水利工程污損生物沼蛤的物理去除技術(shù)研究

魏小熙，劉德富，楊正健，張佳磊

(1.湖北省水利水電規(guī)劃勘測設(shè)計院，武漢 430064； 2.湖北工業(yè)大學(xué) 土木建筑與環(huán)境學(xué)院，武漢 430068)

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水利工程污損生物沼蛤的物理去除技術(shù)研究

魏小熙1,2，劉德富2，楊正健2，張佳磊2

(1.湖北省水利水電規(guī)劃勘測設(shè)計院，武漢 430064； 2.湖北工業(yè)大學(xué) 土木建筑與環(huán)境學(xué)院，武漢 430068)

我國南方水利工程常受到沼蛤(limnopernafortunei)生物污損的危害，沼蛤高密度粘附在結(jié)構(gòu)面上會改變建筑物功能結(jié)構(gòu)，影響水利工程安全運營。通過研究沼蛤在離水干燥、高溫水浴、超聲波、電流作用下的死亡特征，探討利用物理方法去除沼蛤的工程技術(shù)可行性。研究結(jié)果表明：沼蛤在環(huán)境溫度為28 ℃的離水干燥條件下，3d就會因缺水而死亡；沼蛤在水浴溫度為44 ℃的環(huán)境中的死亡時間為10h，當(dāng)水浴溫度>55 ℃時，在其接觸高溫水體瞬間就會死亡，內(nèi)部組織與角質(zhì)殼分離、脫落；在沼蛤集中的水環(huán)境中加載超聲波和高壓電流也能滅殺沼蛤幼蟲及成貝，有效抑制其大量繁殖。研究了4種去除沼蛤的物理方法，其中離水干燥法和高溫水浴法滅殺效率較高，而超聲波和電流滅殺法具有較好的預(yù)防特性。

沼蛤；生物污損；物理去除；干燥脫水；高溫水浴滅殺；超聲波；高壓電流

1 研究背景

隨著社會的發(fā)展，水電能源問題日益突出，大批水利工程被修建。但是，水利工程興建的同時也伴隨著諸多環(huán)境問題，其中“生物污損”是水利工程較為嚴重的問題之一。生物污損[1]是指藻類、貝類等大型污損型生物入侵到水利工程結(jié)構(gòu)物及生產(chǎn)設(shè)備中以高密度附著生長，影響水工建筑物和生產(chǎn)設(shè)備正常運行的現(xiàn)象。污損生物入侵后很難去除，并且大量附著繁殖，破環(huán)水工建筑物結(jié)構(gòu)，影響建筑物正常使用[2-4]。

我國河湖水利工程污損生物主要為沼蛤。沼蛤(limnopernafortunei)屬雙殼綱、異柱目、貽貝科，俗稱淡水殼菜[5]，主要來源于南方沿海及東南亞地區(qū)，其后隨船舶等媒介逐漸向長江流域、珠江流域、淮海流域、黃河流域等內(nèi)陸及北方水系入侵[6]。沼蛤的主要危害在于在附著面上層層附著，腐蝕附著面、降低管道等的過流能力[7-8]。如南美洲的阿根廷Atucha核電廠、阿根廷-巴拉圭的Yacyreta水電廠以及巴西-巴拉圭的Itaipu水電廠都曾因為沼蛤污損而檢修及停產(chǎn)[9]。目前，生物污損的治理并沒有成熟的技術(shù)措施，國外較注重生態(tài)治理及利用超聲波、高溫干燥等新型防治方式，國內(nèi)常用的方法為化學(xué)氧化劑滅殺法[10-14]。化學(xué)氧化劑滅殺法對環(huán)境的影響較大，而生態(tài)防治方法效果緩慢且技術(shù)不夠成熟，當(dāng)發(fā)生大范圍生物污損時就需要利用物理方法快速有效地去除污損生物；而目前對于物理滅殺法的研究較少，脫水、高溫、超聲波、電流、紫外線等方法雖然有所提及，但缺乏深入研究。所以，筆者以工程實踐的可行性及技術(shù)的可靠性為前提，在試驗的基礎(chǔ)上以離水干燥滅殺法、高溫水噴淋滅殺法、水中超聲波滅殺法、水中電擊滅殺法4種物理滅殺方法在工程實踐中對沼蛤的滅殺效果及技術(shù)可行性進行探究。對于閘門、攔污柵等可脫離水體的建筑物，可采用離水干燥、高溫水噴淋等方法去除沼蛤，而處于水中或不便于排水檢修的建筑物可采用水中超聲波、電流等滅殺法去除沼蛤。

2 材料與方法

2.1 樣品采集與處理

沼蛤樣品采集于長江中游漢江河口處，采集時間為夏季。采集時將沼蛤團簇整塊剝離，裝入采樣盒中，并加適量河水，當(dāng)天帶回試驗室后放入培養(yǎng)池中培養(yǎng)。

將試驗備用沼蛤足絲剪短，分離成單個個體，放入純水中培養(yǎng)1 d，挑選雙殼張開呼吸且刺激后迅速閉合的活躍性較高個體進行試驗。

2.2 試驗方法

2.2.1 離水干燥滅殺試驗

調(diào)查發(fā)現(xiàn)，沼蛤附著于涉水建筑物的水面附近，由于水位波動，常有大量沼蛤脫離水體裸露于空氣中，但沼蛤并非脫離水體就馬上死亡，而是存在一定的死亡緩沖時間。離水干燥滅殺沼蛤的方法就是利用其脫離水體死亡的特性，從而達到去除的目的。試驗設(shè)置常溫(28 ℃)及高溫(44 ℃)2個溫度條件，多個試驗組在不同時間段分別觀察沼蛤死亡率，試驗環(huán)境濕度均為50%，在恒溫箱中進行。28 ℃溫度條件下設(shè)置13,25,48,72 h共4個時間梯度；44 ℃溫度條件下設(shè)置1，3，5，8，10 h共5個時間梯度。每個時間梯度設(shè)置體長L=(10±2)mm和L=(20±2)mm的2組不同沼蛤體長的試驗組，個體密度為20個/組，試驗時將沼蛤個體放入燒杯中，避免個體之間堆疊依靠，待恒溫箱溫度穩(wěn)定后放入裝有沼蛤個體的燒杯并開始計時。每組在試驗結(jié)束后加入適量純水，8～12 h內(nèi)監(jiān)測沼蛤死亡率為u。死亡判斷依據(jù)為：個體漂浮于水中或開殼但刺激后無閉殼行為；8～12 h無開殼行為的即為死亡。

2.2.2 高溫水浴滅殺試驗

在夏季高溫天氣，水面溫度升高后，會有大量沼蛤因水溫過高、水體溶解氧降低、組織結(jié)構(gòu)破壞等因素死亡。高溫水浴滅殺試驗設(shè)置40，55，70，85 ℃ 4個溫度梯度試驗組，個體密度為20個/組，體長10 mm≤L≤20 mm。每組沼蛤在恒溫水浴中接觸高溫水10 s后放入常溫純水中，其8～12 h內(nèi)監(jiān)測沼蛤死亡率為u。

2.2.3 超聲波滅殺試驗

超聲波在液體中傳導(dǎo)時對介質(zhì)產(chǎn)生推動作用，使液體中壓力變化而產(chǎn)生無數(shù)微小真空泡,當(dāng)汽泡受壓爆破時，就會產(chǎn)生強大的沖擊能。作用于沼蛤幼蟲及成貝時，能夠破壞其細胞組織結(jié)構(gòu)，從而將其殺死。超聲波源采用KQ5200DE型超聲波儀，功率為40 kHz。試驗設(shè)置5 ,15 ,25 ,40 min共4個超聲波作用時間梯度試驗組，個體密度為20個/組，體長10 mm≤L≤20 mm。每組試驗在500 mL燒杯中加適量純水后置于功率為40kHz的超聲波清洗儀中，達到設(shè)定時間后取出，將燒杯中的水換為純水，其8～12 h內(nèi)監(jiān)測沼蛤死亡率為u。

2.2.4 電流滅殺試驗

電流對沼蛤、魚類等水生動物具有滅殺作用，試驗探究不同強度的電壓對沼蛤的滅殺效果。設(shè)置10，40，80 V 3個電壓梯度，正負極距離均為20 cm，水量1 L，兩電極之間的電壓密度分別為0.5,2,4 V/cm。每個梯度設(shè)置體長L=(10±2)mm和L=(20±2)mm的2組不同體長的試驗組，個體密度為20個/組。試驗中沼蛤個體均勻排列在正負電極之間的直線上，個體間距為2 cm，電擊時間為30 s。其電擊后8～12 h內(nèi)監(jiān)測沼蛤死亡率為u。

3 結(jié)果與分析

3.1 離水干燥滅殺試驗

圖1(a)顯示，環(huán)境溫度為28 ℃時，體長L≈10 mm和L≈20 mm的試驗組死亡率基本相同，均呈直線上升，48 h時死亡率接近80%，72 h時完全死亡，表明沼蛤在濕度為50%、溫度為28 ℃的環(huán)境中離水干燥后的死亡時間為3 d。圖1(b)顯示，44 ℃的高溫環(huán)境中，體長L≈10 mm的試驗組個體在3 h內(nèi)全部死亡；體長L≈20 mm的試驗組死亡率呈直線上升趨勢，8 h時達到90%，10 h時全部死亡。試驗表明，體長較小的個體在高溫離水干燥環(huán)境中較體長較大的個體容易死亡，不同體長的沼蛤在溫度為44 ℃、濕度為50%的環(huán)境中全部死亡的時間為10 h。

圖1 離水干燥不同環(huán)境溫度條件下沼蛤死亡率與時間的關(guān)系

3.2 高溫水浴滅殺試驗

圖2顯示，在沼蛤接觸高溫水10 s后， 溫度為40 ℃的水浴中死亡率為10%，但水浴溫度達到或高于55 ℃時，死亡率均達到了100%。沼蛤在接觸高溫水后迅速死亡，內(nèi)部組織結(jié)構(gòu)與角質(zhì)殼分離，雙殼張開。

圖2 高溫水浴中沼蛤死亡率與水浴溫度的關(guān)系

3.3 超聲波滅殺試驗

超聲波滅殺試驗采用功率為40 kHz的超聲波清洗儀為超聲波源，功率波動在10%以內(nèi)。圖3顯示，超聲波作用15 min時沼蛤死亡率為60%，作用40 min時死亡率為85%，沼蛤在超聲波作用下死亡率與時間呈指數(shù)關(guān)系，相關(guān)性系數(shù)R2=0.968 3。

圖3 超聲波作用下沼蛤死亡率與時間的關(guān)系Fig.3 Limnoperna fortunei's mortality rates against time under ultrasonic wave

3.4 電流滅殺試驗

不同電壓強度下的作用時間均為30 s，由圖4可知，正負電極之間的電壓密度設(shè)為0.5 V/cm時，并未對沼蛤個體造成傷害；正負電極之間的電壓密度設(shè)為2 V/cm時，體長L≈10 mm和L≈20 mm的試驗組死亡率均達到20%；電壓密度設(shè)為4 V/cm時，體長L≈20 mm的試驗組死亡率略大于體長L≈10 mm的試驗組，但均達到60%以上。

圖4 電流作用下沼蛤死亡率與電壓密度的關(guān)系Fig.4 Limnoperna fortunei’s mortality rates against electric current density

4 討 論

沼蛤內(nèi)部為軟組織結(jié)構(gòu)，在缺水條件下組織細胞極容易脫水死亡，而沼蛤的角質(zhì)貝殼在其離開水體時起到了一定的保護自身水份的作用。但是，在離水干燥的過程中，沼蛤體內(nèi)水份會逐漸散失，達到某一時間閥值后會迅速死亡。本試驗?zāi)康脑谟谕ㄟ^試驗的方式尋求這一時間閥值。P.V. Perepelizin等[15]研究指出，離水的斑馬貽貝在環(huán)境溫度為51 ℃的條件下30 min內(nèi)死亡率可達到100%，斑馬貽貝在水體溫度大于42 ℃的水環(huán)境中死亡率達到100%的時間為1.8 h。沼蛤與斑馬貽貝同屬，試驗表明，環(huán)境溫度為28 ℃、濕度為50%的環(huán)境中，離水的沼蛤死亡率受體長影響較小，72 h可全部死亡；溫度為44 ℃、濕度為50%的環(huán)境中，體長L≈10 mm的離水沼蛤全部死亡的時間為3 h，而體長L≈20 mm的個體死亡時間需10 h，表明體長較大的沼蛤在脫離水體的高溫環(huán)境中的死亡時間比體長小的個體長。在沼蛤防治中，當(dāng)水工建筑物排水檢修時間>3 d、環(huán)境溫度>28 ℃時就可使沼蛤大量死亡，如果環(huán)境溫度>44 ℃時有效滅殺時間可縮短至10 h。

高溫水浴滅殺法與離水干燥滅殺法的不同點是離水干燥法是利用組織細胞脫水死亡的特性，而高溫水浴滅殺法是利用高溫水體使組織細胞在高溫環(huán)境下瞬間失活死亡的特性，離水干燥滅殺法成本低、操作簡單，而高溫水浴滅殺法高效快速，但需要高壓水槍等施加設(shè)備。試驗表明，當(dāng)水浴水溫≥55 ℃時，沼蛤接觸高溫水10 s死亡率即可達到100%。工程中，通過高壓水槍對暴露于空氣中的沼蛤噴射溫度>55 ℃的水流，能夠快速、有效地將其滅殺，對于水下附著的沼蛤團簇可采用局部靠近沼蛤噴射高溫水流的方式滅殺。

R.Claudi等[16]研究表明，超聲波能夠有效滅殺貽貝幼蟲、抑制沼蛤繁殖，但對于成貝的去除作用無明確的研究結(jié)果。原因在于超聲波是將功率超聲頻源的聲能轉(zhuǎn)換成機械振動，使水等介質(zhì)粒子產(chǎn)生振動，沼蛤幼蟲由于其體積小，沒有角質(zhì)殼保護，易受到超聲波產(chǎn)生的振動波及微小氣泡破裂而導(dǎo)致?lián)p傷，但沼蛤成貝體積較大，又有角質(zhì)殼保護，超聲波對其破壞力有限。試驗表明，在超聲波作用下沼蛤死亡率與作用時間呈指數(shù)相關(guān)，40kHz功率下，作用40min時死亡率達到85%。雖然超聲波滅殺成貝的效果有限，但對幼蟲的滅殺效率較高，所以，超聲波滅殺法依然是沼蛤綜合防治中切實可行的防治方法。

電流與超聲波均對沼蛤幼蟲作用效果較好，但對成貝作用效果相對較弱[17]。當(dāng)正負電極之間的電壓密度為4V/cm時可滅殺60%以上的沼蛤成體，如提高滅殺效率只有增加單位水體的電壓強度，但電流對水體中的其他生物亦有傷害，所以，電流滅殺法受到環(huán)境及施工工藝的限制。

本文討論了4種物理去除沼蛤的方法，其中離水干燥法實施簡單、效果較好，但受干燥時間、環(huán)境溫度、建筑物類型等因素影響；高溫水浴滅殺法是一種快速有效的滅殺方法，能夠迅速滅殺結(jié)構(gòu)面上附著的沼蛤團簇；超聲波滅殺法和電流滅殺法針對沼蛤幼蟲的滅殺效果較好，能夠有效抑制其繁殖，但對成貝效果較差。通過試驗表明，4種物理滅殺法都具有一定的實踐及技術(shù)可行性，對于污損生物沼蛤的防治意義重大，但也存在一些不足，物理去除方法只能在短期內(nèi)快速滅殺沼蛤，在沼蛤防治過程中，應(yīng)重視物理去除方法與氧化試劑滅殺、環(huán)境控制、生物捕食與競爭、防護涂料[18]等其他防治措施結(jié)合，提高防治效率。

5 結(jié) 論

通過試驗探討了離水干燥、高溫水浴、超聲波及電流滅殺法的技術(shù)可行性及在實際工程中應(yīng)用的優(yōu)缺點，為沼蛤防治技術(shù)提供新的可行方案。結(jié)果表明：

(1) 離水干燥條件下沼蛤死亡時間的確定提高了離水干燥滅殺沼蛤的效率。試驗得出，溫度為28 ℃、濕度為50%的離水干燥環(huán)境中沼蛤死亡時間為3 d，環(huán)境溫度為44 ℃時死亡時間為10 h。

(2) 高溫水浴滅殺試驗驗證了高溫水流噴淋滅殺法的快速、有效及可行性，水浴溫度≥55 ℃時10 s內(nèi)死亡率達到100%。

(3) 超聲波滅殺法和電流滅殺法滅殺沼蛤幼蟲效果較好，但對于成貝滅殺效率較低，雖然存在不足，但也是防治沼蛤污損的有效方法。當(dāng)超聲波功率為40 kHz、作用40 min時成貝死亡率為85%，電流滅殺的電壓密度受電極距離影響較大，加載的電壓密度為4 V/cm時滅殺率為60%，而大范圍使用會對生態(tài)環(huán)境造成影響，只能在特定范圍內(nèi)使用。

沼蛤物理去除方法具有快速有效的特點，但同時也具有無法根治、不可持續(xù)等方面的不足，因此，要與其他沼蛤防治措施相結(jié)合，提高防治效率，達到持續(xù)可控的目的。

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(編輯：姜小蘭)

Physical Methods of Removing Biofouling Limnoperna fortuneiin Hydraulic Engineering

WEI Xiao-xi1,2，LIU De-fu2，YANG Zheng-jian2，ZHANG Jia-lei2

(1.Hubei Provincial Water Resources and Hydropower Planning Survey and Design Institute, Wuhan 430064, China; 2.School of Civil Engineering and Environment, Hubei University of Technology, Wuhan 430068, China)

Hydraulic projects in south China often suffer from the biofouling hazards oflimnopernafortuneiwhich adheres to the surface of structures in high-density, changing the function of structure buildings and affecting the safe operation of hydraulic projects. Through researching the mortality characteristics oflimnopernafortuneiunder conditions of drying, high water temperature, ultrasound wave, and electric current, we discuss the feasibility of removinglimnopernafortuneiusing physical methods. Results revealed thatlimnopernafortunedied three days after being in dehydration condition at 28 ℃; and 10 hours in high temperature (44 ℃) ; when the water temperature is higher than 55 ℃,limnopernafortuneidied instantly contacting with water. Ultrasonic wave and high pressure electric current in water could also kill larva and adultlimnopernafortuneeffectively. Among the four methods, dehydration and high temperature are the most effective, while ultrasonic wave and electric current are of good prevention effect.

limnopernafortunei; biofouling; physical removing method; dehydrated and dried; high water temperature; ultrasonic wave; electric current

2015-08-31；

2015-10-25

國家重點基礎(chǔ)研究發(fā)展計劃(973)前期研究計劃課題(2014CB460601)；科技部2014年國際科技合作與交流專項(2014DFE70070)

魏小熙(1989-)，男，甘肅天水人，碩士研究生，研究方向為生態(tài)水利，(電話)027-87272858(電子信箱)244896757@qq.com。

劉德富(1962-)，男，湖北枝江人，教授，博士生導(dǎo)師，主要從事水工結(jié)構(gòu)工程、生態(tài)水利等方面的研究，(電話)027-88025454(電子信箱)dfliu@189.cn。

10.11988/ckyyb.20150730

2016,33(10):24-27,35

TV36

A

1001-5485(2016)10-0024-04