第25卷第4期农业工程学报V ol.25 No.4130 2009年4月 Transactions of the CSAE Apr. 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.Pei Yi, Huang Wei, Chen Feiyong, et al. Design of blue algae removal machine and experimental research on blue algae removal efficiency[J]. Transactions of the CSAE, 2009,25(4)：130－134.(in Chinese with English abstract)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@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2 nm，宽45～110 nm，长100～800 nm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0.1 MPa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p n及细胞内的伪空泡所承受的压力p n′的计算公式如下：n0gp p p p=+−（1）n t0gp p p p p′=++−（2）式中p——水静压；p0——液面压力，通常为当地大气压p a；p t——细胞液与周围环境渗流势差引起的细胞膨压；p g——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.1 Pressure diagram of gas vesicles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p c 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：1）提高p 0，使伪空泡所受的压力超过p c ，当伪空泡大量地破裂，蓝藻将失去必需的浮力下沉。

2）p t 升高，淡水蓝藻p t 一般为0.2～0.4 MPa ，当光强增大时，细胞吸收增加，p t 升高，会导致脆弱的伪空泡破裂。

但种方法比较难实现。

利用第1种方法，设计水体表层的富藻水经除藻机加压，破坏蓝藻气囊及细胞结构，减小细胞浮力，促使蓝藻下沉。

除藻机工作时，进水口吸入表层的蓝藻细胞悬液，除藻机产生的压力将水中的蓝藻团打散，并使蓝藻细胞的气囊破裂，细胞破坏，然后经出水口排出，沉入水体中。

水底阳光照射不足，造成水下缺氧，蓝藻不易进行光合作用得不到能源和氧气而死亡。

残体可以被水生植物根系吸附、分解、吸收，达到除藻的目的。

1.3 结构设计蓝藻处理机主要由压力室、吸藻口、出水口、浮体装置以及机架构成。

用压力浊度计测定压力前后的浊度，从而计算一定压力下破裂伪空泡所占的比率（C %）：b c 100()%T T C T T −=− （3）式中 T ——初始蓝藻细胞悬液的比浊度；T b ——加压后部分伪空泡破裂时蓝藻细胞悬液的比浊度；T c——所有伪空泡破裂时细胞内其他物质的比浊度。

根据式（1）、（2）改变p 0，蓝藻伪空泡破裂的临界压力p c [8]为：1.63c 875p d −= （4）式中 d ——伪空泡圆柱体直径，nm 。

根据前面所述，d 一般在100 nm 左右，因此可得p c约为0.4 MPa 。

通过蓝藻压力试验也显示，当压力大于 0.4 MPa 时，藻类可迅速沉淀，说明蓝藻气囊及细胞结构被破坏。

因此确定压力室的最小工作压力为0.4 MPa 。

压力室采用由动力机械带动的旋转式叶轮机械，能够满足最小工作压力。

图2 吸藻口简图Fig.2 Blue alga sucking device由于蓝藻大规模暴发时，蓝藻以群体方式悬浮聚集在水面下0～20 cm 的水表层区域[9]，除藻机除藻效率决定于吸藻口的吸藻效率。

经过多次试验，我们设计了如图2形状的吸藻口。

出水口采用钢管，并安装阀门，调节除藻机的压力，控制流量。

机架用来组装固定各个部件，为了使吸藻口能够吸到水体表层富积蓝藻，我们为整个装置设计了浮体，确保整个装置漂浮在水面，并保证机构运行平稳。

2 除藻试验试验时间：2007年7月23日下午。

试验地点：江苏太湖梅梁湾蓝藻水华严重暴发的水域（平均水深约1.3 m ）。

试验前制作2个直径3m ，高2m 的圆柱形隔离圈，用来隔离试验区域，阻断试验区与外界环境的物质交换。

隔离圈材料为工程防水布，外围用韧性良好的竹板编成网状，支撑固定防水布，如图3所示，除藻机固定在试验区内。

图3 除藻机布置图Fig.3 Arrangement of algae removal machine3 除藻效果测试与分析3.1 测试原理与设备由于湖水的悬浮物主要是蓝藻，故水体浊度的变化主要反应的是蓝藻的变化量，当浊度下降，表明水体表层的蓝藻数量下降[10]。

叶绿素也是反映水体藻类含量的重要参数，由于试验区域的水体中主要是蓝藻水华，所测叶绿素主要反应蓝藻的变化量，叶绿素的大幅度下降也可揭示蓝藻数量下降的趋势。

另外，水体中藻类进行强烈的光合作用，会产生大量的溶解氧，溶解氧的降低表明水体中的光合作用减弱，蓝藻的增殖受到抑制测试设备：HydroLab DS5多参数水质监测仪。

3.2 测试用HydroLab DS5多参数水质监测仪对试验区水体表层进行实时监测。

分析仪器探头固定在水面以下约20～30 cm 处，探头远离除藻机械的进出口，监测指标包括温度、pH 值、含氧量、氧饱和度、电导率、浊度、叶绿素共7种。

每隔10 min 测试记录1组数据，试验进行了约1 h 。

在试验的1 h 内，水温表面维持在32℃，光照条件基本不变（下午约3︰30～4︰30）。

3.3 数据处理利用水质监测仪采集的数据，包括叶绿素、浊度、pH 值、温度、含氧量、氧饱和度、电导率共7种参数，运132 农业工程学报 2009年用最小二乘法对取得的数据进行曲线拟合，分别得到7种参数随试验时间变化的曲线图4～10。

图4 试验水体和对照水体叶绿素变化Fig.4Comparison of chlorophyll content change with CK图5 试验水体和对照水体浊度变化 Fig.5 Comparison of turbidity change with CK图6 试验水体和对照水体含氧量变化Fig.6Comparison of oxygen content change with CK图7 试验水体和对照水体氧饱和度变化Fig.7 Comparison of oxygen saturation change with CK图8 试验水体和对照水体温度变化Fig.8Comparison of temperature change with CK图9 试验水体和对照水体pH 变化 Fig.9Comparison of pH change with CK图10 试验水体和对照水体电导率变化 Fig.10 Comparison of conductivity change with CK3.4 水质测试结果与分析1）从曲线图看出，对于试验水体，除电导率外，温度、pH 、含氧量、氧饱和度、浊度、叶绿素等参数随试验时间的增长呈现非常明显的下降趋势；对于对照水体，各参数的变化趋于平稳。

2）对于试验水体和对照水体，温度、pH 、含氧量、氧饱和度、电导率、浊度、叶绿素7种参数的曲线图初始值不在同一位置。

除试验水体电导率初始值低于对照组电导率初始值外，试验水体的温度、pH 、含氧量、氧饱和度、浊度、叶绿素各参数的初始值均高于对照水体的各参数初始值。