蓝藻处理机的设计及除藻效果试验

蓝藻处理机的设计及除藻效果试验裴毅1，黄维1，陈飞勇2，吴明亮1，徐波1，施祖强1(1．湖南农业大学工学院，长沙410128；2．东星技研有限会社，东京111--0041)摘要：利用压力破坏蓝藻细胞内存在气囊即伪空泡，使得蓝藻失去浮力，根据该原理研究设计了一种除藻机械。通过试验对新型蓝藻处理机械的除藻效果进行了验证，采用水质监测仪对叶绿素、浊度、含氧量等7项指标进行监测，蓝藻处理机工作lh后水体中的叶绿素含量、浊度、含氧量分别降低了45％、61％和50％，除藻效果显著。该机械可以作为蓝藻大面积爆发时的应急除藻设备。关键词：蓝藻控制，除藻设备，浮力，压力，叶绿素，浊度中图分类号：X52文献标识码：A文章编号：1002—6819(2009)一4—0130-05裴毅，黄维，陈飞勇，等．蓝藻处理机的设计及除藻效果试验．农业工程学报，2009，25(4)：130—134．0引言近几年中国云南滇池、江苏太湖等重要水域相继暴发大规模的蓝藻水华。一方面严重污染环境，危害饮水水源，另一方面给旅游业带来了极大的影响。尤其是太湖作为无锡重要的饮用水地表水源，蓝藻爆发致使无锡发生水危机。如何减轻甚至消灭蓝藻污染，成为一项迫切需要解决的课题。国内外对于蓝藻的清除已经有很多研究。主要有化学法、生物法、物理法等。其中化学法能够高效除藻，但是使用的化学药剂极易对水体造成二次污染；现在发达国家基本上已不再使用。生物法易造成引进的高等水生植物过度繁殖，对湖泊生物种群结构、航运、景观等带来不利影响；物理方法有机械清除、过滤、曝气、遮光、挖掘底泥等多种方法。采用机械方法清除蓝藻水华，能直接大量清除湖面蓝藻水华，且无明显负面影响。机械除藻是将物质从湖泊中移出的一种方式，一般包括固顶式抽藻、移动式抽藻、流动式除藻及人工围捕、打捞等机械清除物理措施。因此，在蓝藻水华大量发生季节，采用机械方法清除湖面水华并加以综合利用，可以防止恶性增殖和二次污染，并由此降低水体营养水平、污染负荷，达到改善水环境的目的。中船重工第702所联合多家单位研制了蓝藻打捞样船，将藻水采集装置、过滤分离装置、浓缩成饼的减容干化装置合为一体，体积庞大，机构复杂。本研究根据蓝藻的物理特性，利用机械压力来破坏蓝藻的浮力，使其下沉，抑制生长，达到清除蓝藻水华的目的。1除藻机的设计1．1水藻的特性蓝藻暴发，是因为水体里富营养化较为严重，水流流速缓，水体交换量小。研究表明，蓝藻细胞内存在气囊，气囊中存在气体。1965年，Bowen和Jensen指出气囊由众多圆柱形气泡堆叠而成，并将这些气泡命名为伪空泡。其主要作用是为细胞提供浮力。蓝藻伪空泡是由蛋白质构成的两端为锥形中间为圆柱体的中空、充有气体的细胞内结构，见图l，壁厚仅2nm，宽45～110nm。长100～800nm或更长不等。它具有2个显著特征：I)具有疏水性内表面，可阻止水分子进入，而气体分子可以自由扩散进出。2)具有刚性，伪空泡在承受的压力增加0．IMPa时，其体积仅缩小1／1000。只要伪空泡不破裂，就可以为蓝藻提供浮力。在水体里，悬浮在水体中的游离伪空泡所承受的压力Pn及细胞内的伪空泡所承受的压力“的计算公式如下：当伪窄泡承受的压力高于临界压力Pc时，会引起伪空泡的破裂。1．2工作原理由水藻特性可以看出，要想清除水藻就要破坏水藻的浮力，而蓝藻的浮沉取决于细胞的密度和伪空泡的相对含量。上两式表明如果要破坏伪空泡有两种方法：1)提高Po，使伪空泡所受的压力超过Pc，当伪空泡大量地破裂，蓝藻将失去必需的浮力下沉。2)Pt升高，淡水蓝藻Pt一般为0．2～0．4MPa，当光强增大时，细胞吸收增加，Pt升高，会导致脆弱的伪空泡破裂。但种方法比较难实现。利用第1种方法，设计水体表层的富藻水经除藻机加压，破坏蓝藻气囊及细胞结构，减小细胞浮力，促使蓝藻下沉。除藻机工作时，进水口吸入表层的蓝藻细胞悬液，除藻机产生的压力将水中的蓝藻团打散，并使蓝藻细胞的气囊破裂，细胞破坏，然后经出水口排出，沉入水体中。水底阳光照射不足，造成水下缺氧，蓝藻不易进行光合作用得不到能源和氧气而死亡。残体可以被水生植物根系吸附、分解、吸收，达到除藻的目的。1．3结构设计蓝藻处理机主要由压力室、吸藻口、出水口、浮体装置以及机架构成。用压力浊度计测定压力前后的浊度，从而计算一定压力下破裂伪空泡所占的比率(C％)：根据前面所述，d一般在100nm左右，因此可得Pc约为O．4MPa。通过蓝藻压力试验也显示，当压力大于0．4MPa时，藻类可迅速沉淀，说明蓝藻气囊及细胞结构被破坏。因此确定压力室的最小工作压力为0．4MPa。压力室采用由动力机械带动的旋转式叶轮机械，能够满足最小工作压力。由于蓝藻大规模暴发时，蓝藻以群体方式悬浮聚集在水面下O～20cm的水表层区域，除藻机除藻效率决定于吸藻口的吸藻效率。经过多次试验，我们设计了如图2形状的吸藻口。出水口采用钢管，并安装阀门，调节除藻机的压力，控制流量。机架用来组装固定各个部件，为了使吸藻口能够吸到水体表层富积蓝藻，我们为整个装置设计了浮体，确保整个装置漂浮在水面，并保证机构运行平稳。2除藻试验试验时间：2007年7月23日下午。试验地点：江苏太湖梅梁湾蓝藻水华严重暴发的水域(平均水深约1．3m)。试验前制作2个直径3m，高2m的圆柱形隔离圈，用来隔离试验区域，阻断试验区与外界环境的物质交换。隔离圈材料为工程防水布，外围用韧性良好的竹板编成网状，支撑固定防水布，如图3所示，除藻机固定在试验区内。3除藻效果测试与分析3．1测试原理与设备由于湖水的悬浮物主要是蓝藻，故水体浊度的变化主要反应的是蓝藻的变化量，当浊度下降，表明水体表层的蓝藻数量下降。叶绿素也是反映水体藻类含量的重要参数，由于试验区域的水体中主要是蓝藻水华，所测叶绿素主要反应蓝藻的变化量，叶绿素的大幅度下降也可揭示蓝藻数量下降的趋势。另外，水体中藻类进行强烈的光合作用，会产生大量的溶解氧，溶解氧的降低表明水体中的光合作用减弱，蓝藻的增殖受到抑制测试设备：HydroLabDS5多参数水质监测仪。3．2测试用HydroLabDS5多参数水质监测仪对试验区水体表层进行实时监测。分析仪器探头固定在水面以下约20～30cm处，探头远离除藻机械的进出口，监测指标包括温度、pH值、含氧量、氧饱和度、电导率、浊度、叶绿素共7种。每隔10min测试记录1组数据，试验进行了约1h。在试验的1h内，水温表面维持在32℃，光照条件基本不变(下午约3：30～4：30)。3．3数据处理利用水质监测仪采集的数据，包括叶绿素、浊度、pH值、温度、含氧量、氧饱和度、电导率共7种参数，运用最d,--乘法对取得的数据进行曲线拟合，分别得到7种参数随试验时间变化的曲线图4～10。3．4水质测试结果与分析1)从曲线图看出，对于试验水体，除电导率外，温度、pH、含氧量、氧饱和度、浊度、叶绿素等参数随试验时间的增长呈现非常明显的下降趋势；对于对照水体，各参数的变化趋于平稳。2)对于试验水体和对照水体，温度、pH、含氧量、氧饱和度、电导率、浊度、叶绿素7种参数的曲线图初始值不在同一位置。除试验水体电导率初始值低于对照组电导率初始值外，试验水体的温度、pH、含氧量、氧饱和度、浊度、叶绿素各参数的初始值均高于对照水体的各参数初始值。由于试验前已经充分排除了试验水体和对照水体本身存在的差异，故对于出现以上现象，合理的解释可能是除藻机开始工作后，除藻机出水口排出的水使整个隔离圈中的水体发生较大的扰动，隔离圈表底层水体发生交换。试验进行一段时间后，水体中各个参数将趋于平衡。3)叶绿素是反映水体活藻含量的重要参数。从叶绿素变化曲线图看出，对照水体的叶绿素含量随时间变化微小；试验水体受水体扰动的影响，曲线初始值高于对照水体。随着试验的进行，叶绿素含量呈现明显的下降，试验进行约25min，对照组和试验组的叶绿素含量大致相等，约为32ug／L；试验进行1h后，试验组叶绿素含量从40ug／L降为22ug／L以下，试验组叶绿素较对照组叶绿素降低了10ug／L。由于试验区域的水体中主要是蓝藻水华，所测叶绿素主要反应蓝藻的变化量，叶绿素的大幅度下降也可揭示蓝藻数量下降的趋势。4)浊度是一项综合指标，它反映水中胶体和悬浮颗粒的含量。对于对照水体，其浊度在45～57NTu之间波动，变化趋于平稳；对于试验水体，受水体扰动的影响，试验初期浊度增加较大，之后随试验的进行，浊度降低明显。试验进行约lh后，降到最低，约为35NTU。由于湖水的悬浮物主要是蓝藻，故浊度的变化主要反应的是蓝藻的变化量，试验过程中，水面逐渐清澈，其浊度下降，表明水体表层的蓝藻数量下降。5)从温度变化曲线看出，试验时间内，试验水体的温度变化不超过0．7℃。试验过程的前段，试验水体温度高于对照水体，原因可能是除藻机工作过程中产生的热量传递给水体，使水体温度升高。由于除藻机出水口的排水产生的冲力使水体发生较大的扰动，隔离圈表底层水体发生交换，下层低温水被置换上来；同时隔离圈内外水体也能进行热交换，这样就抵消了除藻机产生的热量，导致总体上温度有下降趋势。6)水体中藻类进行的强烈的光合作用，会产生大量的溶解氧。含氧量和氧饱和度曲线变化图看出，试验的初始值高于对照水体，说明水体的扰动增加了水中的溶氧量，但随着试验的进行，含氧最从12mg/L降至6mg／L。可能是水体经过除藻机处理后成活的藻类细胞减少，水体中的光合作用减弱，光合作用释放的氧气减少，蓝藻的增殖受到抑制。7)试验后水体较对照水体的pH值降低也比较明显，碱性有所减弱。对于出现此种情况，可能是由于大量的蓝藻细胞被打碎之后，细胞内物质外流，某些酸性物质中和了水体中的碱性。同样，对于试验水体电导率的增强，也可能是由于打碎的藻细胞释放出了某些离子，增强了水体导电性能。4结论试验证明，利用压力破坏蓝藻细胞的伪空泡，使蓝藻失去必需的浮力从而快速清除水面的蓝藻的方法，是可行的，装置结构简单、紧凑，运行平稳。经蓝藻处理机处理过的水体表层浮藻明显减少。水质检测结果表明，处理后的水体叶绿素含量、浊度、含氧量显著降低，分别降低了45％、61％和50％。温度、pH、氧饱和度、电导率的变化也说明水中的藻类数量明显减少。该方法可以作为蓝藻大面积爆发时的应急措施。目前还处在小面积试验阶段，对大面积水体的处理以及压力破坏蓝藻细胞的伪空泡的作用机理，还可进一步深入研究。