輸水系統中污損生物沼蛤的氧化劑滅殺技術研究

魏小熙，楊正健，劉德富，譚纖茹

(1.湖北工業大學，武漢 430068；2．河湖生態修復與藻類利用湖北省重點實驗室，武漢 430068)

沼蛤(limnoperna fortunei)屬雙殼綱、異柱目、貽貝科，俗稱淡水殼菜，是一種典型的入侵型生物[1]，源于南亞及我國南方沿海地區[2]，隨后通過船舶[3]等工具入侵至長江流域、珠江流域、淮河流域，以及北方的黃河流域[4]等；沼蛤生命周期為3～5 a左右，繁殖能力較強[5]，極易附著于硬物表面，附著后很難去除，而且會腐蝕附著面，大量死亡后還會嚴重污染水質，輸水系統的管道、閘門、閥門等區域附著后，會降低管道過流能力、堵塞管道，使閘門、閥門等啟閉困難。沼蛤污損已經成為威脅水利工程運營的世界性問題[6-11]。

沼蛤防治措施主要有物理方法和化學方法。物理方法包括脫水干燥法[12]、封閉缺氧法[13]、高溫水滅殺法[14]、高壓水沖離法和人工去除[15]等方法，但是，物理方法只能短期內去除沼蛤，易損傷建筑物表面，成本較高；化學方法是目前普遍采用的方式，主要利用化學藥劑直接殺死沼蛤成體和幼蟲或溶解足絲使其脫落[16]。國外主要采用的化學試劑有MXD-100[17]、Clam-Trol CT-2/Spectrus CT1300[18]、BULAB 6002[19]、H-130(Didecyl Dimethyl Ammonium Chloride)、Bayluscide、Veligon[Poly (Dimethyl Diallyl Ammonium Chloride)]、二氧化氯、次氯酸鈉、硫酸銅[20]等，且技術成熟，使用廣泛；相比國外諸多針對沼蛤的防治藥劑，國內缺乏針對沼蛤防治的專用化學試劑，只是將水處理常用試劑用于沼蛤滅殺，缺少嚴謹的科學方法與指導，往往造成資源浪費與環境污染等問題[21]。本文針對沼蛤生理及行為特性，選用二氧化氯(ClO2)、氯胺T(C7H7ClNNaO2S·3(H2O))、高錳酸鉀(KMnO4)、次氯酸鈉(NaClO)和過氧化氫(H2O2)5種氧化劑作為沼蛤的滅殺試劑，深入研究各種氧化劑的滅殺效果、ClO-鹽對沼蛤足絲的溶解特性及衰減規律，以及利用次氯酸鈉去除沼蛤的技術措施。

1 材料與方法

1.1 樣品采集與處理

沼蛤(limnoperna fortunei)樣本采集于長江中游三峽庫區香溪河庫灣，樣品采集與實驗時間為2015年春季。采集時將附著于船底等建筑物表面的沼蛤用采樣鏟剝離，放入留有開口并加適量原水的采樣盒中，當天帶回實驗室后放入培養池中培養。

實驗前用剪刀將沼蛤足絲剪斷，用數顯游標卡尺測量體長，并按體長L分為L<5 mm、5 mm

1.2 實驗方法

1.2.1不同氧化劑滅殺實驗

實驗采用二氧化氯(ClO2)、氯胺T[C7H7ClNNaO2S·3(H2O)]、高錳酸鉀(KMnO4)、次氯酸鈉(NaClO)和過氧化氫(H2O2)5種水處理常用氧化劑作為沼蛤的滅殺試劑，設置50和200 mg/L兩個濃度梯度的不同氧化劑實驗組(二氧化氯、氯胺T、次氯酸鈉以溶解后的有效氯濃度計，高錳酸鉀、過氧化氫以溶解后的有效濃度計)，用純水溶解相應藥品后制成設定濃度的培養液，各組在實驗容器中加入的培養液體積均為2 L，并每隔12 h更換一次培養液，使各藥品有效濃度保持在較高水平，環境溫度為19±1 ℃；實驗前挑選不同體長的沼蛤個體各3個共12個在每組培養容器中原水培養，使其全部黏接在容器底部后，再用原水培養3 d，無脫離且每個個體均開殼呼吸時開始實驗，各組在實驗開始時倒出實驗容器中原水，若沼蛤無脫落則加入已配好的對應培養液2 L，定時觀測其死亡特性和足絲溶解特征。實驗裝置如圖1(a)、圖1(b)所示，圖1(a)為圓形透明聚乙烯實驗容器，圖1(b)為底部布畫坐標的沼蛤布置圖，底面半徑為200 mm，高250 mm。監測指標為死亡率u、足絲溶解率w。

1.2.2次氯酸鈉殺滅及余氯衰減實驗

次氯酸鈉滅殺實驗在不同氧化劑滅殺實驗的基礎上進一步探究水體中余氯衰減規律及利用次氯酸鈉殺滅沼蛤的方案。實驗藥品為分析純10%次氯酸鈉溶液，純水稀釋至設計有效率濃度， 1～9組設計初始有效氯濃度分別為：0、0.5、1.0、2.0、5.0、10.0、20.0、50.0、100.0 mg/L。各組溶液體積均為2 L，在放入不同體長的沼蛤個體3個共12個個體后，5分鐘內用YL-1AZ型余氯測試儀測定每組水體中有效氯初始濃度，與設計初始濃度偏差應小于10%。實驗試劑為一次性添加，實驗過程中不再添加次氯酸鈉，定時監測各組溶液中的余氯值，環境溫度為19±1 ℃。監測指標為死亡率u、開殼率m、移動距離r、黏附率n、余氯含量q。

圖1 不同氧化劑對沼蛤的滅殺及足絲溶解效果實驗裝置圖Fig.1 The experimental device of limnoperna fortunei's elimination effect & byssus dissolution effect under different chemical oxidants

1.3 監測指標

(1)開殼率。開殼率是判斷沼蛤活性的重要指標，本文記為m。沼蛤在正常覓食和呼吸時會將雙殼打開，利用呼吸套膜與外界發生水體交換，開殼行為是沼蛤生命特征的表征行為，當長期未開殼時判斷為疑似死亡狀態，需進一步進行死亡判別，開殼率m表述為：

(1)

式中：m表示開殼率；Nw表示觀測時間節點開殼個數，個；N表示沼蛤實驗總個數，個。

(2)黏附率。黏附率是表征沼蛤達到穩定附著狀態的重要指標，本文記為n。剪斷足絲的沼蛤在適宜的附著環境下會分泌足絲重新黏附，實驗時撥動沼蛤而明顯有黏連的記為黏附，黏附率n表述為：

(2)

式中：n表示黏附率；Nn表示觀測時間節點黏附個數，個；N表示沼蛤實驗總個數，個。

(3)移動距離。移動距離表征沼蛤的運動能力及活性，本文記為r。沼蛤在剪斷足絲后會發生移動，用坐標法觀測，實驗時以布畫的坐標為參照觀察上一次觀測至本次觀測個體的移動距離，并拍照留存，下次觀測以上次照片作為觀測參照，移動距離表示為各觀測時間段移動距離之和，即：

r=∑ni=0LTi(i=0,1,2,…,n)

(3)

式中：r表示移動距離，mm；LTi表示觀測時間節點Ti時刻與觀測節點Ti-1時刻時間段內沼蛤個體的移動距離，mm；i表示觀測次數，次。

(4)死亡率。死亡率是判斷沼蛤活性的重要指標，本文記為u。沼蛤個體有以下特征之一的即判定為死亡：①貝殼張開，有軟組織流出體外且明顯腐爛；②貝殼張開，無明顯死亡特征，可用細桿等刺激軟組織或貝殼，不能自己合上貝殼；③貝殼緊閉但明顯有白色絮狀物流出；④貝殼緊閉無明顯判斷標志時，將其取出，放入原水中24小時不開殼。實驗時沼蛤死亡個數采用累加計數方式計算，即：

(4)

式中：u表示死亡率；NuTi表示Ti觀測時間節點時沼蛤的死亡個數，個；N表示沼蛤實驗總個數，個；i表示觀測次數，次。

(5)足絲溶解率。足絲溶解率是化學氧化劑對沼蛤足絲溶解性能的反映，本文記為w。沼蛤的足絲為蛋白質，而氧化劑對蛋白質有溶解作用，本實驗以氧化劑作用下沼蛤個體從已經黏附的容器上脫離的數量反映足絲溶解率，脫離個數采用累加計數方式計量，即：

(5)

式中：w表示足絲溶解率；NwTi表示Ti觀測時間節點時沼蛤的脫離個數，個；N表示沼蛤實驗總個數，個；i表示觀測次數，次。

2 結果與分析

2.1 不同氧化劑滅殺實驗

2.1.1殺滅效果分析

圖2顯示，實驗初期沼蛤表現出較強的自我保護行為，即貝殼緊閉，沒有覓食和呼吸現象，切斷殼內部與外部水體的物質交換。第三天50和200 mg/L濃度的二氧化氯及30%過氧化氫實驗組出現死亡，死亡率均小于20%；50和200 mg/L濃度條件下的第十天，30%過氧化氫實驗組死亡率分別達到了50%和40%，二氧化氯實驗組死亡率分別為40%和30%，次氯酸鈉實驗組死亡率分別為40%和20%，氯胺T實驗組死亡率分別為30%和10%，高錳酸鉀實驗組死亡率均為10%。各實驗組死亡率大小依次為30%過氧化氫>二氧化氯>次氯酸鈉>氯胺T>高錳酸鉀，有效濃度為50 mg/L的滅殺效果好于200 mg/L，并非濃度越高滅殺效果越好。

圖2 不同氧化劑對沼蛤的滅殺效果圖Fig.2 Limnoperna fortunei's elimination effect under different oxidants

2.1.2足絲溶解特性分析

沼蛤的足絲是一種蛋白質，氧化劑對其有溶解作用。實驗表明，沼蛤在接觸原水后2 h之內就可以分泌出新的足絲，新分泌的足絲為白色透明狀，柔軟、纖細，黏度較高，容易附著；分泌24 h后的足絲呈乳白色，膨脹變粗，柔軟性和黏性下降，較堅硬，強度較強，不易斷；老化的足絲聚集在沼蛤腹面，性能已經降低很多，但強度依然較強 。

實驗采用有效濃度為50和200 mg/L的不同氧化劑溶解足絲，監測每組實驗中沼蛤的足絲溶解率w。圖3顯示了5種氧化劑均對沼蛤足絲的溶解作用，次氯酸鈉的足絲溶解率明顯高于其他氧化劑，次氯酸鈉有效氯濃度為200 mg/L實驗組第一天足絲溶解率達到80%，第5天完全溶解，有效氯濃度為50 mg/L實驗組第五天足絲溶解率也達到80%，大于其他4種氧化劑，5種試劑足絲溶解能力依次為：次氯酸鈉>二氧化氯>過氧化氫>氯胺T>高錳酸鉀。

圖3 不同氧化劑對沼蛤足絲的溶解效果Fig.3 Limnoperna fortunei's byssus dissolution effect under different oxidants

2.1.3殺滅試劑選擇

通過不同氧化劑殺滅實驗得出，就滅殺效果比較，30%過氧化氫>二氧化氯>次氯酸鈉>氯胺T>高錳酸鉀；就足絲溶解能力比較，次氯酸鈉>二氧化氯>30%過氧化氫>氯胺T>高錳酸鉀。過氧化氫對沼蛤的滅殺效果最好，但足絲溶解效果遠不及次氯酸鈉；二氧化氯與次氯酸鈉相比穩定性差、制備較繁瑣、親水性不及次氯酸鈉，而次氯酸鈉對沼蛤的足絲溶解效果最好，并且能夠有效控制投加劑量、操作方便、易于存儲和運輸，在大型水處理工程中已經廣泛應用[22]。通過綜合比較得出，5種氧化劑中次氯酸鈉為滅殺沼蛤的最優試劑。

2.2 次氯酸鈉滅殺及余氯衰減實驗

2.2.1滅殺效果分析

圖4顯示，初始投加有效氯濃度低于或等于2.0 mg/L時對沼蛤沒有顯著的殺滅效果，開殼率和黏附率均達到40%以上，移動距離亦到達30.0 mm以上，與0 mg/L對照組相比，沼蛤活躍度未受影響，表明初始有效氯濃度低于2.0 mg/L時并不能有效殺滅沼蛤；初始有效氯濃度高于2.0 mg/L時沼蛤活性明顯受到抑制，開殼率低于20%，黏附率低于10%，移動距離小于10.0 mm，與初始有效率濃度小于或等于2.0 mg/L 的實驗組對比明顯，第三天死亡率均達到80%以上，且初始有效氯濃度越高死亡率越大。

圖4 不同濃度次氯酸鈉溶液對沼蛤行為特征的影響 Fig.4 Limnoperna fortunei's elimination effect under different concentrations of sodium hypochlorite solution

2.2.2有效氯濃度衰減特性分析

有效氯濃度在水體中的衰減規律與初始投加濃度密切相關，表1顯示，初始有效氯濃度低于或等于2.0 mg/L的實驗組余氯衰減方程呈線性相關；余氯衰減系數逐漸增大，表明初始有效氯濃度越高衰減速率越快，24 h內余氯均降低至0.02 mg/L(有效氯濃度低于0.02 mg/L時衰減速率會極大降低，對沼蛤影響甚微，會維持5～10 d)以下。余氯衰減線性方程可表示為：

k=-aX+b(b≤2.0)

(6)

式中：k表示水體中余氯值，mg/L；a表示水體中余氯衰減系數；b表示水體中初始有效氯值，mg/L；X表示衰減時間，d。

初始有效氯濃度大于2.0 mg/L的實驗組余氯衰減方程呈指數相關，各組方程指數相關系數R2均在0.9以上，呈現出較好的指數相關性；余氯衰減系數逐漸增大，表明有效氯濃度越高，余氯衰減越快。余氯指數衰減方程可表示為：

K=Be-AX(B>2.0)

(7)

式中：K表示水體中余氯值，mg/L；A表示水體中余氯衰減系數；B表示水體中初始有效氯值，mg/L；X表示衰減時間，d。

表1 不同有效氯濃度下的余氯衰減方程Tab.1 The attenuation equation of residual chlorine

圖5顯示，水體中有效氯濃度高于2.0 mg/L 時，沼蛤表現出較強的自我保護行為。5.0 mg/L實驗組在第三天死亡率達到了80%，但之后死亡率并未增加，而余氯濃度已經降低至0.06 mg/L，對沼蛤的影響明顯降低；10.0和 20.0 mg/L 實驗組第三天死亡率均達到100%，此時余氯濃度分別為0.5和3.4 mg/L；50.0和100.0 mg/L 實驗組也是在第三天達到100%死亡率，有效氯均出現富余；實驗表明初始投加氯濃度大于2 mg/L時可高效滅殺沼蛤。

圖5顯示了投加次氯酸鈉溶液后水體中pH值普遍升高，50.0和100.0 mg/L實驗組在實驗初期pH值高于8，嚴重改變了原有水體pH環境，但第2天50.0 mg/L實驗組pH值已降至8以下，而5.0 、10.0 、20.0 mg/L實驗組水體pH值最大值不超過7.6。實驗得出，10.0和20.0 mg/L 的初始有效氯投加濃度即可高效殺滅沼蛤，并且對水體pH值環境影響較小；對于水質要求較高或者密封環境中初始有效氯投加濃度宜為5.0 mg/L，對于需快速滅殺或因環境影響滅殺效果不明顯時可增大初始有效氯投加濃度，但不宜高于50.0 mg/L。

圖5 不同濃度次氯酸鈉溶液余氯隨時間衰減特性及pH值變化規律Fig.5 The attenuation characteristics of residual chlorine & pH value variation under different concentrations of sodium hypochlorite solution

3 討 論

輸水工程中，化學氧化劑滅殺沼蛤是簡單而快速有效的方法，氧化劑的滅殺機理在于損壞沼蛤內部的組織結構，但高濃度氧化劑對沼蛤的刺激過于強烈使其緊閉貝殼，隔絕與外部環境的水體交換，氧化劑無法進入沼蛤組織內部，表現出強烈的自我保護行為，并非濃度越高滅殺效果越好。通過對二氧化氯(ClO2)、氯胺T[C7H7ClNNaO2S·3(H2O)]、高錳酸鉀(KMnO4)、次氯酸鈉(NaClO)和過氧化氫(H2O2)5種氧化劑的滅殺效果分析得出，次氯酸鈉滅殺沼蛤針對性強，對沼蛤足絲溶解性能強于其他氧化劑，在水體中能夠快速衰減，環境污染小，是輸水工程沼蛤防治的理想化學試劑[23]。通過本文對次氯酸鈉滅殺沼蛤的研究，將基于次氯酸鈉的沼蛤防治措施總結如下：①管道等密封水體環境中一次投加的次氯酸鈉有效氯濃度宜為10.0～20.0 mg/L，4～7 d后水體中有效率濃度降至0.05 mg/L以下，已基本對環境無影響；②對于開放水體、流速較大的水域或需要快速滅殺的水體一次投加的次氯酸鈉有效氯濃度宜為20.0～50.0 mg/L，4～5 d可達到較好滅殺效果[22]，高于50.0 mg/L時水體pH環境會受到較大影響；③攔污柵、閘門等可脫離水體的建筑物表面附著的沼蛤在檢修時可采用次氯酸鈉溶液直接噴灑的方式使其快速死亡和脫落；④通過對沼蛤污損水域水溫、pH值、溶解氧等水質參數的檢測，可預測沼蛤繁殖期，根據監測發現，長江流域沼蛤的繁殖期為每年水溫高于18 ℃的4-5月和9-10月，在繁殖期投加次氯酸鈉可有效殺滅沼蛤幼蟲，防止其大量繁殖；⑤次氯酸鈉滅殺法也可與物理方法相結合，如在輸水管道中首先采用密閉缺氧法減少管道內水體中的溶解氧，當水中溶解氧濃度降于3.0 mg/L時沼蛤會因缺氧而張開貝殼呼吸[24]，此時投加10.0～20.0 mg/L的次氯酸鈉溶液，可高效滅殺沼蛤，節約時間及經濟成本。

4 結 語

(1)次氯酸鈉在沼蛤去除實驗中具有較好的足絲溶解性能和滅殺效果，有效滅殺沼蛤的初始有效氯投加濃度不宜低于2.0 mg/L，最佳滅殺濃度宜為10.0～20.0 mg/L，低于0.02 mg/L時基本不會對沼蛤的行為產生影響，如受環境影響余氯衰減過快或需快速滅殺沼蛤時可增加初始投加濃度，但不宜高于50.0 mg/L。

(2)水體中余氯濃度隨時間具有衰減特性，初始投加的有效氯濃度低于或等于2.0 mg/L時水中余氯隨時間呈線性衰減規律，衰減方程為k=-aX+b(b≤2)；初始投加的有效氯濃度大于2.0 mg/L 時水中余氯呈指數衰減規律，衰減方程為K=Be-AX(B>2)。

(3)次氯酸鈉作為沼蛤滅殺試劑，技術成熟可控，與其他防治措施結合可有效提高滅殺效率。本文通過實驗提出了利用次氯酸鈉滅殺沼蛤的有效方案，但大面積投放時依然受到環境等諸多因素限制，今后研究應注重防治降低對環境的影響，而針對沼蛤的靶向滅殺試劑將會是未來研發的熱點方向。

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