CN109502703B - 一种对底泥种源蓝藻复苏的抑制方法及装置 - Google Patents

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Abstract

本发明提供一种对底泥种源蓝藻复苏的抑制方法，包括如下步骤：定位：于蓝藻越冬期和复苏前期，分析检测浅水湖泊底泥是否含有“种源”蓝藻，从而选定作用区域；微电流电解：将微电流电解单元连接的电极板直接插入0‑4cm的底泥层中，针对底泥中处于越冬期和复苏前期的蓝藻“种源”进行原位抑制，以控制蓝藻复苏向含“种源”蓝藻的浅水湖泊底泥通微电流；微纳米曝气：对微电流电解单元的电极板周边使用微纳米曝气单元进行微纳米曝气。本发明还提供一种对底泥种源蓝藻复苏的抑制装置。本发明以微电流电解技术为主，辅以微纳米曝气技术，抑制越冬期和复苏前期蓝藻生长，以实现预防蓝藻水华的目的。

Description

一种对底泥种源蓝藻复苏的抑制方法及装置
技术领域
本发明涉及水环境净化领域，具体是一种对底泥种源蓝藻复苏的抑制方法及装置。
背景技术
我国蓝藻水华发生以浅水湖泊最为普遍。长江中下游地区是我国浅水湖泊集中区，多数湖泊平均水深仅2m，也是世界上蓝藻水华最严重的地区之一。水体蓝藻细胞的大量繁殖严重影响水环境质量，引发饮用水安全问题，并降低水体自我净化能力，破坏水生生态系统平衡。控制湖泊蓝藻水华爆发一直是水环境治理的焦点。
在四季分明、扰动剧烈的长江中下游浅水湖泊中，蓝藻生长与水华形成大体可分为下沉和越冬休眠、春季复苏、生长繁殖、聚集上浮形成水华四个阶段，其中越冬期在底泥表层休眠的蓝藻可谓其水中的“种源”。它们在春季开始复苏，能够迁移到水中迅速繁殖，并最终形成水华。蓝藻主要集中在浅水湖泊底泥4cm内的表层休眠。对太湖藻型湖区底泥的研究发现，泥-水界面表层0-4cm泥柱的含水率为45-75％，通常为高含水的泥水混合状态。
治理河湖水体中蓝藻水华的技术很多，如物理/化学絮凝沉淀、杀藻剂、溶藻微生物等。然而，由于浅水湖泊“种源”蓝藻在水体和底泥中均会存在，当前的技术应用对象重点几乎都是针对水体中的藻类，很难作用到底泥中的“种源”蓝藻。仅研究水体中蓝藻抑制技术远不能满足要求，还需研究底泥中蓝藻抑制的技术手段。
在发明名称为“蓝藻的休眠期去除方法及其设备”的中国专利(专利号：200810244179.X)中，公布了一种蓝藻的休眠期去除方法及其设备，该发明通过泵筒吸取水-泥界面处的底泥，分离其中的休眠期蓝藻藻体与死亡藻体，并将分离出的粘土矿物和水返回湖体，证明了对底泥休眠期蓝藻的去除可减轻水体中蓝藻水华爆发风险。然而，该发明对湖体底泥生态系统扰动破坏大，治理成本高，而且容易在作用过程中造成二次污染。
在发明名称为“一种利用微电流杀藻净化水体的方法及应用”的中国专利(专利号：201210032745.7)中，公布了一种将两电极放置于水体中，通直流电杀藻净化水体的方法。该方法专门针对水体藻类污染进行处理，无法应用于底泥中种源藻类的治理。
在发明名称为“抑制种源藻类复苏生长的污染底泥生态覆盖毯及应用方法”的中国专利(申请号：201610018155.7)中，公布了一种抑制种源藻类复苏生长的污染底泥生态覆盖毯。该发明以生态覆盖毯的形式构建了一个以物理吸附和植物、微生物的代谢作用为主体的底泥污染治理综合平台，主要对底泥中的氮磷、重金属污染进行治理，该生态覆盖毯的四周设置了电极等电解装置。但电解装置只是其中极小的一部分，且基本只能发挥电解的直接抑藻作用，对于该抑藻技术更重要的间接作用很难发挥。此外该装置作用于藻类休眠体的同时也作用于上覆水体藻细胞，作用对象针对性不明显。装置使用时仅能利用覆盖毯边缘电极对其铺设的既定污染底泥区域进行抑藻，作用面积与微电流作用强度均会受生态覆盖毯设计与使用范围方面的限制，使用针对性与灵活性均不够。考虑到该装置植物修复技术中植物生长的需要，该装置发挥效益的时间往往集中在春夏两季，无法对底泥中处于越冬期和复苏前期的“种源”蓝藻进行治理。
在发明名称为“封闭水域大型移动式水质净化系统”的中国专利(专利号：201110308276.2)中，公布了一种封闭水域大型移动式水质净化系统，该系统上设有过滤单元、吸附单元、微电流电解离子释放单元、曝气单元等水质处理装置，通过各个水质处理单元与水域水体的直接接触，对水体中包括藻类在内的污染物进行处理。虽然该装置也利用了微电流电解与微纳米曝气的作用，但这两项技术是独立设计、分开运行的，分别针对不同的对象进行处理，也未考虑这两项技术的协同和耦合作用。且该发明设计只满足于水体中藻类的治理需求，无法应用于底泥中种源藻类的治理。
在发明名称为“吸附-电解-曝气协同一体化处理富营养化水体的装置”的中国专利(专利号：201510464692.x)中，公布了一种处理水体中氮磷和藻类的装置，包括可移动漂浮平台及微孔曝气装置、微电流电解单元、吸附装置。该方法是主要针对水体中的氮磷和藻类进行处理，无法应用于底泥中种源藻类的治理。该方法中使用的微孔曝气技术所产生的是常规的毫米级气泡，这类气泡在水体中存在时间较短，所能发挥的作用有限；且其在水中产生后，很容易迅速上浮至水体表面，无法在水体中稳定存在。
微电流电解技术采用微小电流电解释放活性物质，对藻类进行杀灭和抑制。该技术抑藻效果高，作用持久，环境友好。电化学技术应用于土壤微生物的杀灭早有研究，当电流被加到微生物两极时，会对微生物产生刺激、电极效应则对微生物产生毒性、而电解改变细胞表面的物理化学特性将导致微生物生长受限或死亡。蓝藻也是细菌的一种，对底泥中的蓝藻采用电解进行通电处理，通过设置适当的电化学参数，可对底泥中的蓝藻进行杀灭和抑制。
此外，当采用多孔碳等材料作为微电流电解的阴极材料，且阴极附近含较高浓度溶解氧时，仅需较小的电流密度(低至1mA/cm2)微电流电解就可产生对蓝藻具有选择性抑制作用的活性物质H2O2。而浅水湖泊泥-水界面溶解氧含量通常较低，常规的微孔曝气等手段仅能提供毫米级的气泡，这类气泡在水体中存在时间短，很容易上浮至水体表面，无法在泥-水界面稳定存在。因此，需要采用更有效的曝气手段才能提供足够的溶解氧。
本申请的发明人在实现本发明的过程中经过研究发现：越冬期和复苏前期是蓝藻生长的瓶颈期，此时蓝藻主要集中在浅水湖泊底泥表层休眠，藻生物量最低，分布范围最小，在该时期实施防控措施，将大大降低“种源”蓝藻的复苏量及水华发生强度，提高蓝藻水华防控效率，降低防控成本。因此，需研发可有效抑制越冬期和复苏前期底泥中“种源”蓝藻的方法与技术，以达到全面有效防治水华的目的。
微纳米曝气是一种新型的曝气手段，可产生直径在数十微米和数十纳米间的微纳米气泡。微纳米气泡可快速溶解于水中，不受温度和压力等外部条件限制，具有很强的滞留性和扩散性，且其上升作用弱，可在浅水湖泊泥-水界面稳定地持续存在。若采用多孔碳做阴极，结合微纳米曝气手段，使微电流电解系统在低电压和低电流条件下，产生对蓝藻具有选择性抑制效果的H2O2，既可有效抑制底泥蓝藻复苏，又可减轻对其它水生生物的影响，实现微电流电解对底泥蓝藻复苏的选择性抑制。因此，本申请的发明人经过研究发现：若采用微纳米曝气协同微电流电解技术，可以通过微电流电解的直接通电氧化作用，以及微纳米曝气协同微电流电解产生对蓝藻具有选择性抑制作用的活性物质的间接氧化作用，共同实现对底泥中种源蓝藻的杀灭和抑制，达到对水华标本兼治的目的。
发明内容
本发明的目的在于弥补早期蓝藻水华预防发生技术研究的不足，以微电流电解技术为主，辅以微纳米曝气技术，提出一种微纳米曝气协同微电流电解技术对底泥种源蓝藻复苏的抑制方法及装置，抑制越冬期和复苏前期蓝藻生长，以实现预防蓝藻水华的目的。
一种对底泥种源蓝藻复苏的抑制方法，包括如下步骤：
定位：于蓝藻越冬期和复苏前期，分析检测浅水湖泊底泥是否含有“种源”蓝藻，从而选定作用区域；
微电流电解：将微电流电解单元连接的电极板直接插入0-4cm的底泥层中，针对底泥中处于越冬期和复苏前期的蓝藻“种源”进行原位抑制，以控制蓝藻复苏向含“种源”蓝藻的浅水湖泊底泥通微电流；
微纳米曝气：对微电流电解单元的电极板周边使用微纳米曝气单元进行微纳米曝气。
进一步的，微电流电解单元的电极板中的阴极采用多孔碳材料，通过微纳米曝气单元向微电流电解单元的阴极通入微米级和纳米级尺寸的O2，这类气泡在泥水界面的存在时间较长，可持续存在并发挥作用，从而稳定增加电极周边泥水界面的溶解氧含量，使微电流电解单元在低电压和低电流条件下，产生更多的对蓝藻有选择性抑制效果的活性物质H2O2，大幅提升微电流电解抑制“种源”蓝藻生长的效率。
进一步的，微电流电解单元的电极板中的阳极为钌钛阳极或石墨阳极。
一种对底泥种源蓝藻复苏的抑制装置，包括水质净化控制单元、与水质净化控制单元连接的微纳米曝气单元、微电流电解单元，所述水质净化控制单元用于发出指令对微纳米曝气单元、微电流电解单元进行启动，并调控微纳米曝气单元的曝气强度以及微电流电解单元的电化学参数，所述微纳米曝气单元置于微电流电解单元所配备的电极板附近，微纳米曝气单元的曝气探头置于浅水湖泊泥-水界面的水相中，向底泥阴极通入微米级和纳米级O2，所述微电流电解单元中的电极板插入浅水湖泊泥-水界面的底泥0-4cm深处，电极板的阴极周边微纳米级溶解氧气泡在微电流电解系统作用下产生对蓝藻具有选择性杀灭和抑制效果的H2O2。
进一步的，还包括与水质净化控制单元连接的太阳能电板，水质净化控制单元、微纳米曝气单元和微电流电解单元均由太阳能电板供电。
进一步的，微电流电解单元的电极板中的阴极采用多孔碳材料。
进一步的，微电流电解单元的电极板中的阳极为钌钛阳极或石墨阳极。
本发明组合利用微电流电解单元、微纳米曝气单元、水质净化控制单元和太阳能电板四个部件，其中前两个单元通过微纳米曝气与微电流电解的协同作用对底泥种源蓝藻复苏生长进行抑制，而水质净化控制单元则负责对前两个部分的开启与参数调整进行控制，三者构成闭合的水华早期控制技术体系，由太阳能电板进行供电，可对底泥表层的蓝藻生长进行选择性的抑制，从而有效降低浅水湖泊蓝藻的复苏量，达到预防水华发生的目的。
附图说明
图1是本发明对底泥种源蓝藻复苏的抑制方法的技术原理图；
图2是本发明对底泥种源蓝藻复苏的抑制装置其中一个实施例的装置结构示意图；
图3是本发明对底泥种源蓝藻复苏的抑制装置其中一个实施例中微电流电解单元的电极板布设结构图。
图中：1—水体净化控制单元，2—微纳米曝气单元，3—微电流电解单元，4—太阳能电板，5—电极板，6—泥-水界面。
具体实施方式
下面将结合本发明中的附图，对本发明中的技术方案进行清楚、完整地描述。
请参阅图1，本发明对底泥种源蓝藻复苏的抑制方法的技术原理为：通过检测分析，选定在蓝藻越冬期和复苏前期中含有“种源”蓝藻的浅水湖泊底泥区域，向其中的泥-水界面底泥部分直接插入电极(0-4cm)，并依靠电流的刺激、电极效应的直接作用，以及微纳米曝气协同下电解产生活性物质的间接氧化作用，协同对所述底泥“种源”蓝藻进行原位抑制，以控制其复苏。
请进一步参阅图2，该方法所用装置包括水质净化控制单元1、与水质净化控制单元1连接的微纳米曝气单元2、微电流电解单元3以及太阳能电板4。所述水质净化控制单元1的信号输出端与微纳米曝气单元2、微电流电解单元3连接，三者构成闭合的水华早期控制技术体系，由太阳能电板4进行供电，可对底泥表层的蓝藻生长进行选择性的抑制，从而有效降低浅水湖泊蓝藻的复苏量，达到预防水华发生的目的。本发明可从源头上有效控制浅水湖泊底泥中的“种源”蓝藻，对水华治理起到标本兼治的作用。
所述水质净化控制单元1，用于发出指令对微纳米曝气单元2、微电流电解单元3进行启动，并调控微纳米曝气单元2的曝气强度以及微电流电解单元3的电化学参数(例如电流密度、通电时间、电极间距等)，通过选择既能有效抑制底泥蓝藻复苏，又能减轻对其它水生生物的影响的电化学条件，包括采用电流密度仅为几mA/cm2至十几mA/cm2的微小电流(既可产生对蓝藻有选择性杀灭和抑制作用的活性物质H2O2，如此微小的电流又不会对其它水生生物生存造成显著影响)，以及10-30min的较短电解时间，从而实现微电流电解对底泥蓝藻复苏的选择性抑制。
所述微纳米曝气单元2置于微电流电解单元3所配备的电极板5附近，微纳米曝气单元2的曝气探头置于浅水湖泊泥-水界面6的水相中，向底泥阴极通入微米级和纳米级气泡。
所述微电流电解单元3中可替换型多功能电极板5直接插入浅水湖泊泥-水界面6的底泥0-4cm深处，阴极周边微纳米级溶解氧气泡在微电流电解系统作用下，产生对蓝藻具有选择性杀灭和抑制效果的活性物质H2O2。
所述微纳米曝气单元2可极大提高微电流电解单元3间接作用所带来的抑藻效果，强氧化性的H2O2增加了微电流电解单元3对底泥种源蓝藻的作用面积与作用强度，起到协同加速底泥种源蓝藻的抑制效果；另外借助于微纳米曝气单元2可以改变水力学条件，使微电流电解单元3产生的活性物质进行扩散，从而在更大范围内抑制底泥种源蓝藻复苏。
所述微电流电解单元3设置电压18V，电流密度为12mA/cm2，电极板5间距4cm，对含水率为50％的底泥电解15min。电解处理前底泥中铜绿微囊藻细胞活性正常，电解处理后，处理组铜绿微囊藻细胞已经完全失去活性，而对照组细胞活性正常。
本发明针对浅水湖泊中蓝藻生长的特点与四个阶段的划分，选择以蓝藻生长的瓶颈期即越冬期和复苏前期为该方法的施用节点，将藻细胞抑制在萌芽阶段，方法简单经济，安全可靠，通过各单元的协同作用，对底泥种源蓝藻复苏生长有着良好的抑制效果，可应用于浅水湖泊、池塘和景观水的底质改善和蓝藻水华的控制中。
以上所述，仅为本发明的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何属于本技术领域的技术人员在本发明揭露的技术范围内，可轻易想到的变化或替换，都应涵盖在本发明的保护范围之内。

Claims (6)

1.一种对底泥种源蓝藻复苏的抑制方法，其特征在于包括如下步骤：
定位：于蓝藻越冬期和复苏前期，分析检测浅水湖泊底泥是否含有“种源”蓝藻，从而选定作用区域；
微电流电解：将微电流电解单元(3)连接的电极板(5)直接插入0-4cm的底泥层中，针对底泥中处于越冬期和复苏前期的蓝藻“种源”进行原位抑制，以控制蓝藻复苏向含“种源”蓝藻的浅水湖泊底泥通微电流；
微纳米曝气：对微电流电解单元(3)的电极板(5)周边使用微纳米曝气单元(2)进行微纳米曝气；
微电流电解单元(3)的电极板(5)中的阴极采用多孔碳材料，通过微纳米曝气单元(2)向微电流电解单元(3)的阴极通入微米级和纳米级尺寸的O2，这类气泡在泥水界面的存在时间较长，可持续存在并发挥作用，从而稳定增加电极周边泥水界面的溶解氧含量，使微电流电解单元(3)在低电压和低电流条件下，产生更多的对蓝藻有选择性抑制效果的活性物质H2O2，大幅提升微电流电解抑制“种源”蓝藻生长的效率。
2.如权利要求1所述的对底泥种源蓝藻复苏的抑制方法，其特征在于：微电流电解单元(3)的电极板(5)中的阳极为钌钛阳极或石墨阳极。
3.一种对底泥种源蓝藻复苏的抑制装置，其特征在于：包括水质净化控制单元(1)、与水质净化控制单元(1)连接的微纳米曝气单元(2)、微电流电解单元(3)，所述水质净化控制单元(1)用于发出指令对微纳米曝气单元(2)、微电流电解单元(3)进行启动，并调控微纳米曝气单元(2)的曝气强度以及微电流电解单元(3)的电化学参数，所述微纳米曝气单元(2)置于微电流电解单元(3)所配备的电极板(5)附近，微纳米曝气单元(2)的曝气探头置于浅水湖泊泥-水界面(6)的水相中，向底泥阴极通入微米级和纳米级O2，所述微电流电解单元(3)中的电极板(5)插入浅水湖泊泥-水界面(16)的底泥0-4cm深处，电极板(5)的阴极周边微纳米级溶解氧气泡在微电流电解系统作用下产生对蓝藻具有选择性杀灭和抑制效果的H2O2。
4.如权利要求3所述的对底泥种源蓝藻复苏的抑制装置，其特征在于：还包括与水质净化控制单元(1)连接的太阳能电板(4)，水质净化控制单元(1)、微纳米曝气单元(2)和微电流电解单元(3)均由太阳能电板(4)供电。
5.如权利要求3所述的对底泥种源蓝藻复苏的抑制装置，其特征在于：微电流电解单元(3)的电极板(5)中的阴极采用多孔碳材料。
6.如权利要求3或5所述的对底泥种源蓝藻复苏的抑制装置，其特征在于：微电流电解单元(3)的电极板(5)中的阳极为钌钛阳极或石墨阳极。
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