水王的技术改造及其应用于湖泊蓝藻治理中的研发与应用

崔家泰，杨帆，程叔鑫，李铁

（1.上海交通建设总承包有限公司，上海 200136；2.曜昂环境技术（江苏）有限公司，江苏 苏州 215000）

Watermaster，水王两栖式多功能环保挖泥船（以下简称“水王”），主要用于疏浚作业。2020 ～2021 年，在苏州市某湖泊使用水王开展湖泊生态岸线整治工作。在整治期间，湖泊水体发生过蓝藻水华污染现象。蓝藻水华危害很大，不仅会污染水体，产生腥臭味，大量消耗水中氧气造成鱼类死亡，同时藻类会分泌藻毒素，尤其是微囊藻毒素，更是会威胁到人类及湖泊生态系统安全；同时藻类大量繁殖导致水厂滤池堵塞，也增加了混凝剂和消毒剂的用量，提高了水厂的运营成本。为了解决蓝藻爆发造成的水体污染问题，通过采用纳米曝气技术、微生物菌剂除藻和化学除藻剂除藻技术，对水王进行了技术改造，使其具备蓝藻治理的功能，并应用于该湖泊蓝藻治理中，本文就水王的技术改造及应用作相应介绍及分析。

1 水王介绍

水王在水中及陆地上具有独特的机动性，可以完成疏浚作业、耙子作业、打桩作业等工作，作业深度可从旱地至水深6 米深度，可替代数台单功能设备。“水王”可以用来拓深浅水航道，防洪，清除外来入侵水生植物和垃圾，维护工业池塘以及水环境下的基础设施建设工程。水王两栖式多功能船拥有多种工作装置可供选择，不同工作装置之间的切换耗时仅需30min 左右。

水王技术改造的目的是在其原有功能的基础上，添加一定的附加装置，使其具有蓝藻治理的功能。由于水王体非常紧凑，没有放置蓝藻治理附加装置的空间，本技术改造是在船体两侧安装漂浮性支撑平台（以下简称“浮箱”），并将蓝藻治理附加装置安放在两侧的浮箱上。蓝藻治理附加装置主要包括纳米曝气装置、微生物菌剂添加装置、除藻药剂添加装置和湖泊水质在线监测装置。

2 除藻技术原理

目前，蓝藻调控去除方法很多，主要包括物理控藻方法、化学控藻方法、生物控藻方法等。物理控藻技术是指采用人工或者机械装置将藻类聚集或浓缩后移出水体来减少水中藻类数量的方法，以及通过物理手段将藻类直接杀死或者改变藻类主要生长因子来抑制藻类生长，从而达到控藻的目的；主要包括打捞除藻法、电磁场法、超声波法、遮光法等。

化学抑藻技术主要指向水体中投加化学药剂，通过氧化或者絮凝作用来直接杀死藻细胞或是藻细胞絮凝沉淀，达到控制藻类数量的目的。化学方法是目前我国在抑藻方面被使用较多、范围较广的一种方法，因为其具有见效快、范围广、操作简单、易控制等优点，但化学除藻需向水体中投放化学药剂，会产生二次污染，同时化学药剂不单会杀死藻类，也会对其他水生动植物造成不利影响。

生物法是通过水生动植物及微生物对藻类的竞争、化感、摄食等作用来控制藻类生物量，达到控藻的目的，具有环境友好、效率高、持续性、成本低等特点；目前，生物控藻方法主要分为水生植物法、水生动物法、微生物法。

本次技术改造的除藻技术方法主要采用纳米气泡曝气除藻、微生物菌剂除藻和化学除藻剂除藻。

2.1 纳米曝气的除蓝藻原理

纳米气泡发生器产生＜200nm 的纳微米气泡，比通常的气泡小100 万倍。纳米气泡由于体积非常的小没有自然浮力。与传统曝气不同，传统曝气系统使用上升的大气泡来诱导大气氧气在整个水柱中的循环和转移，纳米气泡会在水体内发生随机的布朗运动，在水体停留时间可以长达数天至数月，在水体中通过扩散充分传输，其对水体的充氧能力比传统曝气方法要高近8 万倍。对湖泊水体的高度充氧可以很有效地促进水体中微生物对营养成分的吸收利用，降低氮、磷等养分的浓度，从而抑制蓝藻的生长。

2.2 微生物菌剂除蓝藻原理

微生物在繁殖过程中也能够快速大量地吸收水体中的磷，通过向水体中投加微生物菌剂，微生物吸收氮、磷，与水中藻类争夺养分，抑制藻类的快速繁殖。有些种类的微生物菌剂也可以通过吞噬、分泌攻击蓝藻细胞的裂解酶等方式达到蓝藻去除效果。有些种类的微生物菌剂可以快速分解死亡的藻类，提高水体透明度。

2.3 化学除藻剂去除蓝藻原理

以铁为基础的水环境友好的除藻剂能够消除蓝藻及其生长所需的营养物质（例如，磷酸盐和硝酸盐），同时该产品对水蚤和鱼类等水生生物的毒性较低。

专利铁系除藻剂去除蓝藻主要通过以下几个机理：预防模式：去除蓝藻可利用的磷；破坏模式：氧化破坏蓝藻细胞；固定模式：能够将微囊藻毒素固定在无毒且对环境无害的氢氧化铁的大且带正电的表面上；物理模式：形成高度絮凝沉淀物，将被破坏的蓝藻生物质从水体中清除。

3 水王改造方案

根据采用的除藻技术方法，有针对性地对水王体进行相应改造，使其具有相应的除藻功能。其中左浮箱主要布置纳米曝气附加装置，右浮箱主要布置微生物菌剂添加装置和化学除藻药剂添加装置。

3.1 纳米曝气附加装置

通过水王自带的柴油驱动的液压水泵从湖泊中抽取湖水，通过一个三通将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进入纳米气泡发生器时，从纳米气泡发生器的进气管路吸入空气，与湖水混合后，通过多个平行的纳米气泡发生器，经过压力变化、高压高速旋切等作用，产生了纳米气泡，并排入湖水中。其中，在总管路和各支管路均配备了流量计和阀门，以便调控水泵和进入各支路纳米气泡发生器中的水流量。

3.2 微生物菌剂及化学除藻剂添加装置

通过三通分流至右浮箱的水流经过一个文丘里管件，文丘里管出口设有支管，分别与布置在右浮箱的微生物菌剂罐和化学除藻剂罐连接，水流可通过该支管用以对添加到罐体中的药剂的混合。

微生物菌剂在微生物菌剂罐中按一定比例与湖水在罐中搅拌混合，混合好的微生物菌剂液体通过罐体底部的排水管连接到文丘里管的负压部分，被吸入文丘里管道中，与湖水充分混合后，通过多个支管喷洒到蓝藻控制区域的水面。

化学除藻剂在化学除藻剂罐中按一定比例与湖水在罐中搅拌混合，混合好的化学除藻剂液体通过罐体底部的排水管连接到文丘里管的负压部分，被吸入文丘里管道中，与湖水充分混合后，通过多个支流管添加到蓝藻控制区域的水面以下。

4 运营治理效果分析

水王技术改造完成后，在苏州某湖泊示范区开展蓝藻治理，湖泊示范区面积约20000m2。蓝藻治理于2022年7 月28 日，并于2022 年10 月12 日结束，累计运行77 日。运营期水王每日在示范区范围内均开展纳米气泡曝气，曝气量约220m3/h, 运营期累计添加80kg 除藻菌剂、40kg 溶藻菌剂、65kg 清污菌剂和50kg 化学除藻剂。整个治理运营起，共计采样6 次，具体采样日期、采样位置及数量、检测指标见表1。

表1 治理运营期湖水采样检测情况统计表

对各次采集的水样进行检测，并对检测结果进行分析和讨论。对示范区内每次采集的3 个水样的检测结果值取平均值，水质检测结果分别见图1、2。

图1 示范区水样总氮、总磷、氨氮、高锰酸盐指数检测结果

图2 示范区水样藻密度检测结果

8 月24 日、9 月1 日、9 月28 日示范区内外水质藻密度平均值对比图如图3 所示。

图3 示范区内外水质藻密度对比

由图1 可知，从8 月3 日和8 月15 日两次数据结果对比来看，第二次水质结果氨氮有明显下降，而氨氮是蓝藻生产繁殖所需的营养素，氨氮的降低说明通过纳米气泡曝气和加药，对蓝藻治理起到了初步的效果。

8 月24 日，第三次水质检测结果整体略差于第二次，分析原因是因为8 月15 日之后示范区区域下了两场雨，周边面源中的氮磷等养分会随着雨水进入水体，雨水过后现场又持续高温，这又为蓝藻快速生长创造了有利条件。

但8 月24 日示范区内水质数据同示范区外围数据相比，明显优于外围，特别是反映水体蓝藻情况的藻密度指标，示范区内水样藻密度平均约为1844 万个/L，远低于示范区外围7757 万个/L。这说明虽然受天气影响，水质整体变差，但经过这段时间加药和纳米气泡曝气的运营治理，示范区水质蓝藻还是得到了非常有效的治理，同时也说明蓝藻治理是一个持续性的工程。

9 月1 日，第四次示范区内水质检测结果除高锰酸盐指数略高于第三次的结果外，其余整体与上次示范区内检测结果差不多。而示范区外的水质检测结果，整体差于前次示范区外的结果，特别是藻密度，示范区外达到了19012 万个/L，明显高于第三次示范区外的7757万个/L。外围之所以藻密度升高，分析原因，是因为这段时间阴雨天较多，周边面源中的氮磷等养分随着雨水进入水体，为蓝藻快速生长创造了有利条件。而示范区内水质与上次基本持平的原因是，这段时间在持续进行纳米气泡曝气的同时，添加了一次铁系除藻剂，对蓝藻起到了抑制和杀除的作用。

由9 月28 日第五次水质结果和10 月12 日第六次水质结果可知，水质常规指标高锰酸盐指数、总氮、总磷、氨氮基本均维持在较低水平，均满足《地表水环境质量标准》（GB3838-2002）Ⅳ类水标准的要求。

从水质藻密度结果看，第五次和第六次水质藻密度平均值分别为379 万个/L 和209 万个/L，示范区内水样检测结果已全面达到1000 万个/L 以下，根据《水华遥感与地面监测评价技术规范（试行）》（HJ1098-2020）中的分级标准，表明已无明显水华现象，说明经过这段时间对示范区的治理，水质得到了明显改善。

5 结语

通过对水王的技术改造，使其具备了蓝藻治理的功能，并将其应用于苏州某湖泊蓝藻治理中。通过对该湖泊的治理，采用技术改造后的水王，凭借其具有的纳米气泡曝气功能、微生物菌剂除藻功能和铁系除藻剂除藻功能，可对湖泊水体中的蓝藻进行有效治理，经过77天的治理，治理区水质平均藻密度由1937 万个/L 降到209 万个/L。同时，也要看到蓝藻治理受天气影响较大，且湖泊水体的蓝藻治理是一个长期的过程。

由于水王本身较笨重，水上运输并不轻便，且其动力主要来自柴油，并不环保。建议后期针对水体蓝藻治理，开发专门的蓝藻治理电动船，以充分发挥其治理蓝藻的效能。