滇池富藻水静置分离特性影响因素的初步研究

王寿兵，马小雪，徐紫然，汪远安

(复旦大学 环境科学与工程系，上海 200433)

滇池富藻水静置分离特性影响因素的初步研究

王寿兵，马小雪，徐紫然，汪远安

(复旦大学 环境科学与工程系，上海 200433)

本文研究了滇池富藻水静置分离效果，初步探明了水样深度、体积、温度、光照等因素对其静置分离速度的影响．研究发现，在体积相同时，水样高度对最大清水比例指标没有影响．不同高度的水样藻、水分离程度(即清水比例)均随静置时间的延长有逐渐增加的趋势．在水样高度相同时，水样体积大小的差异对藻、水分离速度的影响总体较小，具体影响大小与体积差异大小有关，体积差异越大，影响越大，但主要影响发生在静置后30～40min内．水温对水样藻、水分离速度具有显著影响，水温越高，藻、水分离速度越快．温差越大，藻、水分离速度差异越大．水样中藻密度大小对静置藻、水分离速度具有明显影响．密度越低，藻、水分离速度越快，最终完成分离的时间越短．太阳光照对静置条件下的藻、水分离速度有明显的影响．

滇池；富藻水；静置；分离特性

水华蓝藻打捞后，如何高效实现藻水分离、去除富藻水中的蓝藻是一个关键技术问题[1-4]．目前，藻水分离主要有化学分离法和物理分离法两种方法．化学分离法通过添加絮凝剂使藻、水实现快速分离，该技术在滇池龙门藻水分离站应用，这种处理技术需要将富藻水远距离抽送到分离站，同时需要添加大量的絮凝剂，尽管藻、水分离效率较高，处理规模较大，但存在能耗高、成本高、二次污染等问题[5]．而无需添加絮凝剂的纯物理分离方法使用的主要是将藻水送至由小孔径不锈钢筛网组成的斜板，富藻水在流过斜板的同时，清水逐渐从筛孔流走，筛面上剩下的浓缩藻浆逐渐下移，最后汇集到下面的承接槽内．这种物理藻水分离技术在滇池也有很好的应用，其优点是无需藻水的远距离输送，属于纯物理法分离，不添加絮凝剂等化学药剂，处理规模可根据需要灵活设计，可大可小．其不足之处是仅适用于藻密度较低的藻水，当藻密度较高时，筛网易被堵塞，系统易失效[6]．

现有的藻水分离技术还很难同时满足以下要求：低能耗，低成本，无二次污染，高、低藻密度污水均适用．如何在实现藻、水分离的同时，不用添加化学药剂，减少成本和二次污染？本文根据蓝藻具有伪空胞等生理结构、在一定条件下会上浮至水体表面的特性[7-10]，以研发具有高效和低耗特点的藻水物理分离技术为目标，对滇池集聚区富藻水开展了静置分离效果实验，初步探明了水样深度、体积、温度、光照等因素对其静置分离速度的影响和在各种条件下的实际分离速度，旨在从滤藻装置的形态、大小、布水和外界条件控制等方面为研发和设计出高效、低能耗特点的富藻水物理分离技术和设备提供理论依据和数据支持．

1 材料与方法

1.1材料

实验所用富藻水样于2013年8月18日上午11点(天晴、无风)采集于滇池外海北岸靠西山一侧蓝藻集聚区．富藻水采样后置于25L塑料桶内，用电动自行车送回离采样区约3.5km远的实验室(历时10min左右)后立即倒入塑料水箱中，敞开放置，以免在塑料桶中缺氧造成蓝藻受损．实验在随后的24h内完成．

1.2实验方法

1.2.1 水样高度对静置分离时间的影响

试验容器采用总刻度为500mL和200mL的玻璃量筒，试验水样体积均为200mL，每次从水箱中取水样前均先将水箱中富藻水进行充分混匀，以保证每个水样的一致性和代表性(后同)．为消除水样个体差异对结果的影响，每个实验样本均设3个平行组．每个量筒中添加好水样后，用玻璃棒搅拌30s，使水样中蓝藻分布均匀后停止搅拌，将量筒置于室内固定的试验桌上静置(无太阳光照)，每隔10min记录一次量筒下层清水的体积，直到连续两次下层清水体积无大的变化时停止观测．最后仍保持量筒水样不动，再让其静置10h以上，最后读取下层清水体积，作为该水样的清水最大产量．从理论上讲，对于不同的容器，在水样体积相同的情况下，其最大清水产量应该是基本相同的．在刚开始观测的第1～2个10min内，产生的清水量(体积)如果在量筒最小刻度以下无法直接读取，则用直尺从外面测定其水柱高度，待试验结束后再换算该高度下的清水体积．

1.2.2 静置条件下水样体积对藻、水分离效果的影响

1.2.3 静置条件下水温对藻、水分离效果的影响

在200mL玻璃量筒中加入100mL水样，将盛有水样的量筒放入设定好温度的恒温水浴锅中，待量筒中水样温度与恒温水浴锅设定温度相同时开始实验．先用玻璃棒将水样连续搅拌30s，使水样中藻、水充分混匀，然后停止搅拌，开始计时．每隔10min后观测记录量筒中水样下层清水体积．每个温度组设置5个平行样．恒温水浴锅水温按从低到高的顺序分别设置为20℃、25℃、30℃和35℃ 4个梯度，先进行20℃水温实验，实验结束后将盛有水样的量筒继续放置在水浴锅内，然后再将水浴锅水温调高到25℃，待水样温度与水浴锅水温均稳定在25℃时，再开始该温度条件下的静置分离实验，其余温度条件采用类似方法进行．实验在2013年8月20日下午(天晴)室内进行．

1.2.4 静置条件下水样藻细胞密度对藻、水分离效果的影响

共设置A-D 4个浓度梯度组，每组设3个平行样，每个水样400mL体积，均静置在500mL玻璃量筒中．A为原始富藻水样，B为50%浓度水样，C为25%浓度水样，D为12.5%浓度水样，水样稀释采用“原始富藻水+去离子水”的方式进行．量筒中水样总高度为19.8cm．开始静置后每隔10min观测一次．

1.2.5 静置条件下光照对藻、水分离效果的影响

为了消除温度和容器形状等因素的影响，选择10个200mL玻璃量筒，其中每5个为一个组，共2组，A组放在室内水浴锅内，B组放在室外阳光下，在每个量筒中均加入100mL富藻水样，本实验中，室外光照强度为1400lx，室内光照强度为550lx．B组量筒在阳光照射下，量筒中水样有一个升温过程，待其中水温稳定后再开始实验．同时将水浴锅内水温设置为与室外量筒水温相同，放入盛水样的量筒让其水温达到设定温度后开始实验．各量筒水样均先搅拌30s后开始每10min观察记录一次下层清水体积．本实验阳光下水温为(30±2) ℃，水浴锅温度设定为30℃．

1.3评价指标

本文用两个指标来反映藻、水分离的速度和程度．一个是清水比例，一个是藻水相对分离度．

1.3.1 清水比例

静置得到的下层清水体积占总水样体积的百分比，称为清水比例．对同一个水样而言，随着静置时间的延长，下层得到的清水会越来越多，最后达到一个相对恒定的值，因此，清水比例起初会随着静置时间的延长而逐渐增大，最后达到一个稳定值．达到稳定后的清水比例称为最大清水比例．最大清水比例越高的水样，表明其含藻量越少，反之亦然．显然，在相同时间内，清水比例越高，说明其藻、水分离速度越快．因此，可用相同时间段内的清水比例大小来反映藻、水分离速度的快慢．而最大清水比例则与水样静置时间和容器大小无关，仅与水样本身含藻多少有关，因此，最大清水比例可用于比较不同水样中含藻量的多少．

1.3.2 藻水相对分离度

是指某时点静置分离所得清水体积占分离终点所得最大清水体积的百分比．该值将随着藻水静置分离时间的延长而逐渐增大，最后达到最大值，即100%．因此藻水相对分离度可反映一个水样在某时点离藻水最终分离状态的远近，该值越大，说明最终分离状态越近，该值也可用于确定停止静置分离作业的合适时间．

2)隧道、明峒、路堤、路堑。隧道、明峒：图上长2 mm(实地500 m)以上的依比例尺表示，小于2 mm(实地500 m)的适当选取用不依比例尺符号表示[2]。路堤、路堑：图上长5 mm(实地1 250 m)且比高3 m以上的应表示，连续分布且图上间隔小于2 mm(实地500 m)时可连续表示[2]。

2 结果与讨论

表1 滇池富藻水水样主要理化指标Tab.1 The main physical and chemical parameters of algae-laden water samples from Dianchi Lake

2.1富藻水水样理化指标

分析结果表明，水样偏碱性，总氮浓度为30.82mg/L，总磷浓度为4.77mg/L，浮游植物密度为1.81×107mL，其中，微囊藻藻密度为1.74×107mL，为绝对优势种，叶绿素a浓度为11641.12μg/L，水样含浮游植物等物质致使水样浑浊，浊度值高达3013.0NTU(表1)．

2.2水样高度对静置分离时间的影响

对于500mL和200mL量筒，最大清水比例分别为66.0%和66.7%，t检验发现两组无显著差异(P>0.05)，说明水样高度确实对最大清水比例指标没有影响，这与理论分析结果是一致的．同时也可以看到，该水样经一次静置分离后，可去除的水量最大比例可达到66.0%以上，即减容可达约2/3，这对藻、水分离是非常有用的．

从200mL和500mL量筒中水样静置分离得到的清水比例随时间的变化如图1(见第574页)所示．从中可以看到，静置在500mL和200mL内的富藻水样，随着静置时间的推移，其藻、水分离的程度(即得到清水的比例)均有逐渐增加的趋势，但并未呈现出简单的线性关系，而是均呈现出类似于“S”型的变化趋势，类似于经典的Logistic曲线，即刚开始分离速度较慢，随后速度加快，但到后期速度又开始减慢直至达到最大分离点．从具体数据看，500mL量筒中的水样，在前60min分离速度较快，之后开始逐渐降低．在200mL量筒中的水样，在前110min左右分离速度较快，之后开始逐渐降低．

t检验结果表明，在500mL量筒中的水样，其早期和中期的分离速度要明显快于200mL量筒中的水样．从具体数据看，在500mL量筒中，在前100min内，其清水比例均明显高于200mL量筒中的水样(P<0.05)．由于两个量筒中富藻水体积完全相同，而不同的仅仅是由于量筒大小不同造成的水样深度的不同，500mL量筒中水样高度平均为10.4cm，200mL量筒中水样平均高度为18.0cm，由此可见，水样高度确实对藻、水静置分离的速度产生了明显影响，水样高度(深度)越小，藻、水分离的速度越快，且这种影响主要表现在早期和中期．由此可见，如果要加快藻、水分离的速度，就应尽可能增加静置容器的截面积，以降低水样的高度．

从藻、水相对分离度数据看(见第574页，图2)，在静置开始的前230min之内，500mL量筒中的水样藻水分离度均要明显大于在200mL量筒中的水样，表明在体积相同时，静置容器的截面积越大，即水样高度越小时，其藻水分离速度将越快．另外，从藻、水分离度与时间的关系看，在水样高度为10.4cm时，即使对如此高浓度的水样，也只需静置60min，就可以使其分离度达到81.2%，可见其分离速度还是比较快的．

藻、水相对分离度也呈现出与清水比例相似的变化规律．在500mL和200mL量筒中的水样，其藻、水相对分离度也随静置时间的变化呈现出S型曲线趋势，且500mL量筒中的藻水相对分离度也均明显高于200mL量筒内水样．在大量筒中，在静置分离60min时，其藻、水相对分离度即可达80%以上，而在小量筒中，则需要在100min时，方能达到80%以上．

图1 不同大小量筒中藻、水静置分离随时间的变化趋势Fig.1 The proportion of seperated clean water changes with time in different size measuring cylinders

图2 不同大小量筒中藻、水相对分离度随时间变化趋势Fig.2 The relative degree of separation changes with time in different size measuring cylinders

2.3静置条件下水样体积对藻、水分离效果的影响

研究发现，在水样高度相同时，在静置开始后的20min内和50min之后，各量筒中藻、水分离速度(清水比例)均无明显差异(P>0.05)．而在静置后的30～40min内，在不同容器之间藻、水分离速度的差异出现了一定变化，具体而言，在500mL量筒中的水样与200mL量筒内水样相比，在第30min时出现有明显区别(P<0.05)．而与100mL和500mL量筒内水样相比，在第30min和40min两个时点内发现有明显区别(P<0.05)．而200mL量筒内的水样与100mL和50mL量筒内水样相比，仅在第40min时出现明显区别(P<0.05)；在100mL量筒内水样与50mL量筒内水样相比，在10～180min内，各观测时点均未出现有明显差异(P>0.05)．

由上可知，在水样高度相同时，水样体积大小的差异对藻、水分离速度的影响总体较小(图3)，具体影响大小与体积差异大小有关，体积差异越大，影响越大，主要影响发生在静置后30～40min这段时间内．

图3 相同体积水样在不同大小量筒中清水比例随时间变化情况Fig.3 The proportion of seperated clean water changes with time in different size measuring cylinders with same volumn sample

图4 不同水温条件下藻、水静置分离随时间变化情况Fig.4 The proportion of seperated clean water changes with time under different water temperature conditions

2.4静置条件下水温对藻、水分离效果的影响

实验结果表明，温度对水样藻、水分离速度(清水比例)具有显著影响，水温越高，藻、水分离速度越快(图4)．不同温度组间水样t检验结果表明，35℃水样与30℃水样相比，在前40min内，藻、水分离速度均具有明显的区别(P<0.05)，同25℃水样相比，在前60min内，藻、水分离速度均具有明显的区别(P<0.05)，同20℃水样相比，在前70min分钟内，藻、水分离速度均具有明显的区别(P<0.05)．而30℃水样与25℃水样相比，在前50min内，藻、水分离速度均具有明显的区别(P<0.05)，同20℃水样相比，在前70min内，藻、水分离速度均具有明显的区别(P<0.05)．而25℃水样与20℃水样相比，在前70min内，藻、水分离速度均具有明显的区别(P<0.05)．前人研究表明，水温可以影响微囊藻的垂直分布，当水温从28℃转至13℃以下温度培养时，微囊藻的浮力下降明显，微囊藻高温条件下的浮力升高是由于细胞内糖的积累和伪空胞的下降造成的[11-13]．

2.5静置条件下水样藻细胞密度对藻、水分离效果的影响

研究结果表明，随着水样藻密度的降低，其藻、水分离速度有逐步增加趋势(图5)．t检验结果表明，100%密度组和50%、25%密度组相比，在最初的10min之内，藻、水分离的速度无明显区别(P>0.05)，但之后则呈现出明显区别(P<0.05)．而与12.5%密度组相比，则在最初的10min之内和之后均有明显区别(P<0.05).50%密度组和25%、12.5%密度组相比，以及25%密度组和12.5%密度组相比，在各时段也均有明显区别(P<0.05)．

在4个不同密度的水样中，藻、水分离速度呈现明显不同，密度越低的，藻、水分离速度越快．其中最快的为12.5%密度组，在开始静置后的第40min即基本完成藻、水分离，其次是25%密度组，在第50min即完成藻、水分离．之后是50%密度组，在第60～70min即完成藻、水分离．最慢的是100%密度组，到130min左右才完成藻、水分离．

图5 不同藻细胞密度下藻、水静置分离随时间变化情况Fig.5 The proportion of seperated clean water changes with time in different algal density water

从各密度组的藻、水相对分离度看，也基本呈现上述规律，即最低密度组率先完成藻、水分离．由此可见，藻水中含藻密度大小将直接影响到静置时藻、水最终完成分离的时间，藻密度越小，所需时间越短．

从达到藻、水相对分离度90%以上所需的时间看，100%水样组需要100min，50%密度组需要60min，而25%和12.5%密度组分别需要50min和40min，从12.5%到25%密度，以及从25%到50%密度，虽然密度都增加了1倍，但时间仅增加了10min，而从50%到100%密度组，密度尽管也只增加了1倍，但时间却增加了40min．这里可以看到，水样密度有成比例的变化时，达到静置分离度90%以上所需的时间却没有成比例关系，说明藻水密度对静置分离时间的影响并非简单的比例关系．

从各密度组中存在的蓝藻绝对量看，从12.5%密度组增加到25%密度组，虽然密度增加了1倍，但蓝藻实际增加量为12.5%．从25%密度组增加到50%密度，虽然密度也是增加了1倍，但蓝藻实际增加量为25%．而从50%密度组增加到100%密度组，蓝藻实际增加量则为50%，明显大于前面两个密度梯度组，这种蓝藻绝对量的差异可能是造成50%密度组与100%密度组之间静置分离所需时间差异明显大于其它密度梯度组的原因．

图6 不同光照条件下清水比例随时间变化情况Fig.6 The proportion of seperated clean water changes with time under different light density conditions

本项研究结果表明，随着蓝藻密度的增加，所需的静置分离时间会有所增加，如12.5%、25%和50%水样清水比例达到50%所需时间分别为20、30和40min，但时间增加的比例并没有藻密度增加的比例大，因此，在50%密度组之下，藻密度越高，静置分离效率越高．而在蓝藻密度达到一定量之后，如本文中100%密度组，则随着蓝藻密度的增加，所需的静置分离时间可能会有大幅度的增加，这不利于提高静置分离效率，因此，在设计藻水静置分离系统时，应对此加以合理考虑．

2.6静置条件下光照强度对藻、水分离效果的影响

目前，前人在实验室试验和野外调查采样均发现光照对蓝藻垂直迁移具有显著影响[14-15]．实验结果表明，不同光照条件(室外光照强度1400lx，室内光照强度550lx)下各水样藻、水分离速度在前20min内有明显的差异(P<0.05)，但之后差异不明显(P>0.05)，主要是因为各水样分离度均接近到最大分离度水平(图6)．由此可见，光照对静置条件下的藻、水分离速度有明显的影响．因此，如果在现场开展静置分离工作，在静置的早期给予一定的光照将有助于蓝藻加快分离，而无需遮光．以前的研究发现，滇池蓝藻水华会在主导风向的下风向大量积聚形成蓝藻聚集区，尤其是在风速小于2m/s时，微囊藻会上浮至水体表面[16]．这可能由于以下两个原因：其一，不同水体中各个种群的分布规律与群落形态有关．其二，通过浮力调节机制，在表层分布的藻类更容易获得光照[17]．在室外光照下，微囊藻快速聚集在水体表层，这有利于其成为水生生态系统的优势种．

3 结 论

(1) 在体积相同时，水样高度对最大清水比例指标没有影响．不同高度的水样藻、水分离程度(即得到清水的比例)均随静置时间的延长有逐渐增加的趋势，但并未呈现出简单的线性关系，而是呈现出类似于“S”型的变化趋势，即刚开始分离速度较慢，随后速度加快，但到后期速度又开始减慢直至达到最大分离点．水样高度对藻、水静置分离的速度有明显影响，水样高度(深度)越小，藻、水分离的速度越快，且这种影响主要表现在早期和中期．如果要加快藻、水静置分离的速度，就必须增加容器的截面积，以降低水样的高度．

(2) 在水样高度相同时，水样体积大小的差异对藻、水分离速度的影响总体较小，具体影响大小与体积差异大小有关，体积差异越大，影响越大，但主要影响发生在静置后30～40min这段时间内．

(3) 水温对水样藻、水分离速度(清水比例)具有显著影响，水温越高，藻、水分离速度越快．温差越大，藻、水分离速度差异越大．

(4) 水样中含藻密度的大小对静置藻、水分离速度具有明显影响．密度越低，藻、水分离速度越快，最终完成分离的时间越短．藻水密度对静置分离时间的影响并非简单的比例关系，主要与含藻绝对量有关．在蓝藻密度达到一定量之前，随着蓝藻密度的增加，所需的静置分离时间会有所增加，但增加的幅度并没有密度增加的幅度大．在蓝藻密度达到一定量之后，则随着蓝藻密度的增加，所需的静置分离时间可能会有大幅度的增加，这不利于提高静置分离效率．如果藻密度过大，则无需采用静置分离环节，可直接采用其他除藻措施．

(5)太阳光照对静置条件下的藻、水分离速度有明显的影响．

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APreliminaryStudyofImpactFactorsonSeparationCharacteristicsofAlgaefromAlgae-ladenWaterSampleofDianchiLakeundertheStaticCondition

WANGShoubing,MAXiaoxue,XUZiran,WANGYuanan

(DepartmentofEnvironmentalScienceandEngineering,FudanUniversity,Shanghai200433,China)

To purify the algae-laden water (ALW) more effectively,the separation characteristics of algae from ALW sample of Dianchi Lake under the static condition are studied.Especially,the effects of depth,volume,temperature of ALW sample and the light density on the separation characters are investigated.It is shown that the sample depth has no significant effect on the final volume of separated clean water under the condition of the same sample volume.And the separated clean water volume increases with time increasing.For the ALW sample under the same depth,the volume has a little effect on the separation speed of water and algae.The greater difference of the volume is,the greater the difference of the separation speed is,and the main difference is found after standing for 30—40 minutes.The sample temperature has significant effect on the separation speed.The higher temperature is,the higher separation speed is.The individual density of algae affects the separation speed obviously.The lower the density is,the higher the separation speed is.And the solar light density also has great positive effect on the separation speed.

Dianchi Lake; alage-laden water; static condition; separation characteristics

0427-7104(2017)05-0571-07

2016-09-01

国家水体污染控制与治理科技重大专项(2012ZX07102-004)

王寿兵(1970—)，男，教授，博士生导师.E-mail：sbwang@fudan.edu.cn.

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