漂浮式藍(lán)藻收集機(jī)的設(shè)計與應(yīng)用

林京龍 邊森 陳占雄 劉光赫 王文重(北京化工大學(xué)，北京 100029)

0 引言

隨著經(jīng)濟(jì)社會的高速發(fā)展，水污染現(xiàn)象越來越嚴(yán)重，導(dǎo)致藍(lán)藻大量繁殖，各個水域都出現(xiàn)藍(lán)藻水華現(xiàn)象。藍(lán)藻水華現(xiàn)象可造成水體富營養(yǎng)化、水體生物多樣性降低、且造成水缺氧，水質(zhì)變壞。在一些營養(yǎng)比較豐富的水體里，有的藍(lán)藻在夏季大量繁衍，同時在水體表面形成一層藍(lán)綠色且有腥臭的泡沫，稱其為“水華”，大規(guī)模的藍(lán)藻繁衍，稱之為“綠潮”(和紅色的赤潮對應(yīng)，以顏色命名)。綠潮會造成水質(zhì)急劇惡化，并使魚類缺氧而死亡。更嚴(yán)重的是，微囊藻等藻類還會產(chǎn)生毒素MC，綠潮中一般都含有MC。MC除了可以對魚類、人畜產(chǎn)生毒害之外，還是肝癌、肺癌的重要誘因。MC還比較耐熱，在高溫下不易分解，但是可以被活性C吸附，因此可以用活性C凈水器對被污染水源進(jìn)行吸附凈化。含磷洗衣粉以磷酸鹽作為主要助劑，磷酸鹽雖然是高效的助洗劑，但也是藍(lán)藻的助長劑，水中的磷含量升高，使水體富營養(yǎng)化，從而導(dǎo)致藻類及水草大量滋生。據(jù)有關(guān)部門統(tǒng)計，目前我國洗滌用品僅洗衣粉一項的年產(chǎn)量就有350萬噸，若將洗衣粉中磷酸鹽的中值含量按15%計算，每年度就有超過50萬噸含磷化合物排放到地表水體中，而1g磷就可使藻類生長100克。環(huán)?？蒲胁块T的調(diào)查資料顯示，因含磷過多，我國湖泊及城市地下水系幾乎都處于富營養(yǎng)化狀態(tài)，生長著大量的藍(lán)藻，水質(zhì)嚴(yán)重惡化，許多水域的水難以飲用。

1 除藻方法

常見的除藻方法包括化學(xué)法、生物法、物理法。

1.1 化學(xué)法

化學(xué)法是在污染湖泊中投放化學(xué)藥劑，加入堿金屬如Ca、Ba的離子與水藻結(jié)合[1]，抑制水藻的生物化學(xué)活性?；瘜W(xué)法會造成試劑二次污染，同時絮凝劑會增大污泥量，造成人工操作處理費用的增加。

1.2 生物法

生物法是在污染湖泊中投菌劑，分解水體中的有機(jī)物，減輕水體的富營養(yǎng)化程度，或建立一個良好的生態(tài)系統(tǒng)，保持湖泊的穩(wěn)定。生物處理法工作量大，主要以湖泊的長期治理為主，不宜作為應(yīng)急處理。

1.3 物理法

物理法主要有曝氣增氧法，圍堰捕撈法，人工打撈法，機(jī)械打撈法。其中，機(jī)械打撈法處理量大，工作效率高，成本較低，可以快速有效地控制藍(lán)藻爆發(fā)，而且打撈上來的水藻可以用作厭氧發(fā)酵等工藝的原料或作為飼料，實現(xiàn)廢物利用。

2 國內(nèi)機(jī)械捕撈船研究應(yīng)用現(xiàn)狀

隨著人工成本的增大，水藻機(jī)械打撈技術(shù)越來越受到重視。目前國內(nèi)比較先進(jìn)的機(jī)械打撈技術(shù)包括水面漂浮物攔截、履帶式多功能環(huán)保船、以及水藻抓斗裝置。我國的除藍(lán)藻技術(shù)發(fā)展于20世紀(jì)90年代，在“九五”期間研制出第一艘撈藻船“太湖一號”，該船既能夠?qū)崿F(xiàn)收集，還能夠?qū)崿F(xiàn)分離；2007年后，我國的藍(lán)藻收集逐漸向自動化、機(jī)械化方向發(fā)展。我國相關(guān)部門研制的吸取-分離型藍(lán)藻打撈船，能夠適應(yīng)不同濃度藍(lán)藻的水域湖泊。綜合型撈藻船集采集裝置－分離裝置－減容干化裝置于一體，具有分離效率較高、過濾量較大、高效濃縮、現(xiàn)場減容、連續(xù)作業(yè)等特點。分離型的撈藻船含有雙體船以及傾斜式旋轉(zhuǎn)篩，既可以擴(kuò)大藍(lán)藻清掃面積，還能減少水的阻力以形成較高速度的流道，從而提高清掃效率。吸取型的撈藻船也含有雙體船裝置，同時含泥漿泵和固定架，但是其中的泥漿泵處在雙體船上，打撈出的藍(lán)藻含水率低，只適用于對湖面上的藍(lán)藻進(jìn)行打撈。黃福艇等[2]發(fā)明的新型藍(lán)藻捕集船一般包括船體單元、捕藻單元、脫藻單元、儲藻單元、檢測單元和供能單元，為我們進(jìn)行漂浮式藍(lán)藻收集機(jī)的設(shè)計提供了方向，如圖1所示。

圖1 黃福艇藍(lán)藻捕集船

3 漂浮式水藻收集機(jī)的設(shè)計

本著高效化，智能化的原則，我們設(shè)計了一種漂浮式水藻收集機(jī)，如圖2所示。

圖2 漂浮式藍(lán)藻收集機(jī)

3.1 設(shè)計思路

由實際應(yīng)用場所可知，所設(shè)計的設(shè)備應(yīng)具有下列兩個特性：(1)滿足在水深2～4m的工作水域內(nèi)進(jìn)行工作。(2)運行簡單，經(jīng)濟(jì)適用性強(qiáng)。該水藻收集機(jī)主要結(jié)構(gòu)包括船體、收集裝置、水泵、過濾管道、磁分離器、壓濾機(jī)、排水管。由收集裝置收集藻水，通過水泵加壓進(jìn)入過濾管道初步脫水進(jìn)入加藥池，投放磁捕劑，經(jīng)過藻水分離裝置(磁分離器)，后進(jìn)行磁種分離，分離出來的磁種循環(huán)利用，經(jīng)過壓濾機(jī)進(jìn)一步減容將藻泥壓縮成藻餅，進(jìn)入儲藻池。收集裝置、水泵、過濾管道、磁分離器、壓濾機(jī)、排水管等，動力由發(fā)動機(jī)提供，且以太陽能為輔助能源。

3.2 主要設(shè)備介紹

3.2.1 收集裝置

由集水器、支撐架、集水板組成。藍(lán)藻的粒徑一般為2～5μm，具有一定的粘度。支撐架與集水板富集圍捕藻水，藻水進(jìn)入到V型集水槽，通過水泵對其加壓，直接將藻水抽吸進(jìn)入管道。支撐架采用Q235鋼，該材料的成型能力較好，且價格不高，實用性能好，性價比高，故使用Q235鋼作為支撐架的材料[3]。支撐架固定集水板，在抽吸藻水時防止水流流速過大，導(dǎo)致集水板出現(xiàn)偏移，影響效率。同時，在水流的沖擊力下，集水板與支撐架還能有一定的角度擺動，提高吸水效率[4]。

3.2.2 過濾管道

由骨架、過濾布組成管道，其中濾布采用紗布進(jìn)行粗濾，且同時設(shè)有化工生產(chǎn)中的微濾膜，進(jìn)行高程度的分離。骨架采用鈦金屬管，減少了腐蝕，同時減輕了船體本身的重量。同時通過彎曲和纏繞來布置過濾管道，大大增加過濾面積。在過濾管道之間設(shè)分隔及固定架，空出濾液通道[5]。

3.2.3 壓濾機(jī)

在藻水經(jīng)過過濾管道后，藻水分離，但藍(lán)藻中還含有許多水分，需要壓濾機(jī)將藍(lán)藻再度進(jìn)行脫水，減小其體積，增加水藻收集機(jī)的工作時間。壓濾機(jī)通過利用壓力泵將藍(lán)藻壓入相鄰兩濾板形成的密閉室中，使藻水滲析出來，實現(xiàn)固液分離的效果。其中濾板材質(zhì)采用不銹鋼材質(zhì)如Ni等，防止其被水體腐蝕。由于水藻收集機(jī)的體積會限制壓濾機(jī)，因此壓濾采用機(jī)械壓緊的方式。

3.2.4 水泵

通過泵軸上的葉輪旋轉(zhuǎn)，葉片與被輸送液體發(fā)生力的作用，使液體獲得能量，進(jìn)而輸送液體。由于水泵放置在收集機(jī)上，故水泵采用離心式，離心式多用于臥式泵，更適用于水面工作。

3.2.5 磁捕系統(tǒng)

藻水在線分離磁捕技術(shù)是中科院合肥物質(zhì)所發(fā)明的新技術(shù)，由磁捕平臺和磁捕劑兩個部分組成，它們的定義如下：磁捕平臺是藻水磁力分離的工作平臺。磁捕劑是指以凹凸棒土等幾種礦物質(zhì)材料與“磁種”復(fù)配，通過物理化學(xué)改性制成的磁性絮凝劑。

磁凝聚是基于水藻的加種性，賦予水藻很強(qiáng)的磁性，具體做法是：將磁捕劑投入藻水中，通過分子間的親和性，使藻水中的藻細(xì)胞和其他um級離子相結(jié)合，形成磁聚集體，磁聚集體在水力學(xué)過程中不斷長大，流經(jīng)磁分離器時被磁場吸引，從而實現(xiàn)藻水分離的目的。

4 對藍(lán)藻收集機(jī)的未來展望

未來藍(lán)藻收集機(jī)將會向智能化、機(jī)械化發(fā)展，隨著自動控制技術(shù)的不斷革新。在不久的將來，完全機(jī)械傳動的收集機(jī)將會代替人工操作。另外，未來的除藻方式會更偏向于生物除藻-機(jī)械除藻結(jié)合的方式，先在水體中進(jìn)行生物養(yǎng)殖或添加生物試劑，對水體進(jìn)行除P和除N，也就是經(jīng)過硝化和脫氮作用后，使得水藻軟化，而后再進(jìn)行機(jī)械除藻。