適用船載的藻水高效分離技術(shù)研究

徐佳良，楊棟，陳嘉偉，倪其軍

（1.無錫東方船研水環(huán)境科技有限公司，江蘇 無錫 214082；2.中國船舶科學(xué)研究中心，江蘇 無錫 214082）

目前，太湖湖體表層的藍(lán)藻有機(jī)顆粒物清除技術(shù)較落后，清除能力與水華堆積之間的差距巨大，藻源性顆粒物清除力度不能滿足太湖水質(zhì)改善的目標(biāo)。藍(lán)藻打撈和運(yùn)輸是藍(lán)藻水華有機(jī)物質(zhì)有效去除工程投資的重點(diǎn)之一，機(jī)械撈藻的效率提升是該工程效益的技術(shù)難點(diǎn)[1]。同時，不同支浜河道有不同的河道條件，而現(xiàn)有的打撈船往往因過于寬大，不利于作業(yè)，因而對藍(lán)藻打撈船提出了更為靈活的河道環(huán)境適應(yīng)性要求。

針對藍(lán)藻治理的長期性、艱巨性和緊迫性，緊密結(jié)合藍(lán)藻打撈工作中暴露的實(shí)際問題，開發(fā)具有小型化特點(diǎn)，靈活多變、除藻效率高的浮動式藍(lán)藻顆粒物清除技術(shù)，將有效提高藍(lán)藻水華的打撈能力。作為陸基藻水處理站的有利補(bǔ)充，開發(fā)高效的藍(lán)藻顆粒物清除技術(shù)將為提升藍(lán)藻打撈清除工程能力提供支撐，實(shí)現(xiàn)藍(lán)藻治理的全覆蓋。

1 藻水分離技術(shù)現(xiàn)狀

我國機(jī)械除藻技術(shù)研究始于20世紀(jì)90年代末[2]，中船重工702所先后完成實(shí)驗(yàn)室科技攻關(guān)與“太湖一號”藍(lán)藻打撈船工程原理樣機(jī)的研制及綜合試驗(yàn)，較好地解決了可調(diào)式高濃度表面藻水收集及吸取技術(shù)、特種藻水分離及濃縮技術(shù)，開發(fā)了浮動式藻水吸頭、傾斜式旋轉(zhuǎn)篩、PE管、阿碼機(jī)等多種專用設(shè)備的原理樣機(jī)，制造了一艘從收集到分離到濃縮的功能配套的“太湖一號”藍(lán)藻打撈船工程原理樣機(jī)[3]。經(jīng)湖上多次作業(yè)試驗(yàn)，證明了選用的撈藻作業(yè)工藝流程合理，能完成應(yīng)急除藻。此外，國內(nèi)其他單位也開發(fā)了一些專用撈藻設(shè)備樣機(jī)，但由于均停留在實(shí)驗(yàn)室、原理樣機(jī)階段，不能滿足量大、易分、易出等工程化要求。

近年來，國內(nèi)已建立了一條完整的與藍(lán)藻打撈、處理相關(guān)設(shè)備的產(chǎn)業(yè)鏈。

圖1為振動滾動篩藍(lán)藻分離船[4]，目前已在國內(nèi)普遍使用。圖2為振動滾動篩裝置[5]。振動滾動篩藍(lán)藻分離船的原理是：先將濃藻經(jīng)過滾動篩，然后進(jìn)行帶式壓濾。振動滾動篩藍(lán)藻分離船的缺點(diǎn)是：處理量小，富藻水處理能力約20m3/h，獲得藻泥約為40kg/h；去除率低，約70%；處理效果不穩(wěn)定。圖3為破壁離心機(jī)試驗(yàn)樣機(jī)[6]，破壁離心分離機(jī)的處理量大，可達(dá)1000t/d，效率極高，去除率在95%以上，藻泥含水率在85%～95%。但其缺點(diǎn)也十分明顯：能耗大，使用成本較高，不適合船載供電；占地面積大，只適合岸上使用；破壁后的藻類釋放毒素，易對水體產(chǎn)生二次污染。

圖1 振動滾動篩藍(lán)藻分離船

圖2 振動滾動篩裝置

圖3 破壁離心機(jī)試驗(yàn)樣機(jī)

圖4 為磁分離藍(lán)藻船[7]，圖5為磁分離裝置[8]。該技術(shù)適應(yīng)移動作業(yè)，速度快、效率高，處理能力約為20m3/h，藻泥含水率＜90%，去除率約為90%，尾水SS較高，約150mg/L，但設(shè)備的采購、維護(hù)成本高，其使用過程需要添加磁粉，使用成本較高[9、10]。

圖4 磁分離藍(lán)藻船

圖5 磁分離裝置

圖6 為可移動式藍(lán)藻處置設(shè)備方艙，該箱體配備有液壓升降系統(tǒng)，裝車和卸車無需使用吊車，在生產(chǎn)和閑置停放時可采用液壓腳落地放置，便于吊裝維修。圖7為移動式藍(lán)藻分離車及其工作原理，其可將水與藍(lán)藻進(jìn)行快速分離干化，大大減少其運(yùn)輸重量。

圖6 可移動式藍(lán)藻處置設(shè)備方艙

圖7 移動式藍(lán)藻分離車

目前市場上的移動式藻水分離車或分離船，受限于載體尺度，存在較為嚴(yán)重的缺陷：1）只可以處理含藻量較低的藻漿，藻漿濃度升高后的脫水率不合格；2）處理量較小，一般為30～50m3/h，不適合大型的藻水處理；3）能耗較高，利用柴油發(fā)電機(jī)發(fā)電提供能源。因而移動式藻水分離車或分離船只適用于短時間的應(yīng)急處理。

2 船載藻水高效分離的關(guān)鍵技術(shù)

2.1 船載藍(lán)藻混合技術(shù)

首先對船載藍(lán)藻混合技術(shù)進(jìn)行了研發(fā)，設(shè)計了立式絮凝反應(yīng)器一座，并裝置攪拌機(jī)一組。濃縮藍(lán)藻及特效絮凝劑分別由泵送入絮凝反應(yīng)器，通過攪拌作用達(dá)到絮凝目的。

圖8為船載藍(lán)藻混合裝置制作的試驗(yàn)樣機(jī)，采用單級雙桶式溶藥裝置溶解配制特效絮凝劑，貯藥箱設(shè)有液位控制，加藥泵與污泥泵聯(lián)鎖控制，可有效防止在加藥過程中藥劑投加系統(tǒng)出現(xiàn)故障而發(fā)生工藝紊亂，充分保證藍(lán)藻減容干化一體化設(shè)備正常、穩(wěn)定工作。干粉投加采用有軸螺旋輸送機(jī)構(gòu)，出粉口卸料非常均勻，旋流器布水，藥劑入水后驟然擴(kuò)散，藥劑顆粒表面潤濕效果好，不沾黏不結(jié)團(tuán)，能有效防止“魚眼”現(xiàn)象的產(chǎn)生。加藥泵采用隔膜計量泵，運(yùn)行條件滿足流量調(diào)節(jié)要求。

圖8 船載藍(lán)藻混合裝置方案設(shè)計

2.2 船載藍(lán)藻絮凝技術(shù)

對船載藍(lán)藻高效絮凝技術(shù)進(jìn)行了實(shí)驗(yàn)，在常規(guī)絮凝劑的基礎(chǔ)上，增加了納米曝氣技術(shù)[11]，如圖9所示。此套方法效率高、成本低、設(shè)備易維護(hù)保養(yǎng)，適合大規(guī)模推廣應(yīng)用。

通過紫外分光光度計測定法研究了靜置的藍(lán)藻絮凝劑與本專題增加了納米曝氣的船載藍(lán)藻絮凝劑的絮凝能力。試驗(yàn)結(jié)果表明，在1min內(nèi)納米曝氣與絮凝劑共同作用下對藍(lán)藻的沉降率達(dá)到98%，而未加納米曝氣的絮凝劑在沉降5h后對藍(lán)藻的沉降率才達(dá)95%。

圖9 高效藍(lán)藻絮凝劑絮凝效果試驗(yàn)

3 樣機(jī)制造與試驗(yàn)

3.1 系統(tǒng)集成設(shè)計

對船載藍(lán)藻混合技術(shù)、船載藍(lán)藻絮凝技術(shù)、藻水初級分離技術(shù)進(jìn)行集成，并研發(fā)合適的加藥系統(tǒng)、箱體及底盤系統(tǒng)、智能控制系統(tǒng)設(shè)計方案，形成適用于小型化平臺的浮動式藍(lán)藻顆粒物清除技術(shù)和可移動式船載藍(lán)藻處置設(shè)備。

整個系統(tǒng)布置如圖10所示。整備質(zhì)量約10.00t。主構(gòu)架以304不銹鋼制成，并足以承受設(shè)備本身之重量及運(yùn)轉(zhuǎn)狀況下的負(fù)荷重，沒有發(fā)生撓曲變形。運(yùn)轉(zhuǎn)時不產(chǎn)生劇烈震動，機(jī)架兩側(cè)設(shè)有擋板，可防止水噴濺。在重力脫水段和壓力脫水段裝配有防泄露密封條，密封條采用不銹鋼板制作，并帶有橡膠裙邊。

藻水通過2臺提升泵輸送到藻水分離裝置，先進(jìn)入藻水混合器，添加混凝劑和絮凝劑，絮凝后的藻絮體流入初級藻水分離器。上層濃藻渣溢出至帶式壓濾機(jī)，第一級進(jìn)行重力過濾，第二級帶式壓濾機(jī)壓榨脫水，藻泥通過刮渣板刮出直接掉入收集器，初級藻水分離器的下清水排放，帶式壓濾機(jī)的壓榨水及反沖洗水匯總輸送到藻水分離裝置進(jìn)行再次處理。

可移動式船載藍(lán)藻處置設(shè)備的操作方式為就地集中手動按鈕控制，控制柜位于減容干化艙內(nèi)，能對主機(jī)和輔助設(shè)備進(jìn)行單獨(dú)操作和以一條流水線為單元進(jìn)行連動操作的組合柜。此外，控制柜還配有向中心控制室傳輸各設(shè)備狀態(tài)顯示信號的接口。

3.2 樣機(jī)制造

對船載藍(lán)藻處置設(shè)備進(jìn)行了樣機(jī)制造，樣機(jī)的設(shè)備組成有：藻水提升泵2臺、流量計（LDEY-80）2個、混合器（HH-40）2臺、絮凝裝置1臺、藻水分離裝置1臺、重力過濾機(jī)（濾帶寬1.8m）1臺、帶式壓濾機(jī)（濾帶寬2.0m）1臺、藻泥輸送機(jī)1套、PAC化藥裝置1臺、PAM自動化藥裝置1臺、加藥裝置4臺、高壓反沖洗泵（30G9-6）1臺、回流泵1臺、空氣壓縮機(jī)1臺、電控柜1臺、監(jiān)控系統(tǒng)1套等設(shè)備。樣機(jī)如圖11所示，功率合計為29.8kW，富藻水處理能力50m3/h，富藻水去除率達(dá)90%以上。

3.3 樣機(jī)測試檢驗(yàn)

研制期間，委托復(fù)旦大學(xué)太湖水環(huán)境研究基地實(shí)驗(yàn)室不定期對藻水分離設(shè)備進(jìn)行取樣檢測，通過對懸浮物、葉綠素a、藻水含水率等指標(biāo)進(jìn)行檢測，具體測試結(jié)果如下表所示。

圖10 可移動式船載藍(lán)藻處置設(shè)備系統(tǒng)原理圖

圖11 樣機(jī)制造及效果

測試結(jié)果匯總表

經(jīng)多次檢測，排放水的懸浮物SS均＜30mg/L、葉綠素a去除率＞99%、藻泥含水率＜90%、經(jīng)處理后的出水懸浮物≤70mg/L（外觀無色、透明），藍(lán)藻去除率≥99%（以藻水含固率為0.5%為基準(zhǔn)對比），優(yōu)于《污水綜合排放標(biāo)準(zhǔn)》（GB 8978—96）一級標(biāo)準(zhǔn)（70mg/L），均滿足任務(wù)書的要求。

3.4 船載方案設(shè)計

對樣機(jī)的船載方案進(jìn)行了設(shè)計，圖12中方框區(qū)域?yàn)榭梢苿邮酱d藍(lán)藻處置設(shè)備的布置區(qū)域，并設(shè)計了配套樣機(jī)的船型、舾裝、機(jī)電系統(tǒng)。該船主要由船體、推進(jìn)動力、電源設(shè)備及船載藻水處理設(shè)備等組成。為單體縱流船型，具有抗風(fēng)能力強(qiáng)、吃水淺、便于作業(yè)等特點(diǎn)，適用于內(nèi)河、湖泊B級水域作業(yè)。船體總長24.8m、型寬6.0m、型深為1.4m，設(shè)計排水量90.93t，最大航速12km/h。共設(shè)有6道橫向艙壁，分別位于3#、11#、19#、27#、35#和40#，將全艇分隔成艏尖艙、防撞艙、空艙、機(jī)艙、舵機(jī)艙7個艙段，其中3#、11#、35#和40#為主橫水密艙壁。

圖12 船載方案設(shè)計

該技術(shù)成果應(yīng)用于蘇州藍(lán)藻處理船“園區(qū)處置001”上，圖13為船內(nèi)分離設(shè)備布置圖，圖14為實(shí)船圖，該船富藻水處理能50m3/h，富藻水去除率達(dá)95%以上，實(shí)船使用效果良好。

圖13 “園區(qū)處置001”實(shí)船

圖14 船載藍(lán)藻處置設(shè)備實(shí)船

4 結(jié)論

船載藻水高效分離技術(shù)，通過優(yōu)化工藝路線，將固定處理站藻水先進(jìn)入氣浮工藝后脫水的工藝，調(diào)整為先經(jīng)藻水初級處理再脫水和對尾水進(jìn)行深化處理，解決了原有氣浮工藝無法直接處理高濃度的藻水，富藻水處理能力不小于50m3/h，藻類去除率＞90%。利用船只作為載體，研發(fā)高集約化表層藍(lán)藻收集與高效分離技術(shù)，具備機(jī)動靈活、快速清除表層藍(lán)藻并進(jìn)行就地分離、不占土地的優(yōu)勢，給工程化推廣應(yīng)用提供了樣板經(jīng)驗(yàn)。