超聲波除藻儀應(yīng)用效果分析

王宏麗，錢 丹，武 軼，于 淼，張 力

（天津江河弘元環(huán)境技術(shù)研究有限公司，天津300202）

藻類水華是水體富營(yíng)養(yǎng)化的產(chǎn)物，主要是由于上游下泄的水體中含有大量氮磷等營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)，水體流動(dòng)性差，加之受光照及高溫天氣的影響，導(dǎo)致水體富營(yíng)養(yǎng)化，藻類容易大量繁殖，形成水華［1-3］。水華的形成改變了水體的理化環(huán)境，影響了水生態(tài)系統(tǒng)的健康發(fā)展，且嚴(yán)重破壞生態(tài)環(huán)境、影響人類生存［4-5］。據(jù)統(tǒng)計(jì)，全球75%以上的封閉性水體存在不同程度的富營(yíng)養(yǎng)化問題［6］。國(guó)家生態(tài)環(huán)境部2018年5月公布的調(diào)查資料顯示：2017年全國(guó)109個(gè)監(jiān)測(cè)營(yíng)養(yǎng)狀態(tài)的湖泊（水庫(kù)）中，貧營(yíng)養(yǎng)湖泊9個(gè)，中營(yíng)養(yǎng)湖泊67個(gè)，富營(yíng)養(yǎng)湖泊有33 個(gè)，其中輕度富營(yíng)養(yǎng)化湖泊占比87.9%，中度富營(yíng)養(yǎng)化湖泊占比12.1%，污染狀況有所好轉(zhuǎn)，但依然需要加以重視。

隨著國(guó)內(nèi)水環(huán)境污染形勢(shì)日益嚴(yán)峻，國(guó)家對(duì)水環(huán)境的治理日益重視，整體水環(huán)境有了極大改善和提升。但由于多年來生態(tài)環(huán)境的破壞，很多水體仍然處在劣Ⅴ類，致使各種水體每年仍然大范圍爆發(fā)藻類水華現(xiàn)象［7］。更為嚴(yán)重的是，許多飲用水水源地年年爆發(fā)藻類水華，使水質(zhì)嚴(yán)重惡化，如硅藻、藍(lán)藻、 綠藻等直接威脅著飲用水的安全［8］。

1 示范工程選擇與實(shí)施

1.1 飲用水水源地

飲用水水源地示范工程選址為天津北塘水庫(kù)，位于天津市永定新河南畔京山鐵路以南，水深3.1m，總庫(kù)容1.34億m3，有效灌溉面積46.7hm2，原為灌溉及養(yǎng)殖用水存儲(chǔ)水庫(kù)［9-10］。作為引黃水及引江水的備用水庫(kù)，依據(jù)GB3838—2002《地表水環(huán)境質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)》中Ⅲ類水質(zhì)標(biāo)準(zhǔn)來評(píng)價(jià)其水質(zhì)指標(biāo)。但因天津地區(qū)3～4月份藻類生長(zhǎng)旺盛，藻細(xì)胞數(shù)量隨季節(jié)波動(dòng)較大，呈現(xiàn)輕度富營(yíng)養(yǎng)化趨勢(shì)［11］。

1.2 設(shè)備安裝

本工程選用超聲波除藻儀輻射半徑300m，以扇形角度發(fā)射合成形式的超聲波?；谒畮?kù)水深、面積及現(xiàn)場(chǎng)情況考慮，鑒于北塘水庫(kù)風(fēng)浪較大，工程在北塘水庫(kù)入開口鋪設(shè)藍(lán)藻網(wǎng)，安裝兩臺(tái)超聲波除藻儀，采用繩子牽引方式固定在岸邊，并使換能器呈背對(duì)背角度發(fā)射超聲波。定期檢查設(shè)備運(yùn)行的穩(wěn)定性、兼容性，及時(shí)記錄水質(zhì)感官性狀變化、采樣并監(jiān)測(cè)水質(zhì)指標(biāo)變化。

1.3 試驗(yàn)效果分析

北塘水庫(kù)定期檢測(cè)水質(zhì)，沒有委托第三方檢測(cè)機(jī)構(gòu)進(jìn)行水質(zhì)測(cè)定，由北塘水庫(kù)管理所工作人員定期提供水質(zhì)檢測(cè)報(bào)告。除藻設(shè)備分別于2018年8月20日及8月24日安裝。

安裝設(shè)備后北塘水庫(kù)感官效果并不明顯，其原因可能與其水面面積大、水體交換頻繁、設(shè)備安裝較少及本身水質(zhì)較好有關(guān)。為進(jìn)一步驗(yàn)證示范工程結(jié)果，試驗(yàn)期間歷次水樣檢測(cè)結(jié)果如表1。

表1 北塘入開口原水水質(zhì)檢測(cè)數(shù)據(jù)

由表1可知：

（1）原水水質(zhì)與安裝超聲波除藻儀后水質(zhì)相比相差不大，隨季節(jié)和溫度變化呈現(xiàn)出一定的波動(dòng)性，但整體變化幅度較小。

（2）整體水質(zhì)保持在地表水Ⅱ類標(biāo)準(zhǔn)，水質(zhì)較好。

（3）葉綠素a及藻細(xì)胞密度國(guó)家尚未出臺(tái)統(tǒng)一標(biāo)準(zhǔn)，但查閱文獻(xiàn)可知，葉綠素a＜40μg/L時(shí)水質(zhì)較好［12］；夏季藻細(xì)胞密度在1000萬個(gè)/L時(shí)藻類不易暴發(fā)。安裝除藻儀后，葉綠素a呈現(xiàn)出先上升再下降的波動(dòng)性變化，而藻細(xì)胞密度卻呈現(xiàn)出整體增長(zhǎng)趨勢(shì)，分析認(rèn)為可能是隨著季節(jié)變化，溫度降低為藻類提供了適宜生長(zhǎng)的環(huán)境；而超聲波除藻儀安裝數(shù)量較少，其除藻速度趕不上藻類生長(zhǎng)速度。

2 景觀水體

侯臺(tái)濕地公園位于西青區(qū)外環(huán)西路與西北半環(huán)快速路之間，面積140hm2，陳臺(tái)子河橫穿而過，露天水域?yàn)榈[石開挖而成，由于地下水位低于露天水洼地，地下水源無法滲入，因此現(xiàn)場(chǎng)水源主要來自周邊區(qū)域地表徑流、排水河引水及雨水收集，水質(zhì)不佳。同時(shí)，水體受年降雨量、蒸發(fā)量、地面滲透量等因素影響，水位不穩(wěn)定，水體流動(dòng)性也較差，極易造成水體富營(yíng)養(yǎng)化現(xiàn)象。

進(jìn)入夏季以來，氣溫連日升高，水體極易爆發(fā)藻類。濕地公園大部分水域因水深較淺、水體不流動(dòng)，水面漂浮有大量藻類及浮萍。為保持水體正常感官性狀，采取人工打撈方式，但因藻類生長(zhǎng)繁殖速度快，每周需打撈2～3次，耗費(fèi)大量人力物力，且治標(biāo)不治本。

2.1 試驗(yàn)產(chǎn)地選擇與布置

本次選擇濕地公園內(nèi)的竹園作為本次示范工程地點(diǎn)。竹園面積800～900m2，水深50cm，水源目前主要來源于雨水，無外源污染，水體渾濁且呈黃褐色，水面生長(zhǎng)有大量絲狀藻及浮萍。

2.2 設(shè)備安裝

考慮竹園面積、水體形態(tài)及水深等因素，選用超聲波除藻儀輻射半徑為300m，以扇形角度發(fā)射合成形式的超聲波。在竹園中心部位安裝兩臺(tái)超聲波除藻儀，采用繩子牽引的方式固定在岸邊，并使換能器呈背對(duì)背角度發(fā)射超聲波，以定期檢查設(shè)備運(yùn)行的穩(wěn)定性、兼容性，及時(shí)記錄水質(zhì)感官性狀變化、定期采樣并監(jiān)測(cè)水質(zhì)指標(biāo)變化。

2.3 試驗(yàn)效果分析

2018年6月12日安裝超聲波除藻儀，正常運(yùn)行7d后，水體透明度整體有所提升，但局部水域依然渾濁，分析可能與連日降雨有關(guān)，水體呈現(xiàn)黃褐色，部分水域漂浮有大量藻類，但近超聲波除藻儀處未見藻類生長(zhǎng)；連續(xù)運(yùn)行12d后，水體清澈，水體透明度明顯提升，底部卵石清晰可見，且整體水面未見藻類生長(zhǎng)，如圖1～圖6。

將采集水樣委托具有CMA資質(zhì)認(rèn)證的第三方檢測(cè)機(jī)構(gòu)進(jìn)行檢測(cè)，檢測(cè)指標(biāo)主要有pH值、溶解氧、懸浮物、COD、BOD5、TN、TP、NH3-N 8個(gè)指標(biāo)，檢測(cè)結(jié)果如表2。

圖1 安裝前

圖2 安裝8d后

圖3 安裝9d后

圖4 安裝12d后

圖5 安裝13d后

圖6 安裝15d后

表2 安裝除藻儀前后水質(zhì)對(duì)比 單位：mg/L

由表2可知：

（1）原水水質(zhì)COD、BOD5、TN均明顯超標(biāo)，屬劣Ⅴ類水質(zhì)。安裝除藻儀后，水體水質(zhì)有明顯改善，但COD、BOD5仍高于國(guó)標(biāo)Ⅴ類水。且點(diǎn)1水質(zhì)理化指標(biāo)較點(diǎn)2降低更多，說明距超聲波除藻儀越近效果越好。

（2）安裝除藻儀后，水體中的COD、BOD5、TN及NH3-N 均有明顯下降，去除率分別為56.771%，48.559%，50.824%，63.410%，說明安裝除藻儀后水體水質(zhì)有明顯提升；懸浮物含量上升較明顯，是由于藻細(xì)胞直徑較小，屬于水體雜質(zhì)中沉降較慢的顆粒物質(zhì)，因此在作用過程中，水中的藻細(xì)胞處于緩慢下降過程；TP略有上升，分析認(rèn)為是藻類被殺死后，水體中的磷進(jìn)入生態(tài)系統(tǒng)的含量減少，因而呈溶解態(tài)停留在水中。

3 河道水體

3.1 試驗(yàn)場(chǎng)地的選擇與布置

護(hù)倉(cāng)河是天津重要的景觀、排瀝河道，沿線存在汛期雨污合流水排入河道現(xiàn)象，部分河段不能實(shí)現(xiàn)水體循環(huán)流動(dòng)，水體流動(dòng)性極差，水生態(tài)系統(tǒng)脆弱，加之汛期排瀝影響，內(nèi)源污染物長(zhǎng)期蓄積在水體和底泥內(nèi)，COD、總磷、總氮嚴(yán)重超標(biāo)，易發(fā)生黑臭、水華等現(xiàn)象，影響城市景觀環(huán)境。

進(jìn)入夏季以來，隨氣溫升高，水體易暴發(fā)藻類，散發(fā)惡臭。為保持水體正常感官性狀，排管處采取投加藥劑的方式除藻，但治理效果并不理想，不僅耗費(fèi)大量人力物力，且長(zhǎng)期投藥還會(huì)對(duì)水體生態(tài)系統(tǒng)造成破壞。

3.2 設(shè)備安裝

基于河道水深、面積及現(xiàn)場(chǎng)情況考慮，本工程在津塘路與光華路交口段西側(cè)安裝兩臺(tái)太陽能超聲波除藻儀，固定方式采用水泥混凝土配重。定期檢查設(shè)備運(yùn)行的穩(wěn)定性、兼容性，及時(shí)記錄水質(zhì)感官性狀變化、定期采樣并監(jiān)測(cè)水質(zhì)指標(biāo)變化。

3.3 試驗(yàn)效果

示范工程于2018年8月31日開始。此時(shí)汛期已過，上游無排水，護(hù)倉(cāng)河水位及水質(zhì)均較穩(wěn)定。此水域水色碧綠，大片藻類漂浮在水面，屬于重度富營(yíng)養(yǎng)化水體。

由圖7～圖13可知，安裝除藻儀5d后，藻類水華現(xiàn)象有所緩解，水色依然泛綠，但水面上已不見藻類漂?。?d后，水色已由綠色變成黃褐色，水體透明度有所提升，但局部死角處仍有部分藻類漂浮；12d后，藻類已完全消失不見，水體透明度有較大提升。

圖7 安裝前水體現(xiàn)狀

圖8 安裝2d后

圖9 安裝3d后

圖10 安裝5d后

圖11 安裝7d后

圖12 安裝9d后

圖13 安裝12d后

定期采樣監(jiān)測(cè)水體變化，此次示范工程以NH3-N、TP、COD、藻類計(jì)數(shù)4項(xiàng)指標(biāo)進(jìn)行檢測(cè)，檢測(cè)結(jié)果如表3。

表3 安裝除藻儀前后水質(zhì)對(duì)比

由表3可知：

（1）安裝除藻儀后，NH3-N、TP、COD均有一定波動(dòng)，但總體來看NH3-N、TP呈下降趨勢(shì)，且降低幅度較大，均在78.6%以上；COD略有上升，分析認(rèn)為是超聲波殺死的藻細(xì)胞貢獻(xiàn)了水體中的有機(jī)物含量。

（2）藻類數(shù)量呈下降趨勢(shì)，其中近設(shè)備處的藻細(xì)胞密度由最初的2.2億個(gè)/L降至8118萬個(gè)/L，降幅高達(dá)64.2%，除藻效果明顯。觀察3次檢測(cè)數(shù)據(jù)，近設(shè)備處的藻類數(shù)量均低于遠(yuǎn)設(shè)備處，說明距離超聲波除藻儀越近，超聲波能量越強(qiáng)，對(duì)藻細(xì)胞的破壞作用也越大。

4 結(jié)語

（1）飲用水水源地由于水面面積較大，風(fēng)浪擾動(dòng)強(qiáng)烈，且水體交換頻繁，如果布設(shè)的超聲波除藻儀數(shù)量過少，不能完全覆蓋整個(gè)水面，則除藻效果不明顯。

（2）對(duì)水體流動(dòng)性不大的公園湖泊，由于水深較淺，外來水體影響較小，超聲波以扇形角度輻射覆蓋的水體范圍較大，超聲波除藻效果最為明顯。

（3）景觀河道如果能控制外來污染源的排入，則除藻效果亦十分明顯。

（4）各種水體布設(shè)超聲波除藻儀要以水面全覆蓋為原則，如北塘水庫(kù)按水域面積布滿超聲波除藻儀，則可基本杜絕藻類爆發(fā)。

（5）超聲波除藻儀最好能在每年3月份藻類爆發(fā)之前布設(shè)，可防止藻類的大面積爆發(fā)，還可同時(shí)與其他成熟先進(jìn)的水體治理技術(shù)相結(jié)合，并加大加快應(yīng)用力度。