混凝—气浮处理低浊高藻水库水的试验研究

贾伟建，张克峰，王永磊，王琳，王安爽

（山东建筑大学 市政与环境工程学院，山东济南，250101）

0 引言

目前，北方地区水库中的水存在季节性藻类高发和低温低浊现象，原水中的颗粒数目少，且主要以细而均匀的胶体颗粒为主，Zeta电位负值高，碰撞效率低［1］；低温时，水中溶解气体多，加絮凝剂后形成的絮体密度小；夏季藻类高发时期，藻类密度小，不易沉降，传统以沉淀为主的处理工艺用来处理低浊高藻原水具有较大困难［2］。气浮作为一种高效、快速的固液分离技术，20世纪60年代后期开始在水处理领域得到推广［3－5］，目前已经较广泛地应用于给水，尤其是对低温、低浊、富藻水体的净化处理［6－9］。研究表明气浮工艺适合低温低浊水和含藻水等典型北方微污染原水的处理，对原水浊度低于100 NTU水库水处理具有普遍适应性，并在很多国家得到了广泛应用［10－14］。王启山与刘善培等分别通过中试试验，研究了原水浊度在5～15 NTU左右时，采用混凝气浮和混凝沉淀工艺处理天津地区低浊及季节性藻类高发原水对污染物的去除效果，取得较好效果［15－17］。文章针对济南鹊山引黄水库水低浊高藻的水体特性，当原水浊度在13～22 NTU左右时，通过试验研究选择混凝—气浮工艺运行最佳混凝剂，对工艺主要影响因素进行分析，确定工艺最佳运行参数，并对混凝—气浮工艺处理低浊高藻水库水的试验效果进行评价，为低浊高藻水库水工艺处理实践和自来水厂运行提供参考和指导。

1 试验装置与方法

1.1 试验装置及方法

混凝—气浮试验装置如图1所示。

图1 溶气型气浮实验装置图

试验装置：由混凝系统、溶气系统和释气系统组成。混凝及气浮反应均在反应容器中进行，反应器由6个烧杯组成，其中每个烧杯由有机玻璃粘结而成，烧杯底部设有溶气水进水口及取样口。混凝系统采用MY 3000—6N混凝试验搅拌仪器控制搅拌转速和搅拌时间，溶气系统由空压机、高压泵及溶气罐组成，释气系统采用TS型释放器，释放器出水端设置分流阀，用以试验时稳定溶气进水，防止大气泡产生干扰气浮效果。

试验方法：向烧杯中注入原水，加入混凝剂，启动搅拌程序（依次为快速混合、一级絮凝、二级絮凝），絮凝阶段完成后向烧杯中通入溶气水，静置一定时间，然后从烧杯底部取样测定各项水质指标。

1.2 试验试剂与原水

混凝剂：聚合氯化铝铁（PAFC，液态）相对密度为1.25，Al2O3含量为10%，Fe2O3含量为2%；聚氯化铝（PAC）的Al2O3含量为28%，碱化度为65%～85%；硫酸铝（AS）、氯化铁（FC）分别为分析纯化学试剂。

原水取自济南鹊山引黄水库水，试验在9～12月份进行，原水温度在5.0～27.0℃之间，试验期间原水水质指标见表1。

表1 原水水质

1.3 水质检测项目及方法

表2 水质检测项目和方法

2 结果与分析

2.1 气浮主要影响因素分析

2.1.1 混凝剂种类的影响

混凝剂种类对气浮出水的影响图如图2所示。由图2可知，四种混凝剂在各自的投药量范围内浊度去除率都呈先增加后减少的趋势，基本都有相对应的最佳投药量。当投药量达到6 mg／L时，AS、PAC、PAFC均能达到95%的除浊效果，其中高分子混凝剂PAFC、PAC在投药量为5 mg／L时去除效果最优，去除率分别达到96.6%和95.5%。PAFC和PAC从去除效果方面优于无机低分子混凝剂AS，且形成絮体快，在相同投加量下，AS出水较差，同时受投药量影响，出水水质波动较大。而对于混凝剂FC，当投药量达到5 mg／L时，浊度去除率最优为90%，且出水色度高，在四种混凝剂中，效果最差。

图2 混凝剂种类对气浮出水的影响图

不同种类混凝剂在混凝过程中，主要发挥的混凝机理不同。无机低分子絮凝剂AS、FC在浊度去除过程中，开始主要发挥电性中和作用，达到最优效果时，电性中和作用发挥到最佳［18］；达到最佳投药量后继续投加絮凝剂，原来带负电荷的胶粒变为正电荷，胶粒间斥力增加，胶粒再稳，出水水质变差。PAC、PAFC在悬浮颗粒物的去除过程中，由于其高聚合度，除具有电性中和作用外，还将发挥架桥、网捕及卷扫作用，所以出水水质较无机低分子絮凝剂硫酸铝AS好［19］。达到最佳投药量后继续投加，混凝剂会吸附在胶体颗粒周围而使胶体颗粒表面出现空位饱和，而出现再稳现象。PAFC在水中为松散的网状结构网状结构，Fe3＋、Al3＋进行了结构重组，交叉共聚，具有较大的接触面，吸附能力强，兼有聚铝和聚铁的特点，既克服了铝盐处理絮体生长慢的缺点，又克服了铁盐处理出水不清、色度高的缺点，具有优良的混凝性能和强大的电中和能力，能使絮体颗粒体迅速脱稳，形成絮体速度最快，用量少，优于其它三种混凝剂［20］。2.1.2 投药量的影响

通过混凝剂种类对比分析，选择PAFC为混凝剂，为了考察投药量对气浮出水的影响，在不同投药量（以Al3＋计）下进行气浮试验，对气浮出水浊度、藻类及有机物进行监测，试验结果如图3、4所示。

图3 投药量对有机物、浊度去除的影响图

图4 投药量对藻类去除的影响图

试验过程中，对气浮出水浊度、藻类及有机物指标进行检测，图3、4为PAFC不同投药量下，对浊度、有机物及藻类去除效果。随着PAFC投加量的增加，气浮出水浊度、CODMn、UV254、DOC、藻密度数值都逐渐下降，但增加幅度逐渐变小，继续增加水质变差。投药量从1～5 mg／L时，气浮出水浊度从22.6 NTU降至 0.787 NTU，去除率达到 96.6%，气浮出水藻计数从 5.4×107cells／L降至 3.2×106cells／L，去除率达到 94.0%，CODMn、UV254及 DOC去除率分别达到35.0%、52.3%及29.5%。当继续增大投药量为6 mg／L时，使胶体颗粒表面的空位饱和，胶体颗粒出现再稳现象，胶粒颗粒发生再稳，藻类、有机物去除效果略有增加，但增加效果不明显，出水浊度略有增加。

2.1.3 絮凝时间的影响

气浮、沉淀工艺对混凝要求不同：沉淀工艺要求混凝后的絮体体积较大，粒径一般是1000以上；一般认为气浮所需絮体粒径范围在10～1000、400～1000、针尖（约几十）大小、较大的絮体是不必要的，并且由于原水中的胶体颗粒通常带负电荷（表面电位一般在－10 mV左右），而水中微气泡表面的电位通常在－100 mV左右，两者之间较强的静电排斥力对它们的碰撞、粘附起阻碍作用，为了实现絮体与微气泡之间良好的粘附，气浮工艺还要求混凝后絮体的表面负电荷较少，疏水性较强［21］。对气浮工艺而言，通过适当降低投药量、增大反应G值、缩短絮凝时间（产生数十至100的絮体颗粒）可获得较好的净水效果。

试验设计絮凝过程分为两个阶段，其中一级絮凝与二级絮凝时间相等，其工艺参数为：投药量（以Al3＋计）5 mg／L、快速混合 90 s、溶气回流水比 R为12%、一级絮凝速度梯度 G为63（s－1）、二级絮凝速度梯度G为22（s－1）、静置时间为5 min，考察总絮凝时间对出水效果的影响，试验结果如图5所示。

图5 絮凝时间对去除效果的影响图

由图5可知，不同絮凝时间下对浊度、CODMn、UV254、DOC的去除率随时间的增加基本呈先增加后减小的趋势。气浮工艺对浊度的去除并不需要太长的絮凝时间，当总絮凝时间为6 min时，气浮工艺对浊度出去效果达到97.3%，当继续延长絮凝时间，8 min时浊度去除效果最佳，继续延长絮凝时间，出水浊度开始缓慢增加；在设计的絮凝时间内，CODMn、UV254、DOC基本呈相似的变化规律，在8～10 min整体去除效果最佳，CODMn、UV254、DOC最佳去除率分别为 36.9%、55.0%、31.7%。根据气泡与絮体的粘附机理，尺寸较大的絮体具有较多的粘附点，可以实现絮体与气泡的多点粘附，气浮效果较好。絮凝时间太短不利于絮体的成长，无法实现气泡与絮体的多点粘附，絮体不易上浮，致使大量絮体残留水中；絮凝时间过长则形成的絮体尺寸过大，絮体强度会相应降低，其抗剪切能力会减弱，当通入溶气水时，絮体结构在剪切力的作用下被破坏，破坏后的小絮体不易与气泡粘附，导致出水效果变差。

2.2 工艺运行参数的确定

根据气浮主要影响因素对气浮出水的影响，通过前期试验研究，在溶气压力为0.38 MPa、快速混合速度为 300 r／min（90 s）、一级絮凝时间为 4 min、二级絮凝时间为4 min、静置时间为5 min的条件下进行正交试验，选定的影响因素为PAFC投加量、一级絮凝强度G值、二级絮凝强度G值、溶气水回流比R，正交试验方案见表3，正交试验结果见表4。其中综合去除率由浊度去除率、CODMn去除率、UV254去除率构成，各部分所占权重比为7：2：1。

表3 气浮工艺正交试验因素水平表

由表5中极差R可知，各因素对综合指标去除效果影响顺序依次为：回流比R＞投药量＞二级絮凝强度G＞一级絮凝强度G。气浮工艺不需要大尺寸的絮体颗粒，因此可适当提高反应搅拌强度（提高G值），同时高能量的输入可以显著降低小颗粒（＜50μm）的数目，因而更能保证气浮的净水效果。由试验分析结果分析可知，各因素最佳取值为：投药量为5 mg／L（以 Al3＋计）、一级絮凝 G值 63（s－1）、二级絮凝G值22（s－1）、溶气水回流比R值12%，此时气浮工艺净水效果最好，在后续试验中，均以这些值为固定参数值。

表4 气浮工艺正交试验表L9（34）

表5 混凝气浮对有机物的去除效果

2.3 试验效果研究

混凝气浮工艺采用两级絮凝的方式，优选聚合铝铁 PAFC最佳投药量 5 mg／L，一级絮凝 G值63（s－1）（絮凝时间 4 min），二级絮凝 G值 22（s－1）（絮凝时间4 min）、溶气水回流比R值12%，气浮静置时间5 min进行试验，试验结果如图6、7所示。

图6 混凝气浮对浊度的去除效果图

从图6可以看出，优选参数下，原水浊度为13～22NTU时，气浮出水浊度为0.665～1.02 NTU，浊度平均去除率为95.6%。气浮对藻类的去除效果如图7所示，原水藻密度为2.65～5.55×107cells／L时，气浮出水藻计数为 1.41～3.50×106cells／L，气浮对藻类的平均去除率为93.7%。常规混凝—气浮工艺出水已基本符合GB 5749—2006《生活饮用水卫生标准》出水浊度小于1 NTU的水质要求，能为水厂后续过滤工艺减轻了处理负荷，延长滤池运行周期。

图7 混凝气浮对藻类的去除效果图

气浮对有机物的去除情况见表5，气浮单元出水平均 CODMn、UV254、DOC分别为 3.69 mg／L、0.071／cm、4.98 mg／L，对 COD、UV、DOC的平均去除率分别为 43.0%、52.3%、38.2%。气浮单元对水中不同分子量有机物的去除效果对比可知，气浮单元去除有机物主要为分子量大于1000 Da（道尔顿）的部分，对于分子量小于1000 Da的有机物去除作用很小，去除率仅为10%作用。分析原因为，对于分子量大于10000 Da的有机物，其形态为胶体，分子量越大，憎水性越强，容易吸附在矾花表面，去除率较高；对于分子量在1000～10000 Da的有机物，其形态处于胶体和真溶液之间，其去除机理主要靠脱稳凝聚、聚合和表面吸附然后上浮的总和去除作用，去除不彻底；对于分子量小于1000 Da的有机物，亲水性较强，主要靠聚合及吸附作用去除，其去除作用较小。

3 结论

通过本研究可知：

（1）在原水浊度为13～22 NTU的条件下，对比低分子无机絮凝剂 AS、FC、无机高分子絮凝剂PAC、PAFC，无论在去除效果还是投药量方面，高分子絮凝剂相比低分子混凝剂都更有优势，同时气浮并不需要太长的絮凝时间，絮凝时间6～10 min为宜。

（2）以聚合铝铁PAFC为混凝剂，采用混凝—气浮工艺对其进行处理，优选出在PAFC投加量为5 mg／L（以 Al3＋计）、一级絮凝速度梯度 G值为63（s－1）（4 min）、二级絮凝速度梯度 G值 22（s－1）（4 min）、溶气水回流比为12%、静置时间为5 min时操作条件下，净水效果最好，此时气浮单元对藻类、浊度、CODMn、UV254、DOC的平均去除率分别为93.7%、95.6%、43.0%、52.3%和 38.2%。

（3）气浮工艺对低浊高藻水库水浊度、藻类去除效果显著，对有机物的去除部分，主要去除分子量大于1000 Da的有机物，对于分子量小于1000 Da有机物的去除作用很小。

［1］王静超，马军，王静海.气浮净水技术在给水处理中的应用及研究概况［J］.工业水处理，2004，24（7）：9－12.

［2］Edzwald J.K..Coagulation in drinking water treatment：Particles，organics and coagulants［J］.Water Science and Technology，1993，27（11）：21－35.

［3］Edzwald J.K..Dissolved air flotation and me［J］.Water Research，2010，44（7）：2077－2106.

［4］Gergory R.，Zabel T.F..“Sedimentation and Flotation”，in Water Quality and Treatment.A Handbook of Community Water Supplies［M］.New York：McGraw Hill，1990.

［5］Lundgren H..Theory and practice of dissolved-air flotation［J］.Journal Filtration and Separation，1976，13（1）：24－28.

［6］Zabel T.F..“Flotation in water treatment，”in Innovations in Flotation Technology，NATO AISSeries［M］.Dordrecht：Kluwer Academic Publishers，1992.

［7］田珍，李梅，由振华，等.浮沉池技术在低温低浊水处理中的应用［J］.山东建筑大学学报，2010，25（1）：62－65.

［8］Edzwald J.，Haarhoff J..Dissolved air flotation forwater clarification［M］.New York：McGraw Hill，2011.

［9］Crossley I.，Valade M..The growing resurgence of dissolved air flotation：advances and applicability for drinking water treatment［J］.Water Research，2012，14（1）：22－24.

［10］Schofield T..Dissolved air flotation in drinking water production［J］.Water Science and Technology，2001，43（8）：9－18.

［11］Pouet M.F.，Grasmick A..Urban wastewater treatment by electrocoagulation and flotation［J］. Water Science and Technology，1995，31（3）：275－283.

［12］Zou J.，Zhu J.T.，Pan C.，etal.Comparative study of dissolved air flotation and sedimentation process for treating reservoir water with low temperature，low turbidity and high natural organicmatter［J］.Applied Mechanics and Materials，2011，71（1）：2767－2771.

［13］Martinez F.M.，Cabrales N.J.M.，Rincon J.A.D..Process to reduce the chemical oxygen demand，total organic carbon，and total solids in vinasse by electro-flotation／oxidation：U.S.Patent 8，425，755［P］.2013－4－23.

［14］Quartaroli L.，Kuritza J.C.，CavalliniG.S.，etal.Application of cationic and anionic polymers in dissolved air flotation as a means of post-treatmentof pulp and paper industry wastewater［J］.Scientia Forestalis，2014，42（101）：57－67.

［15］刘善培.强化混凝气浮工艺处理微污染原水的中试研究［D］.天津：南开大学，2007.

［16］吴玉宝，王启山，王玉恒，等.混凝—气浮除藻工艺中混凝剂的选择［J］.给水排水，2008，34（5）：154－156.

［17］吴玉宝，王启山，王玉恒，等.混凝—气浮除藻工艺中各参数的优化［J］.中国给水排水，2008，24（3）：95－99.

［18］Matilainen A.，Vepsäläinen M.，SillanpääM..Natural organic matter removal by coagulation during drinking water treatment：A review［J］.Advances in Colloid and Interface Science，2010，159（2）：189－197.

［19］郭瑾珑.气浮及过滤过程中的接触絮凝研究［D］.北京：中国科学院生态环境研究中心，2002.

［20］孙翠珍.新型聚合铝铁—有机复合絮凝剂的混凝性能及其絮体特性研究［D］.济南：山东大学，2012.

［21］王永磊，陈文娟，李雷，等.新型浮滤池净水装置的优化设计与试验研究［J］.山东建筑大学学报，2009，23（6）：539－542.