超聲波防海生物技術(shù)試驗(yàn)研究

鄭曉濤，王丹，陳景峰

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超聲波防海生物技術(shù)試驗(yàn)研究

鄭曉濤，王丹，陳景峰

(中海油能源發(fā)展采油服務(wù)公司技術(shù)中心，天津 300457)

闡述了海洋污損生物存在的危害及海生物的特點(diǎn)，對(duì)比了傳統(tǒng)的污損生物防除技術(shù)與方法，其中有物理法、化學(xué)法，但傳統(tǒng)方法存在勞動(dòng)強(qiáng)度大，成本代價(jià)高，污染環(huán)境等缺陷。引入新型超聲波防海生物技術(shù)，利用大功率超聲波的空化效應(yīng)，研究超聲波技術(shù)在防除海洋污損生物中的應(yīng)用。但目前關(guān)于超聲波對(duì)海生物殺死效果方面的研究很少，通過(guò)設(shè)計(jì)一套完整的試驗(yàn)方案，分別對(duì)海生物的幼蟲(chóng)和卵進(jìn)行靜態(tài)試驗(yàn)、動(dòng)態(tài)試驗(yàn)，驗(yàn)證了超聲波對(duì)海生物的殺死作用效果明顯，該項(xiàng)技術(shù)具有操作簡(jiǎn)單、經(jīng)濟(jì)環(huán)保、高效等優(yōu)點(diǎn)，具有廣闊的應(yīng)用前景。

防海生物；超聲波；靜態(tài)和動(dòng)態(tài)試驗(yàn)

0 引言

海洋污損生物棲息、附著及生長(zhǎng)在船底、碼頭、浮標(biāo)和各類(lèi)人工設(shè)施上，對(duì)人類(lèi)經(jīng)濟(jì)活動(dòng)產(chǎn)生不利的影響。海洋污損生物可以分為以下三類(lèi)：一類(lèi)是細(xì)菌和單細(xì)胞有機(jī)質(zhì)，如各類(lèi)細(xì)菌及藻類(lèi)；一類(lèi)是柔軟的生長(zhǎng)物如海綿體等；第三類(lèi)是硬質(zhì)海洋動(dòng)物，如藤壺、雙殼類(lèi)軟體動(dòng)物等。其中危害較大的種類(lèi)主要是硬性污損生物，一方面會(huì)破壞金屬結(jié)構(gòu)表層，進(jìn)而產(chǎn)生局部腐蝕；另一方面較大型的污損生物會(huì)堵塞給排水管道、換熱器等，如下圖1所示，其嚴(yán)重影響了海洋設(shè)施的安全及其使用壽命[1]。

1 污損生物特點(diǎn)

污損生物群落類(lèi)型繁多，不同地區(qū)、不同海域不盡相同，這與當(dāng)?shù)氐乃募暗孛差?lèi)型有關(guān)。其中渤海海域污損生物群落中的具石灰質(zhì)外殼或骨架的種類(lèi)主要為紫貽貝、牡蠣(包括密鱗牡蠣、褶牡蠣、大連灣牡蠣等)及藤壺類(lèi)。

牡蠣多為雌雄異體，受精卵經(jīng)卵裂等過(guò)程后依次發(fā)育為可以游動(dòng)的擔(dān)輪幼蟲(chóng)，面盤(pán)幼蟲(chóng)(如圖2所示)，最后變態(tài)固著，正常條件下，從胚胎發(fā)育至固著變態(tài)一般需2~3個(gè)星期，渤海海域牡蠣繁殖季節(jié)在5月中旬至9月份。紫貽貝的發(fā)育過(guò)程與牡蠣類(lèi)似，從胚胎發(fā)育至變態(tài)附著一般需25天左右，繁殖季節(jié)在遼寧為5~6月份，山東為4~5月份和9~10月份[2]。

藤壺屬節(jié)肢動(dòng)物門(mén)蔓足類(lèi)，受精卵經(jīng)卵裂等過(guò)程發(fā)育為可以自由游動(dòng)的無(wú)節(jié)幼體，2~3周后發(fā)育為腺介幼體，尋找合適的基質(zhì)進(jìn)行附著，最后經(jīng)變態(tài)發(fā)育成為幼藤壺。其在渤海灣地區(qū)夏秋季節(jié)為繁殖附著盛季[3]。

2 超聲波防海生物技術(shù)

鑒于海洋污損生物造成的嚴(yán)重危害，可采用多種方法來(lái)防治和消除污損生物，主要分為物理和化學(xué)兩類(lèi)方法。傳統(tǒng)的物理機(jī)械清除方法存在著勞動(dòng)強(qiáng)度大、工作效率低等缺陷，甚至?xí)?duì)海洋設(shè)施產(chǎn)生機(jī)械損傷；在化學(xué)防污方面，現(xiàn)有涂料存在著生產(chǎn)成本高、有效時(shí)間不長(zhǎng)及污染環(huán)境的風(fēng)險(xiǎn)。近年來(lái)，中海油能源發(fā)展采油服務(wù)公司經(jīng)過(guò)探索研究，成功研制了超聲波防海生物技術(shù)，并進(jìn)行了實(shí)踐應(yīng)用，取得了良好的效果。該技術(shù)具有簡(jiǎn)單、經(jīng)濟(jì)、有效、環(huán)保等優(yōu)點(diǎn)，既可以清除海生物在海水管線內(nèi)壁和濾網(wǎng)上的附著，還可以殺死海生物幼體，因此，運(yùn)用該技術(shù)開(kāi)展海生物的防除實(shí)驗(yàn)研究具有重要意義。

超聲波防海生物是應(yīng)用超聲波的“空化效應(yīng)”，即當(dāng)在液體中施加一定頻率和強(qiáng)度的超聲波時(shí)，會(huì)產(chǎn)生大量的微小氣泡，這些微小氣泡在其形成振蕩生長(zhǎng)收縮至崩潰的過(guò)程中，會(huì)引發(fā)一系列的物理化學(xué)變化，在局部產(chǎn)生瞬時(shí)的高溫高壓，將海生物震碎殺死[4-10]。

3 試驗(yàn)方案

本實(shí)驗(yàn)?zāi)康氖紫仁球?yàn)證超聲波對(duì)海生物卵和幼蟲(chóng)的殺死作用，二是檢測(cè)超聲波對(duì)海生物的殺死效果，通過(guò)設(shè)計(jì)一套試驗(yàn)設(shè)備，制訂超聲波防海生物裝置檢測(cè)試驗(yàn)方案，在實(shí)驗(yàn)室進(jìn)行超聲波對(duì)海生物的殺死率檢測(cè)。

本實(shí)驗(yàn)主要分為兩部分，靜態(tài)試驗(yàn)和動(dòng)態(tài)試驗(yàn)，動(dòng)態(tài)試驗(yàn)是模擬現(xiàn)場(chǎng)海水在流動(dòng)情況下超聲波對(duì)海生物的殺死率。靜態(tài)試驗(yàn)研究在超聲波作用時(shí)間不同時(shí)，幼蟲(chóng)和卵的殺死率情況；動(dòng)態(tài)試驗(yàn)在靜態(tài)試驗(yàn)基礎(chǔ)上，增加了水流速參數(shù)，對(duì)比兩組試驗(yàn)的殺死效果。

超聲波設(shè)備選用杭州成功超聲設(shè)備有限公司的振棒式超聲波聲化學(xué)設(shè)備，額定功率為2 kW，工作頻率為20 kHz，實(shí)驗(yàn)中超聲波的輸出功率為額定功率的75%。

試驗(yàn)所需的相關(guān)檢測(cè)儀器設(shè)備有BMM-200 生物顯微鏡、篩絹(300目、400目)、仿海洋條件培養(yǎng)桶等。

3.1 靜態(tài)試驗(yàn)

靜態(tài)試驗(yàn)所用的試驗(yàn)設(shè)備原理圖如圖3所示。在盛水的容器中盛滿(mǎn)海水，固定并連接好超聲波裝置。試驗(yàn)前對(duì)原海水中的海生物進(jìn)行取樣，分幼蟲(chóng)和卵兩種情況進(jìn)行超聲波處理。

3.1.1 幼蟲(chóng)殺死率檢測(cè)

對(duì)幼蟲(chóng)殺死率的檢測(cè)，共分為四組，一組為空白對(duì)照組，其他三組分別用超聲波對(duì)幼蟲(chóng)進(jìn)行5、15、30 s作用，活的幼蟲(chóng)能在水里自由游動(dòng)，死亡的幼蟲(chóng)則處于靜止?fàn)顟B(tài)，沉在水體底部，可用吸管將底部的死亡幼蟲(chóng)吸出，抽樣后在顯微鏡下進(jìn)行觀察計(jì)數(shù)。

圖4為在顯微鏡下觀察到的空白對(duì)照組與其他三組幼蟲(chóng)試驗(yàn)后的情況。

由圖4可以明顯地看出，在進(jìn)行超聲處理后，活的幼蟲(chóng)數(shù)量明顯減少，超聲處理5 s后幼蟲(chóng)僅有少數(shù)存活，而超聲處理15 s和30 s后僅有1個(gè)幼蟲(chóng)存活。

(a) 幼蟲(chóng)空白對(duì)照照片?? (b) 幼蟲(chóng)超聲處理5 s結(jié)果照片

(c) 幼蟲(chóng)超聲處理15 s結(jié)果照片 (d) 幼蟲(chóng)超聲處理30 s結(jié)果照片

圖4 幼蟲(chóng)殺死率試驗(yàn)照片

Fig.4 Photos of larvae killing rate test

該組試驗(yàn)中，超聲波對(duì)幼蟲(chóng)具體的殺死率情況如表1所示。

表1 超聲波對(duì)幼蟲(chóng)殺死率結(jié)果

通過(guò)表1看出，超聲波震碎幼蟲(chóng)的數(shù)量遠(yuǎn)大于幼蟲(chóng)死亡的數(shù)量，超聲波作用15 s和30 s的震碎率比作用5 s提高15%左右。隨著超聲波作用的時(shí)間越長(zhǎng)，對(duì)幼蟲(chóng)的殺死率也越高，效果更好。

3.1.2 卵的殺死率檢測(cè)

對(duì)海生物卵細(xì)胞的殺死率檢測(cè)，同樣分為四組，一組為空白對(duì)照組，其他三組分別用超聲波對(duì)幼蟲(chóng)進(jìn)行5、15、30 s作用，卵細(xì)胞在死亡后會(huì)變黑，抽樣后在顯微鏡下進(jìn)行觀察計(jì)數(shù)。圖5為在顯微鏡下觀察到的空白對(duì)照組與其他三組幼蟲(chóng)試驗(yàn)后的情況。

由圖5可以看出，空白對(duì)照組的卵細(xì)胞數(shù)量多、密集，進(jìn)行超聲處理后，在顯微鏡下幾乎看不到存活的卵細(xì)胞，能觀察到若干個(gè)死亡的卵細(xì)胞。

該組試驗(yàn)中，超聲波對(duì)卵的具體殺死率情況如表2所示。

通過(guò)表2看出，超聲波震碎卵細(xì)胞的數(shù)量遠(yuǎn)大于卵細(xì)胞死亡的數(shù)量，三組試驗(yàn)的震碎率均在95%以上，成活率在2%以下。三組試驗(yàn)的殺死率均在98%以上，因此超聲波在作用5 s后，隨著時(shí)間的增長(zhǎng)，殺死率并沒(méi)有顯著提高。

(a) 卵空白對(duì)照照片?? (b) 卵超聲處理5 s 結(jié)果照片

(c) 卵超聲處理15 s 結(jié)果照片?? (d) 卵超聲處理30 s 結(jié)果照片

圖5 卵的殺死率試驗(yàn)照片

Fig.5 Photos of ova killing rate test

表2 超聲波對(duì)卵殺死率結(jié)果

3.2 動(dòng)態(tài)試驗(yàn)

動(dòng)態(tài)試驗(yàn)的目的是模擬海上海水系統(tǒng)實(shí)際工況，驗(yàn)證海水在流動(dòng)情況下超聲波防海生物裝置的有效性。動(dòng)態(tài)試驗(yàn)所需的裝置由水箱、超聲波發(fā)生裝置、控制電源、水管組成，由水箱提供流動(dòng)的海水，海水流經(jīng)超聲波發(fā)生裝置進(jìn)行海生物殺死試驗(yàn)。試驗(yàn)裝置的示意圖如圖6所示。

動(dòng)態(tài)試驗(yàn)的步驟與靜態(tài)試驗(yàn)一致，先取樣，設(shè)置空白對(duì)照組，分別進(jìn)行海生物幼蟲(chóng)和卵的超聲波處理。處理后的結(jié)果如圖7所示。

圖片中幼蟲(chóng)雖未震碎，但在顯微鏡下觀察幼蟲(chóng)細(xì)胞發(fā)黑，培養(yǎng)2天后繼續(xù)觀察，未見(jiàn)發(fā)育，判斷幼蟲(chóng)已死亡。顯微鏡下觀察到兩個(gè)卵細(xì)胞發(fā)黑，推斷細(xì)胞內(nèi)結(jié)構(gòu)已被超聲波破壞，卵細(xì)胞已死亡。

在動(dòng)態(tài)試驗(yàn)中，超聲波對(duì)幼蟲(chóng)和卵的具體殺死率情況如表3所示。

由表3可以看出，在動(dòng)態(tài)試驗(yàn)中，超聲波對(duì)海生物幼蟲(chóng)及卵的殺死率在75%~80%之間，較靜態(tài)試驗(yàn)有所降低，但能夠?qū)崿F(xiàn)防海生物的目的；超聲波對(duì)幼蟲(chóng)和卵的震碎率降低，而死亡率增加，證明超聲波在海水流動(dòng)時(shí)空化效果要差。

表3 超聲波對(duì)幼蟲(chóng)和卵動(dòng)態(tài)殺死率結(jié)果

4 結(jié)論

本文介紹了海洋污損生物的類(lèi)型、特點(diǎn)及產(chǎn)生的危害，引出了使用超聲波防海生物的方法，通過(guò)設(shè)計(jì)一套完整的靜態(tài)和動(dòng)態(tài)試驗(yàn)來(lái)驗(yàn)證超聲波對(duì)海生物幼蟲(chóng)及卵的殺死效果，通過(guò)試驗(yàn)得出如下結(jié)論：

(1) 本試驗(yàn)方案的設(shè)計(jì)能夠滿(mǎn)足超聲波防海生物殺死率檢測(cè)的試驗(yàn)要求；

(2) 超聲波對(duì)海生物的幼蟲(chóng)和卵都有殺死作用；

(3) 靜態(tài)試驗(yàn)中，超聲波作用5 s后對(duì)海生物幼蟲(chóng)的殺死率能夠達(dá)到90%以上，作用時(shí)間越長(zhǎng)，殺死率越高，超聲波震碎幼蟲(chóng)的數(shù)量遠(yuǎn)大于幼蟲(chóng)死亡的數(shù)量；

(4) 靜態(tài)試驗(yàn)中，超聲波作用5 s后對(duì)海生物卵細(xì)胞的殺死率能夠達(dá)到98%以上，作用時(shí)間的延長(zhǎng)對(duì)殺死率影響很小，超聲波作用5 s后卵細(xì)胞的震碎率即達(dá)到95%以上；

(5) 動(dòng)態(tài)試驗(yàn)中，超聲波對(duì)海生物幼蟲(chóng)及卵的殺死率在75%~80%之間，相對(duì)靜態(tài)試驗(yàn)結(jié)果有一定程度降低，這是由于海水流動(dòng)導(dǎo)致超聲作用時(shí)間短，對(duì)幼蟲(chóng)和卵的作用效果差。

如何通過(guò)延長(zhǎng)超聲波的作用時(shí)間，以更好地實(shí)現(xiàn)超聲波空化作用殺死海生物，提高殺死率，今后需要繼續(xù)深入地研究。

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Experimental study of ultrasonic marine anti-biofouling technique

ZHENG Xiao-tao, WANGDan, CHEN Jing-feng

(China National Offshore Oil Corporation Energy Technology & Services-Oil Production Services Co.,Tianjin 300457, China)

The article illustrates the harm of marine biofouling and the characteristics of marine organism. Also, comparisons between traditional anti-fouling techniques and methods are made in this paper, including physical methods and chemical methods. But, there are some defects in these traditional methods, such as high strength labor, high cost and environmental pollution. This article introduces the new ultrasonic anti-fouling technique. However, up to now very few researches on using ultrasonic to treat marine biofouling have been reported. In this article, a set of experimental scheme is designed for separately doing the static and dynamic tests to kill the larvae and ova of marine organism. The test results show that the effect of ultrasonic wave on killing marine biofouling is obvious, and this technique has several advantages in solving biofouling problem, such as easy operation, low cost, high efficiency and environmental protection. Thus the ultrasonic anti-biofouling technique has a broad application prospect in marine anti-biofouling.

anti-biofouling; ultrasonic; static and dynamic tests

TB533

A

1000-3630(2015)-06-0525-04

10.16300/j.cnki.1000-3630.2015.06.011

2014-12-03;

2015-03-12

鄭曉濤(1973－), 男, 天津塘沽人, 工程師, 研究方向?yàn)楹Ｑ笫脱b備和超聲波技術(shù)。

王丹, E-mail: wangdanbulls2008@126.com