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水体富营养化和藻类水华暴发是全球性的水环境问题[1-3]。世界各地，不论发达国家还是发展中国家，都有藻类水华暴发及藻类污染现象的发生[4-8]。蓝藻水华暴发会导致水体缺氧[9-10]、水体异味[11-13]、甚至供水系统堵塞[9]；有的藻类还会产生藻毒素，严重威胁水生生物、家畜以及人类的健康[14-15]。
针对蓝藻水华大规模暴发的问题，机械化打捞是一种应急治理措施。如何有效地实现藻水分离是制约蓝藻水华机械化清除技术工程化应用的关键因素之一。目前，常用的藻水分离方法有预氧化/加压+混凝沉淀法[16-17]、加压溶气气浮法[18-19]和物理过滤法，其中预氧化会引入新的物质，破坏藻细胞结构，引起胞内有机物释放[17]；气浮法使藻类与气泡黏附，形成密度比水小的结合体，可借助浮力上升并去除，但存在工艺复杂、电能消耗较大等缺点[20]；物理过滤法可以不添加絮凝剂等化学药剂，处理规模可根据需要灵活设计，但仅适用于藻密度较低的藻水，当藻密度较高时，筛网易被堵塞，系统易失效[21]。
蓝藻之所以难处理，是由于在自然水体中蓝藻细胞聚集成群，细胞内有伪空胞(gas vesicle，GV)，群体外面由胶被包裹。伪空胞为蓝藻细胞提供浮力，使蓝藻上浮不易沉淀去除[22-23]；胶被对蓝藻群体起保护作用，阻碍混凝剂结合，影响絮凝性能[24]。有研究表明，超声波能使蓝藻伪空胞破裂，进而减弱其浮力调节能力，使蓝藻细胞沉降下来[25]。目前，超声波对实验室培养藻细胞影响的机理及效果已被广泛认可，但对超声波破坏伪空胞的研究[25-27]多为定性研究(表1)，而不同超声波处理条件对伪空胞影响的研究较少，且超声波处理蓝藻的技术参数没有统一的定论。
本研究以滇池蓝藻为研究对象，利用40 kHz超声波进行辐射，研究不同超声波处理条件对滇池蓝藻伪空胞、蓝藻群体沉降性能和水体水质的影响。综合考虑处理效果(藻细胞沉降率≥80%)、出水安全(超声波处理后水体中溶解性总氮、溶解性总磷浓度的变化量<5%)和经济成本等因素，得出最佳超声波处理条件，以期为超声波预处理+混凝沉淀法进行藻水分离提供参考。
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2018年5—10月，在滇池西北部湖湾处(东经102°38′33″、北纬24°56′28″)采集实验用藻样，采样点藻细胞种类及密度见表2。用25#浮游生物网打捞浓缩表层50 cm的藻细胞，装入25 L PVC桶，当天运回实验室，遮光、曝气保存以维持藻细胞活性。
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超声波处理实验装置包括超声波发生器(定制，北京宇翔超声)和不锈钢水槽。超声波发生器由超声波信号发生器和超声波振盒组成，超声波发生器功率为18、60、180、600、1 500 W，频率为40 kHz；振盒尺寸为31 cm×17 cm×10 cm，内部有10个均匀排列的超声波换能器。不锈钢水槽尺寸为40 cm×30 cm×35 cm，水槽中有36 L去离子水。实验装置见图1。
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1)不同超声波处理条件对滇池蓝藻伪空胞的影响。分别取初始藻密度为1.8×109 cells·L−1的滇池藻样300 mL于500 mL锥形瓶中，置于水槽底部距振盒13 cm处，调节超声波发生器功率分别为18、60、180、600、1 500 W，处理时间分别为0、1、3、5、10、15、20、25、30 s，处理完成后，测伪空胞体积。剩余藻样放入恒温培养箱，温度为25 ℃，光照强度为2 000 lx，光暗比为12 h∶12 h。培养期间，每天定时人工摇瓶2次，每天测伪空胞体积。
2)不同超声波处理条件对滇池藻样沉降性能的影响。取初始藻密度为1.8×109 cells·L−1的滇池藻样各500 mL，处理条件与不同超声波处理条件对滇池蓝藻伪空胞的影响实验一致，藻样处理后，倒入500 mL分液漏斗，静置30 min，取上清液测藻密度。
3)不同超声波处理条件对滇池藻样水质的影响。取初始藻密度为1.8×109 cells·L−1的滇池藻样各300 mL进行处理，调节超声波发生器功率分别为18、60、180、600、1 500 W，处理时间分别为0、1、5、10、20、30 min。超声波处理后，分别测藻液pH、溶解性总氮(dissolved total nitrogen，DTN)、溶解性总磷(dissolved total phosphorus，DTP)。
4)藻细胞密度。取50 mL藻样于PVC小瓶中，加入5 mL鲁哥试剂固定，样品可保存15 d，分析时，取混合均匀样品0.1 mL于浮游生物计数框中，在光学显微镜(Leica，DM750，Germany)400倍镜下计数，每个样品重复计数3 次。
5)伪空胞体积。伪空胞体积的测定采用毛细压力管法[28-29]，使用改进的Walsby伪空胞测定装置。具体操作步骤：将藻液装入带刻度的毛细压力管(毛细压力管内不能有气泡)内，置于石英压力管中，待温度恒定后，向压力管内通入1.0 MPa氮气，从显微镜中读取毛细管液面位置的变化。通氮气前、后液面位置的变化量为伪空胞破裂所对应的变化量。
6)藻细胞沉降率。将经超声波处理后的藻水倒入斗体高20 cm的分液漏斗，静置30 min，排出下层的藻浆，上清液混合均匀，测藻细胞密度N后。藻细胞沉降率计算方法见式(1)。
式中：η藻为藻细胞沉降率；N前为超声波预处理前初始藻密度，cells·L−1；N后为超声波处理后分液漏斗中静置30 min上清液藻密度，cells·L−1。
7)水体理化指标测定。pH采用便携式pH计测量，DTN采用碱性过硫酸钾氧化-紫外分光光度法测定，DTP采用钼锑抗分光光度法测定。
8)超声波功率密度。目前，超声波作用强度常采用输入电功率[30-31]表征，为体现单位体积样品的电功率，本研究采用输入电功率与处理样品的体积的比值表征超声波作用强度，即超声波功率密度，计算方法见式(2)。
式中：ρ声为超声波功率密度，W·L−1；P电为输入电功率，W；V为处理样品体积，L。
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1)不同超声波处理条件对滇池蓝藻伪空胞的破坏效果。蓝藻伪空胞破坏率随着超声波功率密度的增大而提高(图2)，当作用时间为30 s时，输入的超声波功率密度41.7 W·L−1的伪空胞破坏率达到99.9%，而超声波功率密度为0.05 W·L−1的伪空胞破坏率仅为80.6%。随着超声波时间的延长，伪空胞的破坏效果先快速增大，之后趋于稳定。超声波功率密度5.0 W·L−1时，处理1 s时伪空胞的破坏率达为34.7%，处理7 s时破坏率可达81%；而处理7 s之后，虽然伪空胞的破坏率还在增大，但变化很缓慢，处理30 s时破坏率为99%。
2)超声波处理后滇池蓝藻伪空胞的恢复情况。被超声波破坏的伪空胞会随着时间的推移慢慢恢复(图3)，经0.5 W·L−1超声波处理5 s后，滇池藻样的伪空胞在第1 天恢复到60%，在第2天恢复到了96%；而经超声波功率密度>1.7 W·L−1的超声波预处理的滇池藻样，第2天恢复到50%以上，第3天则基本完全恢复。说明短时间的低频低功率(5 s，40 kHz，超声波功率密度<41.7 W·L−1)的超声波并没有破坏藻细胞的活性，在一定时间后，藻细胞可以进行自我恢复。在工程实践中，经超声处理的含藻水应尽快进行藻水分离，以免伪空胞自我恢复，影响后续工艺处理效果。
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藻细胞沉降率随着超声波功率密度的增大而提高(图4)，在处理时间为30 s时，输入的超声波功率密度为41.7 W·L−1的藻细胞沉降率达到90%，而辐射超声功率为0.5 W·L−1的藻细胞沉降率仅为68%。随着处理时间的延长，藻细胞沉降率先快速增大，之后趋于稳定。处理时间为7 s时，超声波功率密度为5.0 W·L−1的藻细胞沉降率为79%，要比同时间点的0.5 W·L−1和1.7 W·L−1组分别高52.9%和12.6%，而只比同时间点的16.7 W·L−1和41.7 W·L−1组分别低0.5%和1.9%。
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1)不同超声波处理条件对滇池藻液pH的影响。藻液中的pH随超声波处理时间的延长而降低(图5)，在超声波处理30 min后，各组藻液的pH分别降低了0.18、0.20、0.21、0.25、0.38。有研究发现，超声波可以帮助降低藻液pH[32]，pH降低的原因可能是超声空化作用及自由基效应产生了·H和·OH，而·H又比较容易失去电子变成H+，从而使得藻液的pH降低。
2)不同超声波处理条件对滇池藻液氮磷的影响。不同组滇池藻液的DTP和DTN变化见图6(a)和图6(b)，主要表现在3个方面。
①初始DTP和DTN浓度不同。藻细胞自身代谢会向水体释放氮磷，导致藻液中DTP和DTN浓度会发生变化。实验中不同组间藻液的存放时间不同，藻细胞自身代谢程度不同，所以藻液初始DTP和DTN浓度不同。
②DTP和DTN浓度随超声波处理时间的变化速率。用超声波功率密度为0.5、1.7、5.0、16.7 W·L−1的超声波处理藻样，藻液中的DTP和DTN随着超声波处理时间的增加呈波动上升的趋势；超声波功率密度为41.7 W·L−1的藻样，藻液中的DTP和DTN随着超声波处理时间的增加逐渐增加。
③处理30 min后DTP和DTN的变化量。处理30 min后，与未处理前相比，用超声功率密度为0.5、1.7、5.0、16.7、41.7 W·L−1的超声波处理的藻样，藻液中的DTN的变化量分别为0.06、0.11、−0.21、−0.09、0.55 mg·L−1，DTP的变化量分别为−0.034、−0.014、0.003、−0.011、0.009 mg·L−1。超声波功率密度为16.7 W·L−1的超声波处理藻样30 min后，藻液DTN增加了9.1%，大功率超声波(超声波功率密度>16.7 W·L−1)可能会破坏藻细胞结构，引起胞内有机物释放。
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采用准一级动力学方程拟合不同超声波功率密度下超声波破坏伪空胞随作用时间t的变化规律，其反应速率常数k、可决系数R2和半衰期θ1/2见表3。不同超声波功率密度对超声波破坏伪空胞准一级反应常数的影响见图7。当超声波功率密度在0.5~41.7 W·L−1内变化时，超声波破坏伪空胞准一级反应常数k与超声波功率密度的关系见式(3)。
式中：k为反应速率常数，s−1；q声为超声波功率密度，W·L−1。
由表3可知，提高超声波功率密度，反应速率不成比例地升高，这是由于水中的空化强度随着超声波功率的提高而逐渐增大并趋于饱和[33]，从而导致对伪空胞的破坏效果饱和。
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滇池蓝藻伪空胞破坏情况和沉降性能结果表明，短时间低功率(5 s，40 kHz，超声波功率密度为5.0~16.7 W·L−1)的超声波对蓝藻伪空胞破坏率、沉降率分别大于75%、77%，这与LEE等[25]的研究结果相似。
微囊藻群体在水中的垂直分布受由伪空胞合成和破裂引起的自身浮力变化调控[34]，本研究通过超声波破坏蓝藻伪空胞，改善蓝藻群体沉降性能。伪空胞破坏率对藻细胞沉降率的响应关系见图8，滇池藻细胞沉降率和伪空胞的破坏率的关系见式(4)，当伪空胞破坏率为15.3%时，蓝藻群体开始发生沉降，当伪空胞的破坏率>91.3%时，藻细胞沉降率>85%。因此，从处理效果(藻细胞沉降率>85%)考虑，超声波处理条件为：1)超声波功率密度≥5.0 W·L−1，处理时间≥15 s；2)超声波功率密度为16.7 W·L−1，处理时间为10 s。
式中：η藻为藻细胞沉降率；E伪空胞为伪空胞破坏率。
超声波空化作用产生的高温裂解效应、自由基氧化效应及机械剪切效应还会破坏藻细胞的细胞壁或细胞膜结构，使藻细胞破裂[35]，导致胞内有机物释放。由图6(a)可知，滇池藻液经41.7 W·L−1超声波处理30 min后，藻液DTN从6.05 mg·L−1增加至6.60 mg·L−1，增加了9.1%。ZHANG等[30]利用80 W·L−1超声波处理高藻水5 min，微囊藻毒素浓度从0.87 μg·L−1增加至3.11 μg·L−1。SRISUKSOMWONG等[31]用13 W·L−1超声波处理微囊藻群体，发现群体的黏液层被破坏，但未瓦解细胞。因此，从出水安全考虑(DTN浓度增加量<5%)，超声波功率密度应<16.7 W·L−1。
由于固定强度和频率的超声波产生的空化强度是一定的，处理时间的延长不能改变超声波空化强度[36]，故长时间的处理对伪空胞的作用效果影响不大。研究发现，超声波功率密度为16.7 W·L−1、处理时间为10 s时，藻细胞沉降率为86%；超声波功率密度为16.7 W·L−1、处理时间为5 s时，藻细胞沉降率为80%。处理时间翻倍，意味着需要2 倍的反应器体积，能耗也需要翻倍，而藻细胞沉降率只增加6%。因此，在保证处理效果(藻细胞沉降率≥80%)的前提下，从经济成本能耗考虑，最佳超声波处理条件为超声波功率密度16.7 W·L−1，处理时间5 s。在保证出水安全的前提下，综合考虑处理效果和经济成本，超声处理滇池藻样的最佳条件为超声波功率密度16.7 W·L−1，处理时间5 s，该条件下蓝藻伪空胞破坏率、沉降率分别为84%、80%。
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1)滇池蓝藻水华以微囊藻为主，超声波破坏该蓝藻伪空胞的动力学模型为一级动力学模型，反应速率常数k随着超声波功率密度的增大而增大，并逐步趋于饱和。
2)短时间低功率(5 s，40 kHz，超声波功率密度为5.0~16.7 W·L−1)的超声波，可以在不破碎藻细胞的情况下，对蓝藻细胞伪空胞的破坏率>65%，改善蓝藻群体沉降性能，降低水体pH，且对水体DTN、DTP的影响<5%；而超声波功率密度为16.7 W·L−1的超声波处理藻样30 min后，藻液DTN增加了9.1%。
3)在保证出水安全的前提下，综合考虑处理效果和经济成本，超声波处理滇池藻样的最佳条件为超声波功率密度16.7 W·L−1，处理时间5 s，该条件下蓝藻伪空胞破坏率、沉降率分别为84%、80%。
超声波对滇池蓝藻伪空胞和群体沉降性能的影响
Effects of ultrasonic treatment on gas vesicles and settleability of Cyanobacteria from Dianchi Lake
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摘要: 为提高混凝沉淀藻水分离技术的分离效果，以滇池新鲜蓝藻为研究对象，研究不同超声波处理条件下，超声波对伪空胞、蓝藻群体沉降性能及水体水质的影响。结果表明：超声波对伪空胞的破坏效果满足准一级动力学规律，反应速率常数k随着超声波功率密度的增大而增大，并逐步趋于饱和；短时间低功率(5 s，5.0~16.7 W·L−1)的超声波能破坏伪空胞，改善蓝藻群体沉降性能，降低水体pH，且对水体DTN、DTP浓度的影响<5%；在保证出水安全的前提下，综合考虑处理效果和经济成本，超声波功率密度16.7 W·L−1、处理时间5 s为超声波处理滇池藻样的最佳条件，该条件下蓝藻伪空胞破坏率、沉降率分别为84%、80%。利用超声波对滇池蓝藻进行处理，确定了超声波对滇池蓝藻的伪空胞有破坏作用，可以改善蓝藻群体的沉降性能，达到大规模、无污染的藻水分离的目的，为蓝藻水华控制提供参考。Abstract: In order to improve the separate efficiency of algae contained water after coagulation-sedimentation, the fresh Cyanobacteria from Dianchi Lake was taken as a study object, and the effects of ultrasonic treatment on the gas vesicles and population sedimentation performance of these algae, as well as water quality improvement, were investigated. The result showed that the destruction of gas vesicles with ultrasound fitted the pseudo-first order kinetics model, and the first order reaction rate constant k increased with the increase of the density of ultrasonic power radiation, then it gradually reached the saturation value. In addition, a short time and low power ultrasonic treatment(5 s, 5.0~16.7 W·L−1) could break the gas vesicles to enhance the population settling performance of Cyanobacteria colonies, and the pH of waterbody decreased, the effects on DTN and DTP concentrations of waterbody were <5%. In the premise of guaranteeing the effluent safety, through a comprehensive consideration of treatment efficiency and economic cost, the optimized treatment conditions of Dianchi Lake Cyanobacteria were determined as follows: the ultrasonic power density of 16.7 W·L−1 and irradiation time of 5 s, which led to 84% gas vesicles destruction rate and 80% Cyanobacteria sedimentation rate. This study tested the destructive effect on gas vesicles of Cyanobacteria by ultrasonic waves, and the result indicated that it could promote the settlement of Cyanobacteria colonies, and could meet the purpose of large-scale and environmentally friendly algae/water separation. Thus it provided a new theoretical approach supporting the Cyanobacteria bloom control.
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Key words:
- ultrasonic treatment /
- gas vesicles /
- Cyanobacteria /
- bloom control /
- settleability /
- Dianchi Lake
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图 2 不同超声波处理条件对蓝藻伪空胞的破坏效果
Figure 2. Destructive effects of different ultrasonic handling times on gas vesicles
图 3 超声波处理5 s后蓝藻伪空胞的恢复
Figure 3. Recovery of Cyanobacterial gas vesicles after 5 s ultrasonic treatment
图 4 不同超声波处理条件对藻细胞沉降率的影响
Figure 4. Effects of different ultrasonic treatment conditions on the algae cell settlement rate
图 5 不同超声波处理条件对藻液pH的影响
Figure 5. Effects of different ultrasonic treatment conditions on the pH of algae contained water
图 6 超声波处理后藻液DTN和DTP的变化
Figure 6. Changes of DTN and DTP in algae contained water after ultrasonic treatment
图 7 不同超声波功率密度对超声波破坏伪空胞准一级反应常数的影响
Figure 7. Effect of different ultrasonic power densities on pseudo-first order kinetics reaction constants of gas vesicles destroyed by ultrasonic waves
图 8 藻细胞沉降率对伪空胞破坏率响应关系
Figure 8. Response relationship between algae cell settlement rate and destroyed percentage of gas vesicles
表 1 超声波对微囊藻伪空胞的影响
Table 1. Effect studies of ultrasonic treatment on gas vesicles of microcystis
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表 2 采样点藻细胞种类、密度及占比
Table 2. Species, density and proportion of algal cells at sampling point
藻细胞种类 藻细胞密度/(cells·L−1) 占比/% 蓝藻门 1.23×109 96.5 绿藻门 2.70×107 2.1 硅藻门 1.70×107 1.3 合计 1.27×109 100.0
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表 3 不同超声波功率密度对超声波破坏伪空胞的准一级动力学模型拟合参数
Table 3. Pseudo-first order kinetics model fitting parameters of gas vesicles destroyed by different ultrasonic power densities
q声/(W·L−1) k/s−1 R2 θ1/2/s 0.5 0.060 0.928 9 11.57 1.7 0.086 0.896 5 8.07 5.0 0.17 0.936 9 4.18 16.7 0.20 0.903 6 3.39 41.7 0.29 0.881 0 2.39
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