太湖藍藻AIO 打撈技術(shù)及藻泥高值化工程應(yīng)用

錢盤生， 謝琤琤

（1.江蘇金山環(huán)?？萍加邢薰荆?江蘇 宜興 214212；2.中持新概念環(huán)境發(fā)展宜興有限公司， 江蘇 宜興 214200）

太湖作為我國的第三大淡水湖， 湖岸線總長405 km， 水面面積為2 338 km2， 在多年平均水位2.99 m 時的庫容為44.28 億m3， 平均水深1.89 m，是典型的淺水型湖泊［1］。 太湖藍藻水華是指藍藻種源在富營養(yǎng)和較高水溫等合適生境和缺乏種間競爭情況下快速增值， 達到一定密度而爆發(fā)。 爆發(fā)的藍藻不僅污染水體， 產(chǎn)生腥臭味， 大量消耗水中氧氣造成魚類死亡， 同時藻類分泌的藻毒素更是威脅到人類及湖泊生態(tài)系統(tǒng)安全［2］， 造成了嚴(yán)重的影響，引起廣泛關(guān)注。

經(jīng)過10 余年的努力和探索， 太湖流域治理取得相當(dāng)成效， 水環(huán)境質(zhì)量明顯改善， 藍藻打撈裝置基礎(chǔ)設(shè)施能力和水平不斷提升。 但是， 流域經(jīng)濟社會發(fā)展與資源環(huán)境之間的矛盾沒有根本緩解， 太湖藍藻生長無限性和藍藻打撈處置能力有限性之間的矛盾仍然客觀存在［3］。 藍藻打撈尚未做到“日產(chǎn)日清”， 大面積爆發(fā)風(fēng)險依然存在。 雖然太湖已連續(xù)14 a 安全度夏， 但由于太湖藻型生境條件尚未改變， 在特定氣象條件下， 大面積爆發(fā)藍藻甚至引起湖泛的可能性依然存在［4］。

針對目前太湖藍藻治理存在的上述問題， 為給新時期太湖藍藻防治工作提供新的工程經(jīng)驗， 以及響應(yīng)和落實國家和省委省政府對太湖治理的政策和要求， 同時為探索藍藻高值化利用途徑、 改善太湖生態(tài)環(huán)境、 提升城市形象， 本文提出了一套全天候（Allweather）、 智能化（Intelligence）、 離岸式（Offshore）藍藻打撈系統(tǒng)技術(shù)（以下簡稱藍藻AIO 打撈）， 進行藍藻的打撈和處置， 并對運行成本進行分析， 以期為同類藍藻治理項目提供參考。

1 工程概況

本項目選址在太湖宜興周鐵鎮(zhèn)竺山湖區(qū)域， 該區(qū)域一直為藍藻爆發(fā)重度區(qū)域， 建設(shè)4 km 藍藻AIO 打撈裝置， 以瀆邊線現(xiàn)代農(nóng)業(yè)博覽園為起點，向北3 km 至小徑港， 向南1 km 至殷村港， 藻水日最大打撈能力為96 000 m3。

2 工程設(shè)計

本示范項目的主體包括藍藻AIO 打撈工程、藻水分離處置工程以及藻泥資源化處置工程。 項目的總體技術(shù)路線如圖1 所示。

圖1 藍藻資源化全過程技術(shù)路線Fig.1 Overall technical roadmap of blue-green algae recycling

2.1 藍藻AIO 打撈工程

藍藻的爆發(fā)時間通常在每年3 ～10 月， 其中高峰時期為7、 8、 9 月， 共3 個月［5］。 本示范項目在距湖岸約200 m 的湖面中建設(shè)總長度約4 km 的藍藻AIO 打撈裝置， 每33 m 設(shè)置1 個V 形裝置， 相當(dāng)于設(shè)置人工港灣約120 個， 在每個人工港灣設(shè)置1 臺吸藻泵， 單臺吸藻泵流量為50 m3／h， 單個人工港灣打撈量按800 m3／d 計， 則4 km 最大打撈量可達96 000 m3／d。

2.2 藻水分離處置工程

根據(jù)藻水收集工程和管道布置， 本示范項目藻水分離處置工程擬選址于盛瀆橋和環(huán)湖線交接的湖岸邊， 占地約5 800 m2。 藻水分離站設(shè)計規(guī)模為2萬t／d， 每天可產(chǎn)生藻泥量（含水率按50% 計）約為60 t。 以每年100 d 計， 每年可產(chǎn)生藻泥量（含水率按50%計）約為6 000 t。

2.3 藻泥資源化處置工程

本示范工程采用以太湖蘆葦破碎秸稈作為輔料， 好氧發(fā)酵＋高值炭化工藝為主的技術(shù)， 產(chǎn)生生物炭基肥［6］。 生物炭基肥作用于農(nóng)田或園林綠化中能使大量有益菌群在根際繁殖， 抑制有害微生物的生長； 豐富土壤礦物質(zhì)， 增加土壤有機質(zhì)， 提高作物產(chǎn)量和品質(zhì)； 鎖住土壤中的營養(yǎng)成分， 增強作物抗逆性， 減少作物病蟲害［7］。

3 工程技術(shù)說明

太湖藍藻AIO 打撈系統(tǒng)包含智能化控制系統(tǒng)、浮動攔截收集平臺及浮動檢修操作平臺組成， 整體設(shè)備飄浮于湖面上， 能隨著水位變化上下浮動。 首先在離岸邊約數(shù)百米處設(shè)置離岸打撈裝置， 打撈的藍藻通過管道輸送至藻水分離處理系統(tǒng)（包含絮凝反應(yīng)、 高效微納米浮選、 疊螺機、 破壁薄層高干壓榨、 太陽能低溫蒸發(fā)等脫水設(shè)備）進行高效浮選、 脫水及干化， 最后轉(zhuǎn)運至藍藻處置點進行資源化利用。

3.1 浮動攔截收集平臺

浮動攔截收集裝置如圖2 所示。 該裝置位于操作平臺前端， 由多個V 形裝置組成， 相當(dāng)于多個人工港灣打撈點， 其側(cè)邊為2 條HDPE 材質(zhì)的中空管道。 每條中空管道外側(cè)墜掛有鋼制重鏈的擋藻布， 墜至湖底并留有相應(yīng)余量， 防止湖水涌動將藻水推至V 形裝置內(nèi)側(cè)后外泄。 通過設(shè)置于中空管道上部擋浪板（高出水面約1.0 m）及墜至湖底的擋藻布， 保證藍藻全部能阻擋匯集在V 形裝置內(nèi)，不會飄向湖岸邊。 每個V 形裝置夾角處安裝有吸藻泵， 相當(dāng)于一個打撈點， 并且吸藻口的高度可根據(jù)藻水濃度自動調(diào)節(jié)， 使之能持續(xù)吸入高濃度藻水，然后通過檢修操作平臺內(nèi)側(cè)的藻水總管輸送至設(shè)置在湖邊的藻水分離平臺。

圖2 浮動攔截收集裝置示意Fig.2 Floating intercept collection device

攔截收集裝置采用交錯連接的方式， 既能使藍藻無法進入內(nèi)河， 又留有通航出口， 保證航道通暢。 另外， 在遇到汛期需泄洪時， 也能快速松開連接件， 保證汛期抗洪需要。

3.2 智能化控制系統(tǒng)

物聯(lián)網(wǎng)加智能遠程監(jiān)控系統(tǒng)是控制中心集中管理各個分散于湖泊岸邊V 形裝置的重要手段， 可實現(xiàn)遠程監(jiān)測各V 形裝置內(nèi)藻水濃度， 機電設(shè)備運行狀態(tài)及能耗、 現(xiàn)場實時圖像或視頻等； 可遠程控制各V 形裝置抽吸泵、 液位控制器、 沖藻裝置等設(shè)備的運行； 能夠?qū)崟r掌握位置信息， 并在屏幕上展示。

具體控制邏輯： 吸藻泵與V 形裝置連為一體，并配套手電一體啟閉機。 在前期安裝時將吸藻泵吸入口調(diào)整至湖面以下合適深度， 在常規(guī)情況下吸藻泵隨著V 形裝置自然升降， 無需上下調(diào)整。

（1） 每個V 形裝置內(nèi)側(cè)安裝藍藻專用濃度計，當(dāng)檢測到V 形平臺內(nèi)藍藻密度不小于3 000 萬個／L， 即達到中度以上時， 啟動吸藻泵， 將藻水輸送到儲存池； 藍藻密度低于中度時延遲關(guān)閉吸藻泵。

（2） 系統(tǒng)具備自學(xué)習(xí)、 自診定和記憶功能， 在應(yīng)用過程中， 會自動識別藍藻濃度高、 吸藻泵開啟頻繁、 吸藻泵抽吸持續(xù)時間久的V 形平臺。 在后續(xù)程序控制中， 會優(yōu)先開啟對應(yīng)的吸藻泵。 吸藻泵出現(xiàn)故障時， 上位機系統(tǒng)做出報警提示， 并由程序做出判斷， 開啟次級吸藻泵啟動權(quán)。

3.3 浮動檢修操作平臺

浮動檢修操作平臺位于V 形裝置攔截收集系統(tǒng)內(nèi)側(cè)， 沿攔截收集系統(tǒng)呈長條形布置， 底部為HDPE 中空管組成浮筒， 通過鋼絲繩與V 形裝置攔截收集系統(tǒng)軟性連接。 打撈人員通過檢修操作平臺至湖中對吸藻泵進行檢修維護， 安全性大大提高。擋藻板上兩側(cè)墜掛有鋼制重鏈的擋藻布， 沉至湖底， 防止水中的藍藻進入內(nèi)部， 將藍藻擋于攔截裝置外。 在檢修平臺內(nèi)還可設(shè)置景觀、 燈光， 檢修操作平臺內(nèi)部安裝水景噴泉， 既美化環(huán)境， 又能對湖水充氧， 改善水質(zhì)。

3.4 藻水分離處置系統(tǒng)

首先， 打撈的藍藻由吸藻泵通過輸送總管送至藍藻儲存池， 當(dāng)藻水量較大， 多個吸藻泵同時開啟， 確保收集的藻水均能夠進入藻水儲存池。 藻水儲存池中設(shè)置潛水?dāng)嚢铏C攪拌， 防止藍藻沉積在儲存池底部。 其次， 儲存池中的藻水經(jīng)提升泵提升至絮凝浮選反應(yīng)槽， 向反應(yīng)槽中投加絮凝劑。 待絮凝反應(yīng)后， 藻水自流進入藍藻專用微納米浮選裝置，進行泥水分離。 大顆粒藻泥沉淀至浮選裝置斗底部， 排入藻渣儲罐， 藻渣儲罐中設(shè)置穿孔曝氣進行攪拌， 防止藍藻沉積在儲罐底部。 在藻渣儲罐中的藻泥由提升泵提升至全自動藻泥疊螺脫水機中進行脫水， 脫水后的藻泥含水率約90% 左右， 進入藻泥儲罐中。 該儲罐中含水率90% 的脫水藻泥用柱塞泵打入高壓破壁裝置， 經(jīng)多次擠壓釋放后的藻泥進入初級薄層壓榨設(shè)備， 經(jīng)初級壓榨（1 600 t／次）后再進入二次壓榨（4 000 t／次）， 最終得到含水率降低至50% 以下的藻泥。 該技術(shù)可實現(xiàn)物理破壁，減少后續(xù)資源化利用的運行成本。

3.5 藻泥太陽能復(fù)合膜干化

太陽能復(fù)合膜低溫蒸發(fā)干化系統(tǒng)由上料裝置、輸送裝置、 太陽能低溫復(fù)合疏水膜箱、 布料收料裝置、 集水管網(wǎng)及風(fēng)道風(fēng)干等設(shè)備組成。 含水率90% 的藻泥可經(jīng)輸送裝置均勻布入密閉的膜箱內(nèi)，膜箱與水平面成一定傾斜角。 膜箱上表面內(nèi)為高透光率的太陽能低溫復(fù)合疏水膜， 在太陽光照射下膜箱內(nèi)溫度升高， 與外界形成一定的溫差， 藻泥吸收熱能后實現(xiàn)水分子蒸發(fā)， 蒸發(fā)的水霧在低溫復(fù)合疏水膜表層得到冷凝而凝聚成微小水珠， 并迅速下滑至集水管， 此蒸發(fā)出水可回用或直接排放。 經(jīng)檢測藻泥中水分蒸發(fā)后得到含水率低于10% 的藻粉。同時經(jīng)太陽紫外線消毒殺菌后的干渣和蒸發(fā)出水，無臭氣排放。

3.6 生產(chǎn)廢水及生活污水處理

藍藻疊螺脫水及高壓壓榨過程中因加入聚合氯化鋁和聚丙烯酰胺會產(chǎn)生大量廢水， 其中主要污染指標(biāo)氨氮質(zhì)量濃度達到60 mg／L， COD 質(zhì)量濃度高達600 mg／L 和TP 質(zhì)量濃度為5 mg／L。 需對此廢水以及分離站上工作人員產(chǎn)生的生活污水進行集中處理， 廢水總處理量為1 800 m3／d。 本系統(tǒng)配套采用改良型AAO-MBBR 工藝［8-9］， 即在傳統(tǒng)AAO 工藝中配置了化學(xué)除磷和碳源投加系統(tǒng)， 同時在好氧池中投加MBBR 填料， 以提高工藝污水處理負荷。經(jīng)處理后氨氮質(zhì)量濃度可降至3 mg／L， COD 質(zhì)量濃度降至40 mg／L， TP 質(zhì)量濃度降至0.3 mg／L， 其余各項出水水質(zhì)指標(biāo)均達DB32／ 1072—2018《太湖地區(qū)城鎮(zhèn)污水處理廠及重點工業(yè)行業(yè)主要水污染物排放限值》要求。 出水可排入太湖， 也可以經(jīng)深度處理后回用至藻水分離站， 用于沖廁、 配制藥劑等。

4 工程效果

該示范項目于2022 年4 月驗收通過， 整體通過“擋、 圍、 聚、 抽、 縮、 景觀化”等防控措施， 在竺山湖水域進一步加強離岸設(shè)防、 強化藍藻防控處置。 同時， 加強離岸機動化藍藻打撈處置能力， 實現(xiàn)對該區(qū)域外太湖藍藻的攔截效率達到98%， 藻水分離后藍藻資源化使用率達到100%， 有效減輕竺山湖近岸水域的藍藻聚集壓力， 實現(xiàn)“近岸少藻”， 降低湖泛和異常水體事件的發(fā)生概率及強度，維護太湖湖濱環(huán)境形象。

5 示范項目效益分析

5.1 經(jīng)濟效益

目前， 無錫市藍藻處理站大多采用人工＋機械方式打撈藍藻， 然后經(jīng)過藻水分離站的氣浮池浮選， 疊螺式脫水機處理后得到含水率90% 的藻泥，處理成本約為330 元／t； 將含水率90% 藻泥進一步干化后， 與其他垃圾按一定比例摻拌， 送入焚燒爐內(nèi)進行焚燒， 處理成本約為1 200 元／t， 現(xiàn)存藍藻處理站從打撈、 浮選、 脫水到干化焚燒， 處理費用約為1 500 元／t。 AIO 打撈裝置無需人工打撈，只需少量人工定期維修裝置， 且從打撈輸送、 藻水分離到資源利用一站式解決， 處理成本約為820元／t， 較傳統(tǒng)處理成本降低約45%。

5.2 環(huán)境效益

以本示范項目每年產(chǎn)生藻泥量（含水率按50%計）6 000 t 為例， 根據(jù)DB32／T 2231—2012《藍藻打撈工作量計算規(guī)范》的規(guī)定方法計算［10］， 每年打撈的藍藻量可削減水體中氮含量約402 t， 磷含量約40.8 t， 碳含量約2 700 t。 本示范工程的實施加快了太湖TP 控制目標(biāo)的實現(xiàn)。

6 結(jié)論與展望

太湖藍藻AIO 打撈及資源化處置技術(shù)不僅符合低碳、 環(huán)保與循環(huán)經(jīng)濟的要求， 填補國內(nèi)空白，實現(xiàn)藍藻高效打撈、 藻泥穩(wěn)定化、 無害化、 減量化、 資源化處理目標(biāo)， 減少因藍藻爆發(fā)來而不及打撈及藻泥堆放過程中產(chǎn)生的二次污染問題； 同時，本項目的浮動檢修操作平臺上可種植樹木、 蘆葦、花草， 設(shè)置景觀、 燈光， 作為夜間亮化。 浮動檢修操作平臺內(nèi)部安裝水景噴泉， 浮于水面的整體打撈平臺可兼為景觀長廊， 實現(xiàn)與湖面自然生態(tài)景觀的和諧統(tǒng)一。 藻泥的處理處置及最終產(chǎn)品都能夠應(yīng)用于市場中， 具有非常好的市場推廣和應(yīng)用前景。

目前藍藻AIO 打撈技術(shù)也在符瀆港、 梁溪河、蠡湖等多處藍藻爆發(fā)區(qū)域推廣和應(yīng)用， 形成可持續(xù)、 低成本、 市場化的生態(tài)循環(huán)利用體系， 成為太湖地區(qū)藍藻處置和利用的典范。 在未來， 該技術(shù)可通過不斷升級運用新工藝， 因地制宜， 打造“互聯(lián)互通、 暢引暢排、 集約高效、 安全可靠、 綠色智能”的現(xiàn)代化區(qū)域藍藻治理技術(shù)網(wǎng)， 應(yīng)用于更多的湖泊治理。