微气泡气浮清除水体中暴发藻类的试验研究*

叶建锋 钟晓春 宋召凤 高阳俊

(1.东华大学环境科学与工程学院，上海 201620；2.耶鲁大学森林与环境学院，康涅狄格州 纽黑文 06511；3.上海市环境科学研究院，上海 200233)

我国湖库等开放水体富营养化程度日渐严重[1]，藻类暴发频繁[2-3]，已成为当今水环境亟需解决的重点问题。现有的藻类暴发治理技术存在藻类暴发有效预警困难、防治效果差及暴发后藻类清除速度慢等问题。因此，我国藻类暴发在短期内仍难以避免，如何降低水华危害，解决藻类暴发后的快速清除问题显得十分必要。

现有的藻类清除技术主要有物理、化学和生物法3种。物理法以絮凝沉淀或气浮[4-5]、人工机械打捞[6]为主，絮凝沉淀法效果好但成本高、易产生二次污染，人工机械打捞耗时耗力且效果较差；化学法除藻效果明显[7]，但投加除藻剂本身对水环境影响大，且藻类死亡后释放藻毒素二次污染水环境；生物法通过投放食藻鱼类或微生物控藻[8-9]，但控藻效果缓慢，不适合暴发期藻类快速清除。针对目前已有的藻类清除技术成本高、易产生二次污染、处理效果差等缺陷，本研究首次提出采用微气泡气浮(微气浮)清除水体中暴发的藻细胞(聚体)。根据气泡浮选技术在油类回收[10-12]、矿物质浮选[13]等领域的研究成果，浮选颗粒与气泡直径大小相近时两者黏附效果最好，气浮效果最显著。传统气浮技术所能产生的气泡直径通常为80～100 μm，藻细胞直径仅为3～30 μm，因此在不投加絮凝剂条件下气泡对藻细胞的黏附能力很差。近年来，由于气浮设备技术进步，新型溶气泵可使微气泡直径稳定在10～30 μm，使微气泡直径与藻细胞相近[14]，实现在不投加化学絮凝剂条件下对藻细胞产生较好的去除效果。

本研究在不投加絮凝剂的条件下利用微气浮除藻，优化藻水分离技术参数，明确藻渣特性，以确定最佳微气浮条件和藻渣收集参数，进而为开放水体大规模藻类清除工作提供理论参数和技术支撑。

1 材料与方法

1.1 试验装置与材料

试验装置见图1，主要由进水箱、多相流泵、溶气罐、气浮柱等组成。其中，进水箱为聚氯乙烯(PVC)材质，尺寸为60 cm×40 cm×70 cm，顶端进水底部出水，出口端接有进水底阀、进水流速调节阀；多相流泵采用德国EDUR牌EB3U型多相流泵，设计流量为1.5 m3/h，功率为1.5 kW，多相流泵进水端的进气管上接有进气流量计，出水端接有单向阀；溶气罐材质为不锈钢，顶端装有压力表与安全阀，溶气罐高为81 cm，直径为11 cm，出口端接有流量调节阀与流量计；气浮柱材质为透明有机玻璃，直径为20 cm，高为120 cm，气浮柱上有刻度线。

藻水取自上海市淀山湖蓝藻暴发期水样，水样叶绿素a质量浓度为2 000～3 000 μg/L。

1.2 试验方法

根据自来水气浮试验结果，气浮装置在进气量为0.2～0.3 mL/min、溶气水流量400 L/h、压力0.65～0.70 MPa时，气浮时间较长，微气泡直径最小。因此，在此参数条件下开展后续试验，分析各工况条件下藻类去除效果和藻渣特性。

根据试验工况要求，将自来水(或藻水)注入进水箱，启动多相流泵制成溶气水，将试验装置调试到稳定状态后关闭多相流泵，将待处理藻水加入气浮柱后再次启动多相流泵，当气浮柱液面达到要求刻度时，关闭多相流泵，待气浮柱内微气泡上浮完成后采用刮板取出藻渣，取水样测定叶绿素a浓度，以叶绿素a去除率表征除藻效果。

1.2.1 不同溶气水对除藻效果的影响

将藻水稀释成高、中、低3种浓度梯度，3种梯度下叶绿素a质量浓度平均值分别为2 000、1 250、350 μg/L。按表1中工况1～3分别将3种浓度梯度的藻水注入气浮柱至40 cm刻度处，然后分别以自来水或等浓度待处理藻水作为溶气水进行气浮试验，使气浮柱液面升高至110 cm处，气浮完成后取气浮柱水样测定叶绿素a浓度，考察两种溶气水的除藻效果。

1.2.2 藻浓度及溶气水与藻水体积比对除藻效果的影响

将3种浓度梯度的藻水分别按表1中工况4～6注入气浮柱至33、60、65 cm刻度处，以自来水为溶气水，启动多相流泵使气浮柱液面升高至110 cm刻度处，气浮完成后取气浮柱水样测定叶绿素a浓度，考察藻浓度及溶气水与藻水体积比对除藻效果的影响。

1.2.3 藻渣特性参数试验

以自来水为溶气水，将待处理藻水注入气浮柱40 cm刻度，分别按照表1中工况1～3、工况7～9要求调节溶气水与藻水体积比，从溶气水进入气浮柱开始计时，记录不同时间点的藻渣厚度与藻渣形成、上浮和稳定时间，并取藻渣测定鲜质量及含水率。

1.3 计时及分析方法

将藻渣自然风干后，103～105 ℃条件下烘干至恒重，分别计算其鲜质量、干质量及含水率；以溶气水进入气浮柱时开始计时，当液面出现藻渣层时计为T1，气浮柱微气泡上浮完成时计为T2，液面藻渣层开始分散下沉时计为T3，则藻渣形成、藻渣上浮和藻渣稳定时间分别为T1、(T2-T1)、(T3-T2)；叶绿素a浓度采用分光光度法测定。

1—进水箱；2—进水底阀；3—进水流速调节阀；4—进气流量计；5—多相流泵；6—单向阀；7—溶气罐；8—压力表；9—安全阀；10—流量调节阀；11—流量计；12—气浮柱；13—释放器图1 试验装置示意图Fig.1 Schematic diagram of experimental device

工况123456789溶气水与藻水体积比70∶4070∶4070∶4077∶3350∶6045∶6536∶4048∶4060∶40叶绿素a质量浓度/(μg·L-1)35012502000350、1250、2000350350350

2 结果与讨论

2.1 不同溶气水对除藻效果的影响

不同溶气水微气浮除藻效果如图2所示。由图2可见，以自来水作为溶气水时，3种浓度梯度藻水的叶绿素a去除率为62.0%～73.0%；以等浓度待处理藻水为溶气水时，叶绿素a去除率仅为9.0%～48.0%。对比两种溶气水除藻效果可见，以自来水作为溶气水时叶绿素a的去除率整体高于藻水作为溶气水，且叶绿素a的去除率随着藻浓度的增加而升高，但当以藻水为溶气水时叶绿素a的去除率则呈现相反的变化趋势。究其原因主要是藻水在经过多相流泵加压溶气过程中，水中藻聚体被多相流泵高速旋转的叶轮打碎，藻聚体被打碎后粒径变小，使之不易上浮至液面，导致叶绿素a去除率下降；当以自来水作为溶气水时，则不会出现此现象。因此，在自然水体中采用微气浮设备清除藻类时，气浮装置进水口可布设在藻类暴发层以下的清水层。

图2 不同溶气水对除藻类效果的影响Fig.2 Effect of different dissolved air water on algae removal

2.2 藻浓度及溶气水与藻水体积比对除藻效果的影响

藻浓度、溶气水与藻水体积比对除藻效果的影响见图3，其中柱状图表示平均值。由图3(a)可见，高、中、低浓度藻水在3种进水条件下叶绿素a去除率平均值分别为72.4%、68.2%、61.5%，叶绿素a的去除率随着藻浓度的降低而降低。当藻水藻浓度相同时，溶气水与藻水体积比越高，叶绿素a去除率也越高；当溶气水与藻水体积比为77∶33时，高、中、低浓度藻水叶绿素a的去除率分别是体积比为45∶65时的1.26、1.17、1.20倍，可见增加溶气水与藻水体积比对高浓度藻水的叶绿素a去除率提高最显著。由图3(b)可见，当溶气水与藻水体积比分别为77∶33、50∶60、45∶65时，3种藻水叶绿素a去除率的平均值分别为73.8%、67.0%、60.9%，叶绿素a去除率随溶气水与藻水体积比的降低而降低。当溶气水与藻水体积比相同时，藻浓度越高，叶绿素a去除率也越高，这主要源于藻类暴发后多以藻聚体形式悬浮存在，微气泡更容易与其黏附而使其上浮。在实际自然水体微气浮除藻工艺中，考虑到能耗成本因素，宜将溶气水和藻水体积比控制在1.4左右。

图3 藻浓度及溶气水与藻水体积比对除藻效果的影响Fig.3 Effect of algae concentrations,and ratio of dissolved air water to algae water on algae removal

2.3 微气浮藻渣特性及收集参数

2.3.1 微气浮藻渣特性

不同工况下微气浮藻渣厚度随气浮时间的变化如图4所示。对比工况1、7、8、9可见，当藻浓度相同、溶气水与藻水体积比不同时，藻渣层累积趋势基本一致，均在170 s左右基本完成藻渣层的累积。对比工况1、2、3可见，当溶气水与藻水体积比相同、藻浓度不同时，藻渣累积速率、藻渣厚度及累积稳定时间总体上均随藻浓度的增加而增加。不同工况下微气浮获得的藻渣含水率见图5。由图5可见，不同工况下微气浮获得的藻渣含水率略有差异，总体在96.5%～98.8%。

图4 藻渣厚度随气浮时间变化Fig.4 Variation of algae residue thickness with flotation time

图5 不同工况条件藻渣含水率Fig.5 Moisture content of algae residue obtained in different working condition

2.3.2 微气浮藻渣收集参数分析

对比工况1、2、3、9下微气浮藻渣出现、上浮、稳定时间，结果如图6所示。由图6可见，微气浮进行40～60 s后开始出现藻渣；低浓度藻水(工况1、9)藻渣上浮时间为160～200 s，藻渣稳定时间在850 s左右；中、高浓度藻水(工况2、3)藻渣出现相对较快，藻渣上浮时间较长，约为360 s，藻渣稳定时间在700～750 s。可见，将微气浮应用于实际自然水体除藻时，在不考虑开放水体中的风浪等因素，藻类最佳气浮时间为3～6 min，藻渣最佳收集时段为微气浮完成后的14 min内。

图6不同工况下微气浮藻渣形成、上浮、稳定时间 Fig.6 The arising,floating,stabilizing time of micro-flotation algae residue in different working condition

3 结 论

在不投加絮凝剂前提下利用微气浮技术清除藻水中的藻细胞。试验结果表明，气浮装置在进气量为0.2～0.3 mL/min、溶气水流量400 L/h、压力0.65～0.70 MPa时，气浮时间较长，微气泡直径最小，在此条件下，微气浮技术除藻效果良好。以自来水作为溶气水时，藻水叶绿素a去除率在62.0%～73.0%，微气浮产生的藻渣含水率在96.5%～98.8%。利用试验结果指导实际自然水体除藻工作，宜将气浮装置进水口布设在藻类暴发层以下的清水层，综合考虑处理能耗成本及处理效果，溶气水和藻水体积比宜控制在1.4左右，藻类最佳气浮时间为3～6 min，藻渣最佳收集时段为微气浮完成后的14 min内。

[1] 中华人民共和国环境保护部.2010年中国环境状况公报[R].北京:中华人民共和国环境保护部,2011.

[2] 任翔宇，王铭玮，顾詠洁，等．光照强度及温度对青草沙水库蓝藻暴发风险的模拟试验[J].净水技术，2012，31(4)：55-60．

[3] 方爱红，黄银芝，钱瑾．浅谈太湖蓝藻暴发的原因、危害及其预防治理[J].净水技术，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] 石颖，马军，蔡伟民，等．湖泊、水库水的强化混凝除藻的试验研究[J].环境科学学报，2001，21(2)：251-253．

[6] 张明真，傅海燕，柴天，等．连续式自清洁蓝藻收集设备的中试研究[J].环境工程学报，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] 邓晓辉，许晶禹，吴应湘，等．动态微气泡浮选除油技术研究[J].工业水处理，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.