一种控制藻类生长和抑制微囊藻毒素的方法与流程

本发明涉及藻类控制技术领域，具体是指一种控制藻类生长和抑制微囊藻毒素的方法。

背景技术：

本发明用于处理天然或人工建造的水库、湖泊、河流、运河、溪流、池塘、游泳池、沿海等中的微囊藻毒素和藻类控制，特别是用于饮用水的水资源。

由于人类活动日益增加，向淡水系统中排放了越来越多的养分，它们现在变得更加脆弱。全球气候变化也增加了暴雨和阳光交替的突变频率，因此更多的径流和养分进入水流停滞区域。更强烈的阳光也导致水温的突然升高，因此在许多地区频繁发生以前罕见的水华。在那些被堵塞的河口和河流进入水库的地方，这种情况更加严重。

当这些饮用淡水资源出现藻类水华时，藻类水华对人体健康会产生严重影响，其中之一是水中的毒素物质、从死藻类或生物体中释放出来的有毒物质。特别是微囊藻毒素，一种从微囊藻、藻类或蓝绿藻中释放出来伤害人类肝脏的毒素。

水体中藻类种类繁多，大小不一，按大小可分为大于50微米(μm)和小于50微米。一般情况下，对于大于50微米的藻类，采用有效的过滤方法可以将其去除，但较难解决的是去除小于50微米的藻类，机械过滤系统对其去除效率较低。0.5到40微米大小的蓝细菌属于小于50微米的范畴，并且当它们溶解或死亡时，会释放出微囊藻毒素。

为了简单地杀死小于50微米的藻类或浮游植物，可以通过市场上的很多种方法来实现。然而，对于人类饮用水，需要以下先决条件：

1、在处理过程中或之后不能再产生更多的有毒物质。特别地，微囊藻毒素在处理之后应减少，并优选地满足世卫组织的饮用水微囊藻毒素含量小于1ppb(μg/l，微克/升)的要求；在常规藻类处理中，在微藻被杀死后通常在水中微藻毒素会增加。藻类微囊藻毒素一般在细胞存活时形成并包含在细胞内，但是一旦细胞被杀死或溶解，大部分微囊藻毒素的细胞内容物就会被释放。如果原水源中的微囊藻毒素水平很高，并且由于饮用水处理中没有去除微囊藻毒素的工艺，微囊藻毒素水平通常保持与原水源水平相同或在处理后变得更高，不能满足世卫组织的饮用水标准；

2、由于淡水中的微囊藻毒素主要由藻类产生，因此减少微囊藻毒素的另一个途径是确保有效杀死或控制小于50μm大小的浮游植物的生长；

3、处理后藻类的再生必须有良好的残留效应；

4、为了确保淡水系统内的完整的生态食物链不被这种处理打乱，杀灭方法必须不杀死生态系统中的其他有益的有机体；

5、在处理过程中不得引入或产生其他有毒或危险化学品，因为它将进一步污染水源并扰乱水源的生态系统；

6、它必须能够在低电导率淡水、河口和高电导率海水以及低氯含量淡水水库中进行处理。

目前市场上可用的微藻的处理方法可分为以下几种：

1、化学法：过氧化氢、氯气、二氧化氯、硫酸铜和其他杀藻剂的投放。由于这些水是供人类使用的，是不希望做化学处理的，特别是涉及危险或有毒化学品。化学物质具有杀藻作用，通常它们是强氧化剂或毒试剂。当然，如果水源是饮用水，则不允许使用有毒试剂。如果它是强氧化剂，那么在处理过程中必须保持水中的有效杀灭浓度，但在处理之后，水的tro(总残余氧化剂)和trc(总残余氯)必须通过添加更多的化学物质降低到对环境无害且不破坏生态系统的水平。但是这些附加的化学物质会降低水质，扰乱水源的生态平衡。直接将化学物质引入水源也会增加人体消耗的健康风险。但更重要的是，这些方法并不会破坏或减少微囊藻毒素，事实上，所有这些方法在蓝细菌被杀死或溶解时，不能控制微囊藻毒素的释放。因此，仍然无法解决饮用水的问题。鉴于这些制约因素，化学法不适合于水库、河流等露天地区的藻类控制。

2、电解法：传统上，利用直流电流产生氧化剂，如次氯酸盐、过氧化氢、氧化氢自由基，杀死生物体。但是，由于直流电解电导率低，氯化物含量低，导致产生所需数量的电流和消毒剂的效率低。即使消毒剂可以由大功率电流做补偿，处理后的消毒剂会杀死水中其他有益的生物和破坏生态系统。同样，直流电解不能解决微囊藻毒素的问题。

3、物理法：藻类处理的物理方法有很多，如紫外线、超声波、空化、脉动时变电磁波加直流或不加直流等。在这些方法中，一般存在以下缺点：紫外线、超声波和空化法能耗高；紫外线灯的污垢、超声发生器之间的高干扰；紫外光、超声波和空化处理效果好，但对再生长的控制效果不好；所有的方法都不能减少微囊藻毒素；在以上用于饮用淡水藻类控制的所有物理法中，没有一个具有全面满足所有饮用淡水藻类控制要求的能力。

4、紫外线处理：紫外线已知的缺点，功耗高、污垢的灯或不能在浑浊的水中工作。uv也只能在处理点才有效，而且它没有余留效应。没有余效，就不可能在野外条件下处理水库水，因为藻类在紫外线处理后的水中会继续生长。当紫外线用于藻类处理时，藻类“被杀死”的定义将决定于紫外线功率的要求。基于mpn(最可能数)计数法，已知功耗非常高，如果它是基于fda/cmfda方法，则定义“杀死”为藻类细胞的所有代谢活动停止。然后，功耗将比mpn计数方法高4倍。即每100立方米/小时的流速需要大约30～50千瓦的紫外线功率。然而，紫外线的最关键的问题是无法控制有毒微囊藻毒素的释放。当藻细胞被紫外线杀死时，细胞膜中含有的微囊藻毒素被释放到水中。其结果是，在处理后，微囊藻毒素在水中的数量增加而不是减少。

5、超声/空化处理：超声和空化是杀死藻类细胞的机械手段。对于超声，当应用于大规模处理时，超声波/发生器之间的干扰是常见的问题，并且高功耗是另一个问题。利用机械方法处理藻类，缺乏余效和无法控制藻类细胞的代谢活性是其它典型问题。用机械方法控制藻类的另一个问题是处理只能破坏细胞壁，但不能破坏任何分子键，因此不能减少微囊藻毒素。同样的问题，微囊藻毒素通过细胞壁泄漏到水中，是无法在淡水藻类中减少微囊藻毒素的另一个原因。

6、直流偏置随时间变化的脉动波处理：这种方法可用于藻类的处理，但主要用于海洋压载水处理，以满足imo的要求，而不是用于处理人类饮用水。船用压载水具有很高的导电性，因此能够产生所需的离子电流强度。海水中的高氯含量还允许直流电解海水，以产生所需的消毒剂。然而，在饮用淡水水源中，与海水的50000μs/cm相比，水的电导率低到100μs/cm，难以产生所需的离子电流，消毒剂在饮用淡水水源处理中效率低下。为此，在压载水应用中加入uv以提高杀灭率。此外，在处理过程中，压载水在压载水箱中无阳光地储存许多天，因此由于缺乏阳光，藻类细胞自然死亡。在饮用水露天水库中，由于阳光可以促进藻类生长，因此现有技术方法不适合这种时变的饮用淡水、露天水库的藻类处理；此外，对于饮用水水库的应用，控制小于10μm的藻类微藻处理和减少或去除有毒的微囊藻毒素是最关键的。现有技术对微囊藻毒素的处理和小于10μm的微藻(藻类)的处理是无声的。这两个先决条件在饮用水源的处理中是最重要的，因此现有技术也无法满足这种要求，特别是对于集雨水库而言。

因此在现有技术中，缺乏有效的快速接地工艺来有效地杀死浮游植物。在现有技术中，它只为生物体创造了一个通电状态。这类似于站在没有接地的高压电缆上，因此缺乏杀灭效果。在所有上述问题中，最难解决的问题是减少微囊藻毒素，并且限制不使用任何化学品。下一个问题是在低电导率和低氯含量的淡水环境中杀灭藻类的能力，但是必须具有控制藻类再生的剩余效果并且不损害生态系统。

在市场上可用的所有处理方法中，在不添加其他化学品的情况下，当浮游植物细胞裂解或死亡时，微囊藻毒素结构保持完整，或者通过膜泄漏，或者直接进入水中。目前还没有有效的微囊藻毒素处理方法，特别是饮用淡水的微囊藻毒素处理方法。

技术实现要素：

为解决上述技术问题，本发明提供的技术方案为：一种控制藻类生长和抑制微囊藻毒素的方法，包括以下步骤：

(1)设置藻类控制器(algaecontrolunit，简称：acu)，藻类控制器包括金属排水管道和沿金属排水管道设置的数个充电室，并在充电室内设置一对或多对发射器和接收器，通过水传输电磁波；

(2)充电室内的高能量点通过金属接地，使充电室中产生高能量梯度；

(3)发射器和接收器的电压差不小于24v，发射器和接收器的间距不大于10cm，发射器和接收器之间的电流密度不小于1a/m^2；

(4)将需要处理的水面藻类引入藻类控制器进行处理，利用高梯度近场电离子流破坏微囊藻毒素分子结构，特别是苯环和o-h和n-h氢键，振动水氢键以中断水中的电子/电荷流动以进一步破坏细胞代谢途径或过程，利用高梯度电位近场离子电流对叶绿素进行快速粉碎；

(5)使用接近法，采用近场高电流密度和高电压梯度方法解决低导水率和低氯化物含量的问题；

(6)对于低电导率的淡水，使用小于1mhz的脉动电磁波进行间歇冲击处理。采用间歇冲击处理提高浮游植物的杀灭效果。

(7)藻类控制器(algaecontrolunit，简称：acu)可以安装在两栖车辆、机动或非机动驳船上。然后将车辆或驳船移到受影响的区域中的藻类侵扰的热点区域和站进行处理，也可以将acu安装在岸上，设立处理站，将水抽取或引导到岸上的处理站，处理后排放回水中。也可以对藻类水华区进行分割，藻类侵染的水可以通过再循环在分区的小区域内处理，进行多级或循环处理。

优选地，所述充电室为1mhz脉冲电磁波充电室，所述充电室包括非金属内部腔室和设置于非金属内部腔室内的非导电材料衬里。

优选地，所述发射器和接收器的电压差为60v。

优选地，所述发射器和接收器的间距小于5mm。

优选地，所述发射器和接收器之间的电流密度大于10a/m^2。

本发明提供一种控制藻类生长和抑制微囊藻毒素的方法，在实际中，微囊藻毒素的种类很多，其中微囊藻毒素-lr最常见和最典型，在微囊藻毒素分子结构中，有苯环、o-h和n-h氢键。由于苯环的氢键和6个π电子(每个π键两个)的极性，这些键易受电磁波的影响，更具体地说，当电磁波存在时，它极易受到电击的攻击；由于微囊藻毒素存在于水中，如果使用电磁波，电磁波必须与水分子，特别是水的氢键共振，以便储存和传输能量。这种在水中储存振动能量，对于产生确保处理后水中藻类不再生的残余处理效果是必不可少的。

在辐射中，能量被分配到水中，并用于增加水分子运动，在一定程度上拉伸或压缩水的氢键。能量被储存并逐渐耗散到较低温度的环境中。在电磁波作用下，在频率小于1mhz的频率范围内，无论是时变的还是非时变的，它都会拉伸或压缩氢键。虽然非电磁波的正确频率确实具有拉伸和压缩氢键的作用，但脉动时变波在这方面更有效。由于氢键的拉伸或压缩，水分子的o-h键会发生振动，这可以通过ftir曲线中o-h峰的动态波动来检测和证明。ftiro-h峰的涨落也表明这种涨落可以在水中长期保存。

由于水分子氢键易受小于1mhz的电磁波的影响，并且水能够长时间携带这种能量，因此水分子能够有效地携带这种能量，以到达并释放能量到水中的微囊藻毒素。类似于加热，其中能量从高温传递到低温，对于脉动的电磁波，而不是焓(热)输入，它是通过熵输入到水中。电磁波将能量传递到水中，激发水o-h振动能量，提高了水的熵能。这种高熵能向周围环境的释放或耗散速率与温度无关，只要它们的熵能级不同，就可以在相同的温度区域之间传递。如果微囊藻毒素直接暴露在电磁波近场中，则微囊藻毒素的o-h、n-h氢键和苯环将根据电磁波的强度、频率范围和扫频而断裂或重新取向。

本发明使用可重复的高能量梯度间歇冲击处理，采用能量梯度法，从高能直接充电到直接接地的突变，能够对于浮游植物等生物提供更有效的处理，特别是在淡水环境中，采用间歇冲击处理提高浮游植物的杀灭效果；利用高梯度近场电离子流破坏微囊藻毒素分子结构，特别是苯环和o-h和n-h氢键，与现有的处理方式相比，本发明能够有效解决微囊藻毒素问题。每一步都是可重复的高能量梯度间歇冲击处理，重复次数没有最大限制，根据处理目标的需求确定。

附图说明

图1是本发明一种控制藻类生长和抑制微囊藻毒素的方法中藻类控制器的结构示意图。

附图中：1、充电室，2、金属排水管道。

具体实施方式

结合附图1，

一种控制藻类生长和抑制微囊藻毒素的方法，包括以下步骤：

(1)设置藻类控制器(algaecontrolunit，简称：acu)，藻类控制器包括金属排水管道和沿金属排水管道设置的数个充电室，并在充电室内设置一对或多对发射器和接收器，通过水传输电磁波；

所述充电室为1mhz脉冲电磁波充电室，所述充电室包括非金属内部腔室和设置于非金属内部腔室内的非导电材料衬里。

(2)充电室内的高能量点通过金属接地，使充电室中产生高能量梯度；

(3)发射器和接收器的电压差不小于24v，优选地，发射器和接收器的电压差为60v，如果对安全工作电压和印刷电路板元件额定值没有限制，发射器和接收器的电压差可大于100v；

发射器和接收器的间距不大于10cm，优选地，发射器和接收器的间距小于5mm，这样设置保证了充电室的高电位梯度；发射器和接收器必须具有均匀跨越水流处理截面的电位场，发射器和接收器上任何区域内的最低电位梯度不得小于上述强度；

发射器和接收器之间的电流密度不小于1a/m^2，优选地，发射器和接收器之间的电流密度大于10a/m^2；

(4)将需要处理的水面藻类引入藻类控制器进行处理，利用高梯度近场电离子流破坏微囊藻毒素分子结构，特别是苯环和o-h和n-h氢键，振动水氢键以中断水中的电子/电荷流动以进一步破坏细胞代谢途径或过程，利用高梯度电位近场离子电流对叶绿素进行快速粉碎，包括快速接地技术；

(5)使用接近法，采用近场高电流密度和高电压梯度方法解决低导率和低氯化物含量的问题；

(6)对于低电导率的淡水，使用小于1mhz的脉动电磁波进行间歇冲击处理。采用间歇冲击处理提高浮游植物的杀灭效果。

(7)藻类控制器(algaecontrolunit，简称：acu)可以安装在两栖车辆、机动或非机动驳船上。然后将车辆或驳船移到受影响的区域中的藻类侵扰的热点区域和站进行处理，也可以将acu安装在岸上，设立处理站，将水抽取或引导到岸上的处理站，处理后排放回水中。也可以对藻类水华区进行分割，藻类侵染的水可以通过再循环在分区的小区域内处理，进行多级或循环处理。

实验结果

1、使用本发明方法处理含有淡水的微囊藻毒素时，处理后的实验室检测结果如下表所示：

2、使用本发明方法对含有微囊藻毒素的水库进行露天试验，处理后的试验检测结果如下表所示：

3、使用本发明方法对含有微囊藻毒素的水进行罐内试验，处理后的试验检测结果如下表所示：

在野外处理中，优选多阶段处理，或将藻类水华区分割并与其他大量水隔离，藻类通常生活在水面上，深度约1.5米，从地表延伸约2米的分隔帘将足以隔离藻类。被藻类侵染的水可以通过再循环在分区后的小区域内进行多级或循环处理。

还可以采用其他处理方法，如热点处理方法，将本发明藻类控制器安装在两栖车辆或机动/非机动驳船上，然后将车辆或驳船移到受影响的区域中的藻类侵扰的热点区域和站进行处理。

或可将本发明中的藻类控制器安装在岸上，设置处理站，将被藻类侵染的水抽取或引导到岸上的处理站中处理后排放回水中。本发明的使用可根据具体要求而变化，但是本发明中主要处理设备藻类控制器及处理原理保持不变。

以上对本发明及其实施方式进行了描述，这种描述没有限制性，实际的结构并不局限于此。总而言之如果本领域的普通技术人员受其启示，在不脱离本发明创造宗旨的情况下，不经创造性的设计出与该技术方案相似的实施例，均应属于本发明的保护范围。