湖库水藻类污染去除研究*——以多相流泵气浮除藻方式为例

王晓波，田立平，亓华，郑振魁，王晓虹，王永磊

1.潍坊市市政公用事业服务中心；2.山东省新泰市自来水有限公司；3.山东建筑大学

当今多处湖库水将有机物含量高的黄河、长江等大流域的水源不断引进，水体中污染物的成分越来越复杂，导致水体富营养化严重，藻类滋生泛滥且随季节波动较大，常规的混凝沉淀工艺处理效果不佳[1]。而具有占地面积小、除藻效率高、节约能耗等特点的多相流泵气浮技术可以很好地应对此类水环境问题。本文针对影响气浮设备的溶气效率、微气泡粒径、气泡稳定时间等性能参数，结合溶气压力、混凝剂的投加量、进气量、回流比等影响气浮出水效果的关键性因素，对多相流泵气浮设备性能参数与除污染效能之间关系进行研究，为水厂气浮设备的运行评估以及设备改进提供技术参考。

一、研究背景

（一）湖库水藻污染现状

湖泊和水库水是我国重要的饮用水资源，在全国城镇供水系统中具有重要地位，占全国重要饮用水水源地名录的48.4%[2]。然而在我国经济快速发展的过程中，湖库水源水质复杂多变、水厂工艺不适应、饮用水水质达标率低等突出问题逐渐显现出来。在水资源匮乏及水污染日益严重的情况下，多处湖库水将浊度大、有机物含量高的黄河、长江等大流域的水源不断引进。当南水北调用水及本地水库水相互混合后，使水质表现出低温、低浊、高藻等特点，造成的口感异味等水质问题严重影响了居民健康生活。因此为减少藻污染对水环境质量健康的影响，需要优化湖库水源水厂处理工艺技术、提高供水保障能力水平，为国家社会发展提供基础保障。

（二）多相流泵气浮除藻技术研究意义

常规给水处理工艺对低温、低浊、高藻的湖库水体的处理能力有限，易造成水质不达标的情况，且会因为投药量的增加造成消毒副产物等新的污染物质[3]，威胁供水水质安全。相比之下，气浮工艺去除浊度、油脂的同时还可以高效去除藻类等其他微生物[4,5]，是一种被广泛应用的高效除藻技术。然而传统的气浮系统由溶气泵、溶气罐、空压机等组成，占地面积较大且能耗较高。相关学者针对气浮设备的优化进行研究，Wang等人[6]的研究表明，逆向流与同向流相结合的气浮技术可以明显降低絮体松散黏附不牢固等问题的发生率，同时多相流泵无需空气压缩机、溶气罐等设备即能直接进行溶气，产生溶气水释放出微气泡，节约能耗[7]。但目前关于多相流泵在气浮除污方面的性能研究较少，气浮所用的多相流泵普遍存在着实际运行参数参差不齐等问题，因此探究多相流泵气浮设备性能以及其最佳运行参数对于完善气浮设备体系、提高气浮工艺净水效果以及保障水环境质量安全十分必要。

二、试验部分

（一）原水水质

本试验用水为鹊山水库原水，各水质指标变化情况如表1所示。

表1 试验原水水质

（二）试验装置

（1-释放器；2-刮渣机；3-液位计；4-多相流泵；5-溶气罐）

试验场所主要依托于济南鹊华水厂中试基地的浮沉池，中试设备设计水量为8m3/h。气浮区规格为2.41.22.15m3，接触时间1min，分离室上升速度为1.63mm/s，选用EB3U型多相流泵。

三、试验分析

（一）气浮设备性能研究

1.溶气效率测定分析

在试验水温温度为6℃左右时，选择气液比为2%的理论释气量与实际释气量之间的关系如图1所示。

图1 中试试验装置流程图

由图2可以看出，实际测得的释气量偏小，溶气效率不足55%。当溶气压力在0.36MPa-0.44MPa时，溶气效率较为稳定；当溶气压力超过0.44MPa后，实际测得的释气量趋于稳定。另外，试验所用溶气罐为不含填料的空罐，所以溶气效率会比填料溶气罐低30%左右[8]。通过图2，我们也可以得出气浮设备的最优工作压力为0.40MPa。

图2 理论释气量与实际释气量的关系

2.气泡稳定时间测定分析

由图2能够得出，当气液比一定时，气泡稳定时间随压力的增加而升高，在超过0.44MPa后，微气泡稳定时间开始降低（除气液比为2.6%的情况）。在0.4MPa到0.48MPa的范围内，微气泡的稳定时间变化不大，此时气浮工艺运行相对稳定。通过图中变化趋势可以得出，在压力为0.4MPa、气液比为1.7%时，装置产生的气泡水可以产生满足试验要求的大量微小的气泡。

3.气泡粒径测定分析

对鹊华水厂中试基地的气浮模块进行性能测试，该气浮模块采用多相流泵进行溶气，设备在溶气压力降低时，气浮效果较差，且运行极不稳定，因此为研究该设备产生的微气泡尺寸大小并找到最适宜的工况条件，分别在0.36MPa-0.60MPa的压力条件下进行测量，每个工况条件下测量的微气泡数目不低于1000个。

图3 气泡稳定时间与工作压力的关系

从图4中可以看出，当压力为0.36MPa时，微气泡的最高频率直径为15μm左右，最高频率达到49%。同时通过平均粒径和气泡数密度随溶气压力变化试验得出该设备在0.36MPa-0.48MPa范围内，随着压力的增加，气泡粒径变动不大，气泡的密度在一定数量上保持稳定，气浮效果较好。

图4 不同压力下的微气泡粒径概率密度分布图

4.溶解氧测定分析

将溶气压力设定为0.4MPa后运行多相流泵，水池内的水体温度为6℃，初始清水中的DO值为11.85mg/L，待气浮系统运行稳定后，气浮池中水体逐渐变白，呈现出“牛奶水”的特点，这表明气浮设备运行效果很好。

（二）气浮设备运行效果研究

1.藻类浊度的去除效能

通过试验得知，随着溶气压力的升高，浊度的去除效率有所降低，在0.40MPa下，混凝剂投加量为4mg/L时，浊度的去除效率为56.49%，相比于 0.45MPa、6mg/L时的去除率高1.86%。随着回流比的提高，浊度去除效率在回流比为25%时去除效果最好，浊度去除率达到56.49%。当溶气压力从0.4MPa提高至0.5MPa的过程中，水中叶绿素a的去除率开始降低，最高去除效率为59.56%，随着压力的升高，该气浮设备的运行稳定性逐渐减弱。当混凝剂投药量不变时，随着回流比的升高，叶绿素a的去除率先逐渐升高然后趋于稳定，这与相关学者的研究结果相同[9]，说明增大回流比，能够增加水中的气泡浓度，有利于促进水中微气泡-颗粒的碰撞黏附作用，但增加溶气水的回流比会增加回流泵的工作负荷。因此在实际生产应用过程中，应当考虑经济因素，选择合适的溶气压力和回流比，以节约能耗。

2.有机物的去除效能

通过试验数据得出，随着溶气压力由0.40MPa升高至0.50MPa，气浮工艺对TOC、UV254、CODMn的去除率逐渐降低，均在0.40MPa时达到最大去除率，分别为30.96%、39.17%、37.31%。去除率的降低是由于在压力升高时，气水比不稳定，生成的气泡数密度及粒径分布偏差较大，在对溶气效率的测定中，当压力值达到0.44MPa后，溶气效率便开始下降，因此该设备在溶气压力为0.4MPa时运行效果较稳定。随着回流比的加大，TOC、UV254、CODMn的去除率整体上有所降低。在混凝剂的投加量逐渐增加时，各指标的去除率逐渐升高并趋于稳定，但回流比对去除效果的影响均高于溶气压力和投药量。混凝阶段后，水中带负电的有机分子与混凝剂中带正电的金属离子通过电性中和的作用进行脱稳，形成絮体，絮体与微气泡互相碰撞黏附，而且水中含苯环或芳香类大分子有机物具有憎水性，微气泡表面也具有憎水性，两者能够相互吸附，从而使得有机物胶体与气泡形成夹气絮体进而上浮至水面进行去除，进一步保障了水体质量安全。

四、结论

1.多相流泵气浮设备的平均溶气效率不足55%，在个各压力下产生的气泡平均粒径均小于26μm。气浮技术能够增加水中溶解氧的含量，在温度条件6℃的条件下，产生的溶解氧含量为11.85mg/L。通过对设备性能参数的评估研究，得到设备运行的最佳溶气压力为0.40MPa，设备性能稳定且基本满足相关规范要求。

2.利用多相流泵气浮工艺进行除污染效能试验时，综合考虑各个指标的去除效能，得出常规工艺在溶气压力0.4MPa、絮凝剂PAFC加药量4mg/L、回流比25%时对浊度、叶 绿 素 a、TOC、UV254、CODMn的去除率分别达到56.49%、50.23%、23.73%、28.75%、23.98%，该设备除污染效能的变化情况与设备性能参数指标的变化规律相符合。