一种羟基自由基杀灭赤潮藻孢囊的装置和方法与流程

本发明涉及强电离放电、自由基生物学和海洋外来生物入侵防治，尤其是涉及一种羟基自由基杀灭赤潮藻孢囊的方法和装置。

背景技术：

近20年来，我国近岸海域爆发赤潮约1160次，影响海域面积达21万平方公里(郭皓,丁德文,林凤翱,关春江.近20a我国近海赤潮特点与发生规律[j].海洋科学进展,2015,33(4):547-558)。海洋赤潮的频繁爆发、范围扩大，加剧了海洋灾害，影响了海洋生物的生存，对我国近岸海域环境质量亮出了红牌。海洋赤潮爆发的重要成因是处于休眠状态的赤潮藻孢囊，也被称为赤潮的“种源”，在合适条件下萌发并且大量繁殖，形成大规模赤潮(mardonesji,bolchc,guzmánl,paredesj,varelad,hallegraeffgm.roleofrestingcystsinchileanalexandriumcatenelladinoflagellatebloomsrevisited[j].harmfulalgae,2016,55:238-249)。而远洋船舶压载水中的外来赤潮藻在极端特有的无光、缺氧条件下“钝化”或“休眠”即会产生具有保护机制的孢囊，单个压载水舱中赤潮藻孢囊约有3亿个，若要从源头上阻断海洋生物入侵，最关键的是高效杀灭赤潮藻孢囊。

如何快速有效地杀灭具有坚硬孢囊壁的赤潮藻孢囊是海洋赤潮防治的最大难点之一，目前主要采用物理法和化学法。物理法主要包括机械过滤、热处理等方法。机械过滤采用10-50μm(多数为25μm)的过滤网对压载水中赤潮藻孢囊进行强制截留，去除率约为60％～80％，但机械过滤对于体型较小的赤潮藻孢囊几乎没有效果；热处理采用热交换器等对压载水进行加热，当温度达到40℃以上时，处理1～2min可完全杀灭赤潮藻孢囊，但热处理需要庞大的加热设备且运行成本过高，难以实现工程化运营。化学法杀灭赤潮藻孢囊一般采用ph、cl2、h2o2、cuso4及复合杀菌剂等(bolchcjs,hallegraeffgm.chemicalandphysicaltreatmentoptionstokilltoxicdinoflagellatecystsinships'ballastwater[j].journalofmarineandenvironmentalengineering,1993,1(1):23-29)，存在的问题包括：杀灭效果差、药剂浓度高、杀灭时间长、消毒副产物超标、投资及运行费用高等。

基于高级氧化技术的羟基自由基(·oh)是绿色强氧化剂，其具有如下特点：(1)·oh是强氧化剂，其氧化还原电位高达2.8v，几乎可以和所有生物大分子发生反应，能够氧化降解一般氧化剂难以反应的赤潮藻孢囊；(2)·oh参与反应属游离基反应，反应速率常数极高，其化学反应速率常数高达10⁹m^-1s^-1，能在数秒内完成整个生物化学反应；(3)剩余的·oh分解成h2o和o2，无任何残余药剂。目前常用的产生·oh方法包括fenton反应、光催化、o3、电解法等，这些方法最主要的问题是·oh产生浓度低，无法达到杀灭赤潮藻孢囊所需浓度，此外，还存在药剂用量大、运营成本高、反应体系复杂、难以大规模使用等问题。

技术实现要素：

本发明的目的在于提供一种羟基自由基杀灭赤潮藻孢囊的装置。

本发明的另一目的在于提供一种羟基自由基杀灭赤潮藻孢囊的方法。

所述羟基自由基杀灭赤潮藻孢囊的装置，设有高频高压电源、模块化氧活性碎片发生器、在线氧活性碎片检测器、气液混溶器、文丘里射流器、液体计量泵、气体流量计、液体流量计、水质检测器、水力空化喷嘴、填料反应器、气液分离器、tro在线检测器、液体主管路、液体支管路；

所述气体流量计的进气口外接氧气源，气体流量计的出气口接模块化氧活性碎片发生器的进气口，高频高压电源与模块化氧活性碎片发生器连接，模块化氧活性碎片发生器的出气通过在线氧活性碎片检测器后与气液混溶器的进气口连接；待处理的孢囊溶液与液体计量泵的进水口连接，液体计量泵的出水口与液体流量计的进水口连接，液体流量计的出水口与水质检测器的进水口连接，水质检测器的出水口分为两路，一路沿液体主管路与文丘里射流器的主进水口连接，另一路沿液体支管路与液体流量计的进水口连接，所述液体流量计的出水口与气液混溶器的进水口连接，气液混溶器的出水口与文丘里射流器的侧进水口连接，文丘里射流器的出水口与水力空化喷嘴的进水口连接，水力空化喷嘴的出水口和填料反应器的进水口连接，填料反应器的出气口和气液分离器的进气口连接，气液分离器的出气经热分解后排放，填料反应器的出水口与水质检测器的进水口连接，水质检测器的出水经过tro在线检测器后可安全排放。

所述氧气和气体流量计的进气口之间可设置气体阀门；所述待处理的孢囊溶液和液体计量泵的进水口之间可设置进水液体阀门；所述液体计量泵的出水口和液体流量计的进水口之间可设置进水取样阀门；所述支管路液体流量计进水口前，在液体支管路上可设置支管路液体阀门；所述水力空化喷嘴的出水口可设置检测取样阀门；所述水质检测器的出水口和tro在线检测器的进水口之间可设置出水取样阀门。

所述高频高压电源的放电电压可为150～200v，放电功率可为150～425w。

所述羟基自由基杀灭赤潮藻孢囊的方法，包括如下步骤：

1)开启高频高压电源，使模块化氧活性碎片发生器产生强电离放电，对氧气进行解离、电离，生成气态氧活性碎片；生成的气态氧活性碎片经在线氧活性碎片检测器检测浓度后，进入气液混溶器；

2)打开液体计量泵，待处理的孢囊溶液被泵入液体主管路，待处理液体依次经过液体流量计、水质检测器后分为两路，一路通过液体主管路进入文丘里射流器的主进水口，另一路通过液体支管路进入气液混溶器的进水口，并和进入气液混溶器的气态氧活性碎片混合、反应，生成大量羟基自由基后进入文丘里射流器的侧进水口；在文丘里射流器内，主进水口的待处理水和侧进水口的羟基自由基溶液充分混溶后进入水力空化喷嘴的进水口，在水力空化喷嘴喷射过程中，羟基自由基充分氧化杀灭待处理的孢囊溶液中赤潮藻孢囊等浮游生物，同时分解水中有机物，改善水质；水力空化喷嘴出口的待处理液体进入填料反应器继续反应，填料反应器出水经水质检测器、tro在线检测器后可安全排放。

在步骤1)中，所述氧气的纯度可为99％以上，且氧气的进气量可为1.0～10.0l/min；所述高频高压电源的放电电压可为150～200v，放电功率可为150～425w；所述气态氧活性碎片主要包括o2⁺、o(¹d)、o2^-、o(³p)、o3等粒子，质量浓度可达80～400mg/l；气体管路均可采用耐腐蚀的聚四氟乙烯材质。

在步骤2)中，所述待处理的孢囊溶液的流量可为1～50m³/h；所述液体支管路和液体主管路中液体的体积比可为1︰(9～19)；所述气液混溶器中，气态氧活性碎片和液体支管路中液体的体积比为1︰(2～10)，气态氧活性碎片传质效率可达90％以上；所述液体主管路中液体和液体支管路中羟基自由基溶液在文丘里射流器中充分混溶，形成的总活性氧浓度(totalreactiveoxidants,tro)可达2.0～20mg/l，所述填料反应器的有效体积可为0.3m³，待处理液体在填料反应器中平均水力停留时间为20～100s，总活性氧的浓时积阈值(ct值)为0.03～0.67mg·min/l；液体管路可采用经防腐处理的不锈钢管材。

本发明利用大气压强电离放电方法，可制备高浓度的羟基自由基溶液，能快速高效杀灭赤潮藻孢囊，并对致病菌、赤潮藻、浮游植物等的杀灭效率可达99.5％～100％，解决了一般物理化学方法无法有效杀灭赤潮藻孢囊的难点。此外，羟基自由基能够氧化大分子有机物，能够有效降低压载水的浊度和有机物浓度，改善水质；且处理出水的各消毒副产物浓度均低于世界卫生组织饮用水标准，急性毒性、慢性毒性实验结果也表明处理出水对海洋生态环境、人体健康、船舶安全无潜在风险。

所述羟基自由基杀灭赤潮藻孢囊的过程主要发生在文丘里射流器、水力空化喷嘴以及填料反应器中，平均水力停留时间为20～100s；经过文丘里射流器、水力空化喷嘴以及填料反应器后，羟基自由基可以充分与赤潮藻孢囊反应，分解其叶绿素，氧化降解内容质，破坏dna，从而有效杀灭赤潮藻孢囊，由于羟基自由基极高的反应速率常数，上述反应在数秒内即可完成，因而其可在停留时间内完全反应；并且，羟基自由基在杀灭赤潮藻孢囊的同时，会同步致死结构相对简单的赤潮藻、致病菌。

所述文丘里射流器、水力空化喷嘴及填料反应器为羟基自由基杀灭赤潮藻孢囊的核心区域；文丘里射流器可实现待处理水和羟基自由基溶液的高效混溶，并且在变径的过程中实现局部的高温高压，有利于提高羟基自由基的生成量；水力空化喷嘴的喷射过程产生高强压力脉冲，产生强烈的冲击波和微射流，可促进羟基自由基和赤潮藻孢囊的接触碰撞，提高羟基自由基对孢囊的杀灭效果；填料反应器可作为羟基自由基与赤潮藻孢囊碰撞、反应的场所，填料采用有机高分子材质，可增加气-液接触面，实现羟基自由基停留时间的增加，从而保证达到合适的ct阈值。

所述总活性氧的ct值根据待处理液体的温度、ph、浊度、总有机碳浓度、赤潮藻孢囊密度等参数进行调控，以有效杀灭赤潮藻孢囊作为判断依据。

本发明的技术效果和优点是：①将氧气通入到具有极窄放电间隙0.1mm、亚微米al2o3冶贴成薄电介质层的小型化非平衡等离子体源中，实现了大气压强电离放电生成高浓度氧活性碎片；采用模块化氧活性碎片发生器并任意组合，获得可调控、大产生量的氧活性碎片，在高效气液混溶器中和海水充分混合反应，经过射流空化效应，可瞬间高效大量地生成羟基自由基，其浓度可达200μmol/l；②羟基自由基经过文丘里射流器、水力空化喷嘴及填料反应器后，形成以羟基自由基为主的氧自由基溶液，其浓度可达2～20mg/l，氧自由基溶液和赤潮藻孢囊充分混合、接触并碰撞，可实现快速高效地杀灭赤潮藻孢囊，杀灭时间在1～20s之间，杀灭ct阈值为0.1～0.5mg·min/l；③羟基自由基可由赤潮藻孢囊外壁上细小裂纹处进入孢囊体内，氧化降解叶绿素，破坏dna结构，抑制其萌发，从而实现对孢囊的完全杀灭，且在杀灭孢囊的过程中不造成内容质外溢，无藻毒素外泄的风险；④羟基自由基在杀灭赤潮藻孢囊的同时，可以实现对赤潮藻、致病菌等的有效杀灭，且分解水中有机物浓度，降低浊度，提升水质；⑤本发明所述装置处理水量可达1～50m³/h，设备简便，占地面积小，操作简单，运营成本低，适用于各类吨位船舶的压载水处理和赤潮海域岸基处理工程，为海洋外来生物入侵防治提供了新的处理手段。

附图说明

图1为羟基自由基杀灭赤潮藻孢囊的装置实施例组成示意图。

图2为羟基自由基杀灭前后赤潮藻孢囊形态变化。

图3为羟基自由基杀灭前后赤潮藻孢囊dna变化。

图4为羟基自由基杀灭前后赤潮藻孢囊外部形貌变化。

图5为羟基自由基杀灭赤潮藻孢囊的时间效应。

具体实施方式

以下实施例将结合附图对本发明作进一步说明。

如图1所示，所述羟基自由基杀灭赤潮藻孢囊的装置实施例设有模块化氧活性碎片发生器1、高频高压电源2、在线氧活性碎片检测器3、气液混溶器4、文丘里射流器5、待处理孢囊溶液水箱61、处理出水水箱62、进水液体阀门71、进水取样阀门72、支管路液体阀门73、气体阀门74、检测取样阀门75、填料反应器进水阀门76、排泥阀门77、出水取样阀门78、液体计量泵8、主管路液体流量计91、支管路液体流量计92、气体流量计93、进水水质检测器101、出水水质检测器102、水力空化喷嘴11、填料反应器12、气液分离器13、出水tro在线检测器141、支管路tro在线检测器142、液体主管路15、液体支管路16。

所述水箱共有2个，分别为待处理孢囊溶液水箱61及处理出水水箱62；所述流量计共有3个，分别为主管路液体流量计91、支管路液体流量计92及气体流量计93；所述水质检测器共有2个，分别为进水水质检测器101及出水水质检测器102；所述tro在线检测器共有2个，分别为出水tro在线检测器141和支管路tro在线检测器142。

所述气体流量计93的进气口外接氧气源，气体流量计93的出气口与模块化氧活性碎片发生器1的进气口连接，高频高压电源2与模块化氧活性碎片发生器1连接，模块化氧活性碎片发生器1的出气经过在线氧活性碎片检测器3后进入气液混溶器4的进气口；所述待处理孢囊溶液水箱61与液体计量泵8的进水口连接，液体计量泵8的出水口与主管路液体流量计91的进水口连接，主管路液体流量计91的出水通过进水水质检测器101后分为两路，一路沿液体主管路15进入文丘里射流器5的主进水口，另一路沿液体支管路16进入支管路液体流量计92的进水口，支管路液体流量计92的出水口与气液混溶器4的进水口连接，气液气液混溶器4的出水经过支管路tro在线检测器142后和文丘里射流器5的侧进水口连接，文丘里射流器5的出水口与水力空化喷嘴11的进水口连接，水力空化喷嘴11的出水口和填料反应器12的进水口连接，填料反应器12中未溶解的气体进入气液分离器13，经热分解后排空，填料反应器12的出水沿液体主管路15依次经过出水水质检测器102和出水tro在线检测器141后进入处理出水水箱62。

所述待处理孢囊溶液水箱61与液体计量泵8之间设置进水液体阀门71；所述液体计量泵8与主管路液体流量计91之间设置进水取样阀门72；所述液体支管路16上设置支管路液体阀门73；所述氧气源与气体流量计93之间设置气体阀门74；所述水力空化喷嘴11出水口后设置检测取样阀门75；所述填料反应器12和检测取样阀门75之间设置填料反应器进水阀门76；所述填料反应器12底部设置排泥阀门77；所述出水水质检测器102和出水tro在线检测器141之间设置出水取样阀门78。

以下给出羟基自由基杀灭赤潮藻孢囊的方法：

1)开启气体阀门74，根据待处理的水量确定氧气进气量，氧气进气量可为1.0～10.0l/min；开启高频高压电源2，通过调节模块化氧活性碎片发生器1的激励电压和放电功率，对氧气进行不同程度的电离、离解，生成o2⁺、o(¹d)、o2^-、o(³p)及o3等气态氧活性碎片，其浓度可为80～400mg/l；气态氧活性碎片通过在线氧活性碎片检测器3后进入气液混溶器4。

2)打开进水液体阀门71，开启液体计量泵8，待处理孢囊溶液被依次泵入主管路液体流量计91和进水水质检测器101，处理流量可为1～50m³/h；待处理孢囊溶液经过进水水质检测器101后分为两路，一路沿液体支管路16，经过支管路液体流量计92后进入气液混溶器4，并和气态氧活性碎片充分混合、反应，气液混溶器4中气态氧活性碎片和液体支管路16中液体的体积之比可为1/10～1/2，在微气泡破裂溶解的过程中高效制备羟基自由基溶液，羟基自由基浓度最高可达200μmol/l，另一路经液体主管路15进入文丘里射流器5，在文丘里射流器5的作用下，液体主管路15中待处理孢囊溶液和羟基自由基溶液混合碰撞，生成以·oh为主，包括h2o2、ho2^-、o2·等的总活性氧，水中总活性氧tro浓度可为2-20mg/l，然后进入水力空化喷嘴11，在高强压力脉冲的作用下，产生强烈的冲击波和微射流，进一步促进羟基自由基与赤潮藻孢囊、赤潮藻、致病微生物等的充分接触；水力空化喷嘴11的出水进入填料反应器12中继续混溶反应提高处理时间，羟基自由基在填料反应器12的填料作用下，进一步和赤潮藻孢囊进行碰撞反应，提升了羟基自由基的作用时间，保证了杀灭所需的ct阈值，填料反应器12中未溶解的气态氧活性碎片经过气液分离器13后经热分解后安全排放，而填料反应器12的出水通过液体主管路15进行排放，依次通过出水水质检测器102和出水tro在线检测器141后进入处理出水水箱62。

以下给出·oh杀灭赤潮藻孢囊的作用机理：

首先，·oh破坏赤潮藻孢囊的有机质外壁或钙质外壁，并进入孢囊体内。

在孢囊体内，·oh对孢囊细胞的生物膜进行氧化破坏，生物膜主要由蛋白质、脂质及多糖组成，其中，大量存在的多不饱和脂肪酸极易受到·oh的攻击而产生膜脂过氧化，包括脂键断裂、不饱和脂肪酸碳链断裂水解等反应，从而破坏孢囊细胞结构的完整性，导致孢囊细胞无法发挥正常功能。

进入孢囊细胞体内后，·oh主要氧化细胞内色素、油滴、dna等生物大分子。叶绿素a是孢囊体内重要的细胞色素，其是由单、双键交替不饱和结构组成的，·oh能够使其发生断裂、变构乃至分解为小分子无机物，从而影响孢囊的光合作用；dna在细胞体内具有传递遗传信息、控制细胞活动等极为重要的功能，dna大分子是由核苷酸组成的序列，·oh能够与dna形成加和物，导致dna结构发生碱基置换、碱基丢失、链断裂等改变；并且，·oh还进攻rna，造成rna的损伤，组织遗传信息的复制。此外，·oh还能抑制孢囊的萌发，从而导致孢囊无法正常分裂为营养细胞，破坏孢囊作为赤潮种源的生态作用。

以下给出具体实施例。

实施例1

某压载水舱进行排放处理，水中含有赤潮藻孢囊3180cells/ml、浮游植物20900cell/ml及致病微生物15900cfu/100ml，处理水量为7.2m³/min，待处理水支管路的流量为720l/min，水力空化喷嘴出水进入填料反应器中继续反应，填料反应器的水力停留时间为10s，tro浓度分别为0.76、1.40mg/l，对应ct值分别为0.13、0.23mg·min/l；处理后在出水取样阀门处取样检测，在荧光显微镜下利用sytoxgreen核酸染料判断细胞死活，若细胞死亡，则在488nm激发下发出绿色荧光；若细胞存活，则发出红色叶绿素自发荧光。各ct值处理后，羟基自由基对孢囊杀灭效果(杀灭时间为10s)参见表1，羟基自由基对浮游植物及致病微生物杀灭效果(杀灭时间为10s)参见表2。由表1和2可以看出，ct值为0.13mg·min/l时，浮游植物和致病微生物数量均降为0，这表明·oh对二者有着很好的杀灭效果，能够实现高效快速的杀灭，而此时的钙质外壁孢囊和有机质外壁孢囊还分别剩下114、56cells/ml，这是由于孢囊厚重外壁的保护作用，导致其对外界环境具有更好的抵抗力，而随着ct值进一步提升至0.23mg·min/l，钙质外壁孢囊和有机质外壁孢囊均降为0，这表明，当采用较高的羟基自由基ct值时，赤潮藻孢囊也能被完全杀灭。

表1羟基自由基对孢囊杀灭效果(杀灭时间为10s)

表2羟基自由基对浮游植物及致病微生物杀灭效果(杀灭时间为10s)

实施例2

对实施例1中ct阈值(0.23mg·min/l)下·oh杀灭赤潮藻孢囊的作用机制进行检测。首先，利用荧光显微镜对·oh杀灭前后钙质外壁孢囊和有机质外壁孢囊的形态变化进行观察，结果如图2所示；并利用dapi定向表征杀灭前后两种孢囊的细胞核区轮廓，从而判断dna损伤，结果如图3所示；并利用扫描电子显微镜对杀灭前后孢囊的外部形貌变化进行观察；并对·oh杀灭前后，钙质外壁和有机质外壁孢囊的萌发率进行检测，以此判断·oh对孢囊萌发特性的影响。

从图4可以看出，·oh处理前后(a、b为钙质外壁孢囊杀灭前后sem照片，c、d为有机质外壁孢囊杀灭前后sem照片)，钙质外壁孢囊和有机质外壁孢囊均出现细小裂纹，·oh由此进入孢囊细胞体内，进行进一步的生化反应。结合图2(a、b为钙质外壁孢囊杀灭前后明场照片，c、d为有机质外壁孢囊杀灭前后明场照片；a、b为钙质外壁孢囊杀灭前后488nm激发后荧光照片，c、d为有机质外壁孢囊杀灭前后488nm激发后荧光照片)和图3(a、b为钙质外壁孢囊杀灭前后dna核区荧光照片，c、d为有机质外壁孢囊杀灭前后dna核区荧光照片)，可以看出，·oh进入孢囊体内后，能够氧化脱色细胞内容物，损伤叶绿素，破坏dna，从而导致孢囊的死亡。羟基自由基对孢囊萌发率的影响如表3所示。

表3羟基自由基对孢囊萌发率的影响

从表3可以看出，在致死ct阈值处理后，两种孢囊的萌发率均降为0，这表明经·oh处理后，赤潮藻孢囊没有再度萌发的风险，从而不会引发赤潮的爆发，从种源处阻断了赤潮的爆发。

实施例3

对实施例1中填料反应器的停留时间进行研究，采用tro浓度为1.40mg/l，当在停留时间分别为2、4、6、8及10s时分别取样进行检测，同时利用sytoxgreen核酸染料判断细胞死活，结果如图5所示。可以看出，当停留时间为6s时，有机质壁孢囊即从1546cells/ml降为0cells/ml，表明羟基自由基在6s内有效地杀灭了有机质孢囊，而钙质壁孢囊则从1634cells/ml降为192cells/ml，当停留时间提升到8s时，钙质壁孢囊才全部被杀灭，表明钙质壁孢囊具有的更厚的孢囊壁，更难以杀灭，不过，2种类型孢囊均在8s内被完全杀灭，这是因为羟基自由基的化学反应速率常数高达10⁹m^-1s^-1，从而可以在较短的停留时间内实现对赤潮藻孢囊的完全杀灭。