超声除藻动力学研究

净水技术WATER PURIFICATION TECHNOLOGY Vol 25 No. 62006超声除藻动力学研究潘彩萍1张光明2王波3(1.中国城市建设研究院深圳分院,广东深圳518048;2.清华大学深圳研究生院,广东深圳51805;3.深港产学研环境技术中心,广东深圳518057)摘要研究了超声波对不同藻类的即时去除,证明超声波可以安全、高效地去除藻类。5min的超声处理后,藻液的颜色明显从绿变黄,吸光值下降。80kHz超声作用9min即可降低铜绿微囊藻细胞浓度25%左右,并且去除过程符合一级动力学反应规律,速率常数为003006min。在80kHz的频率下,超声处理的最佳功率为80w,最适宜温度为4-3℃。在输入总能量相同的条件下,增加处理频次,更有利于藻的即时去除。超声频率越接近藻的固有频率,去除效果越好。关键词藻超声波去除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随着社会工业化进程的加快,人类在工农业生“水华”爆发的目的“。本文主要研究超声波机械效产以及日常生活中,向水体中排入大量的含氮、磷的应对藻类的即时去除,探讨超声除藻的最优条件,以污染物,加速了湖泊、水库的富营养化进程。在富营便能够将超声波技术引入到水厂处理中,安全、经济养化的水体中,藻类大量繁殖,形成“水华”,消耗地提高富营养化水源水的处理效果。水中溶解氧,散发恶臭,破坏水环境的生态平衡。在1材料和方法饮用水的生产中,高藻水源水堵塞滤池,增加反冲洗1.1藻种选择及培养水量;影响混凝沉淀效果,影响出水浊度。目前水厂实验选用铜绿微囊藻与钝顶螺旋藻。铜绿微糞常用除藻单元工艺主要有化学药剂法、气浮法、直接藻是蓝藻“水华”的优势代表种,球状,具有伪空胞过滤法和生物处理法等,但是在安全性、经济性、钝顶螺旋藻为多细胞的丝状藻体,作为丝状体形态除藻效率等方面并不能完全达到要求。“水华”蓝藻的代表。藻种购自中国科学院水生生物超声波技术是近年来发展起来的一门新型的环研究所,微囊藻编号为 fache-315,螺旋藻编号为境技术,被称为环境友好技术,具有便于引进自动fach790培养温度为25℃光照强度为2000光化操作手段,在处理中不引入其他的化学物质,反应周期中国煤化工为BCl1培养液与速度快等优点。目前有学者研究利用超声波的空化ZaroCNMHG效应来抑制自然水体中藻类的生长,从而达到控制12活细胞生物量的测定与细胞活性的检测31超声除藻动力学研究Vol.25No.62006蓝藻的细胞干重和悬浮液吸光度具有良好的线2结果与讨论性关系,因此本文以蓝藻悬浮液的吸光度(OD)值作21可行性验证为活细胞生物量(藻浓度、细胞密度)的度量标准。其超声波能够在很短的时间内大量地去除水体中中,铜绿微囊藻的活细胞生物量用684mm吸光度的藻类主要源于其机械效应,即在空化泡破裂过程(OD)表示,钝顶螺旋藻的活细胞生物量用560m中产生的高速射流、强烈冲击波以及剪切力等导致吸光度(OD∞)表示冂。蓝藻悬浮液的吸光度用752藻细胞特别是藻类的气囊结构剧烈的破坏。为了验型紫外可见分光光度计测定,取三次测量结果的平证超声除藻的可行性,采用20kHz,80W超声处理铜均值。绿微囊藻5min,藻液的颜色明显变黄,吸光值由藻细胞活性测定采用分子探针 Live/Dead0.150变化为0.116,说明超声波确实可以有效地去Baclight染色。操作步骤为将30-50μ L Live/dead除水体中的藻类。Baclight,与lmL样品充分混合,黑暗中静置用高倍的显微镜观察超声处理前后的螺旋藻15min,取5样品于荧光显微镜下观察,荧光显微可以更直观的看出超声波对藻类的破坏作用,如图镜型号为 OLYMPUS-X71型。1所示,显微镜放大倍数为640倍。螺旋藻是多细胞13超声反应器的丝状藻体,经超声作用之后,藻体碎裂成个体比较80kHz超声反应器采用昆山市超声仪器有限公小的片断。进一步通过荧光染色观察,超声作用后的司KQ-80TBE型功率可调式槽式超声清洗器,其它螺旋藻已经大部分被灭活,如图2所示。频率超声反应器为自制。22超声除藻动力学研究图1超声处理钝顶螺旋藻5mn前后对比图3所示。可以发现,超声对铜绿微囊藻的即时去除反应属于一级反应,反应速率常数k值为003006min,如图4所示。0.270.21图2超声处理钝顶螺旋藻的荧光显微照片中国煤化工为研究不同超声处理时间对藻类的即时去除情况,采用8kHz,80w超声辐照铜绿微囊藻液,每CNMHG浓度变化lmin取一次样用显微镜计数法检测藻细胞浓度,如23超声频率的影响净水技术Vol.25No.62006eE-0.2-0.35y=-003006x+471233E-05R=0.998502468101214功率w处理时间/min图6超声功率的影响图4超声处理反应动力学曲线处理频次越高,对于藻类的即时去除越为有利,作用选择20kHz、150kHz和270kHz三个超声频段,lmin-间隔lmin组比连续作用组的即时去除效果提调整声功率同样为50W,分别辐照钝顶螺旋藻液,高59.09%。将超声波技术引入到水厂的处理工艺如图5所示。文献表明,螺旋藻的固有频率在中,可以考虑沿水厂的进水管道布置一系列的超声300k左右,也就是说超声频率越接近300kHz,超探头,增加进厂原水的超声处理频次,可强化藻类的声对藻类的去除作用就应该更好,实验验证这一推去除效率。断。270kHz频率段的处理效果明显好于其他的两个0.24一连续作用9频率段。作用3min间隔1mi0.23·…作用2min间隔lmin20kHze90.225作用1min间隔1min备.50kHz0.22014·270kHz0.215≌0.12思0.088910处理时间/min0.04图7不同处理模式的影响0.0226温度的影响处理时间/min不同的温度下,超声波机械效应、藻类的气胞结图5超声频率的影响构、藻类吸收超声情况均有所差别,由此引发超声波24超声功率的影响对于藻类即时去除率的差异。实验中采用100mL藻调节本实验超声装置不同的功率分别辐照铜绿液21份,分别在20-40℃范围内的不同温度下以80微囊藻液9min,不同功率下藻的即时去除率如图6kHz,80W的超声辐照2min。超声在不同温度下对藻所示。可以发现,随着功率的提高,藻的去除率也随之升高,超声功率为80W时的去除效果比32W时提高4%。同时发现,随着功率的提高超声处理对藻液浊度的去除效果也随之提高。但是随着超声功率的提高,是否会带来藻破坏引发的藻毒素的释放选择合适的处理时间和处理功率的组合,在不引起藻毒素升高的前提下最大限度的提高藻类去除率,将是下一步继续研究的重点。2.5不同处理模式的影响中国煤化工-3540实验中发现不同的超声处理模式对铜绿微囊藻CNMHG的即时去除率的去除率影响很大,如图7所示。由图中可以看出,下转第50页)33-改善法国图卢兹自来水厂沉淀池出水水质的实验研究Va25N6206表1两种方案费用比较水的浊度、温度、pH值、导电率和有机物含量是对试方案1剂效果有很大影响的,在河流涨水期的水质适用于FL4440投加量/(mgL怎样的试剂,我们还要通过实验来确定。日用量/td)产品单价e口)参考资料天试剂费用(ed)400I Memento technique de l'eau. Degremont-2005, Suez 10 Edition,司所提供的11种试剂效果都没有如宣传中有效,水Librairie lavoisier france厂决定不采用。2 L'analyse de l'eau: eaux naturelles, eaux residuaires, eau de mer对于助凝剂部分,有6种助凝剂的效果较好3 Chimie et Traitement des eaux, inner document in the Veolia(AN905,AN910,AH912,AN920,LT20和LT25)最佳投加量为0.05mg/L,通过这些助凝剂的作用,得4" Influence de la qualite d'une eau sur lefficacite de la到的絮凝体体积更大,沉降效果更好。但因为该六种coagulation par le sulfate d'aluminium, -1986 Bazer-Bachi, These助凝剂之间的差别不大,因此在适当的条件下,水厂de doctorat INSAT, Universite Paul Sabatier, Toulouse, france5严煦世,范瑾初主编给水工程第4版M,199北京:中国建会将这些试剂投入水厂运行,通过实际运行的结果筑工业出版社来确定和选择哪一种试剂能够得到最好的沉淀出水水质收稿日期:20063-31最后要提出的是对涨水期水质的实验研究。原第一作者简介:陶凌(1980),女,2006年8月毕业于同济大学,2004年8月2006年1月在法国巴黎国立农业学院学习。(上接第33页)的去除率如图8所示。从图中可以看出,在24-33℃参考文献范围内,2min藻的去除率稳定在5.5%~7%之间,明1陈水勇吴振明俞伟波,水体富营养化的形成、危害和防治显高于20-24℃和33-38℃范围内藻的去除率,而当环境与科学技术,192221-15温度超过38时藻的去除率进一步上升。但是由于2彭海清谭章荣高乃云等给水处理中藻类的去除U中国给湖泊、水库等水体中藻类“水华”现象的爆发一般是水排水,2002,18(2)29-31在15-30°℃之间,所以超声波对于藻类的去除最适3袁易全.近代超声原理与应用M南京:南京大学出版社宜的温度宜在24-33℃范围内4 Lee, T.. Nakano, K, Matsumara, M. Ultrasonic Irradiation for3结论Blue-Green Algae Bloom Control[J]. Environ. Technol., 2001, 22:超声波对铜绿微囊藻的即时破坏主要源于局部383-390高压、强烈冲击波、高速声流和高剪切力等力学机51.T,Nkn,k. and Matsumara, M. A Novel Strategy for制。在超声波的作用下,藻生物量在短时间内迅速降Cyanobacterial Bloom Control by Ultrasonic Irradiation([].Watersci. Technol,200246(67):207-215低,其去除过程符合一级反应动力学规律。随着功率6 Nakano, K, Lee, TF, Matsumura, M. In Situ algal Bloom的增加藻的去除率也相应增加。在输入总能量相同Control by the Integration of Ultrasonic Radiation and Jet的情况下,提高处理的频次,更有利于藻类的即时去Circulation to Flushing [J]. Environ. Sci. Technol., 2002,35除。本实验条件下超声处理藻的即时去除速率常数为0.03006min,最佳功率为80w,最适宜温度为24~7彭卫民.微藻生成油气的环境条件控制[D]北京:清华大学博33℃。同时发现,超声处理对藻液浊度的去除也有士学位论文,200129-318吴敏生用于三峡移民区域水处理的柔性功率超声新技术研究定的作用,所以将超声波技术引入到给水处理中,用于强化富营养化水源水的处理效果,必将有着广阔中国煤化工的前景。CNMHG第一作者简介:潘彩萍(1973-),女,199年毕业于苏州城建环保学院给水排水工程专业获学士学位现为工程师