一种用于水库支流库湾水华应急处理设备及方法

技术领域

本发明涉及环境保护技术领域，具体是一种水库支流库湾水华应急处理设备及方法。

背景技术

我国是世界上水库数量最多的国家，据统计，2019年我国水库总数量为98112座，包括93390座小型水库，3978座中型水库和744座大型水库。水库的运行可为社会经济发展提供持续的清洁能源，在防洪、航运、发电、供水等方面发挥巨大的综合效益，三峡工程、溪洛渡、向家坝、乌东德、白鹤滩等世界级巨型梯级水电站的开发建设与运营，对流域防洪安全、航运安全、供水安全、生态安全以及我国能源安全都具有重要的保障作用。但水库运行在一定程度上会改变库区周边的水力学条件，导致支流库湾水位升高、流速减缓、水动力条件变差、水体自净能力变弱、污染物易于滞留富集，使水库的水环境发生变化；同时，水库支流及回水区大量营养物质的持续输入会导致局部水体富营养化加重，在适宜的水文和气象条件下，会引起藻类大量繁殖，存在水华暴发的风险。水库水华极大威胁人类和水生生物的健康，同时对水生态环境造成较大危害。解决水库水华问题已是目前亟待解决的重大技术问题。

目前关于水华治理技术和应急处理设备的研究有很多，不同技术具有各自的优势和不足，不同处理设备也各具特点，但是大部分设备均采用单一处理技术。针对藻类水华应急处置的设备大多基于物理打捞的方法，该类设备对高密度含藻水体有一定的治理效果，但对于低密度含藻水体和水体底层藻类治理效果较差，同时还需要投入大量的人力和物力。常用的应急处理设备存在处理效率低且不同处理技术协同性不够等问题。此外，目前常用的应急处理设备多用于浅水湖泊水华治理，由于水库和湖泊之间在水体形态、水动力特性、水温分层等方面存在较大差异，水库支流库湾具有水深大、水动力复杂等特点，导致水库水华和浅水湖泊水华之间存在较大差异，用于浅水湖泊水华治理的设备在治理水库水华时难以达到预期效果。

发明专利“一种水华藻类打捞设备及其打捞方法”(申请号：201310731039.6)公布了一种水华藻类打捞设备及其打捞方法。该发明的本质是利用机械方式直接将藻类从水体中打捞上来，但该技术需要投入大量人力和物力，同时处理效率低，对于低密度含藻水体和水体底层藻类治理效果较差。

发明专利“一种水华应急处理的超声波除藻船”(申请号：200910213580.1)公布了一种水华应急处理的超声波除藻船，该发明为应用于湖泊水华爆发时的应急处理设备，主要是在船上装载超声波除藻装置，利用超声波对水中藻细胞进行破碎，达到杀灭藻类的目的。但超声波灭藻仅仅使得藻细胞破裂，如果藻细胞死亡不彻底还会导致水华再次发生，后续需要联合其它处理工艺将藻类沉入水体才能达到较好的处理效果；同时，由于超声波的能量在传播过程中衰减得很快，很难对大范围的藻细胞产生持续影响；此外，超声波辐射一旦结束，对藻类的杀灭作用将立即停止，无法达到持续抑藻的作用，难以实现较为理想的处理效果。

本申请的发明人在实现本发明的过程中经研究发现：水库支流库湾具有水深大、藻类垂向分布不均、水华暴发时通常为多种藻类共存等特点；而针对水库水华的治理，单一治理技术已难以满足实际需求，需要采用多技术集成的手段，充分发挥各项技术的优势以及技术间的协同作用；针对水库水动力条件复杂和水质变化大等特点，也需因地制宜地将多种技术进行优化集成，通过发挥技术间的协同作用，达到治理水华与长效控藻的双重目的。

发明内容

本发明的目的是针对现有水华应急处理设备存在的不足，提供一种用于水库支流库湾的水华应急处理设备及方法，该设备为一种由多处理技术单元集成的水华应急处理设备，针对水库支流库湾水华的特点，采用多种技术组合并发挥技术的协同作用，达到治理水华与长效控藻的双重目的。

一种用于水库支流库湾水华应急处理设备，包括船体、设于船体的自动检测单元、藻类收集-分离单元、超声波除藻单元、微电流电解抑藻单元、除藻剂投加单元、动力单元、控制单元，自动检测单元、藻类收集-分离单元、超声波除藻单元、微电流电解抑藻单元、除藻剂投加单元、动力单元均与控制单元连接；所述动力单元用于提供动力使船体在水面上运行，所述自动检测单元用于对水体水质进行实时监测和反馈，通过监测数据推算确定目标区域藻类处理负荷；所述藻类收集-分离单元用于对水体表层高密度的藻类进行抽吸和异位处理；微电流电解抑藻单元、超声波除藻单元和除藻剂投加单元用于对水体中的藻类进行原位协同处理。

进一步的，所述自动检测单元设于船体底部，具有水质监测、数据采集和数据传输的功能，采用多参数水质监测仪实现。

进一步的，所述藻类收集-分离单元包括吸藻装置、浓缩藻装置、吸藻泵和藻饼回收箱，吸藻装置的藻液收集箱通过管道与浓缩藻装置的前端连接，浓缩藻装置末端的藻饼出口与藻饼回收箱连接，吸藻装置、浓缩藻装置和藻饼回收箱有序连接完成高浓度藻类的收集-浓缩-回收作业。

进一步的，所述吸藻装置用于利用吸藻泵吸收表层藻类，排入浓缩藻装置，所述浓缩藻装置用于采用电絮凝技术进行一级分离后得到藻浆，然后采用石墨烯微絮凝藻水分离技术或带式压滤技术进行二级分离得到藻饼，藻饼进入藻饼回收箱，处理后的清水则被排放至原水域，实现水体表层高浓度藻类的收集分离。

进一步的，所述超声波除藻单元包括超声波电控柜、与超声波电控柜连接的超声波探头，所述超声波除藻单元由发电机舱供电，超声波探头伸入水中，工作时辐射出特定频率发射声波，对水体中的藻细胞进行瞬间处理，通过超声波实现对藻细胞的破碎，使之不能进行光合作用而失去繁殖能力，达到杀灭藻类的目的。

进一步的，所述微电流电解抑藻单元由微电流电解电极板组成，由发电机舱供电，工作时微电流电解电极板伸入水中，电极板采用碳黑-聚四氟乙烯气体扩散电极为阴极，工作时产生大量半衰期较长且对藻类有选择性抑制作用的活性物质H

进一步的，所述除藻剂投加单元用于以水泵喷洒的方式进行除藻剂的投加。

进一步的，所述除藻剂由镧改性膨润土和微生物菌剂复配而成，利用微生物菌剂和镧改性膨润土的共同作用，将超声波处理后破裂的藻细胞沉入水底，防止水华的再次发生。

进一步的，所述动力单元采用油电混合动力。

一种用于水库支流库湾水华应急处理方法，其采用上述设备进行，所述方法包括如下步骤：

通过自动检测单元对水域进行水质监测，确定水域中的叶绿素a浓度，根据浓度和作用面积，推算确定目标区域藻类处理负荷，将相关参数传送到控制单元进行参数设定，并结合整台设备的处理能力，预测目标区域藻类处置作业所需的时间；

针对水域表层高密度含藻水体，利用藻类收集-分离单元进行异位治理：通过吸藻泵对表层高浓度含藻水进行收集后排入浓缩藻装置，浓缩藻装置采用电絮凝技术进行一级分离后得到藻浆，然后采用石墨烯微絮凝藻水分离技术或带式压滤技术进行二级分离得到藻饼，藻饼排入藻饼回收箱，原水则被排放至原水域，实现水体表层高浓度藻类的收集和分离；

针对水体中藻类的去除，利用超声波除藻单元、微电流电解抑藻单元和除藻剂投加单元进行原位协同治理：超声波除藻单元工作时，超声波探头直接伸入水下并辐射出特定频率发射声波，对水体中的藻细胞进行瞬间处理，通过超声波实现对藻细胞的破碎，使之不能进行光合作用失去繁殖能力，达到杀灭藻类的目的；微电流电解抑藻单元工作时，微电流电解电极板直接伸入水中，电极板采用碳黑-聚四氟乙烯气体扩散电极为阴极，以产生大量半衰期较长且对藻类有选择性抑制作用的活性物质H

本发明将自动检测单元、藻类收集-分离单元、超声波除藻单元、微电流电解抑藻单元和除藻剂投加单元等不同技术单元优化集成到同一船体，船体上安装的藻类收集-分离单元对水体表层高密度的藻类进行抽吸和异位处理；船体上安装的超声波除藻单元、微电流电解抑藻单元和除藻剂投加单元对水体中的藻类进行原位协同处理，达到快速高效地净化水域的效果，可以使水华区域的藻密度迅速降低，同时具有方便灵活、应用范围广、管理简单、易于推广实施的特点。

附图说明

图1是发明用于水库支流库湾的水华应急处理设备其中一个实施例的结构示意图；

图2是本发明用于水库支流库湾的水华应急处理方法其中一个实施例的工作原理示意图。

图中：1—船体，2—自动检测单元，3—吸藻装置，4—浓缩藻装置，5—吸藻泵，6—藻饼回收箱，7—微电流电解抑藻单元，8—超声波电控柜，9—超声波探头，10—除藻剂投加单元，11—驾控台，12—发电机舱，13—推进器。

具体实施方式

为使本发明实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，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，所描述的实施例是本发明的一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动的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。

请参阅图1，本发明实施例提供一种用于水库支流库湾水华应急处理设备，包括船体1、设于船体1的自动检测单元2、藻类收集-分离单元、超声波除藻单元、微电流电解抑藻单元7、除藻剂投加单元10、动力单元、控制单元，自动检测单元2、藻类收集-分离单元、超声波除藻单元、微电流电解抑藻单元7、除藻剂投加单元10、动力单元均与控制单元连接。

所述自动检测单元2设于船体1底部，具有水质监测、数据采集和数据传输的功能，可通过市售的多参数水质监测仪等来实现，用于对体水质(主要是叶绿素a)进行实时监测和反馈，通过监测数据(例如叶绿素a浓度)推算确定目标区域藻类处理负荷(例如作业所需的时间)。

所述藻类收集-分离单元包括吸藻装置3、浓缩藻装置4、吸藻泵5和藻饼回收箱6，吸藻装置3的藻液收集箱通过管道与浓缩藻装置4的前端连接，浓缩藻装置4末端的藻饼出口与藻饼回收箱6连接，三者有序连接可完成高浓度藻类的收集-浓缩-回收作业。所述吸藻装置3利用吸藻泵5吸收表层藻类，排入浓缩藻装置4，浓缩藻装置4采用电絮凝技术进行一级分离后得到藻浆，然后采用石墨烯微絮凝藻水分离技术或带式压滤技术进行二级分离得到藻饼，藻饼进入藻饼回收箱6，处理后的清水则被排放至原水域，实现水体表层高浓度藻类的收集分离。

所述超声波除藻单元包括超声波电控柜8、与超声波电控柜8连接的超声波探头9，由发电机舱12供电，超声波探头9伸入水中，工作时辐射出特定频率发射声波，对水体中的藻细胞进行瞬间处理，通过超声波实现对藻细胞的破碎，使之不能进行光合作用而失去繁殖能力，达到杀灭藻类的目的。

所述微电流电解抑藻单元7由微电流电解电极板组成，由发电机舱12供电，工作时微电流电解电极板伸入水中，电极板采用碳黑-聚四氟乙烯气体扩散电极为阴极，有利于产生大量半衰期较长且对藻类有选择性抑制作用的活性物质H

所述除藻剂投加单元10以水泵喷洒的方式进行除藻剂的投加，利用微生物菌剂和镧改性膨润土的共同作用，将超声波处理后破裂的藻细胞沉入水底，防止水华的再次发生。

所述动力单元采用油电混合动力，充分利用发动机在工作过程中产生的转动能量，减少油耗的同时降低可能带来的环境污染风险。

所述控制单元可集成于船体1的驾控台11中，用于控制前述各模块的工作。

本发明实施例将自动检测单元2、藻类收集-分离单元、超声波除藻单元、微电流电解抑藻单元7、除藻剂投加单元等不同技术单元优化集成到同一船体1，针对水库支流库湾水华暴发，同时采用异位治理和原位治理技术进行协同治理。

具体的，船体1依靠自带的油电混合发电机舱12给动力单元(例如推进器13)提供动力在水面上运行，船上所有处理单元也均由发电机舱12供电。船体1上安装的自动检测单元2，用于对水体水质信息进行实时监测和反馈，对于表层高浓度的含藻水体，船体上安装的藻类收集-分离单元对水体表层高密度的藻类进行抽吸和异位处理，对于中下层中低浓度的含藻水体，船体上安装的微电流电解抑藻单元7、超声波除藻单元和除藻剂投加单元对水体中的藻类进行原位协同处理，其中通过微电流电解技术释放具有较长半衰期的活性物质，在水体中游离扩散并赋予水体持续抑藻的能力，实现超声波结束后的持续抑藻作用，针对超声波除藻引起的藻细胞破裂问题，结合除藻剂投加单元，深度去除水域中的藻类，进一步降低水华带来的危害，从而达到快速高效地净化水域的效果。该设备可以广泛应用于水库支流库湾的藻类水华应急处理处置，具有较好的灵活性及实用性。

请一并参阅图2，本发明实施例还提供一种用于水库支流库湾水华应急处理方法，其采用上述设备进行，所述方法包括如下步骤：

通过自动检测单元2对水域进行水质(主要是叶绿素a)监测，确定水域中的叶绿素a浓度，根据浓度和作用面积，推算确定目标区域藻类处理负荷，将相关参数传送到控制单元进行参数设定，并结合整台设备的处理能力，预测目标区域藻类处置作业所需的时间；

针对水域表层高密度含藻水体，利用藻类收集-分离单元进行异位治理：通过吸藻泵5对表层高浓度含藻水进行收集后排入浓缩藻装置4，浓缩藻装置4采用电絮凝技术进行一级分离后得到藻浆，然后采用石墨烯微絮凝藻水分离技术或带式压滤技术进行二级分离得到藻饼，藻饼排入藻饼回收箱6，原水则被排放至原水域，实现水体表层高浓度藻类的收集和分离；

针对水体中藻类的去除，利用超声波除藻单元、微电流电解抑藻单元和除藻剂投加单元进行原位协同治理：超声波除藻单元工作时，超声波探头9直接伸入水下0.5m并辐射出特定频率发射声波，对水体中的藻细胞进行瞬间处理，通过超声波实现对藻细胞的破碎，使之不能进行光合作用失去繁殖能力，达到杀灭藻类的目的；微电流电解抑藻单元工作时，微电流电解电极板直接伸入水中，电极板采用碳黑-聚四氟乙烯气体扩散电极为阴极，有利于产生大量半衰期较长且对藻类有选择性抑制作用的活性物质H

本发明将自动检测单元、藻类收集-分离单元、超声波除藻单元、微电流电解抑藻单元和除藻剂投加单元等不同技术单元优化集成到同一船体，针对水库支流库湾水华暴发和不同的藻密度分布，同时采用异位和原位治理相结合的方式进行协同治理，其中对于水域表层高密度含藻水体，通过藻类收集-分离单元实施抽吸和异位处理，针对水体中藻类的去除，采用原位处理的方式，通过超声波除藻单元、微电流电解抑藻单元和除藻剂投加单元进行协同治理。伸入水中的超声波探头辐射出超声波，通过超声空化作用实现对藻细胞的破碎；针对超声波不能持续抑藻的问题，利用微电流电解向水体释放具有较长半衰期的活性物质，在水中游离扩散并赋予水体持续抑藻的能力，实现超声波结束后的持续抑藻作用，达到超声波除藻单元和微电流电解抑藻单元的协同作用；针对超声波除藻引起的藻细胞破裂问题，结合除藻剂投加单元，将破裂的藻细胞沉入水底，深度去除水体藻类，避免水华再次发生，进一步降低水华带来的危害。本发明通过发挥多处理技术的协同作用以达到“1+1＞2”的效果，实现对水体水华的治理。

最后所应说明的是，以上实施例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，可轻易想到的修改或者等同替换，而不脱离本发明技术方案的精神和范围，其均应涵盖在本发明的权利要求范围当中。因此，本发明的保护范围应该以权利要求的保护范围为准。