微納米氣泡藻水分離試驗研究

王 建，胡淑恒，卓勝君，汪家權(quán)

(合肥工業(yè)大學(xué) 資源與環(huán)境工程學(xué)院，合肥 230009)

微納米氣泡藻水分離試驗研究

王 建，胡淑恒，卓勝君，汪家權(quán)

(合肥工業(yè)大學(xué) 資源與環(huán)境工程學(xué)院，合肥 230009)

采用微納米氣泡混凝氣浮處理合肥塘西河藻水分離港新鮮藻水和陳藻水，考察混凝劑、停留時間等因素對微納米氣泡氣浮藻水分離的影響。通過與分離港實際運(yùn)行的加壓溶氣氣浮法比較，研究最佳處理效果的試驗參數(shù)，以期獲得最佳的工藝條件。結(jié)果表明：新鮮藻水和陳藻水使用混凝劑PAC的最佳用量分別為24，36 g/m3，氣浮池最佳停留時間分別為30，40 min，對應(yīng)的處理效果最好；新鮮藻水總磷(TP)、總氮(TN)、化學(xué)需氧量(COD)、懸浮物(SS)去除率分別達(dá)到96.50%，53.10%，85.70%，99.00%，陳藻水TP，TN，COD，SS去除率可分別達(dá)到98.40%，62.40%，65.60%，99.80%。微納米氣泡法處理效果優(yōu)于加壓溶氣氣浮法。

微納米氣泡；藻水分離；混凝劑優(yōu)選；混凝劑用量；氣浮時間

1 研究背景

混凝—氣浮法是目前藻水分離較普遍的技術(shù)工藝，通常采用加壓溶氣氣浮。加壓溶氣氣浮[1-2]是一種物化處理過程，形成的氣泡直徑一般為20～100 μm[3]。賈偉建等[4]研究了混凝—氣浮工藝處理低濁高藻水庫的效果，水藻類去除率達(dá)到93.7%。吳玉寶等[5]采用溶氣氣浮法處理含藻水，藻類去除率達(dá)到90%左右。但是傳統(tǒng)溶氣氣浮法存在工藝復(fù)雜、電能消耗較大、空壓機(jī)的噪音大等缺點[6]。微納米氣泡具有水中停留時間長、吸附性能強(qiáng)、穩(wěn)定性良好等優(yōu)點[7-10]。柳姝等[11]、張奎興等[12]、李青云等[13]研究表明，微納米氣泡具有較好的藻水分離和水質(zhì)凈化效果。

本研究以巢湖新鮮藻水和陳藻水為試驗對象，考察混凝劑、停留時間等因素對微納米氣泡氣浮藻水分離的影響，并與加壓溶氣氣浮法比較，以期獲得最佳的工藝條件。

2 試驗裝置與方法

2.1 試驗裝置

合肥市塘西河藻水分離港建有500 m3調(diào)峰池，在夏季巢湖藍(lán)藻爆發(fā)期，一方面立即打撈生產(chǎn)，另一方面存儲進(jìn)入調(diào)峰池，待生產(chǎn)壓力降低時進(jìn)行處理，所以實際處理的藻水為從湖中打撈出來的新鮮藻水和在調(diào)峰池中的陳藻水。分離港中，通過打撈藻漿、混凝沉降、加壓溶氣氣浮、脫水這4步實現(xiàn)藻水分離。其中混凝沉降加入聚丙烯酰胺(PAM)和聚合氯化鋁(PAC)，加壓溶氣氣浮加入PAM?，F(xiàn)工藝雖然可以實現(xiàn)藻水分離，但加壓溶氣氣浮階段需調(diào)控溶氣罐氣壓，操作復(fù)雜，出水效果不穩(wěn)定，并且水質(zhì)不良。本試驗以分離港沉降池出水為原水，氣浮池通入XZCP-K型超微米氣泡發(fā)生裝置產(chǎn)生的微納米氣泡，實現(xiàn)新型微納米氣泡氣浮。試驗裝置如圖1所示。

圖1 微納米氣泡氣浮工藝流程Fig.1 Flow chart of the micro-nano bubble air flotation process

2.2 試驗方法

2.2.1 混凝微納米氣泡氣浮混凝劑試驗

用潛水泵將含藻水泵入2 m3的蓄水罐中，充分?jǐn)嚢韬?，泵入試驗?.5 m3氣浮池中，通過閥門控制進(jìn)水量為1 m3/h，控制投入混凝劑量分別為0，2，4，6，8 L/h。取試驗池出水與現(xiàn)工藝出水分析對比。

2.2.2 混凝微納米氣泡氣浮氣浮時間試驗

用潛水泵將含藻水泵入2 m3的蓄水罐中，充分?jǐn)嚢韬螅萌朐囼灥臍飧〕刂?，投入混凝劑。調(diào)節(jié)進(jìn)水量從而控制氣浮時間分別為20，30，40，50，60 min。取試驗池出水水樣與現(xiàn)工藝出水分析對比。

3 結(jié)果與討論

3.1 混凝劑的優(yōu)選

研究表明聚合混凝劑比無機(jī)鹽混凝劑投藥量少很多， PAC為最常用的混凝劑，且PAC混凝后出水鋁的殘留量小[14]。PAM是污水處理中廣泛使用的混凝劑，所以本試驗選用PAC和PAM作對比。配制分離港生產(chǎn)所用藥劑濃度，分別向新鮮藻水中投加0.7 g/L PAM 和6 g/L PAC。

圖2 PAC與PAM效果對比Fig.2 Comparison of the effect between PAC and PAM

由圖2可知，選用PAC做混凝劑時脫氮除磷效果比PAM的好，同時，PAM本身含有N元素，導(dǎo)致TN去除率出現(xiàn)負(fù)值[15]?；炷齽┩都恿? L/h時，二者在SS去除率方面能達(dá)到相同效果，但是在投加量<8 L/h時，PAC對SS的去除效果優(yōu)于PAM。分析認(rèn)為 PAC分散于水體中會生成一系列多核絡(luò)合物，它們往往有較高的正電荷和較大的比表面積，能迅速吸附雜質(zhì)、中和膠體電荷、壓縮雙電子層、促進(jìn)膠體和懸浮物等快速脫穩(wěn)。PAM則是通過吸附架橋、電中和等起絮凝作用，另外PAM有增稠作用會使顆粒集體沉降，導(dǎo)致絮體較大，不利于氣浮。在投加量為2 L/h和4 L/h時，PAC去除COD效果優(yōu)于PAM；投加量達(dá)到飽和值后，PAC的效果減弱，被PAM反超。這是因為混凝劑用量過多使得帶負(fù)電的懸浮物轉(zhuǎn)而帶正電，相互排斥，使形成的絮體重新變?yōu)榉€(wěn)定的膠體，導(dǎo)致混凝效果下降。綜合考慮應(yīng)選擇PAC作為本次試驗的混凝劑。

3.2 新鮮藻水和陳藻水混凝劑用量

藻水分離港抽取剛打撈的新鮮藻水和在調(diào)峰池中的陳藻水經(jīng)混凝沉淀過后，氣浮分離，停留時間1 h，新鮮藻水和陳藻水經(jīng)過分離港加壓溶氣氣浮工藝處理過后的處理效果見表1所示。其中新鮮藻水和陳藻水的進(jìn)水水質(zhì)pH值分別為7.2，7.1。

表1 加壓溶氣氣浮工藝混凝劑最佳用量的 新鮮藻水與陳藻水處理效果Table 1 Treatment effects of fresh and stale algae-laden waters with the optimum cogulant dosage by pressurized air flotation technique

由表1可知，陳藻水的進(jìn)水水質(zhì)COD，SS，TP，TN各項指標(biāo)都遠(yuǎn)高于新鮮藻水。分析認(rèn)為一方面在調(diào)峰池中有機(jī)物降解使元素釋放出來；另一方面藻的細(xì)胞壁破裂使細(xì)胞質(zhì)流出導(dǎo)致各項指標(biāo)升高。圖3為微納米氣泡氣浮工藝不同混凝劑的處理效果。比較表1和圖3可知微納米氣泡混凝氣浮工藝處理效果優(yōu)于加壓溶氣氣浮法工藝。其中TN，COD，SS的去除率提高效果最為明顯。

圖3 微納米氣泡氣浮工藝混凝劑用量對新鮮藻水和陳藻水處理效果的影響Fig.3 Influence of coagulant dosage on the treatment effect of fresh and stale algae-laden waters by micro-nano bubble air flotation technique

新鮮藻水在混凝劑投加量為4 L/h，即24 g/m3時，去除效果最佳,TP，TN，COD，SS去除率分別為96.20%，45.67%，44.88%，98.76%。陳藻水在混凝劑投加量為6 L/h，即36 g/m3時，去除效果最佳,TP，TN，COD，SS去除率分別為99.18%，82.76%，34.43%，96.39%。

PAC作為一種無機(jī)高分子混凝劑，如果投加量過大，會使微粒被若干高分子鏈包圍，而無空白部位去吸附其他的高分子鏈，造成膠粒表面飽和產(chǎn)生再穩(wěn)現(xiàn)象，所以隨著混凝劑投加量增加，SS去除率先上升后下降。新鮮藻水SS去除率比陳藻水高，且陳藻水在混凝劑用量為0時COD去除率為9.84%，低于新鮮藻水的30.91%。分析是因為陳藻水中許多藍(lán)藻死亡細(xì)胞壁破裂導(dǎo)致陳藻水混凝效率較差，所以在混凝劑用量相同時，新鮮藻水SS去除率較高。但隨著混凝劑用量增加，陳藻水與新鮮藻水SS去除效率趨于一致，而COD與懸浮物有一定的線性關(guān)系[16]，所以COD去除率的變化趨勢與SS去除率相似，都是先升高后降低。

隨著混凝劑用量的增加，TP，TN的去除率緩慢增加。在混凝劑用量相同的情況下，發(fā)酵過后的陳藻水TP，TN去除效果高于新鮮藻水。根據(jù)微環(huán)境理論與生物學(xué)角度理解，混凝的絮體內(nèi)存在溶解氧梯度，即絮體表層溶解氧濃度高而內(nèi)部溶解氧濃度低，加上在氣浮池中的攪動容易形成厭氧和好氧交替的過程，有利于N，P的去除。而陳藻水絮凝效果較差，結(jié)構(gòu)較松散，更利于N，P的去除。

3.3 混凝微納米氣泡氣浮時間

抽取剛從湖里打撈的新鮮藻水和在調(diào)峰池發(fā)酵過后的陳藻水，新鮮藻水和陳藻水經(jīng)過分離港加壓溶氣氣浮工藝處理過后的處理效果見表2。其中新鮮藻水和陳藻水的進(jìn)水水質(zhì)pH值分別為7.2，7.1。同時進(jìn)行微納米氣泡氣浮試驗，按3.2節(jié)結(jié)果加入適量混凝劑。加壓溶氣氣浮法工藝中，新鮮藻水比陳藻水COD，SS的去除率分別高5.0%，4.50%。陳藻

表2 加壓溶氣氣浮工藝最佳氣浮時間的新鮮藻水 與陳藻水處理效果Table 2 Treatment effects of fresh and stale algae-laden waters with the optimum air flotation time by pressurized air flotation technique

水比新鮮藻水TP，TN的去除率分別高10.60%和34.10%。這表明以加壓溶氣氣浮法工藝處理藻水，陳藻水處理效果優(yōu)于新鮮藻水。

圖4為微納米氣泡氣浮工藝不同氣浮停留時間的處理效果。

圖4 微納米氣泡氣浮工藝氣浮時間對新鮮藻水和陳藻水處理效果的影響Fig.4 Influence of air flotation time on the treatment effect of fresh and stale algae-laden waters by micro-nano bubble air flotation technique

由圖4可知，新鮮藻水在氣浮池停留時間30 min時處理效果最好，TP，TN，COD，SS去除率分別為96.50%，53.10%，85.70%，99.00%。陳藻水在氣浮池停留時間為40 min時處理效果最好，TP，TN，COD，SS去除率分別為98.40%，62.40%，65.60%，99.80%。

在氣浮停留時間相同時，新鮮藻水的COD去除率高于陳藻水的。分析是氣浮池中新鮮藻水中的溶解氧含量較高，好氧條件下COD去除率更高。隨著氣浮時間的延長，陳藻水的COD去除率先升高后降低。新鮮藻水SS去除率在99.2%～96.2%之間波動，陳藻水SS去除率在98.5%～99.8%之間波動。在氣浮停留時間為20，30 min時，陳藻水SS去除率沒新鮮藻水高。這是因為反應(yīng)時間太短，陳藻水混凝效果差，生成的絮凝單體較少，氣浮效果沒有新鮮藻水好。

試驗中TP去除率較高可能是在好氧條件下磷元素被氧化成PO43-而生成磷酸鹽沉淀，而加壓溶氣氣浮和微納米氣泡氣浮都提供了充足的氧氣，所以TP去除率較高。TN去除還需具備充分的反硝化作用，需與其他方法如生物法等組合才能有效脫氮。陳藻水開始處于厭氧條件，隨著氣浮時間延長水中溶解氧含量增加，更易形成好氧和厭氧交替條件，所以陳藻水TN去除率高于新鮮藻水。

4 結(jié) 論

(1) 微納米氣泡混凝氣浮工藝與現(xiàn)運(yùn)行的加壓溶氣氣浮法工藝相比，TP，TN，COD，SS去除率更高。

(2) 微納米氣泡混凝氣浮工藝處理新鮮藻水的混凝劑PAC最佳用量為24 g/m3，氣浮最佳停留時間為30 min。陳藻水的混凝劑PAC最佳用量為36 g/m3，氣浮最佳停留時間為40 min。

(3) 綜合考慮，新鮮藻水COD，SS去除率高于陳藻水，陳藻水TN，TP去除率高于新鮮藻水。

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(編輯：羅 娟)

Experimental Investigation on Separating Algae from Water UsingMicro-nano Bubble Air Flotation Process

WANG Jian，HU Shu-heng，ZHUO Sheng-jun，WANG Jia-quan

(School of Resources and Environmental Engineering，Hefei University of Technology，Hefei 230009，China)

Micro-nano bubble coagulation and air flotation process was adopted to treat the fresh and stale algae-laden waters coming from the algae and water separation port of Tangxi River in Hefei. Effects of coagulant and air retention time on the separation of algae and water were investigated. Through comparing the method with pressurized dissolved-air flotation which is in operation at present in the separation port, experimental parameters of the best treatment effect were explored to achieve the optimal process conditions. Results showed that the optimal dosage of coagulant PAC for fresh and stale algae-laden waters was 24 g/m3and 36 g/m3, respectively, and the optimum air retention time in floatation pool was 30 min and 40 min,respectively. The removal rates of total phosphorus(TP), total nitrogen (TN), chemical oxygen demand (COD) and suspended solids (SS) of fresh algae-laden water reached 96.50%, 53.10%, 85.70%, 99.00%, respectively. And the removal rates of TP, TN, COD and SS of stale algae-laden water reached 98.40%, 62.40%, 65.60%, 99.80%, respectively. The treatment effect of micro-nano bubble air flotation was better than that of pressurized dissolved-air flotation.

micro-nano bubble；separating algae from water；coagulant optimization and selection；coagulant dosage；air flotation time

2016-01-19；

2016-02-23

王 建(1990-)，男，安徽合肥人，碩士研究生，研究方向為水污染控制技術(shù)，(電話)15856939019(電子信箱)15856939019@163.com。

10.11988/ckyyb.20160061

2017,34(4):20-23

X522

A

1001-5485(2017)04-0020-04