水力超声空化协同灭活压载水中微藻的研究

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摘 要：船舶压载水异域排放已经威胁很多国家的海岸生态环境，人类的安全和健康。为了在船舶压载水排放前就对其中的微生物进行灭活处理，该文自制了水力超声空化装置，并研究其对船舶压载水中的典型藻类异弯藻的灭活效果，探讨了超声波脉冲时间对灭活效果的影响。经研究表明，超声波能和水力空化协同作用，在离心泵频率为35Hz，作用60min之后，超声波脉冲时间为5s和8s的灭活效果较好，灭活率分别达到68.83%和68.52%。该技术在压载水处理领域有很好的应用前景。把该技术实际用于处理现实生活中大规模的压载水，还需要进一步研究。

关键词：船舶压载水 水力超声空化 离心泵频率 脉冲时间 灭活率

中图分类号：O426 文献标识码：A 文章编号：1672-3791（2015）04（b）-0113-01

船舶作为海上主要的运输工具，在国际贸易方面发挥了巨大的作用。然而，船舶压载水中的微生物如果不经处理就当地排放，就会污染当地的生态环境，严重的会破坏生物多样性甚至危害人体健康[1-2]。几十年来，各国研究创新的处理压载水的方法已超过20种。但这些方法都无法同时满足IMO所提出的安全、实用、经济、有效和环境容许这五项标准[3]。该文将研究一种全新的水力超声空化技术对压载水的处理效果。该技术操作简单且无二次污染，有很好的研究价值[4]。

1 实验材料与方法

1.1 实验材料和仪器

该文采用赤潮异弯藻作为研究对象，水力超声空化实验装置主要包括轻型立式多级离心泵、智能电磁流量计、压力计、超声波仪器、管道、孔板等。孔板的孔径为8mm，计数仪器选用流式细胞仪。

1.2 实验方法

A.前期准备：藻类的培养。

B.正式实验：异弯藻的灭活。

通过控制超声时间和间隙时间这两个变量来研究超声波与水力空化共同作用下对藻类的灭活效果，设置离心泵的频率为35Hz，研究不同超声时间与间隙时间（都是3s，5s，8s）分别作用30min，45min，60min对灭活效果的影响

实验操作：在水箱中注入配置好的海水，再加入一定量异弯藻，搅拌均匀，取水箱内的水样为初样；设置好离心泵和超声波仪器的参数，启动离心泵，待水流经过超声波触发器时，启动钛角；水箱内的海水经过超声波作用和水力空化作用后，排入回原水箱，如此往复，作用至规定时间后，记录进、出口压力以及流量，同时取水样。重复以上步骤完成其他实验。

C.后期实验：数据的测量及计算。

（1）测量的具体步骤。

①打开流式细胞仪，设置读数方式为Volumetric counting with electrodes，用移液枪移取400μL实验所得的样品加入到玻璃管中，再分别移取400μL Via-count染色液和400微升人工海水至玻璃管中，静置10min；②用流式细胞仪测量配置好的预测样品，记录总藻数、活藻数、死藻数和容积的数值，保存实验数据；③取1mL蒸馏水清洗流式细胞仪的输液管路；④重复上诉步骤，测量其他样品。

（2）实验结果的计算。

把流式细胞仪读出的活藻数除以相应容积，可得相应样品的浓度，灭活率的计算如下：

2 结果与讨论

在离心泵频率为35Hz时，设置三组实验（超声时间和间隔时间分别为3s，5s，8s），研究脉冲时间对灭活效果的影响。实验结果如图1所示：其中超声波脉冲时间为5s和8s的灭活效果较好。当脉冲时间为5s时，作用60min之后，灭活率可以达到68.83%；当脉冲时间为8s时，作用60min之后，灭活率可以达到68.52%。

图1实验条件：孔板孔径8mm，离心泵频率35Hz，超声波功率80%。

由此可知：作用时间越长，灭活效果越好。由于整个实验是闭合回路，增加作用的总时间，会增加异弯藻被作用的次数，从而增强灭活效果。此外，随着超声波脉冲时间的增加，其对异弯藻的灭活效果也增强。超声波的作用随脉冲时间的增大而增大。根据超声波空化作用的机理可知，空化泡经过振荡作用后形成，再生长，再收缩，直至溃灭是一整个过程。增长脉冲时间，可以加长空化泡形成和发展的时间，促使产生更多空化泡和较大的空化泡。因此在在空化泡溃灭时，就能产生更强的机械效应和热效应，从而达到高灭活率。

3 结语

如今，处理压载水的20多种方法中，几乎没有完全符合处理要求的，水力超声空化技术有其优越性，它不仅装置设计简单，操作方便，而且该技术不会产生二次污染。最关键的在于超声波和水力空化的协同处理效果较好，能耗也不高。所以，该技术有很好的发展应用前景，进一步研究该技术也有其可行性和必要性。如果能进一步研究用于处理大规模的压载水的效果，并且通过IMO的技术认定，那么利用水力超声技术处理船舶压载水，将有效的阻止外来物种入侵，并且进一步推动我国航运业的发展。

参考文献

[1] Nahui Zhang， Zhitao Zhang， Mindong Bai.Evaluation of the ecotoxicity and biological efficacy of ships ballast water treatment based on hydroxyl radicals technique[J].Marine Pollution Bulletin，2012（64）：2742-2748.

[2] Elisabetta Petrucci，Luca Di Palma. Biocides electrogeneration for a zero-reagent on board disinfection of ballast water[J].Journal of applied electrochemistry，2013（43）：237-244.

[3] Liu Zhengjiang，Wu Zhaolin，Li Zhen. Latest Development of IMO Maritime