漂浮式蓝藻收集机的设计与应用

林京龙 边森 陈占雄 刘光赫 王文重(北京化工大学，北京 100029)

0 引言

随着经济社会的高速发展，水污染现象越来越严重，导致蓝藻大量繁殖，各个水域都出现蓝藻水华现象。蓝藻水华现象可造成水体富营养化、水体生物多样性降低、且造成水缺氧，水质变坏。在一些营养比较丰富的水体里，有的蓝藻在夏季大量繁衍，同时在水体表面形成一层蓝绿色且有腥臭的泡沫，称其为“水华”，大规模的蓝藻繁衍，称之为“绿潮”(和红色的赤潮对应，以颜色命名)。绿潮会造成水质急剧恶化，并使鱼类缺氧而死亡。更严重的是，微囊藻等藻类还会产生毒素MC，绿潮中一般都含有MC。MC除了可以对鱼类、人畜产生毒害之外，还是肝癌、肺癌的重要诱因。MC还比较耐热，在高温下不易分解，但是可以被活性C吸附，因此可以用活性C净水器对被污染水源进行吸附净化。含磷洗衣粉以磷酸盐作为主要助剂，磷酸盐虽然是高效的助洗剂，但也是蓝藻的助长剂，水中的磷含量升高，使水体富营养化，从而导致藻类及水草大量滋生。据有关部门统计，目前我国洗涤用品仅洗衣粉一项的年产量就有350万吨，若将洗衣粉中磷酸盐的中值含量按15%计算，每年度就有超过50万吨含磷化合物排放到地表水体中，而1g磷就可使藻类生长100克。环保科研部门的调查资料显示，因含磷过多，我国湖泊及城市地下水系几乎都处于富营养化状态，生长着大量的蓝藻，水质严重恶化，许多水域的水难以饮用。

1 除藻方法

常见的除藻方法包括化学法、生物法、物理法。

1.1 化学法

化学法是在污染湖泊中投放化学药剂，加入碱金属如Ca、Ba的离子与水藻结合[1]，抑制水藻的生物化学活性。化学法会造成试剂二次污染，同时絮凝剂会增大污泥量，造成人工操作处理费用的增加。

1.2 生物法

生物法是在污染湖泊中投菌剂，分解水体中的有机物，减轻水体的富营养化程度，或建立一个良好的生态系统，保持湖泊的稳定。生物处理法工作量大，主要以湖泊的长期治理为主，不宜作为应急处理。

1.3 物理法

物理法主要有曝气增氧法，围堰捕捞法，人工打捞法，机械打捞法。其中，机械打捞法处理量大，工作效率高，成本较低，可以快速有效地控制蓝藻爆发，而且打捞上来的水藻可以用作厌氧发酵等工艺的原料或作为饲料，实现废物利用。

2 国内机械捕捞船研究应用现状

随着人工成本的增大，水藻机械打捞技术越来越受到重视。目前国内比较先进的机械打捞技术包括水面漂浮物拦截、履带式多功能环保船、以及水藻抓斗装置。我国的除蓝藻技术发展于20世纪90年代，在“九五”期间研制出第一艘捞藻船“太湖一号”，该船既能够实现收集，还能够实现分离；2007年后，我国的蓝藻收集逐渐向自动化、机械化方向发展。我国相关部门研制的吸取-分离型蓝藻打捞船，能够适应不同浓度蓝藻的水域湖泊。综合型捞藻船集采集装置－分离装置－减容干化装置于一体，具有分离效率较高、过滤量较大、高效浓缩、现场减容、连续作业等特点。分离型的捞藻船含有双体船以及倾斜式旋转筛，既可以扩大蓝藻清扫面积，还能减少水的阻力以形成较高速度的流道，从而提高清扫效率。吸取型的捞藻船也含有双体船装置，同时含泥浆泵和固定架，但是其中的泥浆泵处在双体船上，打捞出的蓝藻含水率低，只适用于对湖面上的蓝藻进行打捞。黄福艇等[2]发明的新型蓝藻捕集船一般包括船体单元、捕藻单元、脱藻单元、储藻单元、检测单元和供能单元，为我们进行漂浮式蓝藻收集机的设计提供了方向，如图1所示。

图1 黄福艇蓝藻捕集船

3 漂浮式水藻收集机的设计

本着高效化，智能化的原则，我们设计了一种漂浮式水藻收集机，如图2所示。

图2 漂浮式蓝藻收集机

3.1 设计思路

由实际应用场所可知，所设计的设备应具有下列两个特性：(1)满足在水深2～4m的工作水域内进行工作。(2)运行简单，经济适用性强。该水藻收集机主要结构包括船体、收集装置、水泵、过滤管道、磁分离器、压滤机、排水管。由收集装置收集藻水，通过水泵加压进入过滤管道初步脱水进入加药池，投放磁捕剂，经过藻水分离装置(磁分离器)，后进行磁种分离，分离出来的磁种循环利用，经过压滤机进一步减容将藻泥压缩成藻饼，进入储藻池。收集装置、水泵、过滤管道、磁分离器、压滤机、排水管等，动力由发动机提供，且以太阳能为辅助能源。

3.2 主要设备介绍

3.2.1 收集装置

由集水器、支撑架、集水板组成。蓝藻的粒径一般为2～5μm，具有一定的粘度。支撑架与集水板富集围捕藻水，藻水进入到V型集水槽，通过水泵对其加压，直接将藻水抽吸进入管道。支撑架采用Q235钢，该材料的成型能力较好，且价格不高，实用性能好，性价比高，故使用Q235钢作为支撑架的材料[3]。支撑架固定集水板，在抽吸藻水时防止水流流速过大，导致集水板出现偏移，影响效率。同时，在水流的冲击力下，集水板与支撑架还能有一定的角度摆动，提高吸水效率[4]。

3.2.2 过滤管道

由骨架、过滤布组成管道，其中滤布采用纱布进行粗滤，且同时设有化工生产中的微滤膜，进行高程度的分离。骨架采用钛金属管，减少了腐蚀，同时减轻了船体本身的重量。同时通过弯曲和缠绕来布置过滤管道，大大增加过滤面积。在过滤管道之间设分隔及固定架，空出滤液通道[5]。

3.2.3 压滤机

在藻水经过过滤管道后，藻水分离，但蓝藻中还含有许多水分，需要压滤机将蓝藻再度进行脱水，减小其体积，增加水藻收集机的工作时间。压滤机通过利用压力泵将蓝藻压入相邻两滤板形成的密闭室中，使藻水渗析出来，实现固液分离的效果。其中滤板材质采用不锈钢材质如Ni等，防止其被水体腐蚀。由于水藻收集机的体积会限制压滤机，因此压滤采用机械压紧的方式。

3.2.4 水泵

通过泵轴上的叶轮旋转，叶片与被输送液体发生力的作用，使液体获得能量，进而输送液体。由于水泵放置在收集机上，故水泵采用离心式，离心式多用于卧式泵，更适用于水面工作。

3.2.5 磁捕系统

藻水在线分离磁捕技术是中科院合肥物质所发明的新技术，由磁捕平台和磁捕剂两个部分组成，它们的定义如下：磁捕平台是藻水磁力分离的工作平台。磁捕剂是指以凹凸棒土等几种矿物质材料与“磁种”复配，通过物理化学改性制成的磁性絮凝剂。

磁凝聚是基于水藻的加种性，赋予水藻很强的磁性，具体做法是：将磁捕剂投入藻水中，通过分子间的亲和性，使藻水中的藻细胞和其他um级离子相结合，形成磁聚集体，磁聚集体在水力学过程中不断长大，流经磁分离器时被磁场吸引，从而实现藻水分离的目的。

4 对蓝藻收集机的未来展望

未来蓝藻收集机将会向智能化、机械化发展，随着自动控制技术的不断革新。在不久的将来，完全机械传动的收集机将会代替人工操作。另外，未来的除藻方式会更偏向于生物除藻-机械除藻结合的方式，先在水体中进行生物养殖或添加生物试剂，对水体进行除P和除N，也就是经过硝化和脱氮作用后，使得水藻软化，而后再进行机械除藻。