水利工程污损生物沼蛤的物理去除技术研究.pdf

第33卷 第 10期 20 1 6 年 1 0 月 长江科学院院报 Journal of Yangtze River Scientific Research Institute Vol.33 No. 10 Oct. 2 0 1 6 doi： 10.11988/ckyyb.201507302016,33(10)： 24-27,35 水利工程污损生物沼蛤的物理去除技术研究 魏 小熙,刘德富2,杨正健2,张佳磊2魏 小熙,刘德富2,杨正健2,张佳磊2 (1.湖北省水利水电规划勘测设计院， 武 汉 430064; 2.湖北工业大学土木建筑与环境学院， 武 汉 430068) 摘 要 : 我摘 要 : 我国 南 方 水 利 工 程 常 受 到 沼 蛤 生 物 污 损 的 危 害 ， 沼蛤高密度粘附在结构面上会改变建 筑物功能结构， 影响水利工程安全运营。通过研究沼蛤在离水干燥、 高温水浴、 超声波、 电流作用下的死亡特征， 探 讨利用物理方法去除沼蛤的工程技术可行性。研究结果表明:沼蛤在环境温度为28 t的离水干燥条件下,3d就会 因缺水而死亡;沼蛤在水浴温度为44 T： 的环境中的死亡时间为10h， 当水浴温度55 T： 时， 在其接触高温水体瞬间 就会死亡， 内部组织与角质壳分离、 脱落;在沼蛤集中的水环境中加载超声波和高压电流也能灭杀沼蛤幼虫及成 贝， 有效抑制其大量繁殖。研究了 4 种去除沼蛤的物理方法， 其中离水干燥法和高温水浴法灭杀效率较高， 而超声 波和电流灭杀法具有较好的预防特性。 关键词： 沼蛤;生物污损;物理去除;干燥脱水;高温水浴灭杀;超声波;高压电流 中图分类号中图分类号:TV36 文献标志码文献标志码:A 文章编号文章编号= 1001-5485 (2016) 10-0024-04 1研究背景 随着社会的发展， 水电能源问题日益突出， 大批 水利工程被修建。但是， 水利工程兴建的同时也伴随 着诸多环境问题， 其中“ 生物污损” 是水利工程较为严 重的问题之一。生物污损1是指藻类、 贝类等大型污 损型生物人侵到水利工程结构物及生产设备中以高 密度附着生长， 影响水工建筑物和生产设备正常运行 的现象。污损生物人侵后很难去除， 并且大量附着繁 殖， 破环水工建筑物结构， 影响建筑物正常使用2_4。 我国河湖水利工程污损生物主要为沼蛤。沼蛤 (Kmraoperaa /ortwreei)属双壳纲、 异柱目、 贻贝科， 俗 称淡水壳菜5， 主要来源于南方沿海及东南亚地 区， 其后随船舶等媒介逐渐向长江流域、 珠江流域、 淮海流域、 黄河流域等内陆及北方水系人侵6。沼 蛤的主要危害在于在附着面上层层附着， 腐蚀附着 面、 降低管道等的过流能力M。如南美洲的阿根 廷 Atucha核电厂、 阿根廷-巴拉圭的Yacyreta水电 厂以及巴西-巴拉圭的Itaipu水电厂都曾因为沼蛤 污损而检修及停产9。目前， 生物污损的治理并没 有成熟的技术措施， 国外较注重生态治理及利用超 声波、 高温干燥等新型防治方式， 国内常用的方法为 化学氧化剂灭杀法 1 44。化学氧化剂灭杀法对环 境的影响较大， 而生态防治方法效果缓慢且技术不 够成熟， 当发生大范围生物污损时就需要利用物理 方法快速有效地去除污损生物;而目前对于物理灭 杀法的研究较少， 脱水、 高温、 超声波、 电流、 紫外线 等方法虽然有所提及， 但缺乏深人研究。所以， 笔者 以工程实践的可行性及技术的可靠性为前提， 在试 验的基础上以离水干燥灭杀法、 高温水喷淋灭杀法、 水中超声波灭杀法、 水中电击灭杀法4 种物理灭杀 方法在工程实践中对沼蛤的灭杀效果及技术可行性 进行探究。对于闸门、 拦污栅等可脱离水体的建筑 物， 可采用离水干燥、 高温水喷淋等方法去除沼蛤， 而处于水中或不便于排水检修的建筑物可采用水中 超声波、 电流等灭杀法去除沼蛤。 2材料与方法 2 . 1 样品采集与处理2 . 1 样品采集与处理 沼蛤样品采集于长江中游汉江河口处， 采集时 间为夏季。采集时将沼蛤团簇整块剥离， 装人采样 盒中， 并加适量河水， 当天带回试验室后放人培养池 中培养。 将试验备用沼蛤足丝剪短， 分离成单个个体， 放 人纯水中培养1 d， 挑选双壳张开呼吸且刺激后迅速 闭合的活跃性较高个体进行试验。 收稿日期:2015-08-31;修回日期:2015-10-25 基金项目： 国 家 重点基础研究发展计划（ 973)前 期 研 究 计 划 课 题(2l4CB466l );科 技 部2M年 国 际 科 技 合作与交流专项（2l4DFE7 7) 作者简介:魏 小 熙 （ 1989-),男 ， 甘 肃 天 水 人 ， 硕 士 研 究 生 ,研 究 方 向 为 生 态 水 利 ， （ 电话电子信箱)244896757 qq. com 。 通讯作者:刘德 富 （ 1 % 2 _ ) ,男 ， 湖 北 枝 江 人 ， 教 授 ， 博 士 生 导 师 ， 主 要 从 事 水 工 结 构 工 程 、 生 态 水 利 等 方 面 的 研 究 ， （ 电 话 ） 027- 88025454(电子 信 箱 )dfliu 。 第 10期魏小熙等水利工程污损生物沼蛤的物理去除技术研究25 Fig.1 时间他 ( (b)环境温度为44)环境温度为44S C 图 1离 水 干燥 不同 环 境温 度条 件 下 沼蛤死亡率与时间的关系 Zi/w助/?狀而 /or如n d ， s mortality rates against time under dry conditions from water 3 . 2高温水浴灭杀试验高温水浴灭杀试验 图 2 显示， 在沼蛤接触高温水10 s后， 温度为40 C的水浴中死亡率为10%， 但水浴温度达到或高于 55丈时， 死亡率均达到了 100%。沼蛤在接触髙温水 后迅速死亡， 内部组织结构与角质壳分离， 双壳张开e 每个梯度徽置体长i = (:1 2) mm和I二 （ 202) mm 的 2 组不同体长的试验组， 个体密度为20个/组。试 验.中招始个体均勻排列在K负 电 极 之 间 的 个 体间胆为2 cm,电击时间为30 s。其电后8 12 li 内监测沼蛤死亡率为 。 3结果与分析 3 . 1离水干燥灭杀试验离水干燥灭杀试验 图 1 U )显承， 环境温度为28 尤时， 体长 mm和20 mm的试验组死舍傘基本相: 同， 均.蓬重 线上升,48 h 时死亡率接近80%，72 h时完全死亡， 表 明沼蛤在湿度为50%、 温度为2 8 丈的环境中离水千 燥后的死亡时间为3 d。图 1(b) 显示，44 C的高温环 境中v体长乙=1 mm的试验组个体_ 3 h 肖全部死 亡； 体长L20 mm的试验组死亡率呈直钱上升趋势， 8 h 时达到90%, 10 h 时全部死亡。试验表明， 体长较 小的个体在高温离水干燥环境中较体长较大的个体 容易死亡， 不同体长的沼蛤在温度为4 4 丈、 湿度为 50%的环境中全部死亡的时间为10 25 48 时间池 环境温度为28环境温度为28C 100 80 0/M O n HiO m m 2 . 2 试验方法2 . 2 试验方法 2 .2 .1 离水干燥灭杀试验 调蜜发现， 沼蛤附着于涉水建筑物的水面附近， 由于水位波动， 常有大量沼蛤脱离水体裸露于空气 中， 但招蛤并非脱离水体就马上死亡,而是存在一定 的死亡缓冲时间离永干燥灭杀沼蛤的方法就是利 用其脱离水体死亡的特性,从而达到去除的目的。试 验设置常温(28 及高温（ 4 4 丈） 2 个温度条件， 多 个试验组在不同时间段分别观察沼蛤死亡率， 试验环 境湿度均为50%， 在恒温箱中进行。 28 C 温度条件 T 设 置 13， 25， 48,72 h共 4 个时间梯度;44尤温度条 件下设置1， 3，5，8,10 h 共 5 个时间梯度。每个时间 梯 度 设 置 体 长 (: 1 2) mm和 Z = (202) mm的 2 组不: 同箱蛤体长的试验组个体密度为20个/ 组 ， 试 验时将餌蛤个体放人烧杯中. ， 避兔个体之间堆聲依 靠， # 1S 温箱温度稳定后放入装有沼蛤个体的烧杯并 开始计时。每组在试验结束后加人适量纯水， 8 12 h 内监测沼蛤死亡率为死亡判断依据为:个体漂浮 于水中或开壳但刺激后无闭壳行为;8 12 h 无开壳 行为的即为死亡s 2.2.2: 高温水浴灭杀试验 在夏季倉温天气， 水面温度升高后， 会有大量轺 蛤因水温过禽、 水体溶解氧降低、 组织结构破坏等因 素死亡a高温水浴灭杀试验设置40,55,7 , 8 5 丈 4 个温度梯度试验组， 个 体 密 度 为 2 0 个/组 ， 体长 10 mm矣120 mm。：_组_招蛤在恒.温7jC浴中接触顧 温 水 10 *后放人常温纯水中， 萁 8 12 h内监测沼 蛤死亡傘为M。 2.2.3 超声波灭杀试验 超声彼在液体中传导时对介质产生推动作用, 使液体中压力变化而产生无数微小真空泡， 当汽泡 受压嬝破时， 就会产生强大的冲击能。作用于沼蛤 幼虫及成贝时， 能够破坏其细胞组织结构， 从而将其 杀死。超声彼源采用I(Q52ODE型超声波仪， 功率 为 40 kHz6 试验设置5，1 5 ， 2 5 ， 40 min共 4 个超声 波作用时间梯度试验组， 个体密度为20个/组， 体长 10 mm矣i矣20 mm。每親试验在500 .m L烽杯中加 适羞纯水后置于功率为40kHz的超声波清洗仪中, 达到设定时苘.后取出、 将烧杯中的水换为纯水 其 8 12 h内监测沼蛤死亡率为 。 2.2.4 电流灭杀试验 电流对沼蛤、 鱼类等7JC生动物具有灭杀作用,试 验探究不同强度的电压对沼蛤的灭杀效果。设置 10,40,80 V 3个电压梯度， 正负极距离均为20 em， 7jC 量 1 L,两电极之间的电压密度分别为0.5,2,4 V/cra6 o o 6 4 %# 4 - 1 度 26 长江科学院院报 .2016 年 时间f/min 图图3超声波作用下沼蛤死亡率与时间的关系超声波作用下沼蛤死亡率与时间的关系 Fig.3 s mortality rates against time under ultrasonic wave 3 . 4电流灭杀试验电流灭杀试验 不同电压强度下的作用时间均为30 s，由 图4 可知， 正负电极之间的电压密度设为0.5 V/cra时， 并未对沼蛤个体造成伤害逆负电极之间的电压密 度设为2 V/cm时时， 体 长 Z/ 10 mm和 Z/ 20 mm的 试验组死亡率均达到20%;电压密度设为4 V/cm 时时， 体长mm的试验组死亡率略大于体长L 10 mm的试验组， 但均达到60%以上。 60 # iJ I 110 r I I2 r m 0.5 4 电压密度? /(enr1 ) 图图4电流作用下沼蛤死亡率与电压密度的关系电流作用下沼蛤死亡率与电压密度的关系 Fig.4 杉杉/， mortality rates against electric current density 4讨 论 轺蛤内部为软组织结构,在缺水条件下组织细 图图2高温水浴中沼蛤死亡率与水浴温度的关系高温水浴中沼蛤死亡率与水浴温度的关系 Fig.2 /or如财如财/ ， s mortality rates against water temperature 3 . 3超声波灭杀试验超声波灭杀试验 超声波灭杀试验采用功率为4 kHz的超声波 清洗仪为超声波源， 功 率 波动在10%以内。图 3 显 示 ， 超声波作用1 5 m b时沼蛤死亡率为6 0 % ， 作用 40 min时死亡率为85%,:招蛤在趙声波作J f下死亡 率与时间呈指数关系,相关性系数妒= 0.968 3。 胞极容易脱水死亡， 而沼蛤的角质贝壳在其离开水 体时起到了一定的保护自身水份的作用。但 是 ， 在 离水干燥的过程中， 沼蛤体内水份会逐渐散失， 达到 某一时间阚值后会迅速死亡。本试验目的在于通过 试验的方_式#求这一时闻阀.值:。.P. V. P_eepelizin 等研究指出， 离水的斑马贻贝在环境温度为51 的 条 件 下 30 m in内死亡率可达到100%， 斑马贻 贝 在 水 体 温 度 大 于 4 2 丈的水环境中死亡率达到 100%的时间为1.8 h。沼蛤与;斑马贻贝同属， 试验表 明， 环境温度为28 C、 湿 度 为 5 0 % 的环境中， 离水 的 沼蛤死*率受体长影响较小,72 h可全部死亡 温度为4 4 丈、 湿度为5 0 % 的环境中， 体长i10 mm 的离水沼蛤全部死亡的时间为3 h， 而 体 长L20 mni的个体死亡財间費10 h， 表明体长较大的沼_蛤 在脱离水体的裔海环境.中，的死仁时间比体长小的个 体长q在留蛤防治中:， ,舍水工建筑物排水检修时 间3 d、 环境温度 2 8 丈时就可使沼蛤太量死亡， 如 果环境温度44 T时有效灭杀时间可缩短至10 h。 高温水浴灭杀法与离水干燥灭杀法的不同点是 离水千燥法是利用组织细胞脱水死C的特性， 両高 温水浴灭杀法是利用高温水体便组织细胞在髙温环 境下瞬间失活死亡的特性， 禽水干燥灭杀法成本低、 操作简单， 而高温水浴灭杀法翕效快速， 但需要高压 水枪等施加设备高温水浴灭杀法是一 种快速有效的灭杀方法， 能够迅速灭杀结构面上附 着的沼蛤团簇;超声波灭杀法和电流灭杀法针对沼 蛤幼虫的灭杀效果较好， 能够有效抑制其繁殖， 但对 成贝效果较差。通过试验表明， 4 种物理灭杀法都 具有一定的实践及技术可行性， 对于污损生物沼蛤 的防治意义重大， 但也存在一些不足， 物理去除方法 只能在短期内快速灭杀沼蛤， 在沼蛤防治过程中， 应 重视物理去除方法与氧化试剂灭杀、 环境控制、 生物 捕食与竞争、 防护涂料18等其他防治措施结合， 提 高防治效率。 5结 论 通过试验探讨了离水干燥、 高温水浴、 超声波及 电流灭杀法的技术可行性及在实际工程中应用的优 缺点， 为沼蛤防治技术提供新的可行方案。结果表 明： (1) 离水干燥条件下沼蛤死亡时间的确定提高 了离水干燥灭杀沼蛤的效率。试验得出， 温度为28 C 、 湿度为50%的离水干燥环境中沼蛤死亡时间为 3 d， 环境温度为44 C时死亡时间为10 h。 (2) 高温水浴灭杀试验验证了高温水流喷淋灭 杀法的快速、 有效及可行性， 水浴温度為55 C时 10 s 内死亡率达到100%。 (3) 超声波灭杀法和电流灭杀法灭杀沼蛤幼虫 效果较好， 但对于成贝灭杀效率较低， 虽然存在不 足 ， 但也是防治沼蛤污损的有效方法。当超声波功 率为40 kHz、 作用40 min时成贝死亡率为8 5%， 电 流灭杀的电压密度受电极距离影响较大， 加载的电 压密度为4 V/cm时灭杀率为60%,而大范围使用 会对生态环境造成影响， 只能在特定范围内使用。 沼蛤物理去除方法具有快速有效的特点， 但同 时也具有无法根治、 不可持续等方面的不足， 因此， 要与其他沼蛤防治措施相结合， 提高防治效率， 达到 持续可控的目的。 参考文献：参考文献： 1 徐梦珍.底栖动物沼蛤对输水通道的人侵及防治试验 研究D.北京： 清华大学， 2012. 2 BRUGNOLI E, CLEMENTE J, BOCCARDI L, et al. 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(编辑:姜小兰) Physical Methods of Removing Biofouling Limnoperna fortunei in Hydraulic Engineering WEI Xiao-xi12, LIU De-fu2, YANG Zheng-jian2, ZHANG Jia-lei2 (1.Hubei Provincial Water Resources and Hydropower Planning Survey and Design Institute, Wuhan 430064, China; 2.School of Civil Engineering and Environment, Hubei University of Technology, Wuhan 430068, China) Abstract ： Hydraulic projects in south China often suffer from the biofouling hazards of limnoperna fortunei which ad heres to the surface of structures in high-density, changing the function of structure buildings and affecting the safe operation of hydraulic proje