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Vol.25No.41302009年4月TransactionsoftheCSAEApr.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.PeiYi,HuangWei,ChenFeiyong,etal.Designofbluealgaeremovalmachineandexperimentalresearchonbluealgaeremovalefficiency[J].TransactionsoftheCSAE,2009,25(4)：130－134.(inChinesewithEnglishabstract)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@hunau.net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2nm，宽45～110nm，长100～800nm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0.1MPa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pn及细胞内的伪空泡所承受的压力pn′的计算公式如下：n0gpppp=+−（1）nt0gppppp′=++−（2）式中p——水静压；p0——液面压力，通常为当地大气压pa；pt——细胞液与周围环境渗流势差引起的细胞膨压；pg——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.1Pressurediagramofgasvesicles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pc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