氣浮設(shè)備運(yùn)行效果與除污效能研究*

田立平，王曉波，鄭振魁，亓華，馬匯源，王永磊

1.濰坊市市政公用事業(yè)服務(wù)中心；2.山東省新泰市自來(lái)水有限公司；3.山東建筑大學(xué)

近年來(lái)，藻污染事件頻發(fā)，水庫(kù)水作為飲用水水源地的重要來(lái)源之一，受藻細(xì)胞和藻源有機(jī)物的影響，其往往比其他水源水更難處理。隨著水體富營(yíng)養(yǎng)化嚴(yán)重，引發(fā)的生態(tài)環(huán)境和生物安全問(wèn)題逐漸引起人們的關(guān)注，飲用水安全問(wèn)題也面臨著巨大挑戰(zhàn)。傳統(tǒng)的混凝沉淀工藝對(duì)濁度有較好的祛除效果，但對(duì)有機(jī)物、藻類(lèi)的去除效果不佳。

氣浮凈水技術(shù)作為一種高效水處理技術(shù)，具有自動(dòng)化程度高、占地面積小、除藻效率高等特點(diǎn)[1]。但是目前的氣浮設(shè)備存在參數(shù)參差不齊、性能不穩(wěn)定以及評(píng)估技術(shù)欠缺等問(wèn)題[2]，因此提高氣浮凈水效率，改進(jìn)氣浮設(shè)備，提高氣浮工藝運(yùn)行保障，使溶氣效率變高、凈水效果更好已成為當(dāng)下需要解決的關(guān)鍵性問(wèn)題。因此，本研究針對(duì)影響氣浮設(shè)備溶氣效率、微氣泡粒徑、氣泡穩(wěn)定時(shí)間等性能參數(shù)，結(jié)合混凝劑的投加量、溶氣壓力、進(jìn)氣量等影響氣浮出水效果的關(guān)鍵性因素，以評(píng)價(jià)氣浮設(shè)備性能與除污染效能之間關(guān)系，實(shí)驗(yàn)結(jié)果將有助于為水廠氣浮設(shè)備的運(yùn)行評(píng)估提供技術(shù)支撐。

一、現(xiàn)狀

（一）水源水質(zhì)現(xiàn)狀

水資源作為當(dāng)今社會(huì)賴(lài)以生存和發(fā)展的重要資源，它支撐著經(jīng)濟(jì)的發(fā)展和社會(huì)的進(jìn)步。2019年，全國(guó)的水資源總量比近幾年的平均水量多出4.8%，但我國(guó)的水資源總量仍表現(xiàn)出東部多西部少、南部多北部少、人均占有量少的特點(diǎn)。通過(guò)對(duì)全國(guó)1931個(gè)地表水水質(zhì)斷面（點(diǎn)位）的水質(zhì)進(jìn)行監(jiān)測(cè)，可將水質(zhì)斷面（點(diǎn)位）共分為五類(lèi)，其中Ⅰ類(lèi)有75個(gè)，所占比例3.9%；Ⅱ類(lèi)有890個(gè)，所占比例46.1%；Ⅲ類(lèi)有481個(gè)，所占比例24.9%；Ⅳ類(lèi)有338個(gè)，所占比例17.5%；Ⅴ類(lèi)有81個(gè)，所占比例4.2%；劣Ⅴ類(lèi)有66個(gè)，所占比例3.4%。與2018年相比，Ⅰ-Ⅲ類(lèi)水質(zhì)斷面（點(diǎn)位）數(shù)量有所上升，上升了3.9%，劣Ⅴ類(lèi)降低了3.3%，水質(zhì)總體趨勢(shì)有所提升，水中的污染物以COD、TP和CODMn等指標(biāo)為主。

在我國(guó)各項(xiàng)發(fā)展快速推進(jìn)的過(guò)程中，湖庫(kù)水源水質(zhì)復(fù)雜多變、水廠工藝不適應(yīng)、飲用水水質(zhì)達(dá)標(biāo)率低等突出問(wèn)題逐漸顯現(xiàn)出來(lái)。北方黃河流域的水質(zhì)特點(diǎn)主要呈現(xiàn)出濁度大、有機(jī)物含量高；當(dāng)南水北調(diào)用水及本地水庫(kù)水相互混合后，使水質(zhì)呈現(xiàn)出低溫、低濁、高藻的特點(diǎn)，且藻類(lèi)隨季節(jié)發(fā)生變化。水資源問(wèn)題已不僅僅是資源問(wèn)題，更成為了關(guān)系到國(guó)家經(jīng)濟(jì)、社會(huì)可持續(xù)發(fā)展和長(zhǎng)治久安的重大戰(zhàn)略問(wèn)題。我們需要深入探討水處理方向存在的問(wèn)題、短板，尋求高效、經(jīng)濟(jì)的組合工藝，以為現(xiàn)代社會(huì)發(fā)展提供基礎(chǔ)保障。

（二）處理工藝現(xiàn)狀

加壓溶氣減壓釋氣氣浮工藝是常用的溶氣氣浮工藝，該工藝是將氣體在一定壓力的條件下溶解在水中，并達(dá)到該溫度下該氣體的飽和狀態(tài)，然后將這部分高壓高飽和的溶氣水通過(guò)減壓釋氣裝置釋放出來(lái)，壓力的降低會(huì)促使這部分被高壓溶解在水中的氣體不斷析出，進(jìn)而形成使微納米氣泡在氣浮接觸室與絮體相黏附，然后上浮到水面上，利用刮渣機(jī)刮去浮渣的工藝。

由于傳統(tǒng)的加壓溶氣氣?。―AF）工藝存在絮體松、散黏附不牢固等問(wèn)題，鑒于傳統(tǒng)氣浮設(shè)備仍需改進(jìn)，許多行業(yè)內(nèi)人士對(duì)氣浮技術(shù)加以完善和改進(jìn)。麥斯特公司生產(chǎn)的CQJ型淺層離子氣浮設(shè)備是將淺層氣浮與離子氣浮相結(jié)合，能夠生產(chǎn)出數(shù)量多粒徑小的微氣泡，對(duì)絮體的適應(yīng)性強(qiáng)，甚至可以不投加混凝劑，因此能夠節(jié)約能耗。加壓溶氣設(shè)備作為環(huán)保型產(chǎn)品，未來(lái)應(yīng)該朝著高自動(dòng)化控制、低能耗損失、集成簡(jiǎn)約高效的方向發(fā)展，提高出水水質(zhì)。

圖1 氣浮工藝對(duì)濁度(a)、葉綠素-a (b)、TOC (c)、UV254 (d)的去除效果

二、材料和方法

（一）原水水質(zhì)

本實(shí)驗(yàn)用水各水質(zhì)指標(biāo)變化情況如表1所示。

表1 原水水質(zhì)指標(biāo)

（二）實(shí)驗(yàn)裝置

實(shí)驗(yàn)室內(nèi)采用LF-1500微納米氣泡發(fā)生器作為氣泡發(fā)生裝置，并借助程控式六聯(lián)攪拌儀進(jìn)行。

在每個(gè)自制氣浮池中分別加入1000ml實(shí)驗(yàn)原水，控制轉(zhuǎn)速200r/min，運(yùn)行30s，期間不做任何處理；繼續(xù)控制200r/min轉(zhuǎn)速運(yùn)行30s，分別加入聚合氯化鋁鐵（PAFC）1ml、2ml、3ml、4ml、5ml、6ml、7ml；待程序運(yùn)行至第三階段，通入300ml溶氣水至氣浮池中，控制轉(zhuǎn)速50r/min，反應(yīng)900s。氣浮結(jié)束后靜置5分鐘，從取樣口取水樣進(jìn)行相關(guān)指標(biāo)的檢測(cè)。

三、結(jié)果與討論

氣浮設(shè)備運(yùn)行效果研究。為研究氣浮工藝的去除效果，選用聚合氯化鋁鐵（PAFC）作為混凝劑，溶氣水pH=7,水溫20℃。

從圖2中可以看出，隨著PAFC投加量增大和壓力升高，濁度和葉綠素a的去除效率均表現(xiàn)出先升高后趨于穩(wěn)定或降低的規(guī)律。當(dāng)壓力一定，PAFC投加量6mg/L時(shí)，濁度的去除效率達(dá)到了95.76%，葉綠素a的去除效率達(dá)到了96.41%。在此之后，隨著PAFC投加量的增大，濁度和葉綠素a的去除效率出現(xiàn)了減小的趨勢(shì)，這是由于當(dāng)混凝劑投加過(guò)量時(shí)，過(guò)量的Al3+相互絡(luò)合，產(chǎn)生膠體保護(hù)，在電性斥力的作用下不能很好地與水中的微氣泡進(jìn)行黏附，且過(guò)量的混凝劑也會(huì)形成沉淀物導(dǎo)致出水濁度升高[3]。當(dāng)混凝劑投加量保持不變時(shí)，濁度和葉綠素a的去除效率隨壓力的升高逐漸趨于穩(wěn)定，其中在溶氣壓力為0.4MPa時(shí)，去除效率最高。從2.1節(jié)中可以看出，隨著溶氣壓力的升高，氣浮設(shè)備的溶氣效率有所增加；在0.44MPa時(shí)達(dá)到最大溶氣效率，并且在溶氣壓力為0.4MPa時(shí)，氣浮設(shè)備產(chǎn)生的微氣泡在水中的穩(wěn)定時(shí)間均能達(dá)到4min以上，水中微氣泡的粒徑也隨壓力的增加而逐漸減小，氣泡與水中細(xì)小顆粒絮體的碰撞黏附幾率逐漸提高，當(dāng)氣泡密度達(dá)到一定的飽和值后，水中顆粒物的去除率不再受氣泡密度的影響而增大，因此會(huì)穩(wěn)定在一定的數(shù)值上。

圖2 連續(xù)運(yùn)行時(shí)的濁度(a)、葉綠素a(b)、TOC(c)、UV254(d)的去除率

TOC和UV254的去除效率隨溶氣壓力的升高而升高，其中TOC在溶氣壓力為0.44MPa的條件下去除率達(dá)到了36.72%，UV254在溶氣壓力為0.40MPa的條件下達(dá)到了最高去除率67.02%。

這是由于隨著溶氣壓力的升高，該設(shè)備的溶氣性能逐漸穩(wěn)定，在溶氣壓力值達(dá)到0.44MPa時(shí)，水中的氣泡粒徑逐漸趨于穩(wěn)定，粒徑大小穩(wěn)定在24μm，水中的氣泡密度和氣泡穩(wěn)定時(shí)間也逐漸增加，氣泡與水中有機(jī)物的碰撞黏附幾率大大提高；當(dāng)壓力一定時(shí)，隨著PAFC投加量的增加，TOC和UV254的去除率表現(xiàn)出先升高后不變的規(guī)律。從氣浮工藝去除有機(jī)物的效果可以得出，氣浮工藝對(duì)UV254的去除效率高于TOC。

這是由于UV254為大分子、疏水性有機(jī)物，在混凝和氣浮過(guò)程中，這類(lèi)難降解的大分子芳香族的有機(jī)化合物易于黏附在絮體和微泡上，然后隨微氣泡上浮至水面去除；而水中總有機(jī)碳主要是以溶解性有機(jī)碳為主，溶解性有機(jī)物不易被微氣泡黏附，所以去除率比較低。

兼顧除濁除藻、除有機(jī)物的共同效率，確定出的0.4MPa、PAFC投加量6mg/L為該設(shè)備運(yùn)行時(shí)的最優(yōu)工況。調(diào)整好工況，沒(méi)有外界干擾的情況下連續(xù)運(yùn)行進(jìn)行數(shù)據(jù)觀測(cè)見(jiàn)下圖3。

連續(xù)運(yùn)行期間，氣浮出水的濁度在0.319-0.402NTU之間，去除率比較穩(wěn)定，平均去除率為54%。在工藝運(yùn)行過(guò)程中，出水濁度相對(duì)平穩(wěn)，說(shuō)明氣浮設(shè)備在該工況條件下的運(yùn)行狀況良好，出水水質(zhì)檢測(cè)濁度低于1NTU，大大緩解了過(guò)濾工藝的處理負(fù)荷，減少了用水量。由于原水中葉綠素a含量在3.26μg/L-6.33μg/L之間，含量極少，氣浮后出水中葉綠素a的含量在1.79μg/L-3.61μg/L之間，平均去除效率仍能達(dá)到43.18%，說(shuō)明氣浮對(duì)于微小的藻細(xì)胞也有很高的去除效率。通過(guò)對(duì)連續(xù)運(yùn)行氣浮池的進(jìn)出水對(duì)TOC、UV254、CODMn的運(yùn)行情況進(jìn)行測(cè)定，原水TOC在2.107mg/L-2.465 mg/L之間，出 水TOC在1.523mg/L-1.739mg/L之間，氣浮工藝對(duì)TOC的平均去除效率為28.63%；原水UV254含量在0.047cm-1-0.053cm-1之間，出水UV254在0.029cm-1-0.034 cm-1之間，氣浮工藝對(duì)UV254的平均去除效率為35.83%；原水CODMn含量在2.3mg/L-3.1mg/L之間，出水CODMn在1.56mg/L-2.03mg/L之間，氣浮工藝對(duì)CODMn的平均去除效率為34.60%。從實(shí)驗(yàn)的結(jié)來(lái)果看，UV254的去除效果優(yōu)于TOC和CODMn，這是由于UV254代表的含有苯環(huán)或共軛雙鍵的芳香大分子的疏水性物質(zhì)更容易與氣泡表面黏附結(jié)合，去除效果較好，CODMn代表的懸浮物和膠體能夠黏附包裹在氣泡表面，與氣泡一共上浮至水面，而CODMn中的溶解態(tài)有機(jī)物和TOC代表的以溶解性有機(jī)物為主的有機(jī)物不容易與氣泡相互黏附，所以去除率有所降低。

四、結(jié)論

利用該設(shè)備進(jìn)行除污染效能試驗(yàn)時(shí)，分別在溶氣壓力0.36MPa-0.48MPa、PAFC投加量為1mg/L-7mg/L的條件下進(jìn)行實(shí)驗(yàn)，綜合考慮各個(gè)指標(biāo)的去除效能，得出氣浮工藝在溶氣壓力為0.4MPa、PAFC加藥量為6mg/L時(shí)對(duì)濁度、葉綠素a、TOC、UV254的去除率分別達(dá)到95.76%、96.41%、34.21%、65.96%。該設(shè)備除污染效能的變化規(guī)律與設(shè)備性能參數(shù)的變化呈正相關(guān)。通過(guò)檢測(cè)設(shè)備連續(xù)運(yùn)行30天數(shù)據(jù)得出，氣浮出水的濁度在0.319-0.402NTU之間，去除率比較穩(wěn)定，平均去除率為54%，氣浮工藝對(duì)葉綠素a、TOC、UV254的平均去除效率分別能夠達(dá)到43.18%、28.63%、35.83%。