超聲法處理含銅綠微囊藻廢水的實(shí)驗(yàn)研究

超聲法處理含銅綠微囊藻廢水的實(shí)驗(yàn)研究

水體富營(yíng)養(yǎng)化導(dǎo)致大量藻類繁殖，嚴(yán)重危及生態(tài)環(huán)境和人類健康，已成為世界環(huán)境的主要問題。目前治理藻類污染主要有物理法、化學(xué)法、生物法等,但是在安全性、經(jīng)濟(jì)性和除藻效率等方面并不能完全達(dá)到要求。物理法效果普遍較好,但成本高;化學(xué)法見效快,但易造成二次污染且很難徹底去除水中藻類;生物法具有無污染、成本低、處理效果明顯等優(yōu)點(diǎn),但目前篩選出的藻類天敵種類少,各種病理真菌或噬菌體的適用范圍狹窄、專一性強(qiáng),對(duì)水體中復(fù)雜多樣的藻類,則難以奏效,因此該技術(shù)還需要進(jìn)一步完善。超聲波技術(shù)是近年來發(fā)展起來的一種新型的環(huán)境技術(shù),被稱為環(huán)境友好技術(shù),具有操作、控制容易,便于引進(jìn)自動(dòng)化操作手段,在處理中不引入其他的化學(xué)物質(zhì),而且反應(yīng)條件溫和,反應(yīng)速度快等優(yōu)點(diǎn)。目前在利用超聲波處理藍(lán)藻方面,國(guó)內(nèi)外已經(jīng)取得了一定的進(jìn)展。本實(shí)驗(yàn)選取我國(guó)湖庫“水華”暴發(fā)時(shí)的優(yōu)勢(shì)藻種-銅綠微囊藻作為研究對(duì)象,采用特制的探頭式低頻(14kHz)大功率超聲波儀對(duì)超聲法直接去除微囊藻和超聲法抑制微囊藻生長(zhǎng)的主要影響因素分別進(jìn)行單因素平行實(shí)驗(yàn),以期為藍(lán)藻污染的治理提供一條途徑。1材料和方法1.1fachib—實(shí)驗(yàn)藻種的選擇與培養(yǎng)本實(shí)驗(yàn)使用的銅綠微囊藻藻株均購(gòu)于中國(guó)科學(xué)院水生生物所淡水藻種庫,編號(hào)分別為FACHB-315、FACHB-469、FACHB-912。采用BG11培養(yǎng)基在光照培養(yǎng)箱內(nèi)進(jìn)行培養(yǎng),溫度為25℃,光照強(qiáng)度為2000lx,光暗比為12h∶12h。培養(yǎng)期間每天定時(shí)人工搖瓶2次,并隨機(jī)變換錐形瓶的位置以平衡各瓶間光照條件的差別。1.2測(cè)量1.2.1藻細(xì)胞濃度對(duì)od654生長(zhǎng)的影響銅綠微囊藻的最大吸收波長(zhǎng)為684nm,實(shí)驗(yàn)中用顯微鏡計(jì)數(shù)表示的懸浮液中藻細(xì)胞濃度與藻液在684nm處的吸光值呈良好線性關(guān)系,因此可通過測(cè)定OD684來間接反應(yīng)藻的生長(zhǎng)變化。葉綠素a的測(cè)定采用乙醇萃取-分光光度法。1.2.2藻細(xì)胞濃度與葉綠素a含量的關(guān)系富營(yíng)養(yǎng)化水體的顯著特征就是葉綠素a的濃度會(huì)出現(xiàn)顯著上升,通常把葉綠素a含量作為藻類現(xiàn)存量的重要指標(biāo)。大量研究表明,懸浮液中藻細(xì)胞濃度與懸浮液中葉綠素a的含量呈良好線性關(guān)系,可用葉綠素a含量間接反映活體藻細(xì)胞數(shù)量。藻細(xì)胞濃度與葉綠素a含量的關(guān)系見圖1。本研究中采用葉綠素a含量表征活體藻細(xì)胞數(shù)量。1.3超聲處理方法1.3.1超聲波除藻試驗(yàn)方法取700mL藻液于1L燒杯中,將超聲探頭置于液面中心位置(每次伸入液面高度相同),在不同超聲條件下分別取樣測(cè)葉綠素a。1.3.2超聲溫度的影響取400mL藻液于1L燒杯中,將超聲探頭置于液面中心位置(每次伸入液面高度相同),在不同超聲條件下進(jìn)行處理之后,置于500mL錐形瓶中。用透氣膜包扎瓶口,與對(duì)照組一起放入光照培養(yǎng)箱,培養(yǎng)條件和“1.1”節(jié)相同。根據(jù)所需培養(yǎng)周期,每天定時(shí)取樣測(cè)葉綠素a。2超聲法對(duì)微囊藻生長(zhǎng)的影響一定強(qiáng)度的超聲波作用于水體,可以打破微囊藻的氣囊、破壞藻細(xì)胞的內(nèi)部結(jié)構(gòu),甚至破壞細(xì)胞壁直接殺死微囊藻;但水體富營(yíng)養(yǎng)化與藻類的暴發(fā)是一個(gè)動(dòng)態(tài)的過程,因此需要對(duì)于超聲處理后的藻液與對(duì)照組共同培養(yǎng)一段時(shí)間,確定超聲法對(duì)微囊藻生長(zhǎng)的長(zhǎng)期抑制效果。下文將分別從超聲法直接去除微囊藻與超聲法抑制微囊藻生長(zhǎng)兩方面進(jìn)行實(shí)驗(yàn)與分析。2.1超聲法直接去除微囊藻2.1.1超聲時(shí)間對(duì)葉綠素a的去除效果分別取315、469、9123種藻液,初始藻濃度OD684均為0.8左右(對(duì)應(yīng)藻細(xì)胞濃度為17.71×106個(gè)/mL)各700mL,于1200W功率下進(jìn)行超聲15min。分別在1、3、5、7、9、11、13、15min時(shí)取樣測(cè)葉綠素a。不同藻株的葉綠素a去除率見圖2。由圖2可以明顯看出,在每個(gè)超聲時(shí)間點(diǎn),3種藻株的葉綠素a去除率大致相同,曲線走勢(shì)都趨于重合。由此可見,超聲波對(duì)銅綠微囊藻不同藻株的直接去除作用趨勢(shì)基本是一致的,除藻的效果也是相同的。值得注意的是:在本實(shí)驗(yàn)中超聲7min時(shí),藻株的葉綠素a直接去除可達(dá)80%。因此,在后面的實(shí)驗(yàn)中,選用912藻來作為典型代表藻株進(jìn)行其他具體超聲波作用的實(shí)驗(yàn)分析。2.1.2超聲時(shí)間對(duì)葉綠素a去除率的影響分別取912藻液,初始藻濃度OD684分別為0.2、0.8、1.6,各700mL,間接模擬藻的3個(gè)不同生長(zhǎng)階段,即延遲期、對(duì)數(shù)增長(zhǎng)期和穩(wěn)定期,于1200W功率下進(jìn)行超聲15min。分別在1、3、5、7、9、11、13、15min時(shí)取樣測(cè)葉綠素a。不同初始藻濃度的葉綠素a去除率見圖3。由圖3可看出,當(dāng)超聲5min時(shí)初始藻濃度為0.8的葉綠素a去除率就達(dá)到了72%,比此時(shí)的0.2和1.6組分別高了18%和7%。0.2組的去除率不高,原因可能是藻細(xì)胞濃度較低,超聲空化作用的利用率不高。0.8組在超聲7min時(shí)葉綠素a去除率為82%,之后趨于穩(wěn)定。因此,采用對(duì)數(shù)增長(zhǎng)期的藻液進(jìn)行超聲作用,效果比較好,也更具有代表性。在后面的實(shí)驗(yàn)中選取對(duì)數(shù)增長(zhǎng)期的藻液進(jìn)行實(shí)驗(yàn)分析。2.1.3超聲功率對(duì)葉綠素a去除率的影響分別取912藻株,初始藻濃度OD684為0.8的5份藻液各700mL,分別在300、600、900、1200、1600W的功率下進(jìn)行超聲11min。分別在1、3、5、7、9、11min時(shí)取樣測(cè)葉綠素a。超聲功率對(duì)葉綠素a去除率的影響見圖4。超聲7min時(shí),各功率下的葉綠素a去除率見圖5。由圖4、5可看出,超聲7min時(shí),超聲功率為1200W的葉綠素a去除率為79%,要比同時(shí)間點(diǎn)的300、600、900、1600W組分別高41%、20%、4%和10%。在超聲9min時(shí)1200W的葉綠素a去除率可達(dá)到85%,900W和1600W需要超聲11min葉綠素a去除率才可以達(dá)到80%以上,而300W和600W在超聲11min時(shí)葉綠素a去除率僅為51%和74%。長(zhǎng)時(shí)間的超聲處理就意味著更多的資源費(fèi)用投入,在短時(shí)間內(nèi)達(dá)到更好的除藻效果才是經(jīng)濟(jì)高效的方法。綜合考慮,最佳除藻功率為1200W。2.1.4葉綠素a的測(cè)定取912藻株,初始藻濃度OD684為0.8的藻液700mL,在1200W的功率下進(jìn)行超聲15min。分別在10、20、30s、1、3、5、7、9、11、13、15min時(shí)取樣測(cè)葉綠素a。超聲時(shí)間對(duì)葉綠素a去除率的影響見圖6。由圖6可看出,隨著超聲時(shí)間的延長(zhǎng),葉綠素a的去除率先快速增大,之后趨于穩(wěn)定。超聲3min時(shí)葉綠素a的去除率達(dá)到54%,超聲7min時(shí)去除率可達(dá)82%;而超聲7min之后,雖然葉綠素a去除率還在增大,但變化很緩慢,超聲15min時(shí)去除率達(dá)到90%,但是從經(jīng)濟(jì)和效率上來考慮,超聲7min是最佳的超聲除藻時(shí)間。2.2超聲法抑制微囊藻類的生長(zhǎng)2.2.1不同超聲功率對(duì)葉綠素a含量的影響取6組315藻液(OD684為0.8)各400mL,其中1組作為對(duì)照組,其它5組分別在300、600、900、1200W和1600W功率下進(jìn)行超聲作用5min。然后和對(duì)照組在相同條件下培養(yǎng)7d,每天定時(shí)取樣測(cè)葉綠素a。不同除藻超聲功率下葉綠素a含量的變化見圖7。由圖7可看出,培養(yǎng)7d后,與對(duì)照組相比,300、600、900、1200、1600W超聲功率下的最終葉綠素a含量分別下降了60%、78%、84%、88%、88%。1200W和1600W超聲功率對(duì)葉綠素a的抑制效果最好。選取1200W超聲功率既可以對(duì)藻類起到很好的抑制效果,又可以節(jié)省能量。2.2.2不同除藻超聲時(shí)間對(duì)微囊藻葉綠素a含量的影響取6組315藻液(OD684為0.8)各400mL,其中1組作為對(duì)照組,其它5組分別在1200W功率下分別超聲30s、1、3、5、7min。然后和對(duì)照組在相同條件下培養(yǎng)7d,每天定時(shí)取樣測(cè)葉綠素a。不同除藻超聲時(shí)間下葉綠素a含量的變化見圖8。由圖8可看出,不同除藻超聲時(shí)間對(duì)微囊藻的抑制效果存在很大差異,主要表現(xiàn)在下面幾個(gè)方面:(1)初始葉綠素a含量。和對(duì)照組相比,超聲30s、1、3min的葉綠素a含量分別下降了17%、25%、64%;超聲5min和7min的葉綠素a含量均下降了78%。(2)超聲后葉綠素a的變化速率。超聲30s和1min的藻液在前3d葉綠素a的合成受到明顯抑制,之后又以較快速度增長(zhǎng)但仍低于對(duì)照組;超聲3、5、7min的葉綠素a含量一直趨于平緩下降趨勢(shì),且超聲5和7要比3min下降的更多。(3)最終葉綠素a含量。培養(yǎng)7d后,與對(duì)照組相比,超聲30s、1、3、5、7min的最終葉綠素a含量分別下降了16%、27%、82%、87%、88%。所以超聲5min和7min的抑藻效果較好,超聲作用5min既可以起到很好的抑藻效果,又經(jīng)濟(jì)。2.2.3超聲模式對(duì)葉綠素a含量的影響本實(shí)驗(yàn)探討在輸入總能量相同的情況下,什么樣的超聲模式能更加有效的抑制微囊藻的生長(zhǎng)。取5組912藻液(OD684為0.8)各400mL,其中1組作為對(duì)照組,其它4組分別在1200W功率下進(jìn)行不同模式的超聲處理,累計(jì)的超聲時(shí)間均為8min。A組每8d超聲1次,超聲8min,超聲1次;B組每4d超聲1次,每次超聲4min,超聲2次;C組每2d超聲1次,每次超聲2min,超聲4次;D組在每天超聲1次,每次超聲1min,超聲8次(A組和D組是兩種最極端的處理方式,A組是一次性最大超聲強(qiáng)度處理,D組是超聲強(qiáng)度最小而頻次最高)。然后和對(duì)照組在相同條件下培養(yǎng)14d(前8d是輸入能量階段),每天定時(shí)取樣測(cè)葉綠素a。不同超聲模式下葉綠素a含量的變化如圖9所示。由圖9可以看出:(1)輸入總能量結(jié)束時(shí)葉綠素a含量。在輸入總能量相同的第8天,和對(duì)照組相比,A、B、C、D4組的葉綠素a含量差別不大,分別下降了83%、86%、87%、88%。(2)最終葉綠素a與輸入總能量結(jié)束時(shí)對(duì)比。在之后的6d里A組和D組的葉綠素a含量趨于上升狀態(tài),第14天與第8天的葉綠素a含量相比分別上升了83%、28%。B、C2組分別比第8天下降了52%、53%。(3)最終葉綠素a含量。與對(duì)照組相比,A、B、C、D4組的最終葉綠素a含量分別下降了73%、94%、95%、87%。所以,A、D2組雖然對(duì)藻類的即時(shí)去除效果很好,但是在處理后的一段時(shí)間,藻類會(huì)再次生長(zhǎng)起來,對(duì)藻類的長(zhǎng)期抑制效果不是很好;當(dāng)超聲強(qiáng)度和超聲頻次都趨于適中的時(shí)候(B組、C組),對(duì)藻類的長(zhǎng)期抑制效果較好。3超聲模式培養(yǎng)法超聲法對(duì)銅綠微囊藻不同藻株的去除效果基本一致,選用對(duì)數(shù)增長(zhǎng)期的微囊藻在超聲功率為1200W、超聲時(shí)間為7min時(shí),葉綠素a去除率為82%,對(duì)微囊藻的直接去除效果最好。改變超聲模式(超聲總能量相同,采用多頻次間歇超聲模式),超聲