水利工程污损生物沼蛤的物理去除技术研究

魏小熙，刘德富，杨正健，张佳磊

(1.湖北省水利水电规划勘测设计院，武汉 430064； 2.湖北工业大学 土木建筑与环境学院，武汉 430068)



水利工程污损生物沼蛤的物理去除技术研究

魏小熙1,2，刘德富2，杨正健2，张佳磊2

(1.湖北省水利水电规划勘测设计院，武汉 430064； 2.湖北工业大学 土木建筑与环境学院，武汉 430068)

我国南方水利工程常受到沼蛤(limnopernafortunei)生物污损的危害，沼蛤高密度粘附在结构面上会改变建筑物功能结构，影响水利工程安全运营。通过研究沼蛤在离水干燥、高温水浴、超声波、电流作用下的死亡特征，探讨利用物理方法去除沼蛤的工程技术可行性。研究结果表明：沼蛤在环境温度为28 ℃的离水干燥条件下，3d就会因缺水而死亡；沼蛤在水浴温度为44 ℃的环境中的死亡时间为10h，当水浴温度>55 ℃时，在其接触高温水体瞬间就会死亡，内部组织与角质壳分离、脱落；在沼蛤集中的水环境中加载超声波和高压电流也能灭杀沼蛤幼虫及成贝，有效抑制其大量繁殖。研究了4种去除沼蛤的物理方法，其中离水干燥法和高温水浴法灭杀效率较高，而超声波和电流灭杀法具有较好的预防特性。

沼蛤；生物污损；物理去除；干燥脱水；高温水浴灭杀；超声波；高压电流

1 研究背景

随着社会的发展，水电能源问题日益突出，大批水利工程被修建。但是，水利工程兴建的同时也伴随着诸多环境问题，其中“生物污损”是水利工程较为严重的问题之一。生物污损[1]是指藻类、贝类等大型污损型生物入侵到水利工程结构物及生产设备中以高密度附着生长，影响水工建筑物和生产设备正常运行的现象。污损生物入侵后很难去除，并且大量附着繁殖，破环水工建筑物结构，影响建筑物正常使用[2-4]。

我国河湖水利工程污损生物主要为沼蛤。沼蛤(limnopernafortunei)属双壳纲、异柱目、贻贝科，俗称淡水壳菜[5]，主要来源于南方沿海及东南亚地区，其后随船舶等媒介逐渐向长江流域、珠江流域、淮海流域、黄河流域等内陆及北方水系入侵[6]。沼蛤的主要危害在于在附着面上层层附着，腐蚀附着面、降低管道等的过流能力[7-8]。如南美洲的阿根廷Atucha核电厂、阿根廷-巴拉圭的Yacyreta水电厂以及巴西-巴拉圭的Itaipu水电厂都曾因为沼蛤污损而检修及停产[9]。目前，生物污损的治理并没有成熟的技术措施，国外较注重生态治理及利用超声波、高温干燥等新型防治方式，国内常用的方法为化学氧化剂灭杀法[10-14]。化学氧化剂灭杀法对环境的影响较大，而生态防治方法效果缓慢且技术不够成熟，当发生大范围生物污损时就需要利用物理方法快速有效地去除污损生物；而目前对于物理灭杀法的研究较少，脱水、高温、超声波、电流、紫外线等方法虽然有所提及，但缺乏深入研究。所以，笔者以工程实践的可行性及技术的可靠性为前提，在试验的基础上以离水干燥灭杀法、高温水喷淋灭杀法、水中超声波灭杀法、水中电击灭杀法4种物理灭杀方法在工程实践中对沼蛤的灭杀效果及技术可行性进行探究。对于闸门、拦污栅等可脱离水体的建筑物，可采用离水干燥、高温水喷淋等方法去除沼蛤，而处于水中或不便于排水检修的建筑物可采用水中超声波、电流等灭杀法去除沼蛤。

2 材料与方法

2.1 样品采集与处理

沼蛤样品采集于长江中游汉江河口处，采集时间为夏季。采集时将沼蛤团簇整块剥离，装入采样盒中，并加适量河水，当天带回试验室后放入培养池中培养。

将试验备用沼蛤足丝剪短，分离成单个个体，放入纯水中培养1 d，挑选双壳张开呼吸且刺激后迅速闭合的活跃性较高个体进行试验。

2.2 试验方法

2.2.1 离水干燥灭杀试验

调查发现，沼蛤附着于涉水建筑物的水面附近，由于水位波动，常有大量沼蛤脱离水体裸露于空气中，但沼蛤并非脱离水体就马上死亡，而是存在一定的死亡缓冲时间。离水干燥灭杀沼蛤的方法就是利用其脱离水体死亡的特性，从而达到去除的目的。试验设置常温(28 ℃)及高温(44 ℃)2个温度条件，多个试验组在不同时间段分别观察沼蛤死亡率，试验环境湿度均为50%，在恒温箱中进行。28 ℃温度条件下设置13,25,48,72 h共4个时间梯度；44 ℃温度条件下设置1，3，5，8，10 h共5个时间梯度。每个时间梯度设置体长L=(10±2)mm和L=(20±2)mm的2组不同沼蛤体长的试验组，个体密度为20个/组，试验时将沼蛤个体放入烧杯中，避免个体之间堆叠依靠，待恒温箱温度稳定后放入装有沼蛤个体的烧杯并开始计时。每组在试验结束后加入适量纯水，8～12 h内监测沼蛤死亡率为u。死亡判断依据为：个体漂浮于水中或开壳但刺激后无闭壳行为；8～12 h无开壳行为的即为死亡。

2.2.2 高温水浴灭杀试验

在夏季高温天气，水面温度升高后，会有大量沼蛤因水温过高、水体溶解氧降低、组织结构破坏等因素死亡。高温水浴灭杀试验设置40，55，70，85 ℃ 4个温度梯度试验组，个体密度为20个/组，体长10 mm≤L≤20 mm。每组沼蛤在恒温水浴中接触高温水10 s后放入常温纯水中，其8～12 h内监测沼蛤死亡率为u。

2.2.3 超声波灭杀试验

超声波在液体中传导时对介质产生推动作用，使液体中压力变化而产生无数微小真空泡,当汽泡受压爆破时，就会产生强大的冲击能。作用于沼蛤幼虫及成贝时，能够破坏其细胞组织结构，从而将其杀死。超声波源采用KQ5200DE型超声波仪，功率为40 kHz。试验设置5 ,15 ,25 ,40 min共4个超声波作用时间梯度试验组，个体密度为20个/组，体长10 mm≤L≤20 mm。每组试验在500 mL烧杯中加适量纯水后置于功率为40kHz的超声波清洗仪中，达到设定时间后取出，将烧杯中的水换为纯水，其8～12 h内监测沼蛤死亡率为u。

2.2.4 电流灭杀试验

电流对沼蛤、鱼类等水生动物具有灭杀作用，试验探究不同强度的电压对沼蛤的灭杀效果。设置10，40，80 V 3个电压梯度，正负极距离均为20 cm，水量1 L，两电极之间的电压密度分别为0.5,2,4 V/cm。每个梯度设置体长L=(10±2)mm和L=(20±2)mm的2组不同体长的试验组，个体密度为20个/组。试验中沼蛤个体均匀排列在正负电极之间的直线上，个体间距为2 cm，电击时间为30 s。其电击后8～12 h内监测沼蛤死亡率为u。

3 结果与分析

3.1 离水干燥灭杀试验

图1(a)显示，环境温度为28 ℃时，体长L≈10 mm和L≈20 mm的试验组死亡率基本相同，均呈直线上升，48 h时死亡率接近80%，72 h时完全死亡，表明沼蛤在湿度为50%、温度为28 ℃的环境中离水干燥后的死亡时间为3 d。图1(b)显示，44 ℃的高温环境中，体长L≈10 mm的试验组个体在3 h内全部死亡；体长L≈20 mm的试验组死亡率呈直线上升趋势，8 h时达到90%，10 h时全部死亡。试验表明，体长较小的个体在高温离水干燥环境中较体长较大的个体容易死亡，不同体长的沼蛤在温度为44 ℃、湿度为50%的环境中全部死亡的时间为10 h。

图1 离水干燥不同环境温度条件下沼蛤死亡率与时间的关系

3.2 高温水浴灭杀试验

图2显示，在沼蛤接触高温水10 s后， 温度为40 ℃的水浴中死亡率为10%，但水浴温度达到或高于55 ℃时，死亡率均达到了100%。沼蛤在接触高温水后迅速死亡，内部组织结构与角质壳分离，双壳张开。

图2 高温水浴中沼蛤死亡率与水浴温度的关系

3.3 超声波灭杀试验

超声波灭杀试验采用功率为40 kHz的超声波清洗仪为超声波源，功率波动在10%以内。图3显示，超声波作用15 min时沼蛤死亡率为60%，作用40 min时死亡率为85%，沼蛤在超声波作用下死亡率与时间呈指数关系，相关性系数R2=0.968 3。

图3 超声波作用下沼蛤死亡率与时间的关系Fig.3 Limnoperna fortunei's mortality rates against time under ultrasonic wave

3.4 电流灭杀试验

不同电压强度下的作用时间均为30 s，由图4可知，正负电极之间的电压密度设为0.5 V/cm时，并未对沼蛤个体造成伤害；正负电极之间的电压密度设为2 V/cm时，体长L≈10 mm和L≈20 mm的试验组死亡率均达到20%；电压密度设为4 V/cm时，体长L≈20 mm的试验组死亡率略大于体长L≈10 mm的试验组，但均达到60%以上。

图4 电流作用下沼蛤死亡率与电压密度的关系Fig.4 Limnoperna fortunei’s mortality rates against electric current density

4 讨 论

沼蛤内部为软组织结构，在缺水条件下组织细胞极容易脱水死亡，而沼蛤的角质贝壳在其离开水体时起到了一定的保护自身水份的作用。但是，在离水干燥的过程中，沼蛤体内水份会逐渐散失，达到某一时间阀值后会迅速死亡。本试验目的在于通过试验的方式寻求这一时间阀值。P.V. Perepelizin等[15]研究指出，离水的斑马贻贝在环境温度为51 ℃的条件下30 min内死亡率可达到100%，斑马贻贝在水体温度大于42 ℃的水环境中死亡率达到100%的时间为1.8 h。沼蛤与斑马贻贝同属，试验表明，环境温度为28 ℃、湿度为50%的环境中，离水的沼蛤死亡率受体长影响较小，72 h可全部死亡；温度为44 ℃、湿度为50%的环境中，体长L≈10 mm的离水沼蛤全部死亡的时间为3 h，而体长L≈20 mm的个体死亡时间需10 h，表明体长较大的沼蛤在脱离水体的高温环境中的死亡时间比体长小的个体长。在沼蛤防治中，当水工建筑物排水检修时间>3 d、环境温度>28 ℃时就可使沼蛤大量死亡，如果环境温度>44 ℃时有效灭杀时间可缩短至10 h。

高温水浴灭杀法与离水干燥灭杀法的不同点是离水干燥法是利用组织细胞脱水死亡的特性，而高温水浴灭杀法是利用高温水体使组织细胞在高温环境下瞬间失活死亡的特性，离水干燥灭杀法成本低、操作简单，而高温水浴灭杀法高效快速，但需要高压水枪等施加设备。试验表明，当水浴水温≥55 ℃时，沼蛤接触高温水10 s死亡率即可达到100%。工程中，通过高压水枪对暴露于空气中的沼蛤喷射温度>55 ℃的水流，能够快速、有效地将其灭杀，对于水下附着的沼蛤团簇可采用局部靠近沼蛤喷射高温水流的方式灭杀。

R.Claudi等[16]研究表明，超声波能够有效灭杀贻贝幼虫、抑制沼蛤繁殖，但对于成贝的去除作用无明确的研究结果。原因在于超声波是将功率超声频源的声能转换成机械振动，使水等介质粒子产生振动，沼蛤幼虫由于其体积小，没有角质壳保护，易受到超声波产生的振动波及微小气泡破裂而导致损伤，但沼蛤成贝体积较大，又有角质壳保护，超声波对其破坏力有限。试验表明，在超声波作用下沼蛤死亡率与作用时间呈指数相关，40kHz功率下，作用40min时死亡率达到85%。虽然超声波灭杀成贝的效果有限，但对幼虫的灭杀效率较高，所以，超声波灭杀法依然是沼蛤综合防治中切实可行的防治方法。

电流与超声波均对沼蛤幼虫作用效果较好，但对成贝作用效果相对较弱[17]。当正负电极之间的电压密度为4V/cm时可灭杀60%以上的沼蛤成体，如提高灭杀效率只有增加单位水体的电压强度，但电流对水体中的其他生物亦有伤害，所以，电流灭杀法受到环境及施工工艺的限制。

本文讨论了4种物理去除沼蛤的方法，其中离水干燥法实施简单、效果较好，但受干燥时间、环境温度、建筑物类型等因素影响；高温水浴灭杀法是一种快速有效的灭杀方法，能够迅速灭杀结构面上附着的沼蛤团簇；超声波灭杀法和电流灭杀法针对沼蛤幼虫的灭杀效果较好，能够有效抑制其繁殖，但对成贝效果较差。通过试验表明，4种物理灭杀法都具有一定的实践及技术可行性，对于污损生物沼蛤的防治意义重大，但也存在一些不足，物理去除方法只能在短期内快速灭杀沼蛤，在沼蛤防治过程中，应重视物理去除方法与氧化试剂灭杀、环境控制、生物捕食与竞争、防护涂料[18]等其他防治措施结合，提高防治效率。

5 结 论

通过试验探讨了离水干燥、高温水浴、超声波及电流灭杀法的技术可行性及在实际工程中应用的优缺点，为沼蛤防治技术提供新的可行方案。结果表明：

(1) 离水干燥条件下沼蛤死亡时间的确定提高了离水干燥灭杀沼蛤的效率。试验得出，温度为28 ℃、湿度为50%的离水干燥环境中沼蛤死亡时间为3 d，环境温度为44 ℃时死亡时间为10 h。

(2) 高温水浴灭杀试验验证了高温水流喷淋灭杀法的快速、有效及可行性，水浴温度≥55 ℃时10 s内死亡率达到100%。

(3) 超声波灭杀法和电流灭杀法灭杀沼蛤幼虫效果较好，但对于成贝灭杀效率较低，虽然存在不足，但也是防治沼蛤污损的有效方法。当超声波功率为40 kHz、作用40 min时成贝死亡率为85%，电流灭杀的电压密度受电极距离影响较大，加载的电压密度为4 V/cm时灭杀率为60%，而大范围使用会对生态环境造成影响，只能在特定范围内使用。

沼蛤物理去除方法具有快速有效的特点，但同时也具有无法根治、不可持续等方面的不足，因此，要与其他沼蛤防治措施相结合，提高防治效率，达到持续可控的目的。

[1] 徐梦珍. 底栖动物沼蛤对输水通道的入侵及防治试验研究[D]. 北京: 清华大学, 2012.

[2]BRUGNOLI E, CLEMENTE J, BOCCARDI L,etal. Golden MusselLimnopernafortunei(Bivalvia: Mytilidae) Distribution in the Main Hydrographical Basins of Uruguay: Update and Predictions[J]. Anais Da Academia Brasileira De Ciencias, 2005, 77(2): 235-244.

[3]DARRIGRAN G,DAMBORENEA C,DRAGO E C,etal. Invasion Process ofLimnopernafortunei(Bivalvia: Mytilidae): The Case of Uruguay River and Emissaries of the Esteros del Iberá Wetland, Argentina[J]. Zoologia (Curitiba), 2012, 29(6): 531-539.

[4]RICCIARDI A. Global Range Expansion of the Asian MusselLimnopernafortunei(Mytilidae): Another Fouling Threat to Freshwater Systems[J]. Biofouling the Journal of Bioadhesion & Biofilm Research, 1998, 13(2): 97-106.

[5] MORTON B. Some Aspects of the Biology and Functional Morphology of the Organs of Feeding and Digestion ofLimnopernafortunei(Dunker) (Bivalvia: Mytilacea)[J]. Malacologia, 1973, 12(2):265-281.

[6]XU Meng-zhen. Distribution and Spread ofLimnopernafortuneiin China[M]∥Limnoperna Fortunei. Invading Nature: Springer Series in Invasion Ecology. DOI: 10.1007/978-3-319-13494-9_17.

[7] MORTON B. The Population Dynamics ofLimnopernafortunei(Dunker 1857) (Bivalvia : Mytilacea ) in Plover Cove Reservoir, Hong Kong[J]. Malacologia, 1977, 16(1):165-182.

[8] 叶宝民, 曹小武, 徐梦珍, 等. 沼蛤对长距离输水工程入侵调查研究[J]. 给水排水, 2011, 37(7):99-103.

[9] BOLTOVSKOY D, CATALDO D H. Population Dynamics ofLimnopernafortunei, an Invasive Fouling Mollusc, in the Lower Parana River (Argentina)[J]. Biofouling the Journal of Bioadhesion & Biofilm Research, 1999, 14(3): 255-263.

[10]JENNER H A, TAYLOR C J L, VAN DONK M,etal. Chlorination By-products in Chlorinated Cooling Water of Some European Coastal Power Stations[J]. Marine Environmental Research, 1997, 43(4): 279-293.

[11]李名进, 苏学敏. 长距离输水管涵贝类生长成因分析及防除对策[J]. 人民珠江, 2007, 28(3): 29-30,34.

[12]刘丽君, 尤作亮, 罗凤明,等. 封闭缺氧法杀灭和去除管道中的淡水壳菜研究[J]. 中国给水排水, 2006, 22(3):40-42.

[13]娄康后, 刘 健. 贻贝堵塞管道的防除研究[J]. 海洋与湖沼, 1958, 1(3): 316-324.

[14]罗凤明. 深圳市供水系统中淡水壳菜的生物学及其防治技术[D]. 南昌: 南昌大学, 2006.[15]PEREPELIZIN P V, BOLTOVSKOY D. Control ofLimnopernafortuneiFouling by Thermal Treatments[M]. Limnoperna Fortunei. Switzerland: Springer International Publishing, 2015:443-449.

[16]CLAUDI R, OLIVEIRA M D D. Chemical Strategies for the Control of the Golden Mussel (Limnopernafortunei) in Industrial Facilities[M]. Limnoperna Fortunei. Switzerland: Springer International Publishing, 2015:463-476.

[17]KATSUYAMA I, SATUITO C G, MAEDA T,etal. The Effect of DC-Pulse Electric Stimulus on the Swimming Behavior of Larvae of the Freshwater MusselLimnopernafortuneiin Flowing Water within a Pipe[J]. Sessile Organisms, 2005, 22: 1-5.

[18]李嘉祥, 汪在芹, 陈 亮, 等. 水利工程防生物污损涂层材料研究进展[J]. 长江科学院院报, 2016, 33(4):125-130.

(编辑：姜小兰)

Physical Methods of Removing Biofouling Limnoperna fortuneiin Hydraulic Engineering

WEI Xiao-xi1,2，LIU De-fu2，YANG Zheng-jian2，ZHANG Jia-lei2

(1.Hubei Provincial Water Resources and Hydropower Planning Survey and Design Institute, Wuhan 430064, China; 2.School of Civil Engineering and Environment, Hubei University of Technology, Wuhan 430068, China)

Hydraulic projects in south China often suffer from the biofouling hazards oflimnopernafortuneiwhich adheres to the surface of structures in high-density, changing the function of structure buildings and affecting the safe operation of hydraulic projects. Through researching the mortality characteristics oflimnopernafortuneiunder conditions of drying, high water temperature, ultrasound wave, and electric current, we discuss the feasibility of removinglimnopernafortuneiusing physical methods. Results revealed thatlimnopernafortunedied three days after being in dehydration condition at 28 ℃; and 10 hours in high temperature (44 ℃) ; when the water temperature is higher than 55 ℃,limnopernafortuneidied instantly contacting with water. Ultrasonic wave and high pressure electric current in water could also kill larva and adultlimnopernafortuneeffectively. Among the four methods, dehydration and high temperature are the most effective, while ultrasonic wave and electric current are of good prevention effect.

limnopernafortunei; biofouling; physical removing method; dehydrated and dried; high water temperature; ultrasonic wave; electric current

2015-08-31；

2015-10-25

国家重点基础研究发展计划(973)前期研究计划课题(2014CB460601)；科技部2014年国际科技合作与交流专项(2014DFE70070)

魏小熙(1989-)，男，甘肃天水人，硕士研究生，研究方向为生态水利，(电话)027-87272858(电子信箱)244896757@qq.com。

刘德富(1962-)，男，湖北枝江人，教授，博士生导师，主要从事水工结构工程、生态水利等方面的研究，(电话)027-88025454(电子信箱)dfliu@189.cn。

10.11988/ckyyb.20150730

2016,33(10):24-27,35

TV36

A

1001-5485(2016)10-0024-04