微能耗雙罐并聯(lián)加壓控制藍(lán)藻生長(zhǎng)技術(shù)研究*

成芃榮 陳旭清 朱曄宸 潘 陽 徐卿源 劉 芳 叢海兵#

(1.揚(yáng)州大學(xué)環(huán)境科學(xué)與工程學(xué)院，江蘇 揚(yáng)州 225127；2.無錫市藍(lán)藻治理辦公室，江蘇 無錫 214000；3.江蘇省水文水資源勘測(cè)局揚(yáng)州分局，江蘇 揚(yáng)州 225000)

夏季藍(lán)藻水華問題會(huì)對(duì)湖泊生態(tài)系統(tǒng)產(chǎn)生一系列影響，水體透明度大幅降低，遏制沉水植物光合作用，大量水生植物因水中溶解氧含量降低而死亡[1-5]。盡管目前通過機(jī)械打撈、底泥清淤、化學(xué)降藻、生物控藻等傳統(tǒng)方法在一定程度上控制了湖泊富營(yíng)養(yǎng)化水平[6-10]，但藍(lán)藻暴發(fā)對(duì)生態(tài)系統(tǒng)安全仍有很大威脅，因而迫切需要有效可行的藍(lán)藻生長(zhǎng)控制技術(shù)。周越等[11]提出了藍(lán)藻加壓沉淀水處理及生長(zhǎng)控制技術(shù)方法，自然藍(lán)藻經(jīng)過0.7 MPa壓力加壓后氣囊會(huì)破裂，失去浮力后下沉至水底無法生長(zhǎng)，進(jìn)而降低藍(lán)藻暴發(fā)的可能性[12]1784,[13]。加壓控藻技術(shù)為太湖藍(lán)藻水污染治理開辟了新方向，對(duì)湖泊藍(lán)藻應(yīng)急治理具有很強(qiáng)的實(shí)用意義。

本研究通過現(xiàn)場(chǎng)圍隔試驗(yàn)研究微能耗雙罐并聯(lián)加壓控藻船的控藻效果，并研究其機(jī)理，探明加壓藍(lán)藻在不同風(fēng)浪作用下的垂向分布情況，測(cè)定加壓藍(lán)藻在不同水深的光合生產(chǎn)力，進(jìn)一步探明加壓控制太湖藍(lán)藻的生長(zhǎng)衰亡規(guī)律。

1 材料與方法

1.1 試驗(yàn)裝置

1.1.1 雙罐并聯(lián)加壓控藻圍隔試驗(yàn)裝置

加壓控藻圍隔試驗(yàn)裝置見圖1，包括圍隔和雙罐并聯(lián)加壓控藻船，圍隔設(shè)于太湖梅梁湖中。

圖1 微能耗雙罐并聯(lián)加壓控藻圍隔試驗(yàn)裝置Fig.1 Micro-energy consumption dual-tank parallel pressurized algae control enclosure test device

圍隔區(qū)域?yàn)槿切?，面積5 655.7 m2。圍隔上部為浮子，下部為濾布。浮子為直徑500 mm的聚氨酯泡沫塑料柱，外圍用防水布包裹。下部濾布密封懸掛于浮子下方，濾布下端自由貼近湖底。圍隔兩側(cè)用錨固繩和錨固墩固定于湖底。圍隔區(qū)域內(nèi)水深1.5～2.5 m。雙罐并聯(lián)加壓控藻船由船體和加壓系統(tǒng)組成，加壓系統(tǒng)位于船體內(nèi)。船體為鋼板焊接，外形尺寸4.50 m(長(zhǎng))×2.25 m(寬)×1.25 m(高)，由汽油掛槳機(jī)推進(jìn)。加壓系統(tǒng)包括兩個(gè)并聯(lián)的加壓罐、進(jìn)水泵、微型加壓泵、自控系統(tǒng)、發(fā)電機(jī)及進(jìn)出水管路組成。加壓罐容積1 m3，進(jìn)出水管直徑100 mm，兩個(gè)加壓罐進(jìn)口并聯(lián)后與進(jìn)水管相連，出口并聯(lián)后與出水管相連，進(jìn)出水管從船體的首尾伸出，進(jìn)水管上安裝有進(jìn)水泵，進(jìn)水泵為GW50-20-7-0.75型排污泵，功率0.75 kW，揚(yáng)程5 m時(shí)工作流量25 m3/h。進(jìn)水管口貼近水面，可吸入水面藍(lán)藻。微型加壓泵為GY2B140F型滑片泵，功率0.5 kW，出水壓力0.7 MPa，流量428 L/h。微型加壓泵從船體外吸水，出水分別送入兩個(gè)加壓罐。每個(gè)加壓罐進(jìn)出口以及微型加壓泵出水進(jìn)入每個(gè)加壓罐的水管上均設(shè)有自控閥門。啟動(dòng)進(jìn)水泵，使兩個(gè)加壓罐中充滿水。然后關(guān)閉加壓罐1進(jìn)出口閥門，打開加壓罐2進(jìn)出口閥門，原水進(jìn)入加壓罐2并從尾部流出；打開微型加壓泵向加壓罐1供水管道的閥門，關(guān)閉向加壓罐2供水管道的閥門，壓力水注入加壓罐1中。由于加壓罐1處于密閉狀態(tài)，而水的壓縮性又很小，將水加壓到0.7 MPa時(shí)的壓縮率為0.000 32，加壓1 m3水需要0.32 L壓力水，因此加壓罐1中壓力很快上升到0.7 MPa。維持高壓30 s。打開加壓罐1進(jìn)出口閥門，關(guān)閉加壓罐2進(jìn)出口閥門，打開微型加壓泵向加壓罐2供水管道的閥門，關(guān)閉向加壓罐1供水管道的閥門，壓力水注入加壓罐2中，加壓罐2被加壓。此時(shí)，進(jìn)水泵向加壓罐1內(nèi)注入太湖藍(lán)藻水，將罐內(nèi)已經(jīng)加壓過的藍(lán)藻水?dāng)D出，當(dāng)加壓罐1內(nèi)所有加壓水被擠出后，關(guān)閉加壓罐1進(jìn)出口閥門，進(jìn)行下一輪加壓。兩個(gè)加壓罐輪流加壓、進(jìn)出水，保障整個(gè)加壓系統(tǒng)進(jìn)出水的連續(xù)性[14]。1個(gè)加壓罐完成1次關(guān)閥、加壓的總時(shí)間為2 min，此時(shí)間內(nèi)進(jìn)入另一個(gè)加壓罐的原水量為0.83 m3，占罐體容積的83%。由于罐體內(nèi)安裝了防短流裝置，避免了未加壓水從罐體進(jìn)口直奔出口的短流現(xiàn)象。加壓系統(tǒng)的運(yùn)行由自控系統(tǒng)控制，自動(dòng)運(yùn)行，運(yùn)行流量25 m3/h。整個(gè)加壓系統(tǒng)運(yùn)行總功率2 kW，由汽油發(fā)電機(jī)供電。

1.1.2 加壓藍(lán)藻在風(fēng)浪條件下的垂向分布測(cè)定裝置

加壓藍(lán)藻在風(fēng)浪條件下垂向分布的模擬試驗(yàn)裝置見圖2，包括水槽和造波機(jī)。水槽長(zhǎng)11.5 m，寬0.5 m，高1.0 m；造波機(jī)采用從武漢理工大學(xué)定制的推板式水槽造波機(jī)，由伺服電機(jī)、推波板、中控系統(tǒng)等組成；波高的測(cè)量及控制采用BT-CBY-Ⅱ波高測(cè)量控制系統(tǒng)。

圖2 風(fēng)浪條件下藍(lán)藻垂向分布測(cè)定裝置Fig.2 Device for measuring the vertical distribution of cyanobacteria under wind-wave conditions

1.2 試驗(yàn)水樣

試驗(yàn)用藍(lán)藻水取自太湖梅梁湖。優(yōu)勢(shì)藻種為銅綠微囊藻，占比98%以上。

1.3 試驗(yàn)方法

1.3.1 微能耗雙罐并聯(lián)加壓控藻圍隔試驗(yàn)

試驗(yàn)第1、2天打開圍隔，讓藍(lán)藻水華飄入圍隔內(nèi)，每天在圍隔內(nèi)環(huán)等間距取7個(gè)水樣。取樣時(shí)攪動(dòng)周邊水體，使取樣點(diǎn)處水體混勻，從水面下20 cm處取水樣，注入塑料瓶中，帶回實(shí)驗(yàn)室4 ℃保存，測(cè)定葉綠素a濃度。第2天取樣結(jié)束后即關(guān)閉圍隔，開始運(yùn)行雙罐并聯(lián)加壓控藻船，該船主要針對(duì)藍(lán)藻水華區(qū)域運(yùn)行，每天運(yùn)行約4 h，直到第6天藍(lán)藻水華很少時(shí)結(jié)束試驗(yàn)。每天取樣測(cè)定葉綠素a濃度，并測(cè)定藍(lán)藻水華聚集面積。試驗(yàn)期間天氣晴好，水溫31～32 ℃。

1.3.2 加壓藍(lán)藻在風(fēng)浪條件下的垂向分布

分別測(cè)定自然藍(lán)藻和加壓藍(lán)藻在不同波高風(fēng)浪作用下的垂向分布情況。向人工造波水槽中注入自然藍(lán)藻水，使得水槽水深達(dá)到0.8 m，充分?jǐn)嚢杈鶆?，取樣測(cè)定混合水葉綠素a濃度。在無風(fēng)的條件下靜置24 h，采用虹吸法小心吸取水體表面處與0.2、0.4、0.6、0.8 m水深處的水樣，測(cè)定葉綠素a濃度。打開造波機(jī)，調(diào)整造波機(jī)的頻率及振幅，依次制造小風(fēng)浪(波高8 cm)、中風(fēng)浪(波高15 cm)、大風(fēng)浪(波高25 cm)，在每種波高情況下運(yùn)行足夠時(shí)間，待藍(lán)藻在垂直方向的分布維持穩(wěn)定后停止造波，待水面平復(fù)后立刻用虹吸法吸取水體表面與0.2、0.4、0.6、0.8 m處的水樣，測(cè)定葉綠素a濃度。將自然藍(lán)藻水經(jīng)過0.7 MPa壓力加壓后注入水槽，重復(fù)上述試驗(yàn)。

1.3.3 加壓藍(lán)藻在太湖不同水深處的生產(chǎn)力測(cè)定

分別測(cè)定自然藍(lán)藻水和加壓藍(lán)藻水在太湖中的光合生產(chǎn)力，采用黑白瓶法測(cè)定，各自準(zhǔn)備5對(duì)250 mL的透明溶解氧瓶，將其中5個(gè)溶解氧瓶用多層黑色塑料袋包裹，使瓶?jī)?nèi)無光。取藍(lán)藻水混勻，測(cè)定初始葉綠素a濃度。將水樣混合均勻后緩慢注入5對(duì)黑白瓶中，并保證注滿后溢出至少3倍體積的水。測(cè)定每個(gè)瓶中的初始溶解氧，蓋緊瓶塞不留空氣，將5對(duì)黑白瓶分別懸掛于水面與0.5、1.0、1.5、2.0 m水深處，24 h后取出測(cè)定溶解氧。掛瓶在晴天的上午9:00—10:00進(jìn)行。分別在晴天的小風(fēng)浪、中風(fēng)浪、大風(fēng)浪及陰天小風(fēng)浪進(jìn)行試驗(yàn)。根據(jù)測(cè)定結(jié)果計(jì)算光合生產(chǎn)力(以單位葉綠素a產(chǎn)生的O2質(zhì)量計(jì))及生產(chǎn)量。

1.3.4 分析測(cè)試方法

主要測(cè)試指標(biāo)包括葉綠素a濃度、藻類PSⅡ光化學(xué)效率、光照強(qiáng)度、藍(lán)藻光合作用生產(chǎn)力。葉綠素a濃度按照文獻(xiàn)[15]中推薦的方法測(cè)定，丙酮的萃取時(shí)間取24 h；藻類PSⅡ光化學(xué)效率采用AquaPen-C-100型手持式葉綠素?zé)晒鈨x直接測(cè)定；光照強(qiáng)度采用ZDS-10型光照度計(jì)進(jìn)行測(cè)定；溶解氧采用HQ30d便攜式溶解氧儀測(cè)定。

2 結(jié)果與討論

2.1 微能耗雙罐并聯(lián)加壓控藻圍隔試驗(yàn)效果

在6 d的圍隔試驗(yàn)期內(nèi)，20 cm水深處平均葉綠素a變化見圖3，水面藍(lán)藻聚集面積見圖4。由圖3可知，第1、2天圍隔敞開時(shí)，在風(fēng)力吹動(dòng)下大量藍(lán)藻進(jìn)入圍隔內(nèi)，葉綠素a平均質(zhì)量濃度從1 652 μg/L增加到9 198 μg/L。雙罐并聯(lián)加壓控藻船運(yùn)行后，壓力消除了藍(lán)藻細(xì)胞內(nèi)氣囊，使藍(lán)藻失去懸浮能力而沉入水底，第3天水面葉綠素a平均質(zhì)量濃度急劇下降到806 μg/L，第4～6天維持在115～137 μg/L的低濃度水平，第6天相較于第2天的濃度削減了98.7%。水面藍(lán)藻聚集面積也快速下降，試驗(yàn)結(jié)束時(shí)削減了93.7%。

圖3 圍隔內(nèi)葉綠素a平均質(zhì)量濃度Fig.3 The average concentration of chlorophyll a in the enclosure

圖4 圍隔內(nèi)藍(lán)藻聚集面積Fig.4 The accumulation area of cyanobacteria in the enclosure

2.2 加壓破碎氣囊對(duì)藍(lán)藻垂向分布及生產(chǎn)力的影響

2.2.1 加壓藍(lán)藻在風(fēng)浪條件下的垂向分布

人工造波水槽中垂向上自然藍(lán)藻水和加壓藍(lán)藻水葉綠素a平均質(zhì)量濃度分別為299、334 μg/L，靜水與8、15、25 cm人造波高條件下，加壓藍(lán)藻和自然藍(lán)藻在水中的垂向分布見圖5。自然藍(lán)藻在靜沉24 h后大都浮于水體表面，水面下濃度較低，水深0.2～0.8 m葉綠素a平均濃度占初始平均濃度的比例為26.4%～35.4%，平均占比30.8%。隨著波高的增加，表層藍(lán)藻逐步向下遷移，在小風(fēng)浪(8 cm)、中風(fēng)浪(15 cm)、大風(fēng)浪(25 cm)條件下，水深0.2～0.8 m區(qū)域葉綠素a平均濃度占初始平均濃度的比例逐步增加為55.9%、86.3%、85.0%。水深0.8 m處葉綠素a平均濃度占初始平均值的比例逐步增加為27.7%、43.1%、63.7%。

圖5 人工造浪下藍(lán)藻在水中的垂向分布情況Fig.5 Vertical distribution of cyanobacteria in water under artificial waves

加壓藍(lán)藻在靜沉24 h后大都沉于水槽底部，形成一層墨綠色的藻團(tuán)，上層水中葉綠素a濃度較低，水深0～0.6 m葉綠素a平均濃度占初始平均濃度的比例為21.3%～27.4%，平均占比24.6%。隨著波高的增加，底層藍(lán)藻逐步向上遷移，在8、15、25 cm波高條件下，水深0～0.6 m區(qū)域葉綠素a平均濃度占初始平均濃度的比例逐步增加為40.7%、71.4%、73.7%。水面處葉綠素a平均濃度占初始平均濃度的比例逐步變化為20.6%、20.1%、22.5%。這說明，相對(duì)于靜水條件，在8、15 cm風(fēng)浪作用下表層藍(lán)藻沒有增加，25 cm風(fēng)浪作用下表層藍(lán)藻僅增加了1.2百分點(diǎn)。加壓藍(lán)藻在風(fēng)浪條件下處于懸移狀態(tài)，具有很強(qiáng)的下沉趨勢(shì)，很難被蕩起到表層水體，風(fēng)浪停止后能快速下沉。

綜上可以得出，在0.8 m水深人工造波條件下，加壓藍(lán)藻的抗風(fēng)浪沉淀穩(wěn)定性較強(qiáng)。由于水動(dòng)力強(qiáng)度隨水深增加而逐漸減小，水體越深處所受到風(fēng)浪的垂向混合作用越小，因此可以推斷在諸如太湖此類平均水深大于0.8 m的水體中，沉淀水體底部的加壓藍(lán)藻所受水動(dòng)力影響較小，在絕大部分情況下都能保持良好的沉淀穩(wěn)定性。就算遇上大風(fēng)浪情況，也只有部分沉淀藍(lán)藻被卷起至水體中層，極少數(shù)會(huì)被卷起至表層，且大風(fēng)天氣情況較少并往往伴隨陰雨天氣，此時(shí)水體中層光照強(qiáng)度不足，被卷起的加壓藍(lán)藻無法進(jìn)行正常的光合作用而生長(zhǎng)繁殖，待到大風(fēng)浪過后，加壓藍(lán)藻依舊會(huì)沉淀至水體底部，因此加壓藍(lán)藻沉淀穩(wěn)定性較強(qiáng)。

2.2.2 加壓藍(lán)藻在太湖不同水深處的光合生產(chǎn)力

晴天3種風(fēng)浪、陰天小風(fēng)浪條件下的藍(lán)藻在不同水深處的光合生產(chǎn)力見圖6，其中小風(fēng)浪、中風(fēng)浪、大風(fēng)浪波高分別為6.4、14.2、24.2 cm。晴天上層水中藍(lán)藻光合生產(chǎn)力為正，藍(lán)藻處于生長(zhǎng)繁殖趨勢(shì)；隨著水深的增加生產(chǎn)力快速降低，小風(fēng)浪、中風(fēng)浪、大風(fēng)浪條件下分別在1.1、1.0、0.8 m左右生產(chǎn)力降為零，藍(lán)藻不生長(zhǎng)；再向下為負(fù)值，表明藍(lán)藻呈腐爛趨勢(shì)。風(fēng)浪導(dǎo)致水的透光性下降，藍(lán)藻能生長(zhǎng)的深度更小。晴天最表層水在3種風(fēng)浪條件下的生產(chǎn)力相當(dāng)，這是因?yàn)樽畋韺铀艿焦庹罩鄙?，風(fēng)浪的影響很小。加壓藍(lán)藻的光合生產(chǎn)力比自然藍(lán)藻有輕微減小，這是因?yàn)榧訅翰⑽雌茐乃{(lán)藻細(xì)胞活性，但消除了細(xì)胞內(nèi)氣囊，而氣囊對(duì)光有散射作用，能提高藻細(xì)胞內(nèi)的光強(qiáng)，無氣囊的加壓藍(lán)藻細(xì)胞內(nèi)的光強(qiáng)小于自然藍(lán)藻，故而生產(chǎn)力有所下降。陰天整個(gè)水體藍(lán)藻生產(chǎn)力均為負(fù)值，說明陰天藍(lán)藻不生長(zhǎng)，處于腐爛趨勢(shì)。

圖6 藍(lán)藻光合生產(chǎn)力隨水深的變化情況Fig.6 Changes of cyanobacterial photo-productivity with water depth

2.3 加壓破碎氣囊對(duì)水體垂向藍(lán)藻生產(chǎn)量的影響分析

由圖7可見，表層水中自然藍(lán)藻的生產(chǎn)量遠(yuǎn)大于加壓藍(lán)藻，這是因?yàn)樽匀凰{(lán)藻在表層水中的濃度遠(yuǎn)大于加壓藍(lán)藻，且表層水中藍(lán)藻的光合生產(chǎn)力較大；下層水體中加壓藍(lán)藻生產(chǎn)量大于自然藍(lán)藻，這是因?yàn)榧訅核{(lán)藻在下層水中的濃度大于自然藍(lán)藻，但下層水中藍(lán)藻光合生產(chǎn)力較小，因而加壓藍(lán)藻的生產(chǎn)量并不大。在晴天小風(fēng)浪、中風(fēng)浪、大風(fēng)浪和陰天小風(fēng)浪條件下，自然藍(lán)藻在0～0.8 m水深內(nèi)的垂向平均生產(chǎn)量分別為131.5、75.5、24.5、-11.9 mg/L，同等條件下加壓藍(lán)藻垂向平均生產(chǎn)量分別為21.9、22.7、19.3、-26.8 mg/L，分別比自然藍(lán)藻下降了83.3%、69.9%、21.1%、125.2%，由此可見，加壓破碎藍(lán)藻氣囊后，藍(lán)藻在水體垂向上的生產(chǎn)量削減明顯。風(fēng)浪越小越有利于自然藍(lán)藻生長(zhǎng)，加壓藍(lán)藻的沉淀效果越好，加壓對(duì)抑制藍(lán)藻生長(zhǎng)的效果越明顯?？梢耘卸?，水深越大，加壓后藍(lán)藻下沉得越深，越能抑制藍(lán)藻生長(zhǎng)，如圖6所示，晴天小風(fēng)浪、中風(fēng)浪、大風(fēng)浪條件下，在水深1.1、1.0、0.8 m以下藍(lán)藻光合生產(chǎn)力為負(fù)值。

圖7 藍(lán)藻生產(chǎn)量隨水深的變化Fig.7 Changes of cyanobacterial product volume with water depth

加壓消除藍(lán)藻氣囊后，下沉速度大于0.5、1.0、1.5、2.0 cm/min的藍(lán)藻分別占總量的64.5%、52.5%、41.5%、31.4%，藍(lán)藻粒徑越大，下沉速度越快[12]1784。因此，大顆粒加壓藍(lán)藻具有較好的沉淀性，能抵御一定的風(fēng)浪擾動(dòng)。加壓藍(lán)藻在500 lx以上光強(qiáng)持續(xù)培養(yǎng)8 h后小顆粒藍(lán)藻開始上浮[16]，根據(jù)實(shí)測(cè)，夏季太湖1 m水深以下光強(qiáng)小于500 lx，1.5 m水深以下光強(qiáng)接近零，風(fēng)浪越大光強(qiáng)越小。因此，小顆粒加壓藍(lán)藻在風(fēng)浪條件下可能會(huì)懸浮到表層水體中，在持續(xù)8 h光照后恢復(fù)上浮特性。大顆粒加壓藍(lán)藻在風(fēng)浪作用下處于懸移狀態(tài)，主要處于下層水體，難以獲得持續(xù)光照而恢復(fù)上浮能力。

3 結(jié)論與展望

(1) 微能耗雙罐并聯(lián)加壓控藻船能快速控制圍隔內(nèi)藍(lán)藻水華，表層水中葉綠素a濃度削減98.7%。

(2) 加壓藍(lán)藻在靜水和風(fēng)浪條件下均表現(xiàn)為上少下多的垂向分布情況。靜水中大部分加壓藍(lán)藻沉淀于水底，懸浮藍(lán)藻只占24.6%。加壓藍(lán)藻沉淀于0.8 m深水底，經(jīng)25 cm波高的風(fēng)浪作用后，表層藍(lán)藻濃度僅增加1.2百分點(diǎn)，表明加壓沉淀藍(lán)藻具有較好的沉淀穩(wěn)定性。

(3) 晴天小風(fēng)浪、晴天中風(fēng)浪、晴天大風(fēng)浪、陰天小風(fēng)浪條件下，加壓藍(lán)藻在0～0.8 m水深內(nèi)的垂向平均生產(chǎn)量分別比同等條件下的自然藍(lán)藻生產(chǎn)量下降了83.3%、69.9%、21.1%、125.2%。

(4) 微能耗雙罐并聯(lián)加壓原位控藻技術(shù)消除藍(lán)藻細(xì)胞內(nèi)氣囊，使藍(lán)藻失去懸浮生長(zhǎng)的能力，從而抑制藍(lán)藻繁殖。在藍(lán)藻生長(zhǎng)初期運(yùn)行加壓控藻船，可將藍(lán)藻水華遏制在萌芽狀態(tài)，起到事半功倍的效果。加壓控藻技術(shù)是物理方法，只是消除藍(lán)藻細(xì)胞內(nèi)氣囊，并不破壞細(xì)胞壁，不會(huì)造成藻細(xì)胞的快速解體，并且采用靜態(tài)加壓方法能耗很低，具有較好的應(yīng)用前景。