微能耗雙罐并聯(lián)加壓控制藍藻生長技術研究*

成芃榮 陳旭清 朱曄宸 潘 陽 徐卿源 劉 芳 叢海兵#

(1.揚州大學環(huán)境科學與工程學院，江蘇 揚州 225127；2.無錫市藍藻治理辦公室，江蘇 無錫 214000；3.江蘇省水文水資源勘測局揚州分局，江蘇 揚州 225000)

夏季藍藻水華問題會對湖泊生態(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]。盡管目前通過機械打撈、底泥清淤、化學降藻、生物控藻等傳統(tǒng)方法在一定程度上控制了湖泊富營養(yǎng)化水平[6-10]，但藍藻暴發(fā)對生態(tài)系統(tǒng)安全仍有很大威脅，因而迫切需要有效可行的藍藻生長控制技術。周越等[11]提出了藍藻加壓沉淀水處理及生長控制技術方法，自然藍藻經(jīng)過0.7 MPa壓力加壓后氣囊會破裂，失去浮力后下沉至水底無法生長，進而降低藍藻暴發(fā)的可能性[12]1784,[13]。加壓控藻技術為太湖藍藻水污染治理開辟了新方向，對湖泊藍藻應急治理具有很強的實用意義。

本研究通過現(xiàn)場圍隔試驗研究微能耗雙罐并聯(lián)加壓控藻船的控藻效果，并研究其機理，探明加壓藍藻在不同風浪作用下的垂向分布情況，測定加壓藍藻在不同水深的光合生產(chǎn)力，進一步探明加壓控制太湖藍藻的生長衰亡規(guī)律。

1 材料與方法

1.1 試驗裝置

1.1.1 雙罐并聯(lián)加壓控藻圍隔試驗裝置

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

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

圍隔區(qū)域為三角形，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)×2.25 m(寬)×1.25 m(高)，由汽油掛槳機推進。加壓系統(tǒng)包括兩個并聯(lián)的加壓罐、進水泵、微型加壓泵、自控系統(tǒng)、發(fā)電機及進出水管路組成。加壓罐容積1 m3，進出水管直徑100 mm，兩個加壓罐進口并聯(lián)后與進水管相連，出口并聯(lián)后與出水管相連，進出水管從船體的首尾伸出，進水管上安裝有進水泵，進水泵為GW50-20-7-0.75型排污泵，功率0.75 kW，揚程5 m時工作流量25 m3/h。進水管口貼近水面，可吸入水面藍藻。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，出水分別送入兩個加壓罐。每個加壓罐進出口以及微型加壓泵出水進入每個加壓罐的水管上均設有自控閥門。啟動進水泵，使兩個加壓罐中充滿水。然后關閉加壓罐1進出口閥門，打開加壓罐2進出口閥門，原水進入加壓罐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進出口閥門，關閉加壓罐2進出口閥門，打開微型加壓泵向加壓罐2供水管道的閥門，關閉向加壓罐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，進水泵向加壓罐1內(nèi)注入太湖藍藻水，將罐內(nèi)已經(jīng)加壓過的藍藻水擠出，當加壓罐1內(nèi)所有加壓水被擠出后，關閉加壓罐1進出口閥門，進行下一輪加壓。兩個加壓罐輪流加壓、進出水，保障整個加壓系統(tǒng)進出水的連續(xù)性[14]。1個加壓罐完成1次關閥、加壓的總時間為2 min，此時間內(nèi)進入另一個加壓罐的原水量為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口直奔出口的短流現(xiàn)象。加壓系統(tǒng)的運行由自控系統(tǒng)控制，自動運行，運行流量25 m3/h。整個加壓系統(tǒng)運行總功率2 kW，由汽油發(fā)電機供電。

1.1.2 加壓藍藻在風浪條件下的垂向分布測定裝置

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

圖2 風浪條件下藍藻垂向分布測定裝置Fig.2 Device for measuring the vertical distribution of cyanobacteria under wind-wave conditions

1.2 試驗水樣

試驗用藍藻水取自太湖梅梁湖。優(yōu)勢藻種為銅綠微囊藻，占比98%以上。

1.3 試驗方法

1.3.1 微能耗雙罐并聯(lián)加壓控藻圍隔試驗

試驗第1、2天打開圍隔，讓藍藻水華飄入圍隔內(nèi)，每天在圍隔內(nèi)環(huán)等間距取7個水樣。取樣時攪動周邊水體，使取樣點處水體混勻，從水面下20 cm處取水樣，注入塑料瓶中，帶回實驗室4 ℃保存，測定葉綠素a濃度。第2天取樣結束后即關閉圍隔，開始運行雙罐并聯(lián)加壓控藻船，該船主要針對藍藻水華區(qū)域運行，每天運行約4 h，直到第6天藍藻水華很少時結束試驗。每天取樣測定葉綠素a濃度，并測定藍藻水華聚集面積。試驗期間天氣晴好，水溫31～32 ℃。

1.3.2 加壓藍藻在風浪條件下的垂向分布

分別測定自然藍藻和加壓藍藻在不同波高風浪作用下的垂向分布情況。向人工造波水槽中注入自然藍藻水，使得水槽水深達到0.8 m，充分攪拌均勻，取樣測定混合水葉綠素a濃度。在無風的條件下靜置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，測定葉綠素a濃度。打開造波機，調(diào)整造波機的頻率及振幅，依次制造小風浪(波高8 cm)、中風浪(波高15 cm)、大風浪(波高25 cm)，在每種波高情況下運行足夠時間，待藍藻在垂直方向的分布維持穩(wěn)定后停止造波，待水面平復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，測定葉綠素a濃度。將自然藍藻水經(jīng)過0.7 MPa壓力加壓后注入水槽，重復上述試驗。

1.3.3 加壓藍藻在太湖不同水深處的生產(chǎn)力測定

分別測定自然藍藻水和加壓藍藻水在太湖中的光合生產(chǎn)力，采用黑白瓶法測定，各自準備5對250 mL的透明溶解氧瓶，將其中5個溶解氧瓶用多層黑色塑料袋包裹，使瓶內(nèi)無光。取藍藻水混勻，測定初始葉綠素a濃度。將水樣混合均勻后緩慢注入5對黑白瓶中，并保證注滿后溢出至少3倍體積的水。測定每個瓶中的初始溶解氧，蓋緊瓶塞不留空氣，將5對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后取出測定溶解氧。掛瓶在晴天的上午9:00—10:00進行。分別在晴天的小風浪、中風浪、大風浪及陰天小風浪進行試驗。根據(jù)測定結果計算光合生產(chǎn)力(以單位葉綠素a產(chǎn)生的O2質(zhì)量計)及生產(chǎn)量。

1.3.4 分析測試方法

主要測試指標包括葉綠素a濃度、藻類PSⅡ光化學效率、光照強度、藍藻光合作用生產(chǎn)力。葉綠素a濃度按照文獻[15]中推薦的方法測定，丙酮的萃取時間取24 h；藻類PSⅡ光化學效率采用AquaPen-C-100型手持式葉綠素熒光儀直接測定；光照強度采用ZDS-10型光照度計進行測定；溶解氧采用HQ30d便攜式溶解氧儀測定。

2 結果與討論

2.1 微能耗雙罐并聯(lián)加壓控藻圍隔試驗效果

在6 d的圍隔試驗期內(nèi)，20 cm水深處平均葉綠素a變化見圖3，水面藍藻聚集面積見圖4。由圖3可知，第1、2天圍隔敞開時，在風力吹動下大量藍藻進入圍隔內(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)加壓控藻船運行后，壓力消除了藍藻細胞內(nèi)氣囊，使藍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%。水面藍藻聚集面積也快速下降，試驗結束時削減了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)藍藻聚集面積Fig.4 The accumulation area of cyanobacteria in the enclosure

2.2 加壓破碎氣囊對藍藻垂向分布及生產(chǎn)力的影響

2.2.1 加壓藍藻在風浪條件下的垂向分布

人工造波水槽中垂向上自然藍藻水和加壓藍藻水葉綠素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，加壓藍藻和自然藍藻在水中的垂向分布見圖5。自然藍藻在靜沉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，表層藍藻逐步向下遷移，在小風浪(8 cm)、中風浪(15 cm)、大風浪(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，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，相對于靜水條件，在8、15 cm風浪作用下表層藍藻沒有增加，25 cm風浪作用下表層藍藻僅增加了1.2百分點。加壓藍藻在風浪條件下處于懸移狀態(tài)，具有很強的下沉趨勢，很難被蕩起到表層水體，風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，加壓藍藻的抗風浪沉淀穩(wěn)定性較強。由于水動力強度隨水深增加而逐漸減小，水體越深處所受到風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藻所受水動力影響較小，在絕大部分情況下都能保持良好的沉淀穩(wěn)定性。就算遇上大風浪情況，也只有部分沉淀藍藻被卷起至水體中層，極少數(shù)會被卷起至表層，且大風天氣情況較少并往往伴隨陰雨天氣，此時水體中層光照強度不足，被卷起的加壓藍藻無法進行正常的光合作用而生長繁殖，待到大風浪過后，加壓藍藻依舊會沉淀至水體底部，因此加壓藍藻沉淀穩(wěn)定性較強。

2.2.2 加壓藍藻在太湖不同水深處的光合生產(chǎn)力

晴天3種風浪、陰天小風浪條件下的藍藻在不同水深處的光合生產(chǎn)力見圖6，其中小風浪、中風浪、大風浪波高分別為6.4、14.2、24.2 cm。晴天上層水中藍藻光合生產(chǎn)力為正，藍藻處于生長繁殖趨勢；隨著水深的增加生產(chǎn)力快速降低，小風浪、中風浪、大風浪條件下分別在1.1、1.0、0.8 m左右生產(chǎn)力降為零，藍藻不生長；再向下為負值，表明藍藻呈腐爛趨勢。風浪導致水的透光性下降，藍藻能生長的深度更小。晴天最表層水在3種風浪條件下的生產(chǎn)力相當，這是因為最表層水受到光照直射，風浪的影響很小。加壓藍藻的光合生產(chǎn)力比自然藍藻有輕微減小，這是因為加壓并未破壞藍藻細胞活性，但消除了細胞內(nèi)氣囊，而氣囊對光有散射作用，能提高藻細胞內(nèi)的光強，無氣囊的加壓藍藻細胞內(nèi)的光強小于自然藍藻，故而生產(chǎn)力有所下降。陰天整個水體藍藻生產(chǎn)力均為負值，說明陰天藍藻不生長，處于腐爛趨勢。

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

2.3 加壓破碎氣囊對水體垂向藍藻生產(chǎn)量的影響分析

由圖7可見，表層水中自然藍藻的生產(chǎn)量遠大于加壓藍藻，這是因為自然藍藻在表層水中的濃度遠大于加壓藍藻，且表層水中藍藻的光合生產(chǎn)力較大；下層水體中加壓藍藻生產(chǎn)量大于自然藍藻，這是因為加壓藍藻在下層水中的濃度大于自然藍藻，但下層水中藍藻光合生產(chǎn)力較小，因而加壓藍藻的生產(chǎn)量并不大。在晴天小風浪、中風浪、大風浪和陰天小風浪條件下，自然藍藻在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，分別比自然藍藻下降了83.3%、69.9%、21.1%、125.2%，由此可見，加壓破碎藍藻氣囊后，藍藻在水體垂向上的生產(chǎn)量削減明顯。風浪越小越有利于自然藍藻生長，加壓藍藻的沉淀效果越好，加壓對抑制藍藻生長的效果越明顯。可以判定，水深越大，加壓后藍藻下沉得越深，越能抑制藍藻生長，如圖6所示，晴天小風浪、中風浪、大風浪條件下，在水深1.1、1.0、0.8 m以下藍藻光合生產(chǎn)力為負值。

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

加壓消除藍藻氣囊后，下沉速度大于0.5、1.0、1.5、2.0 cm/min的藍藻分別占總量的64.5%、52.5%、41.5%、31.4%，藍藻粒徑越大，下沉速度越快[12]1784。因此，大顆粒加壓藍藻具有較好的沉淀性，能抵御一定的風浪擾動。加壓藍藻在500 lx以上光強持續(xù)培養(yǎng)8 h后小顆粒藍藻開始上浮[16]，根據(jù)實測，夏季太湖1 m水深以下光強小于500 lx，1.5 m水深以下光強接近零，風浪越大光強越小。因此，小顆粒加壓藍藻在風浪條件下可能會懸浮到表層水體中，在持續(xù)8 h光照后恢復上浮特性。大顆粒加壓藍藻在風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)光照而恢復上浮能力。

3 結論與展望

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

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

(3) 晴天小風浪、晴天中風浪、晴天大風浪、陰天小風浪條件下，加壓藍藻在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)加壓原位控藻技術消除藍藻細胞內(nèi)氣囊，使藍藻失去懸浮生長的能力，從而抑制藍藻繁殖。在藍藻生長初期運行加壓控藻船，可將藍藻水華遏制在萌芽狀態(tài)，起到事半功倍的效果。加壓控藻技術是物理方法，只是消除藍藻細胞內(nèi)氣囊，并不破壞細胞壁，不會造成藻細胞的快速解體，并且采用靜態(tài)加壓方法能耗很低，具有較好的應用前景。