超声波除藻仪应用效果分析

王宏丽，钱 丹，武 轶，于 淼，张 力

（天津江河弘元环境技术研究有限公司，天津300202）

藻类水华是水体富营养化的产物，主要是由于上游下泄的水体中含有大量氮磷等营养物质，水体流动性差，加之受光照及高温天气的影响，导致水体富营养化，藻类容易大量繁殖，形成水华［1-3］。水华的形成改变了水体的理化环境，影响了水生态系统的健康发展，且严重破坏生态环境、影响人类生存［4-5］。据统计，全球75%以上的封闭性水体存在不同程度的富营养化问题［6］。国家生态环境部2018年5月公布的调查资料显示：2017年全国109个监测营养状态的湖泊（水库）中，贫营养湖泊9个，中营养湖泊67个，富营养湖泊有33 个，其中轻度富营养化湖泊占比87.9%，中度富营养化湖泊占比12.1%，污染状况有所好转，但依然需要加以重视。

随着国内水环境污染形势日益严峻，国家对水环境的治理日益重视，整体水环境有了极大改善和提升。但由于多年来生态环境的破坏，很多水体仍然处在劣Ⅴ类，致使各种水体每年仍然大范围爆发藻类水华现象［7］。更为严重的是，许多饮用水水源地年年爆发藻类水华，使水质严重恶化，如硅藻、蓝藻、 绿藻等直接威胁着饮用水的安全［8］。

1 示范工程选择与实施

1.1 饮用水水源地

饮用水水源地示范工程选址为天津北塘水库，位于天津市永定新河南畔京山铁路以南，水深3.1m，总库容1.34亿m3，有效灌溉面积46.7hm2，原为灌溉及养殖用水存储水库［9-10］。作为引黄水及引江水的备用水库，依据GB3838—2002《地表水环境质量标准》中Ⅲ类水质标准来评价其水质指标。但因天津地区3～4月份藻类生长旺盛，藻细胞数量随季节波动较大，呈现轻度富营养化趋势［11］。

1.2 设备安装

本工程选用超声波除藻仪辐射半径300m，以扇形角度发射合成形式的超声波。基于水库水深、面积及现场情况考虑，鉴于北塘水库风浪较大，工程在北塘水库入开口铺设蓝藻网，安装两台超声波除藻仪，采用绳子牵引方式固定在岸边，并使换能器呈背对背角度发射超声波。定期检查设备运行的稳定性、兼容性，及时记录水质感官性状变化、采样并监测水质指标变化。

1.3 试验效果分析

北塘水库定期检测水质，没有委托第三方检测机构进行水质测定，由北塘水库管理所工作人员定期提供水质检测报告。除藻设备分别于2018年8月20日及8月24日安装。

安装设备后北塘水库感官效果并不明显，其原因可能与其水面面积大、水体交换频繁、设备安装较少及本身水质较好有关。为进一步验证示范工程结果，试验期间历次水样检测结果如表1。

表1 北塘入开口原水水质检测数据

由表1可知：

（1）原水水质与安装超声波除藻仪后水质相比相差不大，随季节和温度变化呈现出一定的波动性，但整体变化幅度较小。

（2）整体水质保持在地表水Ⅱ类标准，水质较好。

（3）叶绿素a及藻细胞密度国家尚未出台统一标准，但查阅文献可知，叶绿素a＜40μg/L时水质较好［12］；夏季藻细胞密度在1000万个/L时藻类不易暴发。安装除藻仪后，叶绿素a呈现出先上升再下降的波动性变化，而藻细胞密度却呈现出整体增长趋势，分析认为可能是随着季节变化，温度降低为藻类提供了适宜生长的环境；而超声波除藻仪安装数量较少，其除藻速度赶不上藻类生长速度。

2 景观水体

侯台湿地公园位于西青区外环西路与西北半环快速路之间，面积140hm2，陈台子河横穿而过，露天水域为砾石开挖而成，由于地下水位低于露天水洼地，地下水源无法渗入，因此现场水源主要来自周边区域地表径流、排水河引水及雨水收集，水质不佳。同时，水体受年降雨量、蒸发量、地面渗透量等因素影响，水位不稳定，水体流动性也较差，极易造成水体富营养化现象。

进入夏季以来，气温连日升高，水体极易爆发藻类。湿地公园大部分水域因水深较浅、水体不流动，水面漂浮有大量藻类及浮萍。为保持水体正常感官性状，采取人工打捞方式，但因藻类生长繁殖速度快，每周需打捞2～3次，耗费大量人力物力，且治标不治本。

2.1 试验产地选择与布置

本次选择湿地公园内的竹园作为本次示范工程地点。竹园面积800～900m2，水深50cm，水源目前主要来源于雨水，无外源污染，水体浑浊且呈黄褐色，水面生长有大量丝状藻及浮萍。

2.2 设备安装

考虑竹园面积、水体形态及水深等因素，选用超声波除藻仪辐射半径为300m，以扇形角度发射合成形式的超声波。在竹园中心部位安装两台超声波除藻仪，采用绳子牵引的方式固定在岸边，并使换能器呈背对背角度发射超声波，以定期检查设备运行的稳定性、兼容性，及时记录水质感官性状变化、定期采样并监测水质指标变化。

2.3 试验效果分析

2018年6月12日安装超声波除藻仪，正常运行7d后，水体透明度整体有所提升，但局部水域依然浑浊，分析可能与连日降雨有关，水体呈现黄褐色，部分水域漂浮有大量藻类，但近超声波除藻仪处未见藻类生长；连续运行12d后，水体清澈，水体透明度明显提升，底部卵石清晰可见，且整体水面未见藻类生长，如图1～图6。

将采集水样委托具有CMA资质认证的第三方检测机构进行检测，检测指标主要有pH值、溶解氧、悬浮物、COD、BOD5、TN、TP、NH3-N 8个指标，检测结果如表2。

图1 安装前

图2 安装8d后

图3 安装9d后

图4 安装12d后

图5 安装13d后

图6 安装15d后

表2 安装除藻仪前后水质对比 单位：mg/L

由表2可知：

（1）原水水质COD、BOD5、TN均明显超标，属劣Ⅴ类水质。安装除藻仪后，水体水质有明显改善，但COD、BOD5仍高于国标Ⅴ类水。且点1水质理化指标较点2降低更多，说明距超声波除藻仪越近效果越好。

（2）安装除藻仪后，水体中的COD、BOD5、TN及NH3-N 均有明显下降，去除率分别为56.771%，48.559%，50.824%，63.410%，说明安装除藻仪后水体水质有明显提升；悬浮物含量上升较明显，是由于藻细胞直径较小，属于水体杂质中沉降较慢的颗粒物质，因此在作用过程中，水中的藻细胞处于缓慢下降过程；TP略有上升，分析认为是藻类被杀死后，水体中的磷进入生态系统的含量减少，因而呈溶解态停留在水中。

3 河道水体

3.1 试验场地的选择与布置

护仓河是天津重要的景观、排沥河道，沿线存在汛期雨污合流水排入河道现象，部分河段不能实现水体循环流动，水体流动性极差，水生态系统脆弱，加之汛期排沥影响，内源污染物长期蓄积在水体和底泥内，COD、总磷、总氮严重超标，易发生黑臭、水华等现象，影响城市景观环境。

进入夏季以来，随气温升高，水体易暴发藻类，散发恶臭。为保持水体正常感官性状，排管处采取投加药剂的方式除藻，但治理效果并不理想，不仅耗费大量人力物力，且长期投药还会对水体生态系统造成破坏。

3.2 设备安装

基于河道水深、面积及现场情况考虑，本工程在津塘路与光华路交口段西侧安装两台太阳能超声波除藻仪，固定方式采用水泥混凝土配重。定期检查设备运行的稳定性、兼容性，及时记录水质感官性状变化、定期采样并监测水质指标变化。

3.3 试验效果

示范工程于2018年8月31日开始。此时汛期已过，上游无排水，护仓河水位及水质均较稳定。此水域水色碧绿，大片藻类漂浮在水面，属于重度富营养化水体。

由图7～图13可知，安装除藻仪5d后，藻类水华现象有所缓解，水色依然泛绿，但水面上已不见藻类漂浮；9d后，水色已由绿色变成黄褐色，水体透明度有所提升，但局部死角处仍有部分藻类漂浮；12d后，藻类已完全消失不见，水体透明度有较大提升。

图7 安装前水体现状

图8 安装2d后

图9 安装3d后

图10 安装5d后

图11 安装7d后

图12 安装9d后

图13 安装12d后

定期采样监测水体变化，此次示范工程以NH3-N、TP、COD、藻类计数4项指标进行检测，检测结果如表3。

表3 安装除藻仪前后水质对比

由表3可知：

（1）安装除藻仪后，NH3-N、TP、COD均有一定波动，但总体来看NH3-N、TP呈下降趋势，且降低幅度较大，均在78.6%以上；COD略有上升，分析认为是超声波杀死的藻细胞贡献了水体中的有机物含量。

（2）藻类数量呈下降趋势，其中近设备处的藻细胞密度由最初的2.2亿个/L降至8118万个/L，降幅高达64.2%，除藻效果明显。观察3次检测数据，近设备处的藻类数量均低于远设备处，说明距离超声波除藻仪越近，超声波能量越强，对藻细胞的破坏作用也越大。

4 结语

（1）饮用水水源地由于水面面积较大，风浪扰动强烈，且水体交换频繁，如果布设的超声波除藻仪数量过少，不能完全覆盖整个水面，则除藻效果不明显。

（2）对水体流动性不大的公园湖泊，由于水深较浅，外来水体影响较小，超声波以扇形角度辐射覆盖的水体范围较大，超声波除藻效果最为明显。

（3）景观河道如果能控制外来污染源的排入，则除藻效果亦十分明显。

（4）各种水体布设超声波除藻仪要以水面全覆盖为原则，如北塘水库按水域面积布满超声波除藻仪，则可基本杜绝藻类爆发。

（5）超声波除藻仪最好能在每年3月份藻类爆发之前布设，可防止藻类的大面积爆发，还可同时与其他成熟先进的水体治理技术相结合，并加大加快应用力度。