技術(shù)引入到水廠(chǎng)的處理工藝如圖5所示。文獻表明,螺旋藻的固有頻率在中,可以考慮沿水廠(chǎng)的進(jìn)水管道布置一系列的超聲300k左右,也就是說(shuō)超聲頻率越接近300kHz,超探頭,增加進(jìn)廠(chǎng)原水的超聲處理頻次,可強化藻類(lèi)的聲對藻類(lèi)的去除作用就應該更好,實(shí)驗驗證這一推去除效率。斷。270kHz頻率段的處理效果明顯好于其他的兩個(gè)0.24一連續作用9頻率段。作用3min間隔1mi0.23·…作用2min間隔lmin20kHze90.225作用1min間隔1min備.50kHz0.22014·270kHz0.215≌0.12思0.088910處理時(shí)間/min0.04圖7不同處理模式的影響0.0226溫度的影響處理時(shí)間/min不同的溫度下,超聲波機械效應、藻類(lèi)的氣胞結圖5超聲頻率的影響構、藻類(lèi)吸收超聲情況均有所差別,由此引發(fā)超聲波24超聲功率的影響對于藻類(lèi)即時(shí)去除率的差異。實(shí)驗中采用100mL藻調節本實(shí)驗超聲裝置不同的功率分別輻照銅綠液21份,分別在20-40℃范圍內的不同溫度下以80微囊藻液9min,不同功率下藻的即時(shí)去除率如圖6kHz,80W的超聲輻照2min。超聲在不同溫度下對藻所示?？梢园l(fā)現,隨著(zhù)功率的提高,藻的去除率也隨之升高,超聲功率為80W時(shí)的去除效果比32W時(shí)提高4%。同時(shí)發(fā)現,隨著(zhù)功率的提高超聲處理對藻液濁度的去除效果也隨之提高。但是隨著(zhù)超聲功率的提高,是否會(huì )帶來(lái)藻破壞引發(fā)的藻毒素的釋放選擇合適的處理時(shí)間和處理功率的組合,在不引起藻毒素升高的前提下最大限度的提高藻類(lèi)去除率,將是下一步繼續研究的重點(diǎn)。2.5不同處理模式的影響中國煤化工-3540實(shí)驗中發(fā)現不同的超聲處理模式對銅綠微囊藻CNMHG的即時(shí)去除率的去除率影響很大,如圖7所示。由圖中可以看出,下轉第50頁(yè))33-改善法國圖盧茲自來(lái)水廠(chǎng)沉淀池出水水質(zhì)的實(shí)驗研究Va25N6206表1兩種方案費用比較水的濁度、溫度、pH值、導電率和有機物含量是對試方案1劑效果有很大影響的,在河流漲水期的水質(zhì)適用于FL4440投加量/(mgL怎樣的試劑,我們還要通過(guò)實(shí)驗來(lái)確定。日用量/td)產(chǎn)品單價(jià)e口)參考資料天試劑費用(ed)400I Memento technique de l'eau. Degremont-2005, Suez 10 Edition,司所提供的11種試劑效果都沒(méi)有如宣傳中有效,水Librairie lavoisier france廠(chǎng)決定不采用。2 L'analyse de l'eau: eaux naturelles, eaux residuaires, eau de mer對于助凝劑部分,有6種助凝劑的效果較好3 Chimie et Traitement des eaux, inner document in the Veolia(AN905,AN910,AH912,AN920,LT20和LT25)最佳投加量為0.05mg/L,通過(guò)這些助凝劑的作用,得4" Influence de la qualite d'une eau sur lefficacite de la到的絮凝體體積更大,沉降效果更好。但因為該六種coagulation par le sulfate d'aluminium, -1986 Bazer-Bachi, These助凝劑之間的差別不大,因此在適當的條件下,水廠(chǎng)de doctorat INSAT, Universite Paul Sabatier, Toulouse, france5嚴煦世,范瑾初主編給水工程第4版M,199北京:中國建會(huì )將這些試劑投入水廠(chǎng)運行,通過(guò)實(shí)際運行的結果筑工業(yè)出版社來(lái)確定和選擇哪一種試劑能夠得到最好的沉淀出水水質(zhì)收稿日期:20063-31最后要提出的是對漲水期水質(zhì)的實(shí)驗研究。原第一作者簡(jiǎn)介:陶凌(1980),女,2006年8月畢業(yè)于同濟大學(xué),2004年8月2006年1月在法國巴黎國立農業(yè)學(xué)院學(xué)習。(上接第33頁(yè))的去除率如圖8所示。從圖中可以看出,在24-33℃參考文獻范圍內,2min藻的去除率穩定在5.5%~7%之間,明1陳水勇吳振明俞偉波,水體富營(yíng)養化的形成、危害和防治顯高于20-24℃和33-38℃范圍內藻的去除率,而當環(huán)境與科學(xué)技術(shù),192221-15溫度超過(guò)38時(shí)藻的去除率進(jìn)一步上升。但是由于2彭海清譚章榮高乃云等給水處理中藻類(lèi)的去除U中國給湖泊、水庫等水體中藻類(lèi)“水華”現象的爆發(fā)一般是水排水,2002,18(2)29-31在15-30°℃之間,所以超聲波對于藻類(lèi)的去除最適3袁易全.近代超聲原理與應用M南京:南京大學(xué)出版社宜的溫度宜在24-33℃范圍內4 Lee, T.. Nakano, K, Matsumara, M. Ultrasonic Irradiation for3結論Blue-Green Algae Bloom Control[J]. Environ. Technol., 2001, 22:超聲波對銅綠微囊藻的即時(shí)破壞主要源于局部383-390高壓、強烈沖擊波、高速聲流和高剪切力等力學(xué)機51.T,Nkn,k. and Matsumara, M. A Novel Strategy for制。在超聲波的作用下,藻生物量在短時(shí)間內迅速降Cyanobacterial Bloom Control by Ultrasonic Irradiation([].Watersci. Technol,200246(67):207-215低,其去除過(guò)程符合一級反應動(dòng)力學(xué)規律。隨著(zhù)功率6 Nakano, K, Lee, TF, Matsumura, M. In Situ algal Bloom的增加藻的去除率也相應增加。在輸入總能量相同Control by the Integration of Ultrasonic Radiation and Jet的情況下,提高處理的頻次,更有利于藻類(lèi)的即時(shí)去Circulation to Flushing [J]. Environ. Sci. Technol., 2002,35除。本實(shí)驗條件下超聲處理藻的即時(shí)去除速率常數為0.03006min,最佳功率為80w,最適宜溫度為24~7彭衛民.微藻生成油氣的環(huán)境條件控制[D]北京:清華大學(xué)博33℃。同時(shí)發(fā)現,超聲處理對藻液濁度的去除也有士學(xué)位論文,200129-318吳敏生用于三峽移民區域水處理的柔性功率超聲新技術(shù)研究定的作用,所以將超聲波技術(shù)引入到給水處理中,用于強化富營(yíng)養化水源水的處理效果,必將有著(zhù)廣闊中國煤化工的前景。CNMHG第一作者簡(jiǎn)介:潘彩萍(1973-),女,199年畢業(yè)于蘇州城建環(huán)保學(xué)院給水排水工程專(zhuān)業(yè)獲學(xué)士學(xué)位現為工程師