蓝藻处理机的设计及除藻效果试验

第25卷第4期农业工程学报V ol.25 No.4

130 2009年4月 Transactions of the CSAE Apr. 2009 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1h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)-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[J]. 农业工程学报，2009，25(4)：130－134.

Pei Yi, Huang Wei, Chen Feiyong, et al. Design of blue algae removal machine and experimental research on blue algae removal efficiency[J]. Transactions of the CSAE, 2009,25(4)：130－134.(in Chinese with English abstract)

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[1-6]。

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

收稿日期：2008-02-13 修订日期：2008-11-05

作者简介：裴毅（1960－），男，湖北枣阳人，教授，硕士生导师，主要从事水力机械产品应用研究。长沙湖南农业大学工学院，410128。Email:peiyi@

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[7-9]。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1[8]，壁厚仅2 nm，宽45～110 nm，长100～800 nm或更长不等。它具有2个显著特征：1）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0.1 MPa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p n及细胞内的伪空泡所承受的压力p n′的计算公式如下：

n0g

p p p p

=+−（1）

n t0g

p p p p p

′=++−（2）式中p——水静压；p0——液面压力，通常为当地大气压p a；p t——细胞液与周围环境渗流势差引起的细胞膨压；p g——伪空泡内气体压力。

注：c—水中溶解气体的浓度，箭头方向表示气体交换的方向

图1 伪空泡所受压力示意图

Fig.1 Pressure diagram of gas vesicles

第4期 裴 毅等：蓝藻处理机的设计及除藻效果试验 131

当伪空泡承受的压力高于临界压力p c 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p 0，使伪空泡所受的压力超过p c ，当伪空泡大量地破裂，蓝藻将失去必需的浮力下沉。

2）p t 升高，淡水蓝藻p t 一般为0.2～0.4 MPa ，当光强增大时，细胞吸收增加，p t 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 %）：

b c 100()%T T C T T −=− （3）

式中 T ——初始蓝藻细胞悬液的比浊度；T b ——加压后部分伪空泡破裂时蓝藻细胞悬液的比浊度；T c

——所有伪空泡破裂时细胞内其他物质的比浊度。

根据式（1）、（2）改变p 0，蓝藻伪空泡破裂的临界压力p c [8]为：

1.63c 875p d −= （4）

式中 d ——伪空泡圆柱体直径，nm 。

根据前面所述，d 一般在100 nm 左右，因此可得p c

约为0.4 MPa 。通过蓝藻压力试验也显示，当压力大于 0.4 MPa 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0.4 MPa 。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。

图2 吸藻口简图

Fig.2 Blue alga sucking device

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0～20 cm 的水表层区域[9]，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1.3 m ）。

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。

图3 除藻机布置图

Fig.3 Arrangement of algae removal machine

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[10]。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：HydroLab DS5多参数水质监测仪。 3.2 测试

用HydroLab DS5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20～30 cm 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10 min 测试记录1组数据，试验进行了约1 h 。在试验的1 h 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