微氣泡氣浮清除水體中暴發(fā)藻類的試驗研究*

葉建鋒 鐘曉春 宋召鳳 高陽俊

(1.東華大學(xué)環(huán)境科學(xué)與工程學(xué)院，上海 201620；2.耶魯大學(xué)森林與環(huán)境學(xué)院，康涅狄格州 紐黑文 06511；3.上海市環(huán)境科學(xué)研究院，上海 200233)

我國湖庫等開放水體富營養(yǎng)化程度日漸嚴(yán)重[1]，藻類暴發(fā)頻繁[2-3]，已成為當(dāng)今水環(huán)境亟需解決的重點(diǎn)問題?，F(xiàn)有的藻類暴發(fā)治理技術(shù)存在藻類暴發(fā)有效預(yù)警困難、防治效果差及暴發(fā)后藻類清除速度慢等問題。因此，我國藻類暴發(fā)在短期內(nèi)仍難以避免，如何降低水華危害，解決藻類暴發(fā)后的快速清除問題顯得十分必要。

現(xiàn)有的藻類清除技術(shù)主要有物理、化學(xué)和生物法3種。物理法以絮凝沉淀或氣浮[4-5]、人工機(jī)械打撈[6]為主，絮凝沉淀法效果好但成本高、易產(chǎn)生二次污染，人工機(jī)械打撈耗時耗力且效果較差；化學(xué)法除藻效果明顯[7]，但投加除藻劑本身對水環(huán)境影響大，且藻類死亡后釋放藻毒素二次污染水環(huán)境；生物法通過投放食藻魚類或微生物控藻[8-9]，但控藻效果緩慢，不適合暴發(fā)期藻類快速清除。針對目前已有的藻類清除技術(shù)成本高、易產(chǎn)生二次污染、處理效果差等缺陷，本研究首次提出采用微氣泡氣浮(微氣浮)清除水體中暴發(fā)的藻細(xì)胞(聚體)。根據(jù)氣泡浮選技術(shù)在油類回收[10-12]、礦物質(zhì)浮選[13]等領(lǐng)域的研究成果，浮選顆粒與氣泡直徑大小相近時兩者黏附效果最好，氣浮效果最顯著。傳統(tǒng)氣浮技術(shù)所能產(chǎn)生的氣泡直徑通常為80～100 μm，藻細(xì)胞直徑僅為3～30 μm，因此在不投加絮凝劑條件下氣泡對藻細(xì)胞的黏附能力很差。近年來，由于氣浮設(shè)備技術(shù)進(jìn)步，新型溶氣泵可使微氣泡直徑穩(wěn)定在10～30 μm，使微氣泡直徑與藻細(xì)胞相近[14]，實現(xiàn)在不投加化學(xué)絮凝劑條件下對藻細(xì)胞產(chǎn)生較好的去除效果。

本研究在不投加絮凝劑的條件下利用微氣浮除藻，優(yōu)化藻水分離技術(shù)參數(shù)，明確藻渣特性，以確定最佳微氣浮條件和藻渣收集參數(shù)，進(jìn)而為開放水體大規(guī)模藻類清除工作提供理論參數(shù)和技術(shù)支撐。

1 材料與方法

1.1 試驗裝置與材料

試驗裝置見圖1，主要由進(jìn)水箱、多相流泵、溶氣罐、氣浮柱等組成。其中，進(jìn)水箱為聚氯乙烯(PVC)材質(zhì)，尺寸為60 cm×40 cm×70 cm，頂端進(jìn)水底部出水，出口端接有進(jìn)水底閥、進(jìn)水流速調(diào)節(jié)閥；多相流泵采用德國EDUR牌EB3U型多相流泵，設(shè)計流量為1.5 m3/h，功率為1.5 kW，多相流泵進(jìn)水端的進(jìn)氣管上接有進(jìn)氣流量計，出水端接有單向閥；溶氣罐材質(zhì)為不銹鋼，頂端裝有壓力表與安全閥，溶氣罐高為81 cm，直徑為11 cm，出口端接有流量調(diào)節(jié)閥與流量計；氣浮柱材質(zhì)為透明有機(jī)玻璃，直徑為20 cm，高為120 cm，氣浮柱上有刻度線。

藻水取自上海市淀山湖藍(lán)藻暴發(fā)期水樣，水樣葉綠素a質(zhì)量濃度為2 000～3 000 μg/L。

1.2 試驗方法

根據(jù)自來水氣浮試驗結(jié)果，氣浮裝置在進(jìn)氣量為0.2～0.3 mL/min、溶氣水流量400 L/h、壓力0.65～0.70 MPa時，氣浮時間較長，微氣泡直徑最小。因此，在此參數(shù)條件下開展后續(xù)試驗，分析各工況條件下藻類去除效果和藻渣特性。

根據(jù)試驗工況要求，將自來水(或藻水)注入進(jìn)水箱，啟動多相流泵制成溶氣水，將試驗裝置調(diào)試到穩(wěn)定狀態(tài)后關(guān)閉多相流泵，將待處理藻水加入氣浮柱后再次啟動多相流泵，當(dāng)氣浮柱液面達(dá)到要求刻度時，關(guān)閉多相流泵，待氣浮柱內(nèi)微氣泡上浮完成后采用刮板取出藻渣，取水樣測定葉綠素a濃度，以葉綠素a去除率表征除藻效果。

1.2.1 不同溶氣水對除藻效果的影響

將藻水稀釋成高、中、低3種濃度梯度，3種梯度下葉綠素a質(zhì)量濃度平均值分別為2 000、1 250、350 μg/L。按表1中工況1～3分別將3種濃度梯度的藻水注入氣浮柱至40 cm刻度處，然后分別以自來水或等濃度待處理藻水作為溶氣水進(jìn)行氣浮試驗，使氣浮柱液面升高至110 cm處，氣浮完成后取氣浮柱水樣測定葉綠素a濃度，考察兩種溶氣水的除藻效果。

1.2.2 藻濃度及溶氣水與藻水體積比對除藻效果的影響

將3種濃度梯度的藻水分別按表1中工況4～6注入氣浮柱至33、60、65 cm刻度處，以自來水為溶氣水，啟動多相流泵使氣浮柱液面升高至110 cm刻度處，氣浮完成后取氣浮柱水樣測定葉綠素a濃度，考察藻濃度及溶氣水與藻水體積比對除藻效果的影響。

1.2.3 藻渣特性參數(shù)試驗

以自來水為溶氣水，將待處理藻水注入氣浮柱40 cm刻度，分別按照表1中工況1～3、工況7～9要求調(diào)節(jié)溶氣水與藻水體積比，從溶氣水進(jìn)入氣浮柱開始計時，記錄不同時間點(diǎn)的藻渣厚度與藻渣形成、上浮和穩(wěn)定時間，并取藻渣測定鮮質(zhì)量及含水率。

1.3 計時及分析方法

將藻渣自然風(fēng)干后，103～105 ℃條件下烘干至恒重，分別計算其鮮質(zhì)量、干質(zhì)量及含水率；以溶氣水進(jìn)入氣浮柱時開始計時，當(dāng)液面出現(xiàn)藻渣層時計為T1，氣浮柱微氣泡上浮完成時計為T2，液面藻渣層開始分散下沉?xí)r計為T3，則藻渣形成、藻渣上浮和藻渣穩(wěn)定時間分別為T1、(T2-T1)、(T3-T2)；葉綠素a濃度采用分光光度法測定。

1—進(jìn)水箱；2—進(jìn)水底閥；3—進(jìn)水流速調(diào)節(jié)閥；4—進(jìn)氣流量計；5—多相流泵；6—單向閥；7—溶氣罐；8—壓力表；9—安全閥；10—流量調(diào)節(jié)閥；11—流量計；12—?dú)飧≈?3—釋放器圖1 試驗裝置示意圖Fig.1 Schematic diagram of experimental device

工況123456789溶氣水與藻水體積比70∶4070∶4070∶4077∶3350∶6045∶6536∶4048∶4060∶40葉綠素a質(zhì)量濃度/(μg·L-1)35012502000350、1250、2000350350350

2 結(jié)果與討論

2.1 不同溶氣水對除藻效果的影響

不同溶氣水微氣浮除藻效果如圖2所示。由圖2可見，以自來水作為溶氣水時，3種濃度梯度藻水的葉綠素a去除率為62.0%～73.0%；以等濃度待處理藻水為溶氣水時，葉綠素a去除率僅為9.0%～48.0%。對比兩種溶氣水除藻效果可見，以自來水作為溶氣水時葉綠素a的去除率整體高于藻水作為溶氣水，且葉綠素a的去除率隨著藻濃度的增加而升高，但當(dāng)以藻水為溶氣水時葉綠素a的去除率則呈現(xiàn)相反的變化趨勢。究其原因主要是藻水在經(jīng)過多相流泵加壓溶氣過程中，水中藻聚體被多相流泵高速旋轉(zhuǎn)的葉輪打碎，藻聚體被打碎后粒徑變小，使之不易上浮至液面，導(dǎo)致葉綠素a去除率下降；當(dāng)以自來水作為溶氣水時，則不會出現(xiàn)此現(xiàn)象。因此，在自然水體中采用微氣浮設(shè)備清除藻類時，氣浮裝置進(jìn)水口可布設(shè)在藻類暴發(fā)層以下的清水層。

圖2 不同溶氣水對除藻類效果的影響Fig.2 Effect of different dissolved air water on algae removal

2.2 藻濃度及溶氣水與藻水體積比對除藻效果的影響

藻濃度、溶氣水與藻水體積比對除藻效果的影響見圖3，其中柱狀圖表示平均值。由圖3(a)可見，高、中、低濃度藻水在3種進(jìn)水條件下葉綠素a去除率平均值分別為72.4%、68.2%、61.5%，葉綠素a的去除率隨著藻濃度的降低而降低。當(dāng)藻水藻濃度相同時，溶氣水與藻水體積比越高，葉綠素a去除率也越高；當(dāng)溶氣水與藻水體積比為77∶33時，高、中、低濃度藻水葉綠素a的去除率分別是體積比為45∶65時的1.26、1.17、1.20倍，可見增加溶氣水與藻水體積比對高濃度藻水的葉綠素a去除率提高最顯著。由圖3(b)可見，當(dāng)溶氣水與藻水體積比分別為77∶33、50∶60、45∶65時，3種藻水葉綠素a去除率的平均值分別為73.8%、67.0%、60.9%，葉綠素a去除率隨溶氣水與藻水體積比的降低而降低。當(dāng)溶氣水與藻水體積比相同時，藻濃度越高，葉綠素a去除率也越高，這主要源于藻類暴發(fā)后多以藻聚體形式懸浮存在，微氣泡更容易與其黏附而使其上浮。在實際自然水體微氣浮除藻工藝中，考慮到能耗成本因素，宜將溶氣水和藻水體積比控制在1.4左右。

圖3 藻濃度及溶氣水與藻水體積比對除藻效果的影響Fig.3 Effect of algae concentrations,and ratio of dissolved air water to algae water on algae removal

2.3 微氣浮藻渣特性及收集參數(shù)

2.3.1 微氣浮藻渣特性

不同工況下微氣浮藻渣厚度隨氣浮時間的變化如圖4所示。對比工況1、7、8、9可見，當(dāng)藻濃度相同、溶氣水與藻水體積比不同時，藻渣層累積趨勢基本一致，均在170 s左右基本完成藻渣層的累積。對比工況1、2、3可見，當(dāng)溶氣水與藻水體積比相同、藻濃度不同時，藻渣累積速率、藻渣厚度及累積穩(wěn)定時間總體上均隨藻濃度的增加而增加。不同工況下微氣浮獲得的藻渣含水率見圖5。由圖5可見，不同工況下微氣浮獲得的藻渣含水率略有差異，總體在96.5%～98.8%。

圖4 藻渣厚度隨氣浮時間變化Fig.4 Variation of algae residue thickness with flotation time

圖5 不同工況條件藻渣含水率Fig.5 Moisture content of algae residue obtained in different working condition

2.3.2 微氣浮藻渣收集參數(shù)分析

對比工況1、2、3、9下微氣浮藻渣出現(xiàn)、上浮、穩(wěn)定時間，結(jié)果如圖6所示。由圖6可見，微氣浮進(jìn)行40～60 s后開始出現(xiàn)藻渣；低濃度藻水(工況1、9)藻渣上浮時間為160～200 s，藻渣穩(wěn)定時間在850 s左右；中、高濃度藻水(工況2、3)藻渣出現(xiàn)相對較快，藻渣上浮時間較長，約為360 s，藻渣穩(wěn)定時間在700～750 s。可見，將微氣浮應(yīng)用于實際自然水體除藻時，在不考慮開放水體中的風(fēng)浪等因素，藻類最佳氣浮時間為3～6 min，藻渣最佳收集時段為微氣浮完成后的14 min內(nèi)。

圖6不同工況下微氣浮藻渣形成、上浮、穩(wěn)定時間 Fig.6 The arising,floating,stabilizing time of micro-flotation algae residue in different working condition

3 結(jié) 論

在不投加絮凝劑前提下利用微氣浮技術(shù)清除藻水中的藻細(xì)胞。試驗結(jié)果表明，氣浮裝置在進(jìn)氣量為0.2～0.3 mL/min、溶氣水流量400 L/h、壓力0.65～0.70 MPa時，氣浮時間較長，微氣泡直徑最小，在此條件下，微氣浮技術(shù)除藻效果良好。以自來水作為溶氣水時，藻水葉綠素a去除率在62.0%～73.0%，微氣浮產(chǎn)生的藻渣含水率在96.5%～98.8%。利用試驗結(jié)果指導(dǎo)實際自然水體除藻工作，宜將氣浮裝置進(jìn)水口布設(shè)在藻類暴發(fā)層以下的清水層，綜合考慮處理能耗成本及處理效果，溶氣水和藻水體積比宜控制在1.4左右，藻類最佳氣浮時間為3～6 min，藻渣最佳收集時段為微氣浮完成后的14 min內(nèi)。

[1] 中華人民共和國環(huán)境保護(hù)部.2010年中國環(huán)境狀況公報[R].北京:中華人民共和國環(huán)境保護(hù)部,2011.

[2] 任翔宇，王銘瑋，顧詠潔，等．光照強(qiáng)度及溫度對青草沙水庫藍(lán)藻暴發(fā)風(fēng)險的模擬試驗[J].凈水技術(shù)，2012，31(4)：55-60．

[3] 方愛紅，黃銀芝，錢瑾．淺談太湖藍(lán)藻暴發(fā)的原因、危害及其預(yù)防治理[J].凈水技術(shù)，2008，27(3)：70-72．

[4] WANG Zhicong,LI Dunhai,QIN Hongjie,et al.An integrated method for removal of harmful cyanobacterial blooms in eutrophic lakes[J].Environmental Pollution,2012,160(1):34-41.

[5] 石穎，馬軍，蔡偉民，等．湖泊、水庫水的強(qiáng)化混凝除藻的試驗研究[J].環(huán)境科學(xué)學(xué)報，2001，21(2)：251-253．

[6] 張明真，傅海燕，柴天，等．連續(xù)式自清潔藍(lán)藻收集設(shè)備的中試研究[J].環(huán)境工程學(xué)報，2011，5(9)：2018-2022．

[7] PANG Cuichao,FAN Xinjian,ZHOU Jie,et al.Optimal dosing time of acid algaecide for restraining algal growth[J].Water Science and Engineering,2013,6(4):402-408.

[8] GUAN Chengwei,GUO Xiaoyun,CAI Guanjing,et al.Novel algicidal evidence of a bacteriumBacillussp. LP-10 killingPhaeocystisglobosa,a harmful algal bloom causing species[J].Biological Control,2014,76:79-86.

[9] YANG Xiaoru,LI Xinyi,ZHOU Yanyan,et al.Novel insights into the algicidal bacterium DH77-1 killing the toxic dinoflagellateAlexandriumtamarense[J].Science of the Total Environment,2014,482/483:116-124.

[10] 鄧曉輝，許晶禹，吳應(yīng)湘，等．動態(tài)微氣泡浮選除油技術(shù)研究[J].工業(yè)水處理，2011，31(4)：89-90．

[11] AL SHAMRANI A A,JAMES A,XIAO H.Destabilisation of oil-water emulsions and separation by dissolved air flotation[J].Water Research,2002,36(6):1503-1512.

[12] AL SHAMRANI A A，JAMES A,XIAO H.Separation of oil from water by dissolved air flotation[J]. Colloids and Surfaces A：Physicochemical and Engineering Aspects,2002,209(1):15-26.

[13] ENGLERT A H,RODRIGUES R T,RUBIO J.Dissolved air flotation (DAF) of fine quartz particles using an amine as collector[J].International Journal of Mineral Processing,2009,90(1/2/3/4):27-34.

[14] TEIXEIRA M R,SOUSA V,ROSA M J.Investigating dissolved air flotation performance with cyanobacterial cells and filaments[J].Water Research,2010,44(11):3337-3344.