（环境科学与工程专业论文）高压脉冲放电处理藻类的研究.pdf

英文摘要 a b s t r a c t r e s e a r c ha n dd e v e l o p m e n tas e c u r i t yc o s t e f f e c t i v es h i pb a l l a s tw a t e rt r e a t m e n ta n d b i o l o g i c a ls p e c i e si n t r u s i o np r e v e n t i o nt e c h n o l o g yi st h ed i f f i c u l tp r o b l e mi nw o r l d p u l s e dh ig hv o l t a g ed i s c h a r g ed i r e c t l yi nw a t e rw a sp r o p o s e dt ot r e a tt h ea n a l o g u es h i p b a l l a s tw a t e ri nt h i sp r o j e c t t w oe l e c t r o d e sw e r ei m m e r s e di nl i q u i da n dh i g hp u l s e v o l t a g e ，a ss u p p l i e da tb o t he n d so ft h ee l e c t r o d e s ，a n dt h e nt h ed i s c h a r g ew i l lb e f o r m e di nw a t e rd i r e c t l y t h ep l a t e - p o l e p l a t er e a c t o rw a su s e dt oa v o i de n e r g yl o s s e si n h i g he l e c t r i cc o n d u c t i v i t yl i q u i d i tc o u l dp r o d u c es t r o n ge l e c t r i cf i e l d a c t i v es p e c i e s i n c l u d i n gr a d i c a l s ，u l t r a v i o l e ta n ds h o c kw a v e sa tt h es a m et i m e t h es u p e r p o s i t i o n so f t h e s ee f f e c t sc o u l dt r e a tt h eb a l l a s tw a t e re f f e c t i v e l y i nt h i si n v e s t i g a t i o n ，t h ea l g a ei n c l u d i n gc h l o r e l l a 、p l a t y m o n a ss p p 、d i c r a t e r i as pa n d n i t z s c h i ac l o s t e r i u mw e r et r e a t e du s i n gp u l s e dh i 曲v o l t a g ed i s c h a r g et e c h n o l o g yt h a t h a v e b e e ns t u d i e d t h ee f f e c t so fp u l s ep a r a m e t e r sa n dr e s i d e n c et i m eo fs o l u t i o no nt h e g r o w t ho fd i f f e r e n ta l g a ew e r es t u d i e d ；t h em e c h a n i s mo fk i l l i n ga l g a ew a sr e s e a r c h e d b ym e a s u r e m e n to fc h l o r o p h y l lai ns o l u t i o n sa n do b s e r v a t i o ns t r u c t u r eo fa l g a ec e l l s b e f o r ea n da f t e rt r e a t m e n t t h er e s u l t ss h o w e d ： ( 1 ) b yi n c r e a s i n go fp u l s e dp e a kv o l t a g e 、p u l s e df r e q u e n c ya n dt r e a t m e n tt i m e ，t h e k i l l i n gr a t eo fa l g a ei n c r e a s e d t h ek i l l i n gr a t ec o u l dr e a c h10 0 a tt h ea p p r o p r i a t e p u l s e dp a r a m e t e r s ( 2 ) t h ek i l l i n gr a t ea l s oh a v ea f f e c t e db yt h es p e c i e sa n dv o l u m eo fa l g a e i ns e l e c t e d s p e c i e sc h l o r o p h y t a ( c h l o r e l l aa n dp l a t y m o n a ss p p ) i st h em o s td i f f i c u l tt ot r e a t ，t h e d i a t o m ( n i t z s c h i ac l o s t e r i u m ) t h es e c o n d ，a n dc h r y s o p h y t e ( d i c r a t e r i as p ) i st h ee a s i e s t p l a t y m o n a ss p pi sm o r ed i f f i c u l tt ot r e a tt h a nc h t o r e l l a ( 3 ) w i t ht h el e n g t h e n i n go fr e t e n t i o nt i m e ，t h et r e a t m e n te f f e c t so na l g a eb e c a m e b e t t e r i tc o u l db es h o r t e nt h er e t e n t i o nt i m ew h e nt h ek i l l i n gr a t ew a s10 0 v i a i n c r e a s i n gp u l s e dp e a kv o l t a g ea n df r e q u e n c y ( 4 ) t h ec o n c e n t r a t i o no fc h l o m p h y l lad e c e a s e ds h a r p l ya f t e rd i s c h a r g et r e a t m e n t b y m e a s u r e m e n tt h ec o n c e n t r a t i o no fc h l o r o p h y l lai nt h es o l u t i o n sb e f o r ea n da f t e r 英文摘要 t r e a t m e n tw i t ht h ec h a n g e so fp u l s e dv o l t a g ea n dc u l t u r e dt i m e ，i ts h o w e dt h a ta st h e v o l t a g ei n c r e a s e d ，t h ec o n c e n t r a t i o no fc h l o r o p h y l la i nt h et r e a t e ds o l u t i o nd e c r e a s e d ； a n da f t e rc u l t u r e dap e r i o do ft i m e ，t h ec o n c e n t r a t i o no fc h l o r o p h y l lai nt h es o l u t i o nt h a t t h ek i l l i n gr a t eo na l g a ed i d n tr e a c h10 0 ，h a dt oi n c r e a s e da n do t h e r w i s ed i d n td e t e c t ( 5 ) p u l s e dd i s c h a r g et r e a t m e n tw a sw o r k e dac h a n g eo nt h ea l g a ec e l lc o n s t r u c t i o n t h et r e a t e dc e l ls t r u c t u r eo fp l a t y m o n a ss p po c c u r r e dv a r i o u sc h a n g e st h a tw e r ef o u n d o u tw h e nw eu s e dm i c r o s c o p et oo b s e r v et h ea l g a ec e l ls t r u c t u r eb e f o r ea n da f t e r t r e a t m e n t t h i sw a sf u r t h e re v i d e n c et h a tt h ed i s c h a r g ep r o c e s sd a m a g e dt ot h ea l g a l c e l l sa n da c h i e v e dt h ep u r p o s eo fi n a c t i v i n ga l g a e k e yw o r d s ：h i g hv o l t a g ep u l s ed i s c h a r g ei nl i q u i d ；a l g a e ；p l a s m a ；b a l l a s tw a t e r 大连海事大学学位论文原创性声明和使用授权说明 原创性声明 本人郑重声明：本论文是在导师的指导下，独立进行研究工作所取得的成果， 撰写成博硕士学位论文 = =高压然泣放电处理蘧娄的硒究：。除论文中 已经注明引用的内容外，对论文的研究做出重要贡献的个人和集体，均已在文中 以明确方式标明。本论文中不包含任何未加明确注明的其他个人或集体已经公开 发表或未公开发表的成果。本声明的法律责任由本人承担。 学位论文作者签名：垂童鱼 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者及指导教师完全了解大连海事大学有关保留、使用研究生学 位论文的规定，即：大连海事大学有权保留并向国家有关部门或机构送交学位论 文的复印件和电子版，允许论文被查阅和借阅。本人授权大连海事大学可以将本 学位论文的全部或部分内容编入有关数据库进行检索，也可采用影印、缩印或扫 描等复制手段保存和汇编学位论文。同意将本学位论文收录到中国优秀博硕士 学位论文全文数据库( 中国学术期刊( 光盘版) 电子杂志社) 、中国学位论 文全文数据库( 中国科学技术信息研究所) 等数据库中，并以电子出版物形式 出版发行和提供信息服务。保密的论文在解密后遵守此规定。 本学位论文属于：保密口在年解密后适用本授权书。 不保密d ( 请在以上方框内打“”) 论文作者签名王哆柏导师签名：j d 7 小 日期：加1 年6 月z ? 日 高压脉冲放电处理藻类的研究 第1 章绪论 1 1 课题的研究背景 压载水( 又称压舱水) 是船舶安全航行的重要保证，特别是对没有装载适量货物的 船舶。适量压载水可保证船舶的螺旋桨吃水充分，将船舶尾波引发的船体震动降低到最 低限度，并维持推进效率。它可通过调节船舶的重倾( 重量分布) 和水尺( 吃水深度) ， 使船舶符合当时的海洋条件，确保船舶在航运过程中的稳定和操作安全。压载水还可使 船舶在航运过程中受到的剪切力和倾斜的时间保持在安全的范围内【。 然而在压载水的装载和排放的过程中，大量的浮游植物、浮游动物、原生细菌和病 毒等随着压载水被运到世界各地。据报道，每年全球船舶携带的压载水大约有1 0 0 亿t ， 一艘载重1 0 万t 货船携带的压载水量达到5 - - 6 万t ，平均每立方米压载水有浮游动植物 1 1 亿个，舱底的沉积物中每立方厘米有2 2 5 0 0 个浮游植物孢子。全球每天压载水携带 的生物有3 0 0 0 - - 4 0 0 0 种，到目前为止被确认约有5 0 0 种生物物种是由船舶压载水传播入 侵的【2 】。 1 1 1 压载水带来的生物入侵 在世界范围内，由压载水带来的生物入侵现象比比皆是，包括海藻、鱼类、多毛虫、 软体动物、海星、其他的浮游动物以及霍乱细菌等。许多入侵生物已经带来了严重的环 境污染和巨大的经济损失，有一些甚至对人类的健康造成了巨大的威胁。据估计仅美国 一年由压载水生物入侵带来的经济损失超过1 3 8 x1 0 9 美元【3 1 。 压载水引起的生物入侵带来巨大损失的案例举不胜举。 譬如，斑马贝原生长于里海，上个世纪8 0 年代经由压载水传播到五大湖，它的繁 殖速度令人惊骇，已经扩展到五大湖地区周围的2 2 个州、h u n d s o n 、o h i o 和m i s s i s s i p p i 河流域的盆地，占据了美国4 0 的水域。这种贝类总是大量地集结在一起，堵塞了大湖 区域的地下排水管道。迫使美国政府自1 9 8 9 年到2 0 0 0 年每年花费超过7 5 0 1 0 6 到1 0 x1 0 9 美元的资金来采取措施控制其生长【4 】。最近一些报道纷纷指出，在爱尔兰s h a n n o n 第1 章绪论 河口和阿根廷p l a t e 河口发现了这种贝类。在阿根廷，这种贝类栖息于水沟的排泄口、 工业用水与饮用水入口等处，致使水流量降低并威胁着当地水体的质量。 生长在亚洲北部的藻类u n d a r i ap i n n a t i f i d a 已入侵南澳大利亚、新西兰以及地中海 地区并疯狂生长，迅速取代本地海床生物群落。能引起赤潮的有毒双鞭甲藻 ( d i n o f l a g e l l a t e ，又称腰鞭毛虫) 已引入多个国家。它能被滤食性贝类如牡蛎吸收。人 们吃了受污染的甲壳类水生物后，双鞭甲藻产生的毒素可致人瘫痪甚至死亡。澳大利亚 科学家将有毒的双鞭甲藻的介入归罪于船舶压载水及其沉积物的排放。 2 0 世纪8 0 年代，一种外来的热带绿藻被传播到地中海。这种藻很快取代了当地的 海草并影响了鱼苗和无脊椎动物生长的自然环境。1 9 8 4 年，这种海藻只覆盖了摩洛哥水 域l 平方米的面积【5 j ，但是到1 9 9 3 年其覆盖水域已达成1 3 0 0 公顷，1 9 9 6 年就达到了3 0 0 0 多公顷。现在这种绿藻已占领了法国、西班牙、意大利和克罗地亚沿岸数千公顷的水域。 2 0 世纪7 0 年代北美水母侵入黑海，嗜食浮游生物、鱼卵及鱼苗，给凤尾鱼和鲱鱼 养殖业带来了灭顶之灾。1 9 9 0 年，美国的栉水母侵入黑海，吞噬了那里大量的浮游生物， 致使黑海鱼苗几乎枯竭，不久这种水母又侵入地中海。1 9 9 9 年的考察报告中证实，栉水 母已经入侵到了黑海，到2 0 0 0 年已破坏了当地的生态系统，并给经济带来了严重损失， 导致了黑海生态系统的崩溃哺3 。 2 0 世纪中华绒螯蟹从我国入侵到欧洲，特别在德国和荷兰等地，数量猛增，它们挖 掘河岸，破坏防洪堤坝，大量吞吃网捕的鱼类，严重破坏了生态平衡【7 j 。 1 9 6 1 年印度尼西亚的西里伯斯岛爆发了由病原体v i b r i oc h o l e r a e 引发的霍乱。霍乱 弧菌通过压载水有亚洲带到拉丁美洲，到1 9 9 1 年霍乱已经传播到全世界。1 9 9 1 年1 1 月和1 9 9 2 年6 月，美国在来自南美洲的船舶压载水中检测到了活的霍乱菌；在另一项 调查中显示，这种能够引起人类霍乱流行病的霍乱弧菌在所有被检测的船的压载水中都 有发现。因此，人们认为霍乱是由海上交通引入的i 引。 船舶压载水造成的海洋物种入侵对海洋环境的造成了巨大的损害，已经被全球环境 基金组织( g e f ) 确认为危害海洋的四大威胁之一【9 j 。近年来发现的通过压载水转移的 最不受欢迎的前十种物种如表1 1 所示。 高压脉冲放电处理藻类的研究 表1 1 不受欢迎外来生物前十名 t a b l e1 1t h et o pt e nu n d e s i r a b l ei n v a s i v es p e c i e s 第1 章绪论 1 1 2 国际立法进程 1 9 7 3 年关于防止海洋污染的国际会议通过了“关于对含有致病细菌的压载水排放所 引起的后果进行研究 的第1 8 号决议，号召对这一问题进行研究。 1 9 8 2 年联合国海洋法公约第1 9 6 条规定，各国应采取一切必要的措施，以防止、减 少和控制由于其在管辖或控制下使用技术而造成的海洋环境污染，或由于故意或偶然在 海洋环境某一特定部分引进外来的或新的物种，致使海洋可能发生重大和有害的变化。 1 9 8 8 年9 月国际海事组织( i m o ) 的海洋环境保护委员会( m e p c ) 第2 6 次会议 上，加拿大提交了一份研究报告通过船舶压载水排入大湖中的外来生物的现状及其结 果，美国也表示了对这一问题的关注。加拿大邀请遇到这一问题的其他成员国同他们 保持联系。 1 9 9 0 年3 月的第2 9 次m e p c 会议上，澳大利亚提交了一本报告有毒鞭毛虫可能已 通过压载水引进到了澳大利亚水域，一个非正式的讨论组织( 由澳大利亚、加拿大、丹 麦、德国、日本、挪威、美国、国际航运协会组成) 讨论了这一问题。m e p c 同意将这 一问题纳入其工作职责，并决定下次会议上成立一个工作小组来处理这一问题。 1 9 9 0 年5 月的第3 0 次m e p c 会议上，工作小组讨论并修改了由加拿大提交的“关 于对压载水进行控制的指南”( 草案) ，委员会要求各成员国在休会期间对该指南进行 讨论，以便在下次会议上通过这一指南。 1 9 9 1 年7 月的第3 1 次m e p c 会议以m e p c 5 0 ( 3 1 ) 决议的形式通过了“关于防止 船舶压载水及沉积物的排放传播有害的水生生物及病原体国际指南”。该指南提出了船 舶压载水排放的管理措施，旨在向港口国当局和主管机关提出关于制订减少船舶压载水 及沉积物传播有害水生生物和病原体危害的程序导则。 1 9 9 2 年在里约热内卢召开的联合国环境与发展大会，把外来生物入侵作为会议主要 议题之一。在会议的“2 1 世纪议程”第1 7 章中指出：“各国应该酌情单独、双边或多 边地，以及在i m o 等其他组织范围内、考虑就倾倒船舶压载水通过适当规则，以防止 非本地的水生生物的扩散 。 1 9 9 2 年l o 月的第3 3 次m e p c 会议上，澳大利亚提交了一份报告，介绍了澳大利 高压脉冲放电处理藻类的研究 亚在处理有害海洋生物引进的问题方面的经验。在会上成立了一个非正式的工作小组， 该非正式工作组在m e p c 会议期间召开了一次小型会议，同意组建一个国际联络小组 ( 由澳大利亚负责) 。非正式工作组还就压载水问题向所有成员国散发了调查表。 1 9 9 3 年7 月的第3 4 次m e p c 会议上，澳大利亚向会议提交了调查报告。非正式工 作组讨论了下一步的工作计划。m e p c 委员会决定在下一次会议上成立一个工作小组以 着手完善现有的i m o 指南，委员会还批准了一个在现有指南基础上起草的i m o 大会决 议草案。 1 9 9 3 年1 1 月，国际海事组织召开了第1 8 次大会以a 7 7 4 ( 1 8 ) 决议的形式，通过 了m e p c 提交的指南，并向所有成员国发放。同时也意识到，指南因为不是强制性的， 并不能从根本上解决问题，所以在m e p c 内成立了专门的压载水工作小组，继续审议这 一议题，最终的目的是制定m a r p 0 1 7 3 7 8 的新附则。此后，m e p c 一直致力于制订具有 强制性的法律文件，并从技术上协助指南的有效实施；同时，应a 7 7 4 ( 1 8 ) 决议的要 求，海上安全委员会( m s c ) 制定了关于在航更换压载水安全方面的导则。 1 9 9 4 年3 月的第3 5 次m e p c 会议上，压载水工作组开始着手起草关于压载水控制 和管理的法律条款，该工作组的成员包括：澳大利亚、加拿大、印度、日本、利比里亚、 新西兰、挪威、瑞典、联合王国、美国、香港、中国、国际船运协会( i c s ) 、国际船 级社协会( i a c s ) 、国际石油公司海洋论坛( o c i m f ) 和国际地球之友( f o e i ) 。 1 9 9 4 年l o l1 月的第3 6 次m e p c 会议和1 9 9 5 年9 月的第3 7 次m e p c 会议上，压 载水工作小组继续完善关于压载水控制和管理的法律条款。 1 9 9 6 年7 月的第3 8 次m e p c 会议上，工作小组继续对关于压载水控制和管理的规 定条款进行修改完善，并对1 9 9 1 年指南进行了修改。m e p c 委员会批准了m e p c 和 m s c 的联合通报“与船舶在海上更换压载水有关的安全指南”。m e p c 还决定将1 9 9 1 年指南的修正版本作为提案提交给i m o 大会。 1 9 9 7 年9 月的第4 0 次会议上，工作小组继续对规则草案进行审议，参加审议的专 家分别来自于：阿根廷、澳大利亚、巴西、加拿大、中国、丹麦、芬兰、德国、希腊、 印度、马尔它、荷兰、新西兰、挪威、巴拿马、波兰、朝鲜、俄国、新加坡、南非、瑞 典、联合王国、美国、中国香港、u n d p 、国际航运协会( i c s ) 、国际港口协会( i a p h ) 、 第1 章绪论 波罗的海国际航运协会( b i m c o ) 、国际船级社协会( i a c s ) 、国际石油公司海洋论 坛( o c i m f ) 、国际地球之友( f o e i ) 、国际独立油轮船东协会( i n t e 凡蝌k o ) 、自 然及自然资源国际保护联盟( i u c n ) 、世界自然基金会( w w f ) 和国际游船理事会 ( i c c l ) 。 1 9 9 7 年1 1 月i m o 大会第2 0 会议上，联合国国际海事组织( i m o ) 通过了a 8 6 8 ( 2 0 ) 决议关于控制和管理船舶压载水，减少有害生物和病原体传播的指南，以取代a 7 7 4 ( 1 8 ) 号决议。在修正后的指南中收入了更多的关于处理压载水问题的建议，包括如何 采取措施以尽可能减小有害生物随压载水装上船的几率的建议等。同时提出了“关于船 舶压载水管理规则( 简称“附则) ”，作为m a r p o l7 3 7 8 附则的草案文本。 1 9 9 8 年1 1 月第4 2 次m e p c 会议上，工作小组继续开展法规草案和相应规则或指 南的收尾工作，并提交了该法规草案的正式版本。 1 9 9 9 年年初或年中召开的第4 3 次m e p c 会议结束了有关的法规起草工作。 2 0 0 0 年大会上通过关于压载水管理的强制性规则。 2 0 0 1 年i m o 海上环境保护委员会( m e p c ) 第4 5 届会议上形成了具有法律约束船 舶压载水和沉淀物管理国际公约，该公约已于2 0 0 4 年2 月在英国伦敦召开的关于船 舶压载水管理的外交大会通过，成为强制性国际法律公约，该公约要求部分新造船在 2 0 0 9 年达到船上压载水处理的生物和卫生标准( d 2 ) ，到2 0 1 6 年所有船舶都要满足 d 2 标准。 1 3 国内外压载水治理技术的发展现状 压载水的治理的研究引起了国外的广泛关注。目前国际上研究中的处理方法至少有 2 5 种以上，研究较多较常见的有机械过滤【1 0 12 1 、压载水置换法【1 3 17 1 、加热处理【 8 - 2 0 、紫 外照射法【2 l 】、絮凝法 2 2 - 2 5 】、电解法 2 6 , 2 7 、超声波法【2 s 】、臭氧法【2 9 3 1 1 、过氧化氢法1 3 2 】、脱 氧法 3 3 - 3 5 1 、化学药剂、法【3 6 , 3 7 】、电场的作用 3 s 1 等。 1 3 1 机械过滤法 机械过滤法去除大于筛孔物质的有效率为9 5 9 8 ，并且也可去除一部分粒径稍 小的物质。一般用于压载水的过滤系统的粗细孔径分别为5 0 0 和5 0 u m 。除了滤网外， 高压脉冲放电处理藻类的研究 很多学者尝试使用了一些其他物质作为过滤介质。t a n g 1 唑亭使用碎橡胶作为滤料处理压 载水，试验结果显示其对浮游植物和浮游动物的去除率分别达7 0 和4 5 ，对浊度和总 颗粒物的去除率分别达4 8 和4 6 。徐航【l l 】等使用自制的中空纤维微滤瞑对压载水进行 处理，其除菌率可达1 0 0 。 机械过滤法被认为是一种对环境危害最小的压载水处理法，但很难用于处理大量的 压载水。并且对于实际的船舶压载水，尤其是沿岸打入的压载水中，含有大量的絮状物， 容易阻塞滤网，需要经常对滤网进行反冲洗，既耗能又耗时【3 9 1 。因此，通常将其作为其 他处理方法的预处理。用于预处理压载水的过滤，网目可以大一些，主要滤去絮状物， 以有利于进一步处理。 1 3 2 压载水更换 海上更换压载水主要有三种方法，分别为排空法、溢流法【1 q 和稀释法【1 7 1 。 排空法是把河口或近海水域中注入的压载水全部排出，直到把压载水排空为止，然 后用深海海水重新加满，即用新鲜的深海水更换大量初始压载水。这种方法可更换压载 量的9 5 。然而有研究表明，9 5 的压载水在大洋更换，在剩下的5 的压载水中，大约 有2 5 原压载水的生物。而且倒空某些压载水舱，剩下的水产生的弯曲力矩会大大超过 最大允许值 2 6 1 。 溢流法是把深海海水从压载舱底泵入使压载水从舱顶连续不断的溢出，直到更换掉 足够的压载水量以减少仍停留在舱中的目标生物数目。根据i m 0 1 9 9 3 的规定，在深海更 换的压载水量应为压载水舱容积的3 倍。 稀释法是指海上更换压载水时，从压载舱顶部泵入海水，同时，以相同的速率从压 载舱底部将压载水泵出。这种方法是巴西船员最先发现使用的，因此又称为“巴话稀释 法”。 海上更换压载水是i m o 推荐使用的方法，也是目前使用最广泛的方法。然而海上更 换压载水的应用要求是：船舶在航行途中，水深5 0 0 m 以上，距岸超过2 0 0 海里或者离 岸航行时间超过4 8 小时航程，主要针对在港口或沿海加装的压载水进行更换。这就给 排空法和溢流法带来了工作的危险性。虽然稀释法没有安全上的问题，但是其耗能大， 更换效率不高，且需要对船体进行复杂的改造。 第1 章绪论 1 3 3 加热法 4 0 - 5 0 通常足以杀死或抑活压载水中的有害生物，低温长时间比高温短时间更 有效。温度在3 8 一5 0 ，加热持续时间为2 - 4 小时，可杀灭大部分生物，如果生物以 孢子的形式存在时，就需要更高的温度4 0 1 。张硕慧【2 0 】等进行了加热处理压载水的研究， 发现新月菱形藻在水温3 8 时，2 h 后致死；中肋骨藻在水温4 5 时，4 h 后致死；原生 动物在水温5 0 。c 时，2 h 后才致死。这说明不同的生物对温度的反应不同。马宝生【4 l 】等 人利用船舶柴油机余热对压载水加热处理，研究发现在温暖海域航行的船舶，从冷却器 出口排出的海水温度可以达到接近5 0 ，甚至更高。这一温度可以作为杀死有害生物的 热源。但是要达到良好的处理效果，需要对压载水进行保温处理，安装蓄热柜对压载水 保温。b o l d o rd 1 9 】等人利用微波对压载水进行加热处理，研究发现：微波作用时，杀死 盐水虾幼虫和成虫的温度分别为4 7 和4 3 。c ；杀死绿球藻和牡蛎幼虫的温度分别为5 3 和5 1 。因此若保持温度为5 5 接触时间为2 0 0 s 时可杀灭上述生物。 加热法虽然被认为是一种具有潜在吸引力的方法，但其存在处理时间长、能耗过高、 热应力影响船舶航行安全等难以解决的问题，而且温度过高还会产生加速舱壁锈蚀、损 坏设备等其他负面作用。 1 3 4 紫外照射法 紫外线在波长为2 4 0 2 6 0 n m ，尤其是在2 5 3 7 n m 处对压载水中的生物和病原体有杀 灭的作用。主要是水中微生物一旦受到紫外线照射，将吸收紫外线照射的能量，其实质 是核酸对紫外线能量的吸收。核酸吸收紫外线达到一定剂量后，d n a 分子发生变异， 从而引起微生物体内蛋白质和酶的合成障碍；另一方面，产生的自由基可引起光电离， 从而导致细胞死亡。研究显示，大多数细胞、病毒仅接受相对较低强度的紫外线照射， 当照射强度达到1 0 0 0 0 u w ( c m 2 s ) 的剂量时，细胞便会受到不同程度的破坏而死亡【4 2 】。 有研究发现：3 2 k w 的紫外灯在1 5 0 0 9 p m 时抑制浮游植物的生长和造成浮游动物9 5 以 上的死亡率【4 3 1 。然而紫外线处理在很大程度上依赖微生物的大小和形态。海藻由于其尺 寸和颜色的原因，需要的剂量比细菌大，蓝绿藻对紫外线抵抗性特强，杀死它需要的辐 射量比杀死细菌需要的量大2 3 级【4 4 1 。 高压脉冲放电处理藻类的研究 并且在使用紫外线处理压载水的过程中，紫外光容易被悬浮物质和黄色物质( 即溶 解性有机物) 所吸收，而且较大颗粒的悬浮物质能遮挡紫外光，从而导致杀灭率下降， 此外如果压载水中含铁量高的话，会因其沉积在石英灯管上影响处理效果等。并且一些 小的生物体可能附着在较大生物体上，使其没有被处理就离开了处理单元。因此通常将 紫外线技术同其他技术联合使用。 1 3 5 絮凝法 庞艳华【2 2 2 4 1 等人使用絮凝法处理船舶压载水。当使用有机改性粘土矿物为絮凝材 料，用量为o 1 0g l 时，可以去除海水中1 0 0 的细菌和8 5 的浮游植物，对部分原生动 物也有很强的杀灭作用。当以阳离子表面活性剂十六烷基三甲基溴化铵( h d t m a b ) 未改性材料，通过膨润土颗粒的表面吸附及离子交换作用对膨润土进行了改性后，当有 机膨润土的用量为0 0 2g l 时，在2 4 h 内小球藻的去除率大于8 5 ，新月菱形藻的去除 率大于9 0 。实验同时证实了有机膨润土表面静电作用和季铵盐离子亲脂性、长脂肪链 的网捕作用及杀灭作用是有机改性膨润土去除微藻细胞的主要原因。而采用十六烷基三 甲基铵与高岭土湿法合成有机高岭土处理藻类、细菌和原生动物。结果表明，当有机高 岭土的用量为0 0 3 0g l 时，2 4 h 内塔玛亚历山大藻的去除率大于8 0 ；用量为0 1 0g l 时，海水中的异氧细菌无法检出，同时对海水中的部分原生动物也有较强的杀灭作用。 1 3 6 电解法 党坤2 印等人对电解法处理船舶压载水的机理做了理论分析，指出电解处理压载水不 是纯一机理，而是综合作用，不单是多种氧化剂联合杀生，这些氧化性粒子包括h c l 0 分子，o ，o h 等，还有电场的作用。澄清了以往认为纯粹是次氯酸分解释放单原子 氧杀灭微生物的概念。研究发现，对卤虫密度为6 0 5 6 个l 的海水，以3 5 m g l 的初始 余氯氯处理，接触4 8 小时后，杀灭率为9 9 7 9 2 ；以4 0 m g l 的初始余氯处理原生海水 时，细菌的杀灭率为9 9 9 9 ，原生海水中的1 8 种藻类中的4 类被完全杀灭，而藻类的 总杀灭率达7 2 ，能立即杀死当时能检测出的唯一一种原生动物一纤毛虫；以5 0 m g l 的初始余氯处理含单种藻( 小新月菱形藻叉鞭金藻塔胞藻) 的海水，能将浓度为1 0 5 m l 的藻类完全杀灭，因此用5 0 m g l 的初始余氯处理原生海水时，足以将海水中藻类杀灭。 第1 章绪论 n a n a y a k k a r ak gn 2 7 1 等人利用电解处理压载水中的大肠杆菌，研究发现，当停留 ， 时间为3 0 s ，电流为0 3 a 时，处理后排放的压载水中大肠杆菌浓度就符合i m o 的要求 ( 2 5 0 c f u 1 0 0 m 1 ) 。此时能耗仅为0 0 0 4 k w h m 3 。 虽然电解法处理压载水十分有效，然而电解会加速舱壁的腐蚀，对船体造成损害， 缩短船的使用寿命，并且电解海水的过程中，氯容易与水中的腐殖质结合形成有毒物质 一氯仿，这将会影响海洋生物的生长与繁殖，也会给人体健康带来危害。 1 3 7 超声波法 超声波通过各种间接反应对海洋生物有致命作用。它可以产生热量、压力波的偏向， 形成半真空或半真空状态从而脱氧导致浮游生物的死亡。 h o l mer 跚等人采用频率为1 9 k h z 的超声波处理压载水中的浮游植物、浮游动物 和细菌，并且比较了超声波对微生物的处理效果同个体大小间的关系。研究发现，杀灭 9 0 浮游动物所需的接触时间和能量范围分别为3 9 s 和6 1 9 j m l ，而杀灭9 0 细菌和浮 游动物所需的接触时间和能量范围分别为1 - 2 2 m i n 和3 1 1 2 4 0 j 。试验结果表明，使用超 声波处理压载水，当超声波频率为1 9 2 0 k h z 时，对杀灭个体 l o o p m 的浮游生物很有效， 然而要杀灭较小的浮游生物如浮游植物和细菌时就需要同其他的处理技术或系统结合 使用。 并且在建康和安全方面，一些转换环节可能会产生噪音，可能还有一些目前未知的 牵涉到船舶结构完整性和人员频繁接触在超声波中引发的健康方面的问题。气蚀过程还 会造成水舱表面或结构的破坏等等【4 5 1 。 1 3 8 臭氧法 臭氧是一种强氧化剂，其氧化电势为2 0 7 v ，有很强的氧化能力，其氧化性仅次于 氟。在水中与多数有机物均能反应，当臭氧充足时，在几分钟内可将有机物完全氧化为 二氧化碳。由于臭氧的强氧化性，在一定浓度下能与细菌、病毒等微生物产生生化氧化 反应，破坏其细胞壁和核糖核酸，分解d n a 和r n a 等大分子物质，使细菌的物质代谢 生长和繁殖过程遭到破坏m ，还可以渗透膜组织，侵入细胞膜内作用于外膜脂蛋白和内 部的脂多糖，使细胞发生通透性畸形，使微生物溶解死亡【4 7 】。臭氧属于溶菌剂，对微生 高压脉冲放电处理藻类的研究 物达到彻底永久的消灭。杀菌高效性，比氯消毒快6 0 0 3 0 0 0 倍，在几分钟甚至几秒钟 就可以将细菌致死。 有研究显示，在装有纯化水的贮罐及管道内通入臭氧气体l o m i n ，大肠杆菌杀灭率 为9 8 6 9 ，通入臭氧气体3 0 m i n 大肠杆菌杀灭率达1 0 0 4 引。汪梅华【2 9 1 等人利用臭氧灭 藻，结果显示，当臭氧浓度超过1 6 m g l 时，可以使全部藻类死亡，效果明显且不产生 任何有害残留物。然而低浓度( 0 5 m g l ) 的臭氧对海藻的生长有促进作用，一旦超过 这个阈值，它对海藻生长的抑制作用随着臭氧浓度的增加而增加。 然而使用臭氧处理压载水时，臭氧会加快压载舱的腐蚀，而且难于保持一定的残留 杀菌浓度，并且投加量不宜调节，需要具有较高的技术水平进行管理和维护，不适应船 舶的环境空间和技术力量。 1 3 9 过氧化氢法 过氧化氢是一种很强的氧化剂，可以有效的杀灭浮游植物的包囊。与其他化学药品 相比，残余的过氧化氢在很短时间内就可以分解成水和氧气，对环境的危害相对较小。 但是当水中有机物含量很多时，过氧化氢会与有机物反应从而减少用于灭菌的药量，进 而影响杀灭效果【4 9 1 。 有研究显示，对压载水中的多种海洋生物，特别对斑蚌，要达到良好的处理效果所 需要的过氧化氢剂量大的令人难以接受。一般5 0 0 0 0 t 的船，处理压载水估计需要3 5 的双氧水1 5 0 t ，每次所需费用约2 0 0 万澳元，费用非常的高。因此单独使用过氧化氢处 理压载水基本是不可行的，必须与其他的处理工艺联合使用才有可能用于实际【3 2 】。 1 3 。1o 脱氧法 脱氧法作为一种船舶压载水的处理方法，关于脱氧的方法到目前为止有很多研究， 主要包括通入n 2 气脱氧，加入葡萄糖或者硫化物脱氧，使用真空泵脱氧以及在装载压 载水时使用文丘里脱氧系统进行脱氧。其中利用n 2 脱氧主要是利用在海水中n 2 溶解性 高于0 2 的原理，充入n 2 以取代海水中的大部分溶解氧，再过滤海水，从而达到杀死和 滤除大部分海水中的有害生物的目的。这种方法一种具有潜力的脱氧方法，目前正在试 验验证中3 3 1 。加入葡萄糖或者是硫化物的方法进行脱氧，试验结果显示对微生物的去除 第1 章绪论 有一定的作用，但是用于压载水的去除远远不够。使用真空泵脱氧对浮游动物的杀灭有 一定的效果但是对浮游植物的杀灭效果不明显【3 4 1 。由美国n e i 公司推出的文丘里脱氧系 统是在装载压载水的过程中对其进行脱氧，当压载水通过文丘里管脱氧系统时，将会发 生3 个变化：混合的空化现象、水中的溶解氧减少9 5 以及水中的p h 值降低至6 0 。 该系统的原理是利用惰性气体在船舶压载舱上制造了一个低氧的环境，降低了随压载水 带来的水生生物的生存率【3 5 】。 1 3 11 化学杀虫剂法 在投加化学杀虫剂的方法中，目前所见的化学药剂主要是“p e r a c l e a no c e a n 、 “s e a k l e e n ”以及丙烯醛等。 “p e r a c l e a no c e a n 是德国研制的以过氧乙酸为基础的产品，它的主要成分为1 5 的过氧乙酸、1 4 3 的过氧化氢、2 6 。5 的乙酸和水。它能杀死病毒、细菌、孢子、藻类、 原生动物和较高等的生物。该产品对人类毒性小，在美国等一些国家可以做食品添加剂， 用量可达1 0 0 p p m 。研究发现，初始浓度为2 0 0 p p m 的药剂可在2 - 6 周内被生物降解。灭 活腰鞭毛虫的孢子需要的药剂为4 0 0 p p m ，抑制细菌生长的浓度为1 2 5 2 5 0 p p m ，杀灭腰 鞭毛虫细胞的浓度为1 0 0 p p m l 3 6 3 7 】。 “s e a k l e e n 是美国从天然物质中提取的一种杀虫剂，可以有效地杀灭水蚤、鱼的 幼体和卵、甲壳类和弧菌等生物。研究显示，当药剂浓度为2 p p m 时就可杀灭腰鞭毛虫 细胞，浓度为6 p p m 时可灭活腰鞭毛虫的孢子，浓度为1 0 p p m 时能杀灭部分细菌。其在 水中的半衰期为1 6 3 0 小时，但是最后会在水中有残留【3 6 | 。 在总载重吨位为8 0 0 0 m t 的集装箱船上做了用丙烯醛处理船舶压载水的实验，在不 同压载舱中，分别用1 ，3 ，9 和1 5 m g l 丙烯醛浓度在压载水吸入时处理，然后每天进 行生物检测和丙烯醛残余浓度检测。结果发现，丙烯醛是一种广谱灭活剂，对细菌、海 藻和其他微生物均有效。实验室研究证实，1 - 3 m g l 丙烯醛能有效的控制多种海洋微生 物。船上的试验显示，以9 m g l 的丙烯醛处理2 天内9 9 9 9 有效，以1 5 m g l 处理3 天 内9 9 9 9 有效，残余丙烯醛浓度保持2 m l ，微生物再生的可能降低至最低【5 0 】。 1 3 12 电场作用 高压脉冲放电处理藻类的研究 根据电场杀菌假说理论和电穿孔机理，许碧梁等【3 8 】人利用高压电场灭活海藻。实验 发现，一定的高压电场对海洋微生物有灭活作用。选择合适的电场强度，能够达到灭藻 的效果。而不同微生物对于电场敏感度不同，不同藻类在同一灭藻电场下对藻的灭活效 应不同。当电源( 直流电源) 电压为1 0 0 0 0 v ，电场强度为2 5 k v c m ，通电处理2 4 h 时， 处理后的新月菱形藻培养9 天不生长。 1 3 。13 联合技术 在上述的单一处理方法中，每种都有其各自的优缺点。为了解决单一技术的缺陷， 目前国内外的学者致力于各种联合技术的研究，下面就目前研究的联合技术举几例： 刘飞【5 1 】等人从实用性角度介绍了旋流一紫外线组合的压载水处理方法。旋流分离作 为第一级预处理，分离较海水密度大的固体悬浮颗粒和微生物，紫外线作为二级处理， 灭活海水中残存的微生物和细菌。此组合处理方法对生物的平均灭活率达到9 8 以上， 且组合设备简单易于维护保养，投资维护费用低，处理成本约是传统方法的1 5 。然而 在研究中发现有少数微生物对紫外线又很强的抵御能力。如何杀灭这些微生物在系统设 计时必须予以解决。 李成玉【5 2 】分析了由a l f a l a v a l 公司与w a u e n i u sw a t e r a b 公司联合研制的、由瑞典阿 法拉伐基团推出的p u r e b a l l a s t 压载水处理系统。这个系统是利用过滤加上高级氧化的一 个处理过程。首先，压载水泵通过海底门吸入压载水，让压载水通过孔径为5 0 u m 的过 滤器以除去大于5 0 u m 的生物，然后将压载水送入高级氧化处理阶段。小于5 0 u r n 的生 物在压载舱通过光触媒装置时被杀死。在光触媒装置中，用紫外线照射二氧化钛( t i 0 2 ) 产生羟基( o h ) ，利用该基团夺取微生物细胞膜内的氢元素( h ) ，从而杀灭微生物。 虽然羟基对所有的生物