水王的技術改造及其應用于湖泊藍藻治理中的研發與應用

崔家泰，楊帆，程叔鑫，李鐵

（1.上海交通建設總承包有限公司，上海 200136；2.曜昂環境技術（江蘇）有限公司，江蘇 蘇州 215000）

Watermaster，水王兩棲式多功能環保挖泥船（以下簡稱“水王”），主要用于疏浚作業。2020 ～2021 年，在蘇州市某湖泊使用水王開展湖泊生態岸線整治工作。在整治期間，湖泊水體發生過藍藻水華污染現象。藍藻水華危害很大，不僅會污染水體，產生腥臭味，大量消耗水中氧氣造成魚類死亡，同時藻類會分泌藻毒素，尤其是微囊藻毒素，更是會威脅到人類及湖泊生態系統安全；同時藻類大量繁殖導致水廠濾池堵塞，也增加了混凝劑和消毒劑的用量，提高了水廠的運營成本。為了解決藍藻爆發造成的水體污染問題，通過采用納米曝氣技術、微生物菌劑除藻和化學除藻劑除藻技術，對水王進行了技術改造，使其具備藍藻治理的功能，并應用于該湖泊藍藻治理中，本文就水王的技術改造及應用作相應介紹及分析。

1 水王介紹

水王在水中及陸地上具有獨特的機動性，可以完成疏浚作業、耙子作業、打樁作業等工作，作業深度可從旱地至水深6 米深度，可替代數臺單功能設備。“水王”可以用來拓深淺水航道，防洪，清除外來入侵水生植物和垃圾，維護工業池塘以及水環境下的基礎設施建設工程。水王兩棲式多功能船擁有多種工作裝置可供選擇，不同工作裝置之間的切換耗時僅需30min 左右。

水王技術改造的目的是在其原有功能的基礎上，添加一定的附加裝置，使其具有藍藻治理的功能。由于水王體非常緊湊，沒有放置藍藻治理附加裝置的空間，本技術改造是在船體兩側安裝漂浮性支撐平臺（以下簡稱“浮箱”），并將藍藻治理附加裝置安放在兩側的浮箱上。藍藻治理附加裝置主要包括納米曝氣裝置、微生物菌劑添加裝置、除藻藥劑添加裝置和湖泊水質在線監測裝置。

2 除藻技術原理

目前，藍藻調控去除方法很多，主要包括物理控藻方法、化學控藻方法、生物控藻方法等。物理控藻技術是指采用人工或者機械裝置將藻類聚集或濃縮后移出水體來減少水中藻類數量的方法，以及通過物理手段將藻類直接殺死或者改變藻類主要生長因子來抑制藻類生長，從而達到控藻的目的；主要包括打撈除藻法、電磁場法、超聲波法、遮光法等。

化學抑藻技術主要指向水體中投加化學藥劑，通過氧化或者絮凝作用來直接殺死藻細胞或是藻細胞絮凝沉淀，達到控制藻類數量的目的。化學方法是目前我國在抑藻方面被使用較多、范圍較廣的一種方法，因為其具有見效快、范圍廣、操作簡單、易控制等優點，但化學除藻需向水體中投放化學藥劑，會產生二次污染，同時化學藥劑不單會殺死藻類，也會對其他水生動植物造成不利影響。

生物法是通過水生動植物及微生物對藻類的競爭、化感、攝食等作用來控制藻類生物量，達到控藻的目的，具有環境友好、效率高、持續性、成本低等特點；目前，生物控藻方法主要分為水生植物法、水生動物法、微生物法。

本次技術改造的除藻技術方法主要采用納米氣泡曝氣除藻、微生物菌劑除藻和化學除藻劑除藻。

2.1 納米曝氣的除藍藻原理

納米氣泡發生器產生＜200nm 的納微米氣泡，比通常的氣泡小100 萬倍。納米氣泡由于體積非常的小沒有自然浮力。與傳統曝氣不同，傳統曝氣系統使用上升的大氣泡來誘導大氣氧氣在整個水柱中的循環和轉移，納米氣泡會在水體內發生隨機的布朗運動，在水體停留時間可以長達數天至數月，在水體中通過擴散充分傳輸，其對水體的充氧能力比傳統曝氣方法要高近8 萬倍。對湖泊水體的高度充氧可以很有效地促進水體中微生物對營養成分的吸收利用，降低氮、磷等養分的濃度，從而抑制藍藻的生長。

2.2 微生物菌劑除藍藻原理

微生物在繁殖過程中也能夠快速大量地吸收水體中的磷，通過向水體中投加微生物菌劑，微生物吸收氮、磷，與水中藻類爭奪養分，抑制藻類的快速繁殖。有些種類的微生物菌劑也可以通過吞噬、分泌攻擊藍藻細胞的裂解酶等方式達到藍藻去除效果。有些種類的微生物菌劑可以快速分解死亡的藻類，提高水體透明度。

2.3 化學除藻劑去除藍藻原理

以鐵為基礎的水環境友好的除藻劑能夠消除藍藻及其生長所需的營養物質（例如，磷酸鹽和硝酸鹽），同時該產品對水蚤和魚類等水生生物的毒性較低。

專利鐵系除藻劑去除藍藻主要通過以下幾個機理：預防模式：去除藍藻可利用的磷；破壞模式：氧化破壞藍藻細胞；固定模式：能夠將微囊藻毒素固定在無毒且對環境無害的氫氧化鐵的大且帶正電的表面上；物理模式：形成高度絮凝沉淀物，將被破壞的藍藻生物質從水體中清除。

3 水王改造方案

根據采用的除藻技術方法，有針對性地對水王體進行相應改造，使其具有相應的除藻功能。其中左浮箱主要布置納米曝氣附加裝置，右浮箱主要布置微生物菌劑添加裝置和化學除藻藥劑添加裝置。

3.1 納米曝氣附加裝置

通過水王自帶的柴油驅動的液壓水泵從湖泊中抽取湖水，通過一個三通將湖水分流至左右浮箱。其中，在左浮箱抽取的湖水在泵的出水管路上進入納米氣泡發生器時，從納米氣泡發生器的進氣管路吸入空氣，與湖水混合后，通過多個平行的納米氣泡發生器，經過壓力變化、高壓高速旋切等作用，產生了納米氣泡，并排入湖水中。其中，在總管路和各支管路均配備了流量計和閥門，以便調控水泵和進入各支路納米氣泡發生器中的水流量。

3.2 微生物菌劑及化學除藻劑添加裝置

通過三通分流至右浮箱的水流經過一個文丘里管件，文丘里管出口設有支管，分別與布置在右浮箱的微生物菌劑罐和化學除藻劑罐連接，水流可通過該支管用以對添加到罐體中的藥劑的混合。

微生物菌劑在微生物菌劑罐中按一定比例與湖水在罐中攪拌混合，混合好的微生物菌劑液體通過罐體底部的排水管連接到文丘里管的負壓部分，被吸入文丘里管道中，與湖水充分混合后，通過多個支管噴灑到藍藻控制區域的水面。

化學除藻劑在化學除藻劑罐中按一定比例與湖水在罐中攪拌混合，混合好的化學除藻劑液體通過罐體底部的排水管連接到文丘里管的負壓部分，被吸入文丘里管道中，與湖水充分混合后，通過多個支流管添加到藍藻控制區域的水面以下。

4 運營治理效果分析

水王技術改造完成后，在蘇州某湖泊示范區開展藍藻治理，湖泊示范區面積約20000m2。藍藻治理于2022年7 月28 日，并于2022 年10 月12 日結束，累計運行77 日。運營期水王每日在示范區范圍內均開展納米氣泡曝氣，曝氣量約220m3/h, 運營期累計添加80kg 除藻菌劑、40kg 溶藻菌劑、65kg 清污菌劑和50kg 化學除藻劑。整個治理運營起，共計采樣6 次，具體采樣日期、采樣位置及數量、檢測指標見表1。

表1 治理運營期湖水采樣檢測情況統計表

對各次采集的水樣進行檢測，并對檢測結果進行分析和討論。對示范區內每次采集的3 個水樣的檢測結果值取平均值，水質檢測結果分別見圖1、2。

圖1 示范區水樣總氮、總磷、氨氮、高錳酸鹽指數檢測結果

圖2 示范區水樣藻密度檢測結果

8 月24 日、9 月1 日、9 月28 日示范區內外水質藻密度平均值對比圖如圖3 所示。

圖3 示范區內外水質藻密度對比

由圖1 可知，從8 月3 日和8 月15 日兩次數據結果對比來看，第二次水質結果氨氮有明顯下降，而氨氮是藍藻生產繁殖所需的營養素，氨氮的降低說明通過納米氣泡曝氣和加藥，對藍藻治理起到了初步的效果。

8 月24 日，第三次水質檢測結果整體略差于第二次，分析原因是因為8 月15 日之后示范區區域下了兩場雨，周邊面源中的氮磷等養分會隨著雨水進入水體，雨水過后現場又持續高溫，這又為藍藻快速生長創造了有利條件。

但8 月24 日示范區內水質數據同示范區外圍數據相比，明顯優于外圍，特別是反映水體藍藻情況的藻密度指標，示范區內水樣藻密度平均約為1844 萬個/L，遠低于示范區外圍7757 萬個/L。這說明雖然受天氣影響，水質整體變差，但經過這段時間加藥和納米氣泡曝氣的運營治理，示范區水質藍藻還是得到了非常有效的治理，同時也說明藍藻治理是一個持續性的工程。

9 月1 日，第四次示范區內水質檢測結果除高錳酸鹽指數略高于第三次的結果外，其余整體與上次示范區內檢測結果差不多。而示范區外的水質檢測結果，整體差于前次示范區外的結果，特別是藻密度，示范區外達到了19012 萬個/L，明顯高于第三次示范區外的7757萬個/L。外圍之所以藻密度升高，分析原因，是因為這段時間陰雨天較多，周邊面源中的氮磷等養分隨著雨水進入水體，為藍藻快速生長創造了有利條件。而示范區內水質與上次基本持平的原因是，這段時間在持續進行納米氣泡曝氣的同時，添加了一次鐵系除藻劑，對藍藻起到了抑制和殺除的作用。

由9 月28 日第五次水質結果和10 月12 日第六次水質結果可知，水質常規指標高錳酸鹽指數、總氮、總磷、氨氮基本均維持在較低水平，均滿足《地表水環境質量標準》（GB3838-2002）Ⅳ類水標準的要求。

從水質藻密度結果看，第五次和第六次水質藻密度平均值分別為379 萬個/L 和209 萬個/L，示范區內水樣檢測結果已全面達到1000 萬個/L 以下，根據《水華遙感與地面監測評價技術規范（試行）》（HJ1098-2020）中的分級標準，表明已無明顯水華現象，說明經過這段時間對示范區的治理，水質得到了明顯改善。

5 結語

通過對水王的技術改造，使其具備了藍藻治理的功能，并將其應用于蘇州某湖泊藍藻治理中。通過對該湖泊的治理，采用技術改造后的水王，憑借其具有的納米氣泡曝氣功能、微生物菌劑除藻功能和鐵系除藻劑除藻功能，可對湖泊水體中的藍藻進行有效治理，經過77天的治理，治理區水質平均藻密度由1937 萬個/L 降到209 萬個/L。同時，也要看到藍藻治理受天氣影響較大，且湖泊水體的藍藻治理是一個長期的過程。

由于水王本身較笨重，水上運輸并不輕便，且其動力主要來自柴油，并不環保。建議后期針對水體藍藻治理，開發專門的藍藻治理電動船，以充分發揮其治理藍藻的效能。