漂浮式藍藻收集機的設計與應用

林京龍 邊森 陳占雄 劉光赫 王文重(北京化工大學，北京 100029)

0 引言

隨著經濟社會的高速發展，水污染現象越來越嚴重，導致藍藻大量繁殖，各個水域都出現藍藻水華現象。藍藻水華現象可造成水體富營養化、水體生物多樣性降低、且造成水缺氧，水質變壞。在一些營養比較豐富的水體里，有的藍藻在夏季大量繁衍，同時在水體表面形成一層藍綠色且有腥臭的泡沫，稱其為“水華”，大規模的藍藻繁衍，稱之為“綠潮”(和紅色的赤潮對應，以顏色命名)。綠潮會造成水質急劇惡化，并使魚類缺氧而死亡。更嚴重的是，微囊藻等藻類還會產生毒素MC，綠潮中一般都含有MC。MC除了可以對魚類、人畜產生毒害之外，還是肝癌、肺癌的重要誘因。MC還比較耐熱，在高溫下不易分解，但是可以被活性C吸附，因此可以用活性C凈水器對被污染水源進行吸附凈化。含磷洗衣粉以磷酸鹽作為主要助劑，磷酸鹽雖然是高效的助洗劑，但也是藍藻的助長劑，水中的磷含量升高，使水體富營養化，從而導致藻類及水草大量滋生。據有關部門統計，目前我國洗滌用品僅洗衣粉一項的年產量就有350萬噸，若將洗衣粉中磷酸鹽的中值含量按15%計算，每年度就有超過50萬噸含磷化合物排放到地表水體中，而1g磷就可使藻類生長100克。環保科研部門的調查資料顯示，因含磷過多，我國湖泊及城市地下水系幾乎都處于富營養化狀態，生長著大量的藍藻，水質嚴重惡化，許多水域的水難以飲用。

1 除藻方法

常見的除藻方法包括化學法、生物法、物理法。

1.1 化學法

化學法是在污染湖泊中投放化學藥劑，加入堿金屬如Ca、Ba的離子與水藻結合[1]，抑制水藻的生物化學活性。化學法會造成試劑二次污染，同時絮凝劑會增大污泥量，造成人工操作處理費用的增加。

1.2 生物法

生物法是在污染湖泊中投菌劑，分解水體中的有機物，減輕水體的富營養化程度，或建立一個良好的生態系統，保持湖泊的穩定。生物處理法工作量大，主要以湖泊的長期治理為主，不宜作為應急處理。

1.3 物理法

物理法主要有曝氣增氧法，圍堰捕撈法，人工打撈法，機械打撈法。其中，機械打撈法處理量大，工作效率高，成本較低，可以快速有效地控制藍藻爆發，而且打撈上來的水藻可以用作厭氧發酵等工藝的原料或作為飼料，實現廢物利用。

2 國內機械捕撈船研究應用現狀

隨著人工成本的增大，水藻機械打撈技術越來越受到重視。目前國內比較先進的機械打撈技術包括水面漂浮物攔截、履帶式多功能環保船、以及水藻抓斗裝置。我國的除藍藻技術發展于20世紀90年代，在“九五”期間研制出第一艘撈藻船“太湖一號”，該船既能夠實現收集，還能夠實現分離；2007年后，我國的藍藻收集逐漸向自動化、機械化方向發展。我國相關部門研制的吸取-分離型藍藻打撈船，能夠適應不同濃度藍藻的水域湖泊。綜合型撈藻船集采集裝置－分離裝置－減容干化裝置于一體，具有分離效率較高、過濾量較大、高效濃縮、現場減容、連續作業等特點。分離型的撈藻船含有雙體船以及傾斜式旋轉篩，既可以擴大藍藻清掃面積，還能減少水的阻力以形成較高速度的流道，從而提高清掃效率。吸取型的撈藻船也含有雙體船裝置，同時含泥漿泵和固定架，但是其中的泥漿泵處在雙體船上，打撈出的藍藻含水率低，只適用于對湖面上的藍藻進行打撈。黃福艇等[2]發明的新型藍藻捕集船一般包括船體單元、捕藻單元、脫藻單元、儲藻單元、檢測單元和供能單元，為我們進行漂浮式藍藻收集機的設計提供了方向，如圖1所示。

圖1 黃福艇藍藻捕集船

3 漂浮式水藻收集機的設計

本著高效化，智能化的原則，我們設計了一種漂浮式水藻收集機，如圖2所示。

圖2 漂浮式藍藻收集機

3.1 設計思路

由實際應用場所可知，所設計的設備應具有下列兩個特性：(1)滿足在水深2～4m的工作水域內進行工作。(2)運行簡單，經濟適用性強。該水藻收集機主要結構包括船體、收集裝置、水泵、過濾管道、磁分離器、壓濾機、排水管。由收集裝置收集藻水，通過水泵加壓進入過濾管道初步脫水進入加藥池，投放磁捕劑，經過藻水分離裝置(磁分離器)，后進行磁種分離，分離出來的磁種循環利用，經過壓濾機進一步減容將藻泥壓縮成藻餅，進入儲藻池。收集裝置、水泵、過濾管道、磁分離器、壓濾機、排水管等，動力由發動機提供，且以太陽能為輔助能源。

3.2 主要設備介紹

3.2.1 收集裝置

由集水器、支撐架、集水板組成。藍藻的粒徑一般為2～5μm，具有一定的粘度。支撐架與集水板富集圍捕藻水，藻水進入到V型集水槽，通過水泵對其加壓，直接將藻水抽吸進入管道。支撐架采用Q235鋼，該材料的成型能力較好，且價格不高，實用性能好，性價比高，故使用Q235鋼作為支撐架的材料[3]。支撐架固定集水板，在抽吸藻水時防止水流流速過大，導致集水板出現偏移，影響效率。同時，在水流的沖擊力下，集水板與支撐架還能有一定的角度擺動，提高吸水效率[4]。

3.2.2 過濾管道

由骨架、過濾布組成管道，其中濾布采用紗布進行粗濾，且同時設有化工生產中的微濾膜，進行高程度的分離。骨架采用鈦金屬管，減少了腐蝕，同時減輕了船體本身的重量。同時通過彎曲和纏繞來布置過濾管道，大大增加過濾面積。在過濾管道之間設分隔及固定架，空出濾液通道[5]。

3.2.3 壓濾機

在藻水經過過濾管道后，藻水分離，但藍藻中還含有許多水分，需要壓濾機將藍藻再度進行脫水，減小其體積，增加水藻收集機的工作時間。壓濾機通過利用壓力泵將藍藻壓入相鄰兩濾板形成的密閉室中，使藻水滲析出來，實現固液分離的效果。其中濾板材質采用不銹鋼材質如Ni等，防止其被水體腐蝕。由于水藻收集機的體積會限制壓濾機，因此壓濾采用機械壓緊的方式。

3.2.4 水泵

通過泵軸上的葉輪旋轉，葉片與被輸送液體發生力的作用，使液體獲得能量，進而輸送液體。由于水泵放置在收集機上，故水泵采用離心式，離心式多用于臥式泵，更適用于水面工作。

3.2.5 磁捕系統

藻水在線分離磁捕技術是中科院合肥物質所發明的新技術，由磁捕平臺和磁捕劑兩個部分組成，它們的定義如下：磁捕平臺是藻水磁力分離的工作平臺。磁捕劑是指以凹凸棒土等幾種礦物質材料與“磁種”復配，通過物理化學改性制成的磁性絮凝劑。

磁凝聚是基于水藻的加種性，賦予水藻很強的磁性，具體做法是：將磁捕劑投入藻水中，通過分子間的親和性，使藻水中的藻細胞和其他um級離子相結合，形成磁聚集體，磁聚集體在水力學過程中不斷長大，流經磁分離器時被磁場吸引，從而實現藻水分離的目的。

4 對藍藻收集機的未來展望

未來藍藻收集機將會向智能化、機械化發展，隨著自動控制技術的不斷革新。在不久的將來，完全機械傳動的收集機將會代替人工操作。另外，未來的除藻方式會更偏向于生物除藻-機械除藻結合的方式，先在水體中進行生物養殖或添加生物試劑，對水體進行除P和除N，也就是經過硝化和脫氮作用后，使得水藻軟化，而后再進行機械除藻。