CN115611431A - 一种生物操纵精准控藻的治理系统和方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及藻类治理领域，尤其涉及一种生物操纵精准控藻的治理系统和方法，包括：在线监测部分和生物控藻部分，在线监测部分包括5G高光谱在线监测设备，生物控藻部分包括生态软围隔、高密度鱼类养殖模块、生态浮床净水模块、精准曝气设备；通过在线监测部分的使用，能精准定位湖泊中蓝藻水华需重点治理的区域，同时精准识别蓝藻暴发的风险等级，并及时快速做出响应措施，因此，蓝藻治理的针对性更强、精确度更高、治理成效更加明显，同时对于鱼类的排泄物也进行了生态化收集、处理、资源化利用，对于环境友好，最大限度的减少二次污染，使用在线监测设备采用以太阳能作为设备运转的直接动力，节约成本、经济可靠。

Description

一种生物操纵精准控藻的治理系统和方法

技术领域

本发明涉及藻类治理领域，尤其涉及一种生物操纵精准控藻的治理系统和方法。

背景技术

随着人类活动和气候变化的双重影响，湖泊蓝藻成为全球范围内的重大水环境问题之一,蓝藻具有耐高温、喜强光、适应能力强等特点，在营养盐充足的水体中，当温度、光照等条件适宜时，蓝藻可在短时间内大量繁殖、聚集，甚至会出现大面积暴发现象,蓝藻暴发不仅破坏了水体生态系统的平衡，还会引发供水安全危机，更为严重的是，蓝藻产生的藻毒素会危害鸟类、鱼类等动物及人体的健康,因此，在湖泊营养盐得到控制的前提下，如何快速、精准、高效治理湖泊蓝藻，是需要急迫解决的问题。

目前，国内大部分采用的蓝藻治理常用技术有物理法、化学法、物化法、生物法四种,但单一的治藻技术难以达到预期治理效果：物理法、化学法、物化法都存在治标不治本、造价较高、维持时间短、易造成二次污染等特点，难以推广和持续；生物法虽然能处理效果好、造价较低、耗能低、运行成本低等优点，但要想实现其效果，需要很长一段时间，而且生物法对水生环境要求较高，在富营养化程度高、蓝藻富集的区域因透明度、溶解氧等问题，很难实施,因此，富营养化程度高的湖泊蓝藻治理急需探索一条切实有效的系统解决方法。

发明内容

本发明所要解决的技术问题是提供一种从蓝藻水华暴发初期聚焦蓝藻及营养物的削减及移除的一种生物操纵精准控藻的治理系统和方法。

为达到所述目的，本发明的技术方案是这样实现的，包括：在线监测部分和生物控藻部分；

所述在线监测部分包括所述5G高光谱在线监测设备，用于监测湖泊水体，及时预测预警，识别蓝藻暴发风险并指导防控措施；

所述生物控藻包括生态软围隔、高密度鱼类养殖模块、生态浮床净水模块、精准曝气设备，所述生物控藻部分所述生态软围隔布设在高密度鱼类养殖模块、生态浮床净水模块外围，用于拦截蓝藻、消减风浪等功能，所述高密度鱼类养殖模块由多个网箱组合排布，用于牧食水中中大型蓝藻，所述生态浮床净水模块功能与高密度鱼类养殖模块相互补充，用于治理鲢鳙鱼不能牧食的小型藻类，同时去除水体中的总氮、总磷，达到净化水质的目的，所述精准曝气设备设于网箱周围，用于增强水体溶解氧，提高鱼类的存活率。

进一步地，还包括应急除藻部分，所述应急除藻部分包括所述复合絮凝剂，是一种应急除藻处理措施。

进一步地，所述高密度鱼类养殖模块内设置有粪便收集装置，所述粪便收集装置包括第一套筒件和第二套筒件，所述第一套筒件与第二套筒件螺纹连接，所述第一套筒件远离第二套筒件一端设置有锥形设置的进料口，所述第二套筒件内设置有过滤网，所述过滤网一侧第二套筒件内设置有水泵，所述水泵上设置有排水管，所述第二套筒件远离第一套筒件一端开设有排水孔,所述第一套筒件上设置有环形扣。

进一步地，步骤如下：

步骤一，水质监测，精准定位湖泊蓝藻重点区域，实施前，通过所述5G高光谱在线监测设备对湖泊水体的总氮、总磷、溶解氧、叶绿素a、高锰酸盐、pH值、悬浮物、温度等指标进行监测；

步骤二，根据检测结果，确定蓝藻发生的等级，并结合现场调查和历年蓝藻分布范围资料，确定湖泊蓝藻需重点治理的区域；

步骤三，根据步骤二中确定的等级，划分出湖泊蓝藻治理重点区域，建设所述生态软围隔拦挡并导流蓝藻，并在生态软围隔内设置高密度网箱养殖模块、生态浮床净水模块、精准曝气设备。

进一步地，在蓝藻严重暴发时通过增加絮凝剂进行强化消除蓝藻密度。

进一步地，根据所述步骤三，首先在距离岸边70-300m的位置，沿着蓝藻治理重点区域外围设置生态围隔，形成一个或多个治理区域，随后布设生态浮床，放置高密度网箱养殖模块，投放鱼苗，最后安装曝气设备。

进一步地，根据所述步骤三，所述生态软围隔由浮体、分隔膜、定位块三部分组成，用于拦挡并导流蓝藻，并且能快速有效的分割水体，形成相对稳定的水体环境；

所述生态浮床净水模块是在蓝藻暴发的湖泊水域中选取一块圆形区域作为边界，在边界内侧环向设置渔网，渔网上方种植水生植物；

所述高密度网箱养殖模块包括边界内部横向纵向设置多排平行的网箱，每一排网箱的数量沿直径向两侧逐步减少、横纵向相同，每排网箱以及同一排网箱相邻两个网箱保持一定间距，并设置微纳米曝气机，营造鲢、鳙生长所必须的有氧环境；

所述曝气设备包括实施时将微纳米曝气机、臭氧发生器、控制系统集中安装于岸边设备间内，布气管安装于水体水面以下，其中布气管安装高度为距水底20cm左右。

进一步地，针对局部蓝藻暴发区域，抛洒复合絮凝剂，通过凝聚和絮凝作用破坏藻类在水中的稳定性，使得分散的藻类胶体颗粒脱稳，聚集成团而沉降。

进一步地，所述复合絮凝剂按重量份包括27份聚合氯化铝PAC和2份助凝剂PAM，PAC的最佳投加量是27mg/L。

本发明的有益效果体现在：

本发明，通过在线监测部分的使用，能精准定位湖泊中蓝藻水华需重点治理的区域，同时精准识别蓝藻暴发的风险等级，并及时快速做出响应措施，因此，蓝藻治理的针对性更强、精确度更高、治理成效更加明显，采用的非经典生物操纵技术主要利用水生动、植物对蓝藻进行治理，同时对于鱼类的排泄物也进行了生态化收集、处理、资源化利用，对于环境友好，最大限度的减少二次污染，使用在线监测设备采用以太阳能作为设备运转的直接动力，节约成本、经济可靠；水生植物、鱼类以湖泊中营养物质为食，无肥料、饵料成本，投入和运维成本低，同时水菱角、鱼类捕捞还能带来水产营收，鱼类放养密度高、存活率高，通过鱼类的定时捕捞将水中较大规格的蓝藻带出水体，而小型、微型蓝藻则通过水生植物的吸附、定时收割来清除，二者结合有效控制不同规格的蓝藻，稳步达到清除蓝藻、净化水体的效果。

附图说明

图1为本发明提供的生物操纵精准控藻治理系统的构成图；

图2为本发明提供的生物操纵精准控藻治理系统的流程图；

图3为本发明提供的生物操纵精准控藻治理系统的藻类风险图；

图4为本发明提供的生物操纵精准控藻治理系统的部分结构示意图；

图5为本发明提供的粪便收集装置的结构示意图。

附图标记说明：

1、第一套筒件；11、进料口；12、环形扣；2、第二套筒件；21、过滤网；22、水泵；23、排水管；24、排水孔。

具体实施方式

下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明的一部分实施例，而不是全部的实施例。在不冲突的情况下，本申请中的实施例及实施例中的特征可以相互组合。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

参见图1至图5：

本发明一种生物操纵精准控藻的治理系统和方法,包括：在线监测部分和生物控藻部分；

所述在线监测部分包括所述5G高光谱在线监测设备，用于监测湖泊水体，及时预测预警，识别蓝藻暴发风险并指导防控措施；

所述生物控藻包括生态软围隔、高密度鱼类养殖模块、生态浮床净水模块、精准曝气设备，所述生物控藻部分所述生态软围隔布设在高密度鱼类养殖模块、生态浮床净水模块外围，用于拦截蓝藻、消减风浪等功能，所述高密度鱼类养殖模块由多个网箱组合排布，用于牧食水中中大型蓝藻，所述生态浮床净水模块功能与高密度鱼类养殖模块相互补充，用于治理鲢鳙鱼不能牧食的小型藻类，同时去除水体中的总氮、总磷，达到净化水质的目的，所述精准曝气设备设于网箱周围，用于增强水体溶解氧，提高鱼类的存活率。

本发明，还包括应急除藻部分，所述应急除藻部分包括所述复合絮凝剂，是一种应急除藻处理措施。

具体地，5G高光谱在线监测设备包括高光谱采集单元、5G传输模块、电源模块和固定装置，高光谱采集单元设置微型高光谱传感器，对目标治理区域水体的水质、PH值、温度进行实时跟踪监测，5G传输模块用于指令的发送和接收，及时将水质数据传输到后台智能数据运算中心，高光谱采集单元与5G传输模块建立通讯连接，电源模块采用光伏+蓄能锂离子电池系统自供电源，可长期稳定的自运行监控水质，全过程自行完成，无需人工干预，固定装置采用包塑钢丝绳+混凝土块进行固定，包塑钢丝绳长度根据水深和水位变幅度来确定。

具体地，高密度鱼类养殖模块包括外围网片、密眼网片、生态软围隔、渔网、竹筏、网箱、粪便收集装置、精准曝气设备；其中：外围网片与渔网相连，网箱内设置粪便收集装置，粪便收集装置用于收集网箱内鱼类排泄物。

具体地，生态浮床净水模块包括柔性浮体围栏、渔网、水生植物、辅助固定装置，若干单个浮床连接而成，设置在边界内侧4m的范围内，浮床种植选择水菱角、紫根水葫芦(秋季打捞)，对于蓝藻有较好的吸附效果，浮床采用柔性浮体围栏漂浮于水面，渔网缠绕于围栏上，同时将柔性浮体围栏与外围网片进行绑定，单个渔网长度约22m，不同浮床的柔性浮体围栏间采用包塑钢丝绳进行连接，牢牢漂浮于湖面上,外围网及柔性浮体围栏设置有接口处，在处理水菱角、紫根水葫芦(秋季打捞)、捕捞鱼类和处理鱼类产生的粪便时可以将外围网及柔性浮体围栏设置有接口处开启，进入外围网及柔性浮体围栏内。

本发明，所述高密度鱼类养殖模块内设置有粪便收集装置，所述高密度鱼类养殖模块内设置有粪便收集装置，所述粪便收集装置包括第一套筒件1和第二套筒件2，所述第一套筒件1与第二套筒件2螺纹连接，所述第一套筒件1远离第二套筒件2一端设置有锥形设置的进料口11，所述第二套筒件2内设置有过滤网21，所述过滤网21一侧第二套筒件2内设置有水泵22，所述水泵22上设置有排水管23，所述第二套筒件2远离第一套筒件1一端开设有排水孔24,所述第一套筒件1上设置有环形扣12；这样设计，可以通过水泵将水和鱼粪通过进料口吸入粪便收集装置内，通过过滤网对吸入的水过滤后通过排水管从排水孔排出，可以对鱼粪进行收集，避免鱼粪对水质进行二次污染,粪便收集装置通过环形扣12上系设绳子设置在网箱内，且粪便收集装置螺纹拼接的设计，在对粪便进行收集时较为便捷，且环形扣12设置在进料口11一端，在通过绳子将粪便收集装置拉动时，粪便收集装置排水孔24端会向下倾斜，粪便不会从粪便收集装置中掉落。

本发明，步骤如下：

步骤一，水质监测，精准定位湖泊蓝藻重点区域，实施前，通过所述5G高光谱在线监测设备对湖泊水体的总氮、总磷、溶解氧、叶绿素a、高锰酸盐、pH值、悬浮物、温度等指标进行监测；

步骤二，根据检测结果，确定蓝藻发生的等级，并结合现场调查和历年蓝藻分布范围资料，确定湖泊蓝藻需重点治理的区域；

步骤三，根据步骤二中确定的等级，划分出湖泊蓝藻治理重点区域，建设所述生态软围隔拦挡并导流蓝藻，并在生态软围隔内设置高密度网箱养殖模块、生态浮床净水模块、精准曝气设备。

本发明，在蓝藻严重暴发时通过增加絮凝剂进行强化消除蓝藻密度。

本发明，根据所述步骤三，首先在距离岸边70-300m的位置，沿着蓝藻治理重点区域外围设置生态围隔，形成一个或多个治理区域，随后布设生态浮床，放置高密度网箱养殖模块，投放鱼苗，最后安装曝气设备。

本发明，根据所述步骤三，所述生态软围隔由浮体、分隔膜、定位块三部分组成，用于拦挡并导流蓝藻，并且能快速有效的分割水体，形成相对稳定的水体环境；浮体采用圆柱型高强度双面涂塑布围油栏，可自由漂浮于水面以上，分隔膜采用抗冻、抗氧化、的PVC双面涂层布制成，耐油、抗高温耐低温、强度高、寿命长，其裙体呈凹形，滞油性能好；外表光洁，利于导油、便于清洁，定位块为350mm*350mm*150mm的钢筋水泥锚，上设钢筋卡扣，用于固定围隔分隔膜，生态软围隔每20米一节，节与节之间使用包塑钢丝绳固定和连接，方便快捷。

所述生态浮床净水模块是在蓝藻暴发的湖泊水域中选取一块圆形区域作为边界，在边界内侧环向设置渔网，渔网上方种植水生植物(水菱角、紫根水葫芦)，用于吸收净化尺寸较小的蓝藻。

所述高密度网箱养殖模块包括边界内部横向纵向设置多排平行的网箱，每一排网箱的数量沿直径向两侧逐步减少、横纵向相同，每排网箱以及同一排网箱相邻两个网箱保持一定间距，并设置微纳米曝气机，营造鲢、鳙生长所必须的有氧环境；同时，每一个网箱的底部设置粪便收集装置，用于收集网箱内鲢、鳙的排泄物，在网箱水域的边界处设置一个漂浮拦截网，用于收集水面漂浮的未被去除的藻类残留物，水域外围边界设置为圆形，相比于同等材料的长方形和正方形，其覆盖面积更大，边界网片设置采用固定式，有效控制边界内藻类及浮游动植物的数量，内侧网箱设置采用浮游式，适应水位的灵活变化。

具体的，网箱内养殖鲢、鳙滤食性鱼类，鲢鳙鱼比例为4：6。每年1-3月初始投放1-2龄鱼种，投放密度800尾/公顷-1000尾/公顷，禁捕2年后回捕，回捕后湖中保留40％的鲢鳙鱼群体。

所述曝气设备包括实施时将微纳米曝气机、臭氧发生器、控制系统集中安装于岸边设备间内，布气管安装于水体水面以下，其中布气管安装高度为距水底20cm左右，微纳米曝气机存在三个档位，根据5G高光谱在线监测设备将水体蓝藻水华暴发风险识别为不同风险等级且水中含氧量不同时，微纳米曝气机开启不同的挡位模式。

具体的，微纳米曝气机存在三个档位，当水体检测模块将水体蓝藻水华暴发风险识别为低风险等级且水中含氧量不低于8mg/L时，微纳米曝气机处于低档模式；当水体检测模块将水体蓝藻水华暴发风险识别为中风险等级或水中含氧量处于6mg/L-8mg/L时，微纳米曝气机处于中档模式；当水体检测模块将水体蓝藻水华暴发风险识别为高风险等级或水中含氧量小于6mg/L时，微纳米曝气机处于高档模式；该系统组合占地面积小、适用性强、能耗低，稳定性高；微纳米气泡上升速度缓慢，在水体停留时间长，气水界面存在溶解、传质、释能等多种物理化学反应，降解水体中污染物。合理设置曝气间隙，使水体内存在好氧、缺氧环境，硝化作用和反硝化作用可以在不同空间内同时进行，有利于水体中总氮的去除，同时能有效去除污水中的磷。

本发明，针对局部蓝藻暴发区域，抛洒复合絮凝剂，通过凝聚和絮凝作用破坏藻类在水中的稳定性，使得分散的藻类胶体颗粒脱稳，聚集成团而沉降。

本发明，所述复合絮凝剂按重量份包括27份聚合氯化铝PAC、2份助凝剂PAM，PAC的最佳投加量是27mg/L；PAC的浊度去除率为92.74％，PAC的除藻率为87.46％；添加高分子助凝剂PAM对原水的浊度、叶绿素a有一定的去除效果，助凝剂与絮凝剂的配合使用可改善絮凝剂的的混凝去除效果。

本发明基于非经典生物操纵理论及精准控藻的思路，采用“在线监测+生物控藻+应急除藻”的综合技术路线，为浅水型湖泊蓝藻治理提供一种精准高效、绿色生态、成本可控、长效稳定的生物操纵精准控藻技术。

在线监测：通过5G高光谱在线监测设备对目标水体治理区域进行精准定位，并对治理区域实现全面覆盖及定期跟踪监测，实时预测识别蓝藻暴发风险，及时预警指导防控措施，为治理蓝藻水华提供支撑；

5G高光谱在线监测设备采用领先的高光谱分析技术通过测量被研究光(水样中污染物质反射、吸收、散射或受激发的荧光等)的光谱特性，用非化学分析的手段获得水体中特定物质的光谱信息，建立光谱数据与水环境各要素的映射关系，通过大数据光谱分析快速返回水域污染物信息，从而可不使用任何化学试剂监测水质参数，每种元素/原子/分子，物质有自己的光谱指纹，光与物质相互作用(吸收、荧光、拉曼等)产生不同颜色，不同光谱；

生物控藻：通过在网箱内放养高密度的滤食性鱼类(鲢、鳙鱼)，直接滤食蓝藻，减少藻类数量和种类；同时利用藻粪收集器、泵吸作用集中收集网箱水，将水中的固体排泄物过滤去除，过滤后的水重新排入水体中，减少水中N、P营养物含量。对于尺寸较小的蓝藻，通过在边界内侧种植水生植物(水菱角、紫根水葫芦)吸收N、P等营养物并吸附去除蓝藻，有效控制蓝藻水华，逐步达到净化水体的效果。通过精准曝气设备针对水质变化情况采用不同的档位模式，最大限度地发挥曝气增氧的运行效果，杀死水体中藻类，保证水体中溶解氧可维持在9mg/l以上，支撑高密度养殖的需氧量，同时系统将发挥较强的去除污染物的能力；

应急除藻：复合絮凝剂作用机理为电中和机理和吸附架桥机理，藻类1.5h几乎完全沉降，TN、TP下降，部分藻细胞裂解，治理水体蓝藻更为彻底，既克服了单一絮凝剂的不足，也充分发挥了多种絮凝剂的协同作用，产生显著的增效互补作用。

以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同更换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (9)

1.一种生物操纵精准控藻的治理系统，其特征在于,包括：在线监测部分和生物控藻部分；

所述在线监测部分包括所述5G高光谱在线监测设备，用于监测湖泊水体，及时预测预警，识别蓝藻暴发风险并指导防控措施；

所述生物控藻包括生态软围隔、高密度鱼类养殖模块、生态浮床净水模块、精准曝气设备，所述生物控藻部分所述生态软围隔布设在高密度鱼类养殖模块、生态浮床净水模块外围，用于拦截蓝藻、消减风浪等功能，所述高密度鱼类养殖模块由多个网箱组合排布，用于牧食水中中大型蓝藻，所述生态浮床净水模块功能与高密度鱼类养殖模块相互补充，用于治理鲢鳙鱼不能牧食的小型藻类，同时去除水体中的总氮、总磷，达到净化水质的目的，所述精准曝气设备设于网箱周围，用于增强水体溶解氧，提高鱼类的存活率。

2.根据权利要求1所述的生物操纵精准控藻的治理系统，其特征在于，还包括应急除藻部分，所述应急除藻部分包括所述复合絮凝剂，是一种应急除藻处理措施。

3.根据权利要求1所述的生物操纵精准控藻的治理系统，其特征在于，所述高密度鱼类养殖模块内设置有粪便收集装置，所述粪便收集装置包括第一套筒件(1)和第二套筒件(2)，所述第一套筒件(1)与第二套筒件(2)螺纹连接，所述第一套筒件(1)远离第二套筒件(2)一端设置有锥形设置的进料口(11)，所述第二套筒件(2)内设置有过滤网(21)，所述过滤网(21)一侧第二套筒件(2)内设置有水泵(22)，所述水泵(22)上设置有排水管(23)，所述第二套筒件(2)远离第一套筒件(1)一端开设有排水孔(24),所述第一套筒件(1)上设置有环形扣(12)。

4.一种生物操纵精准控藻的治理方法，其特征在于，采用权利要求1所述生物操纵精准控藻的治理系统，步骤如下：

步骤一，水质监测，精准定位湖泊蓝藻重点区域，实施前，通过所述5G高光谱在线监测设备对湖泊水体的总氮、总磷、溶解氧、叶绿素a、高锰酸盐、pH值、悬浮物、温度等指标进行监测；

步骤二，根据检测结果，确定蓝藻发生的等级，并结合现场调查和历年蓝藻分布范围资料，确定湖泊蓝藻需重点治理的区域；

步骤三，根据步骤二中确定的等级，划分出湖泊蓝藻治理重点区域，建设所述生态软围隔拦挡并导流蓝藻，并在生态软围隔内设置高密度网箱养殖模块、生态浮床净水模块、精准曝气设备。

5.根据权利要求2所述的生物操纵精准控藻的治理方法，其特征在于，在蓝藻严重暴发时通过增加絮凝剂进行强化消除蓝藻密度。

6.根据权利要求4所述的生物操纵精准控藻的治理方法，其特征在于，根据所述步骤三，首先在距离岸边70-300m的位置，沿着蓝藻治理重点区域外围设置生态围隔，形成一个或多个治理区域，随后布设生态浮床，放置高密度网箱养殖模块，投放鱼苗，最后安装曝气设备。

7.根据权利要求6所述的生物操纵精准控藻的治理方法，其特征在于，根据所述步骤三，所述生态软围隔由浮体、分隔膜、定位块三部分组成，用于拦挡并导流蓝藻，并且能快速有效的分割水体，形成相对稳定的水体环境；

所述生态浮床净水模块是在蓝藻暴发的湖泊水域中选取一块圆形区域作为边界，在边界内侧环向设置渔网，渔网上方种植水生植物；

所述高密度网箱养殖模块包括边界内部横向纵向设置多排平行的网箱，每一排网箱的数量沿直径向两侧逐步减少、横纵向相同，每排网箱以及同一排网箱相邻两个网箱保持一定间距，并设置微纳米曝气机，营造鲢、鳙生长所必须的有氧环境；

所述曝气设备包括实施时将微纳米曝气机、臭氧发生器、控制系统集中安装于岸边设备间内，布气管安装于水体水面以下，其中布气管安装高度为距水底20cm左右。

8.根据权利要求5所述的生物操纵精准控藻的治理方法，其特征在于，针对局部蓝藻暴发区域，抛洒复合絮凝剂，通过凝聚和絮凝作用破坏藻类在水中的稳定性，使得分散的藻类胶体颗粒脱稳，聚集成团而沉降。

9.根据权利要求5所述的生物操纵精准控藻的治理方法，其特征在于，所述复合絮凝剂按重量份包括27份聚合氯化铝PAC和2份助凝剂PAM，PAC的最佳投加量是27mg/L。

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