微能耗双罐并联加压控制蓝藻生长技术研究*

成芃荣 陈旭清 朱晔宸 潘 阳 徐卿源 刘 芳 丛海兵#

(1.扬州大学环境科学与工程学院，江苏 扬州 225127；2.无锡市蓝藻治理办公室，江苏 无锡 214000；3.江苏省水文水资源勘测局扬州分局，江苏 扬州 225000)

夏季蓝藻水华问题会对湖泊生态系统产生一系列影响，水体透明度大幅降低，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]。尽管目前通过机械打捞、底泥清淤、化学降藻、生物控藻等传统方法在一定程度上控制了湖泊富营养化水平[6-10]，但蓝藻暴发对生态系统安全仍有很大威胁，因而迫切需要有效可行的蓝藻生长控制技术。周越等[11]提出了蓝藻加压沉淀水处理及生长控制技术方法，自然蓝藻经过0.7 MPa压力加压后气囊会破裂，失去浮力后下沉至水底无法生长，进而降低蓝藻暴发的可能性[12]1784,[13]。加压控藻技术为太湖蓝藻水污染治理开辟了新方向，对湖泊蓝藻应急治理具有很强的实用意义。

本研究通过现场围隔试验研究微能耗双罐并联加压控藻船的控藻效果，并研究其机理，探明加压蓝藻在不同风浪作用下的垂向分布情况，测定加压蓝藻在不同水深的光合生产力，进一步探明加压控制太湖蓝藻的生长衰亡规律。

1 材料与方法

1.1 试验装置

1.1.1 双罐并联加压控藻围隔试验装置

加压控藻围隔试验装置见图1，包括围隔和双罐并联加压控藻船，围隔设于太湖梅梁湖中。

图1 微能耗双罐并联加压控藻围隔试验装置Fig.1 Micro-energy consumption dual-tank parallel pressurized algae control enclosure test device

围隔区域为三角形，面积5 655.7 m2。围隔上部为浮子，下部为滤布。浮子为直径500 mm的聚氨酯泡沫塑料柱，外围用防水布包裹。下部滤布密封悬挂于浮子下方，滤布下端自由贴近湖底。围隔两侧用锚固绳和锚固墩固定于湖底。围隔区域内水深1.5～2.5 m。双罐并联加压控藻船由船体和加压系统组成，加压系统位于船体内。船体为钢板焊接，外形尺寸4.50 m(长)×2.25 m(宽)×1.25 m(高)，由汽油挂桨机推进。加压系统包括两个并联的加压罐、进水泵、微型加压泵、自控系统、发电机及进出水管路组成。加压罐容积1 m3，进出水管直径100 mm，两个加压罐进口并联后与进水管相连，出口并联后与出水管相连，进出水管从船体的首尾伸出，进水管上安装有进水泵，进水泵为GW50-20-7-0.75型排污泵，功率0.75 kW，扬程5 m时工作流量25 m3/h。进水管口贴近水面，可吸入水面蓝藻。微型加压泵为GY2B140F型滑片泵，功率0.5 kW，出水压力0.7 MPa，流量428 L/h。微型加压泵从船体外吸水，出水分别送入两个加压罐。每个加压罐进出口以及微型加压泵出水进入每个加压罐的水管上均设有自控阀门。启动进水泵，使两个加压罐中充满水。然后关闭加压罐1进出口阀门，打开加压罐2进出口阀门，原水进入加压罐2并从尾部流出；打开微型加压泵向加压罐1供水管道的阀门，关闭向加压罐2供水管道的阀门，压力水注入加压罐1中。由于加压罐1处于密闭状态，而水的压缩性又很小，将水加压到0.7 MPa时的压缩率为0.000 32，加压1 m3水需要0.32 L压力水，因此加压罐1中压力很快上升到0.7 MPa。维持高压30 s。打开加压罐1进出口阀门，关闭加压罐2进出口阀门，打开微型加压泵向加压罐2供水管道的阀门，关闭向加压罐1供水管道的阀门，压力水注入加压罐2中，加压罐2被加压。此时，进水泵向加压罐1内注入太湖蓝藻水，将罐内已经加压过的蓝藻水挤出，当加压罐1内所有加压水被挤出后，关闭加压罐1进出口阀门，进行下一轮加压。两个加压罐轮流加压、进出水，保障整个加压系统进出水的连续性[14]。1个加压罐完成1次关阀、加压的总时间为2 min，此时间内进入另一个加压罐的原水量为0.83 m3，占罐体容积的83%。由于罐体内安装了防短流装置，避免了未加压水从罐体进口直奔出口的短流现象。加压系统的运行由自控系统控制，自动运行，运行流量25 m3/h。整个加压系统运行总功率2 kW，由汽油发电机供电。

1.1.2 加压蓝藻在风浪条件下的垂向分布测定装置

加压蓝藻在风浪条件下垂向分布的模拟试验装置见图2，包括水槽和造波机。水槽长11.5 m，宽0.5 m，高1.0 m；造波机采用从武汉理工大学定制的推板式水槽造波机，由伺服电机、推波板、中控系统等组成；波高的测量及控制采用BT-CBY-Ⅱ波高测量控制系统。

图2 风浪条件下蓝藻垂向分布测定装置Fig.2 Device for measuring the vertical distribution of cyanobacteria under wind-wave conditions

1.2 试验水样

试验用蓝藻水取自太湖梅梁湖。优势藻种为铜绿微囊藻，占比98%以上。

1.3 试验方法

1.3.1 微能耗双罐并联加压控藻围隔试验

试验第1、2天打开围隔，让蓝藻水华飘入围隔内，每天在围隔内环等间距取7个水样。取样时搅动周边水体，使取样点处水体混匀，从水面下20 cm处取水样，注入塑料瓶中，带回实验室4 ℃保存，测定叶绿素a浓度。第2天取样结束后即关闭围隔，开始运行双罐并联加压控藻船，该船主要针对蓝藻水华区域运行，每天运行约4 h，直到第6天蓝藻水华很少时结束试验。每天取样测定叶绿素a浓度，并测定蓝藻水华聚集面积。试验期间天气晴好，水温31～32 ℃。

1.3.2 加压蓝藻在风浪条件下的垂向分布

分别测定自然蓝藻和加压蓝藻在不同波高风浪作用下的垂向分布情况。向人工造波水槽中注入自然蓝藻水，使得水槽水深达到0.8 m，充分搅拌均匀，取样测定混合水叶绿素a浓度。在无风的条件下静置24 h，采用虹吸法小心吸取水体表面处与0.2、0.4、0.6、0.8 m水深处的水样，测定叶绿素a浓度。打开造波机，调整造波机的频率及振幅，依次制造小风浪(波高8 cm)、中风浪(波高15 cm)、大风浪(波高25 cm)，在每种波高情况下运行足够时间，待蓝藻在垂直方向的分布维持稳定后停止造波，待水面平复后立刻用虹吸法吸取水体表面与0.2、0.4、0.6、0.8 m处的水样，测定叶绿素a浓度。将自然蓝藻水经过0.7 MPa压力加压后注入水槽，重复上述试验。

1.3.3 加压蓝藻在太湖不同水深处的生产力测定

分别测定自然蓝藻水和加压蓝藻水在太湖中的光合生产力，采用黑白瓶法测定，各自准备5对250 mL的透明溶解氧瓶，将其中5个溶解氧瓶用多层黑色塑料袋包裹，使瓶内无光。取蓝藻水混匀，测定初始叶绿素a浓度。将水样混合均匀后缓慢注入5对黑白瓶中，并保证注满后溢出至少3倍体积的水。测定每个瓶中的初始溶解氧，盖紧瓶塞不留空气，将5对黑白瓶分别悬挂于水面与0.5、1.0、1.5、2.0 m水深处，24 h后取出测定溶解氧。挂瓶在晴天的上午9:00—10:00进行。分别在晴天的小风浪、中风浪、大风浪及阴天小风浪进行试验。根据测定结果计算光合生产力(以单位叶绿素a产生的O2质量计)及生产量。

1.3.4 分析测试方法

主要测试指标包括叶绿素a浓度、藻类PSⅡ光化学效率、光照强度、蓝藻光合作用生产力。叶绿素a浓度按照文献[15]中推荐的方法测定，丙酮的萃取时间取24 h；藻类PSⅡ光化学效率采用AquaPen-C-100型手持式叶绿素荧光仪直接测定；光照强度采用ZDS-10型光照度计进行测定；溶解氧采用HQ30d便携式溶解氧仪测定。

2 结果与讨论

2.1 微能耗双罐并联加压控藻围隔试验效果

在6 d的围隔试验期内，20 cm水深处平均叶绿素a变化见图3，水面蓝藻聚集面积见图4。由图3可知，第1、2天围隔敞开时，在风力吹动下大量蓝藻进入围隔内，叶绿素a平均质量浓度从1 652 μg/L增加到9 198 μg/L。双罐并联加压控藻船运行后，压力消除了蓝藻细胞内气囊，使蓝藻失去悬浮能力而沉入水底，第3天水面叶绿素a平均质量浓度急剧下降到806 μg/L，第4～6天维持在115～137 μg/L的低浓度水平，第6天相较于第2天的浓度削减了98.7%。水面蓝藻聚集面积也快速下降，试验结束时削减了93.7%。

图3 围隔内叶绿素a平均质量浓度Fig.3 The average concentration of chlorophyll a in the enclosure

图4 围隔内蓝藻聚集面积Fig.4 The accumulation area of cyanobacteria in the enclosure

2.2 加压破碎气囊对蓝藻垂向分布及生产力的影响

2.2.1 加压蓝藻在风浪条件下的垂向分布

人工造波水槽中垂向上自然蓝藻水和加压蓝藻水叶绿素a平均质量浓度分别为299、334 μg/L，静水与8、15、25 cm人造波高条件下，加压蓝藻和自然蓝藻在水中的垂向分布见图5。自然蓝藻在静沉24 h后大都浮于水体表面，水面下浓度较低，水深0.2～0.8 m叶绿素a平均浓度占初始平均浓度的比例为26.4%～35.4%，平均占比30.8%。随着波高的增加，表层蓝藻逐步向下迁移，在小风浪(8 cm)、中风浪(15 cm)、大风浪(25 cm)条件下，水深0.2～0.8 m区域叶绿素a平均浓度占初始平均浓度的比例逐步增加为55.9%、86.3%、85.0%。水深0.8 m处叶绿素a平均浓度占初始平均值的比例逐步增加为27.7%、43.1%、63.7%。

图5 人工造浪下蓝藻在水中的垂向分布情况Fig.5 Vertical distribution of cyanobacteria in water under artificial waves

加压蓝藻在静沉24 h后大都沉于水槽底部，形成一层墨绿色的藻团，上层水中叶绿素a浓度较低，水深0～0.6 m叶绿素a平均浓度占初始平均浓度的比例为21.3%～27.4%，平均占比24.6%。随着波高的增加，底层蓝藻逐步向上迁移，在8、15、25 cm波高条件下，水深0～0.6 m区域叶绿素a平均浓度占初始平均浓度的比例逐步增加为40.7%、71.4%、73.7%。水面处叶绿素a平均浓度占初始平均浓度的比例逐步变化为20.6%、20.1%、22.5%。这说明，相对于静水条件，在8、15 cm风浪作用下表层蓝藻没有增加，25 cm风浪作用下表层蓝藻仅增加了1.2百分点。加压蓝藻在风浪条件下处于悬移状态，具有很强的下沉趋势，很难被荡起到表层水体，风浪停止后能快速下沉。

综上可以得出，在0.8 m水深人工造波条件下，加压蓝藻的抗风浪沉淀稳定性较强。由于水动力强度随水深增加而逐渐减小，水体越深处所受到风浪的垂向混合作用越小，因此可以推断在诸如太湖此类平均水深大于0.8 m的水体中，沉淀水体底部的加压蓝藻所受水动力影响较小，在绝大部分情况下都能保持良好的沉淀稳定性。就算遇上大风浪情况，也只有部分沉淀蓝藻被卷起至水体中层，极少数会被卷起至表层，且大风天气情况较少并往往伴随阴雨天气，此时水体中层光照强度不足，被卷起的加压蓝藻无法进行正常的光合作用而生长繁殖，待到大风浪过后，加压蓝藻依旧会沉淀至水体底部，因此加压蓝藻沉淀稳定性较强。

2.2.2 加压蓝藻在太湖不同水深处的光合生产力

晴天3种风浪、阴天小风浪条件下的蓝藻在不同水深处的光合生产力见图6，其中小风浪、中风浪、大风浪波高分别为6.4、14.2、24.2 cm。晴天上层水中蓝藻光合生产力为正，蓝藻处于生长繁殖趋势；随着水深的增加生产力快速降低，小风浪、中风浪、大风浪条件下分别在1.1、1.0、0.8 m左右生产力降为零，蓝藻不生长；再向下为负值，表明蓝藻呈腐烂趋势。风浪导致水的透光性下降，蓝藻能生长的深度更小。晴天最表层水在3种风浪条件下的生产力相当，这是因为最表层水受到光照直射，风浪的影响很小。加压蓝藻的光合生产力比自然蓝藻有轻微减小，这是因为加压并未破坏蓝藻细胞活性，但消除了细胞内气囊，而气囊对光有散射作用，能提高藻细胞内的光强，无气囊的加压蓝藻细胞内的光强小于自然蓝藻，故而生产力有所下降。阴天整个水体蓝藻生产力均为负值，说明阴天蓝藻不生长，处于腐烂趋势。

图6 蓝藻光合生产力随水深的变化情况Fig.6 Changes of cyanobacterial photo-productivity with water depth

2.3 加压破碎气囊对水体垂向蓝藻生产量的影响分析

由图7可见，表层水中自然蓝藻的生产量远大于加压蓝藻，这是因为自然蓝藻在表层水中的浓度远大于加压蓝藻，且表层水中蓝藻的光合生产力较大；下层水体中加压蓝藻生产量大于自然蓝藻，这是因为加压蓝藻在下层水中的浓度大于自然蓝藻，但下层水中蓝藻光合生产力较小，因而加压蓝藻的生产量并不大。在晴天小风浪、中风浪、大风浪和阴天小风浪条件下，自然蓝藻在0～0.8 m水深内的垂向平均生产量分别为131.5、75.5、24.5、-11.9 mg/L，同等条件下加压蓝藻垂向平均生产量分别为21.9、22.7、19.3、-26.8 mg/L，分别比自然蓝藻下降了83.3%、69.9%、21.1%、125.2%，由此可见，加压破碎蓝藻气囊后，蓝藻在水体垂向上的生产量削减明显。风浪越小越有利于自然蓝藻生长，加压蓝藻的沉淀效果越好，加压对抑制蓝藻生长的效果越明显。可以判定，水深越大，加压后蓝藻下沉得越深，越能抑制蓝藻生长，如图6所示，晴天小风浪、中风浪、大风浪条件下，在水深1.1、1.0、0.8 m以下蓝藻光合生产力为负值。

图7 蓝藻生产量随水深的变化Fig.7 Changes of cyanobacterial product volume with water depth

加压消除蓝藻气囊后，下沉速度大于0.5、1.0、1.5、2.0 cm/min的蓝藻分别占总量的64.5%、52.5%、41.5%、31.4%，蓝藻粒径越大，下沉速度越快[12]1784。因此，大颗粒加压蓝藻具有较好的沉淀性，能抵御一定的风浪扰动。加压蓝藻在500 lx以上光强持续培养8 h后小颗粒蓝藻开始上浮[16]，根据实测，夏季太湖1 m水深以下光强小于500 lx，1.5 m水深以下光强接近零，风浪越大光强越小。因此，小颗粒加压蓝藻在风浪条件下可能会悬浮到表层水体中，在持续8 h光照后恢复上浮特性。大颗粒加压蓝藻在风浪作用下处于悬移状态，主要处于下层水体，难以获得持续光照而恢复上浮能力。

3 结论与展望

(1) 微能耗双罐并联加压控藻船能快速控制围隔内蓝藻水华，表层水中叶绿素a浓度削减98.7%。

(2) 加压蓝藻在静水和风浪条件下均表现为上少下多的垂向分布情况。静水中大部分加压蓝藻沉淀于水底，悬浮蓝藻只占24.6%。加压蓝藻沉淀于0.8 m深水底，经25 cm波高的风浪作用后，表层蓝藻浓度仅增加1.2百分点，表明加压沉淀蓝藻具有较好的沉淀稳定性。

(3) 晴天小风浪、晴天中风浪、晴天大风浪、阴天小风浪条件下，加压蓝藻在0～0.8 m水深内的垂向平均生产量分别比同等条件下的自然蓝藻生产量下降了83.3%、69.9%、21.1%、125.2%。

(4) 微能耗双罐并联加压原位控藻技术消除蓝藻细胞内气囊，使蓝藻失去悬浮生长的能力，从而抑制蓝藻繁殖。在蓝藻生长初期运行加压控藻船，可将蓝藻水华遏制在萌芽状态，起到事半功倍的效果。加压控藻技术是物理方法，只是消除蓝藻细胞内气囊，并不破坏细胞壁，不会造成藻细胞的快速解体，并且采用静态加压方法能耗很低，具有较好的应用前景。