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【中国环境报】提升太湖控藻能力,保障河湖生态安全——水专项支撑梅梁湾河湖生态交换中的蓝藻水华灾害防控
2020-07-22
  

加压灭藻陷阱在梅梁湾梁溪河口运行实景


增氧曝气灭藻船在梁溪河运行


蓝藻水华预测预警技术在国际生态环境新技术大会上推介


无锡市蓝藻水华清除与处置信息平台主界面

 

蓝藻厌氧发酵产酸资源化生产示范线现场研讨

 

编者按

江苏省无锡市倚太湖之滨,傍水而生,历史和文化均与太湖水息息相关。梁溪河是沟通无锡市城区水系、京杭大运河、蠡湖和太湖的一条天然水体纽带,河湖交换,生命相连,是维系无锡市城区河道生态健康的重要廊道,被誉为无锡人的母亲河。

“黄夹缬林寒有叶,碧琉璃水净无风”,唐朝诗人白居易笔下的太湖曾是一片清澈纯净的湖泊。然而,随着近现代长三角地区人口不断聚集和经济高速发展,上世纪80年代,蓝藻水华开始在梅梁湾无锡滨湖一带出现,通过梁溪河时常常威胁到城市河流生态环境。

2007年以来,每到夏季,蓝藻水华就开始了它们对梅梁湾的“例行造访”,这些蓝绿色的“小怪物”在北太湖快速生长和蔓延,随着风向向湖岸带漂移,常常形成数公里长的水华滨岸堆积带,并随连通河道的河湖水力交换,大量漂入连通河道,既影响了连通河道的水面景观和水质,还会腐烂发臭,严重影响沿河居民生活。为此,绝大多数连通太湖的河道都实施了闸控,切断河湖自然水体交换。然而,这种水利控制也大大影响了太湖流域的水系连通性,损害了江南水乡的河流生态健康。

通,还是不通?成了摆在太湖流域滨湖城市河道管理者面前的难题。

在太湖藻型生境短期内难以彻底改观的背景下,为破解太湖蓝藻水华沿岸带堆积对连通河道输入性水华堆积影响严重的难题,“十三五”国家水体污染控制与治理科技重大专项“梅梁湾滨湖城市水体水环境深度改善和生态功能提升技术与工程示范”项目设置了攻关课题“梅梁湾蓝藻水华控制与藻源性有机物处置技术集成与工程示范”(2017ZX07203-001)。

课题由中国科学院南京地理与湖泊研究所牵头,联合无锡市水利局蓝藻治理办公室、无锡德林海环保科技股份有限公司、江南大学、中国船舶重工集团第七〇二研究所、江苏省农业科学院和中国科学院水生生物研究所等多家单位,从水华堆积的监测与预警、河口区表面漂浮蓝藻的快速清除、蓝藻处置效益提升等多方面开展技术攻关,提升连通河道河口区漂浮蓝藻颗粒物清除的技术水平,研发了滨岸复杂岸线蓝藻叶绿素信息遥感提取技术、蓝藻颗粒物堆积预警模拟技术、大流量漂浮蓝藻颗粒快速清除技术和蓝藻藻泥高附加值资源化技术等4项关键技术,构建蓝藻水华清除与处置一体化信息平台,形成了河口区蓝藻水华综合防控与清除成套技术,在梅梁湾梁溪河口实施了工程示范。

通过技术应用,2019年经由梅梁湖泵站进入梁溪河的蓝藻水华颗粒物通量较2017年下降了19%,为无锡滨湖河道水环境提升等蓝藻水华灾害综合防控及水生态修复提供了科技支撑。


把脉太湖蓝藻水华动态 提升河口挡藻除藻效率

“太湖蓝藻水华的强度、时空分布受天气的影响极大。”课题负责人表示,蓝藻细胞的快速增殖速度,既受水体营养盐供给能力的限制,还受温度、光照乃至风速及水体浑浊度的影响。大量聚集的藻团是漂在水面还是沉入水中,受水动力扰动强度和光照刺激下细胞生理变化的双重影响。而蓝藻水华在空间上的聚集和堆积强度,则受风向及其持续时间的影响。对于具体的通湖河道而言,蓝藻水华空间分布的高度不确定性,给河口蓝藻水华防控带来了挑战。

所以,精细的水华分布状况监测和准确的水华未来变化预测,对有效组织蓝藻水华打捞力量,科学调控太湖出入流河道水量,减少蓝藻颗粒物大量进入连通河道,都有重要的意义。

为提升太湖蓝藻颗粒物堆积程度的预测精度,课题组在“十二五”水专项课题开发的太湖蓝藻水华及湖泛预测预警技术基础上,自2017年起,通过技术攻关,加入了太湖地区中尺度天气预报模型,并实现了WRF天气预报模式与自主研发的太湖生态模型的耦合运行,打造了新一代“太湖蓝藻水华及湖泛监测预警平台”。平台采用B/S模式搭建了Web端的可视化操作界面,增加了领导决策系统和预报人员业务操作系统。2018年,课题组再次改进模型,提升了滨岸带局地水动力场与物质浓度场的模拟精度,并在2019年将预测时长由原来的3天提升到了7天,实现了预报报告的半自动化制作和发布。

20175月至今,预测模型版本不断改进提升,课题组于每年太湖水华及湖泛高发的5~10月,发布太湖蓝藻水华及湖泛预测预警报告130多期,预报准确率平均为74%,达到了课题设置的预期目标。课题研发的“蓝藻颗粒物堆积预警模拟技术”作为“十三五”水专项的环境技术成果,获得了2018年环境保护科学技术奖一等奖,并应邀参加了2019国际生态环境新技术大会,这一关键技术也在千岛湖等重要湖库得到了成功的推广应用。

在蓝藻水华动态监测技术方面,为了对太湖蓝藻叶绿素进行更精确的监测,2019年课题组开发了“滨岸蓝藻叶绿素信息遥感提取技术”,利用无人机-地面遥感技术,可以更为清晰地监测到滨岸带蓝藻水华的空间分布情况,将遥感监测蓝藻水华的空间网格精度从过去常用的200米提升到10~50米。结合实测叶绿素数据和同步获取的无人机光谱数据,构建了基于无人机的叶绿素遥感估算模型。

课题组还开发了无锡市蓝藻水华清除与处置信息化平台。蓝藻水华的打捞涉及多个部门,首先是蓝藻水华信息的及时获取,其次是各个滨岸带水域蓝藻打捞的决策及其联动,包括打捞人员、设施的联动,此外,还涉及打捞上来蓝藻的藻水分离和处置能力布局。鉴于蓝藻水华时空动态的高度不确定性,开发信息全面、功能齐全的蓝藻水华清除与处置信息化平台,有助于提升管理部门对蓝藻水华灾害科学防控的效率。

课题组在充分调研太湖蓝藻水华防控基础设施、设备和信息化水平的基础上,以物联网感知技术为切入点,开发了梁溪河颗粒藻通量实时自动监测系统,集成了湖体蓝藻水华状况感知设备、多源蓝藻水华清除与处置工况视频监控系统、蓝藻水华与湖泛灾害预测预警模型等,通过软硬件的开发与融合,构建了具备调取蓝藻水华预测预警报告、实时显示蓝藻水华清除与处置施工状况、综合展示无锡市蓝藻水华清除与处置信息的管理信息平台。

这一平台衔接太湖蓝藻水华及湖泛预测预警发布平台,可以显示太湖未来7天蓝藻水华的暴发程度、堆积区域,实时在线显示梅梁湾进入梁溪河的表层水体蓝藻颗粒物通量,视频监控10个重要蓝藻打捞清除点的蓝藻水华堆积状况及打捞施工状况、3个藻水分离站的藻水分离和藻泥处置工况等信息,提升了管理部门及时掌握藻情信息、有效配置蓝藻水华清除与处理力量的能力。

据了解,这一平台已经于20194月开始在无锡市蓝藻治理办公室业务化运行,相关管理部门也多次利用平台开展蓝藻情势分析及防控方案研讨,在蓝藻水华灾害的精准防控上发挥了的管理支撑作用。 

开发大通量加压抑藻技术 保障大水量河湖交换安全

据梁溪河2017年夏季3个月(6~8月)的逐日藻颗粒通量监测,一个季度的藻通量超过9733吨干物质,相当于藻水分离站生产湿藻泥64889吨,与当年无锡市处理藻泥的总量大致相当。如此大的通量,既没有能力打捞干净,也没有能力全部处置。

“所以说,在持续大通量的河湖水力交换中,将流场和风场综合作用下拉入河口的蓝藻漂浮颗粒物全部打捞,目前在能力上和技术上均无法现实。”课题负责人介绍,在这种情况下,课题组开发了利用水压破坏蓝藻细胞及藻团中气泡的高压抑藻技术和设备,通过营造出7个大气压的静水压力,破坏蓝藻细胞中的伪空泡,使得藻团和单细胞的微囊藻都不能稳定存在于水体表面,蓝藻细胞在很大程度上丧失了细胞增殖及随水流漂浮堆积的能力,无法大规模随着河湖水力交换而进入河道。

在技术实现突破之后,课题组依托无锡市水利局的多项梅梁湾控藻工程,在梅梁湾梁溪河口进行了表层水体蓝藻颗粒物清除综合技术工程示范。技术思路为“聚、灭、捞、扫”四步走:首先通过应用智能围隔聚藻技术将靠近梁溪河口的表层蓝藻颗粒物高效集聚至加压灭藻陷阱口,通过加压灭藻陷阱大通量降低藻团和藻细胞的上浮能力,使之大量下沉至湖底,对于再次上浮的蓝藻,使用课题开发的加压灭藻船进行移动式“围歼”,并利用蓝藻打捞及处置一体化船只进行有效打捞清除。最后,为避免大量蓝藻在湖底累积带来的水质风险,集成应用前期项目开发的湖底蓝藻清扫船进行扫除,防止形成二次污染。成套技术的工程示范有效降低了进入固定打捞点数万平方米水域范围的表层蓝藻生物量,实现了梅梁湾梁溪河口水体表层50cm漂浮蓝藻颗粒有机物去除率由55%提升到70%的工程示范技术目标。

课题工程示范于201710月初步建成,2018年经过了实际应用调试,在2019年蓝藻季,原位灭藻陷阱累计运行1500小时,累计处理富藻水3.1×106m3,有效避免示范区蓝藻水华聚集96次,20196~8月梅梁湾进入梁溪河藻源性颗粒有机物通量较2017年同期下降19%

在加压灭藻陷阱正式投入运行期间,课题组及时总结经验,对其处理前后的水域进行采样,通过监测叶绿素、藻密度及蓝藻细胞内气囊结构来判断原位灭藻陷阱清除蓝藻的效果,完成了灭藻陷阱对水质提升效果的评估。结果表明灭藻陷阱出水口水域中的叶绿素a浓度及藻密度较进水口均显著下降。原位陷阱灭藻技术因其显著的灭藻效果,已经在安徽巢湖、玉溪星云湖得到广泛推广应用,全国已有9个灭藻陷阱应用工程,其中1个为锦园工程示范,2个正在调试运行,6个建成运行。

据了解,无锡市正在扩大深井控藻试验,目前在贡湖许仙港、太湖西岸符渎港的两座灭藻陷阱已经开工建设。

 开拓蓝藻资源化新途径 助力蓝藻处置能力提升

蓝藻藻泥的末端处置能力也是限制太湖蓝藻打捞规模的瓶颈。打捞蓝藻经藻水分离站脱水后,含水率仍高达85%~95%,资源化处置技术匮乏,运输成本极高。

课题组研究发现,前期探索的资源化途径中,厌氧发酵产甲烷技术因为沼液沼渣无法消纳而难以为继;堆肥技术因使用用途狭窄及其季节原因难以推广。至“十二五”末,无锡市的打捞藻泥出路陷入困境。

针对以上困境,为开拓新的蓝藻藻泥资源化途径,提高藻泥资源化再利用的价值,课题组研发了藻泥厌氧发酵产酸处置技术。技术以太湖蓝藻湿藻泥(含水率90%)为原料,通过中温热碱预处理高效水解蓝藻细胞,使细胞内的有机物释放至细胞外,提高后续的反应速度和转化效率。利用厌氧碱性发酵定向产酸调控技术,将藻碳源转化为目标有机酸,经过调理后实现固液分离,有机酸产物经过氮磷去除净化,得到有机酸发酵产品,可应用于城市污水处理厂的外加碳源,强化污水脱氮除磷效率。目前已在无锡马山的月亮湾藻水分离站建设了日处理3吨湿藻泥(含水率90%)能力的蓝藻厌氧发酵产酸资源化利用中试工程示范线。

针对蓝藻藻泥深度脱水成本高的技术难点,课题组经过3年技术攻关,提出了“热化学调理工艺改善脱水性能”的新型藻泥脱水思路,从改变蓝藻细胞组成的物理结构出发,研发出一种基于荚膜多糖软晶格热重排的蓝藻泥压滤方法,此方法制备的藻泥滤饼仍保留高有机质含量的特点,滤饼热值高达3700 kcal/kg,是常规工艺所得滤饼热值的4~5倍,可以实现自持焚烧,飞灰量可以减少60%~65%。目前已经和无锡蓝藻处置关键企业达成了技术合作,推进此技术走向产业化。

在藻泥深度脱水技术获得突破的基础上,课题组还探索利用蓝藻泥制备生物质成型炭,为后续资源化开拓了新途径。通过加压成型和热解碳化,获得了吸附性能优良的生物质成型炭,根据试验结果,每处理1吨藻泥(含水率90%)可增加收益60元。

为开拓高附加值蓝藻藻泥产业化途径,课题组还研发了能够确保藻泥蛋白质品质的蓝藻藻泥采收系统,经此系统采收的藻泥能够用于鱼饲料生产。课题组也进一步优化了蓝藻藻粉生产生物塑料的工艺。这些技术均与相关企业达成合作协议,开始进行产业化验证。

加强技术推广 服务国家需求

“工程示范的积极意义是其可复制性和推广性。”课题负责人介绍,结合上述科技攻关成果,课题组针对太湖夏季蓝藻水华在滨岸带聚集、腐烂并威胁河湖连通水系生态环境和破坏景观的问题,制定了一套蓝藻水华防控方案。

这一方案紧密结合江苏省“十三五”太湖流域水环境综合治理行动方案和无锡市的“水十条”工作,瞄准梅梁湾临城沿岸带蓝藻水华堆积及其对连通河道水质产生巨大影响的环境问题开展技术攻关。基于工程示范和配套工程的实施,有效降低梅梁湾输入梁溪河的藻源性颗粒物有机物负荷,为我国湖泊蓝藻水华灾害综合防控提供支撑。

此外,湖泊蓝藻水华及湖泛预测预警系统及系列产品装备在20175月至201910月向生态环境部、江苏省水利厅等相关管理部门报送《太湖蓝藻水华及湖泛监测预警半周/周报》125期,成功预测了10余次微型湖泛事件,并在20202月底和3月初向生态环境部报送《太湖蓝藻水华暴发的周期性特征与2020年防控对策建议》等报告,支撑相关管理部门进行太湖蓝藻水华应急处置和湖泛灾害防控。

原位灭藻陷阱技术除了应用在课题工程示范区,也在全国范围内进行了推广,例如在巢湖推广了1套,在云南星云湖推广了5套。加压控藻技术的另外一个产品加压控藻船已经销售19艘,先后在洱海、滇池、太湖、解放山水库等蓝藻治理一线服务,对我国重要湖库蓝藻水华灾害的防控起到保障作用。

课题组研发的关键技术和示范工程的集成效果,在无锡当地也得到了广泛地推广应用。无锡市水利局蓝藻治理办公室负责运营蓝藻水华清除与处置一体化信息平台,组织无锡市的蓝藻水华打捞和处置工作,基于信息化平台,高效调控在无锡市布设的蓝藻固定打捞点60个、打捞船只30多艘、打捞队伍800余人,并实时监控目前在无锡沿湖已建成的11个藻水分离站的运行,及时将打捞、分离出的藻泥进行无害化处理。

据了解,研发过程中课题组已经获得了8项授权发明专利、6项实用新型专利和6项计算机软件著作权登记,目前处于申请受理中的发明专利还有15项。

 

摘自《中国环境报》 记者:童克难

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