湖庫水藻類污染去除研究*——以多相流泵氣浮除藻方式為例

王曉波，田立平，亓華，鄭振魁，王曉虹，王永磊

1.濰坊市市政公用事業服務中心；2.山東省新泰市自來水有限公司；3.山東建筑大學

當今多處湖庫水將有機物含量高的黃河、長江等大流域的水源不斷引進，水體中污染物的成分越來越復雜，導致水體富營養化嚴重，藻類滋生泛濫且隨季節波動較大，常規的混凝沉淀工藝處理效果不佳[1]。而具有占地面積小、除藻效率高、節約能耗等特點的多相流泵氣浮技術可以很好地應對此類水環境問題。本文針對影響氣浮設備的溶氣效率、微氣泡粒徑、氣泡穩定時間等性能參數，結合溶氣壓力、混凝劑的投加量、進氣量、回流比等影響氣浮出水效果的關鍵性因素，對多相流泵氣浮設備性能參數與除污染效能之間關系進行研究，為水廠氣浮設備的運行評估以及設備改進提供技術參考。

一、研究背景

（一）湖庫水藻污染現狀

湖泊和水庫水是我國重要的飲用水資源，在全國城鎮供水系統中具有重要地位，占全國重要飲用水水源地名錄的48.4%[2]。然而在我國經濟快速發展的過程中，湖庫水源水質復雜多變、水廠工藝不適應、飲用水水質達標率低等突出問題逐漸顯現出來。在水資源匱乏及水污染日益嚴重的情況下，多處湖庫水將濁度大、有機物含量高的黃河、長江等大流域的水源不斷引進。當南水北調用水及本地水庫水相互混合后，使水質表現出低溫、低濁、高藻等特點，造成的口感異味等水質問題嚴重影響了居民健康生活。因此為減少藻污染對水環境質量健康的影響，需要優化湖庫水源水廠處理工藝技術、提高供水保障能力水平，為國家社會發展提供基礎保障。

（二）多相流泵氣浮除藻技術研究意義

常規給水處理工藝對低溫、低濁、高藻的湖庫水體的處理能力有限，易造成水質不達標的情況，且會因為投藥量的增加造成消毒副產物等新的污染物質[3]，威脅供水水質安全。相比之下，氣浮工藝去除濁度、油脂的同時還可以高效去除藻類等其他微生物[4,5]，是一種被廣泛應用的高效除藻技術。然而傳統的氣浮系統由溶氣泵、溶氣罐、空壓機等組成，占地面積較大且能耗較高。相關學者針對氣浮設備的優化進行研究，Wang等人[6]的研究表明，逆向流與同向流相結合的氣浮技術可以明顯降低絮體松散黏附不牢固等問題的發生率，同時多相流泵無需空氣壓縮機、溶氣罐等設備即能直接進行溶氣，產生溶氣水釋放出微氣泡，節約能耗[7]。但目前關于多相流泵在氣浮除污方面的性能研究較少，氣浮所用的多相流泵普遍存在著實際運行參數參差不齊等問題，因此探究多相流泵氣浮設備性能以及其最佳運行參數對于完善氣浮設備體系、提高氣浮工藝凈水效果以及保障水環境質量安全十分必要。

二、試驗部分

（一）原水水質

本試驗用水為鵲山水庫原水，各水質指標變化情況如表1所示。

表1 試驗原水水質

（二）試驗裝置

（1-釋放器；2-刮渣機；3-液位計；4-多相流泵；5-溶氣罐）

試驗場所主要依托于濟南鵲華水廠中試基地的浮沉池，中試設備設計水量為8m3/h。氣浮區規格為2.41.22.15m3，接觸時間1min，分離室上升速度為1.63mm/s，選用EB3U型多相流泵。

三、試驗分析

（一）氣浮設備性能研究

1.溶氣效率測定分析

在試驗水溫溫度為6℃左右時，選擇氣液比為2%的理論釋氣量與實際釋氣量之間的關系如圖1所示。

圖1 中試試驗裝置流程圖

由圖2可以看出，實際測得的釋氣量偏小，溶氣效率不足55%。當溶氣壓力在0.36MPa-0.44MPa時，溶氣效率較為穩定；當溶氣壓力超過0.44MPa后，實際測得的釋氣量趨于穩定。另外，試驗所用溶氣罐為不含填料的空罐，所以溶氣效率會比填料溶氣罐低30%左右[8]。通過圖2，我們也可以得出氣浮設備的最優工作壓力為0.40MPa。

圖2 理論釋氣量與實際釋氣量的關系

2.氣泡穩定時間測定分析

由圖2能夠得出，當氣液比一定時，氣泡穩定時間隨壓力的增加而升高，在超過0.44MPa后，微氣泡穩定時間開始降低（除氣液比為2.6%的情況）。在0.4MPa到0.48MPa的范圍內，微氣泡的穩定時間變化不大，此時氣浮工藝運行相對穩定。通過圖中變化趨勢可以得出，在壓力為0.4MPa、氣液比為1.7%時，裝置產生的氣泡水可以產生滿足試驗要求的大量微小的氣泡。

3.氣泡粒徑測定分析

對鵲華水廠中試基地的氣浮模塊進行性能測試，該氣浮模塊采用多相流泵進行溶氣，設備在溶氣壓力降低時，氣浮效果較差，且運行極不穩定，因此為研究該設備產生的微氣泡尺寸大小并找到最適宜的工況條件，分別在0.36MPa-0.60MPa的壓力條件下進行測量，每個工況條件下測量的微氣泡數目不低于1000個。

圖3 氣泡穩定時間與工作壓力的關系

從圖4中可以看出，當壓力為0.36MPa時，微氣泡的最高頻率直徑為15μm左右，最高頻率達到49%。同時通過平均粒徑和氣泡數密度隨溶氣壓力變化試驗得出該設備在0.36MPa-0.48MPa范圍內，隨著壓力的增加，氣泡粒徑變動不大，氣泡的密度在一定數量上保持穩定，氣浮效果較好。

圖4 不同壓力下的微氣泡粒徑概率密度分布圖

4.溶解氧測定分析

將溶氣壓力設定為0.4MPa后運行多相流泵，水池內的水體溫度為6℃，初始清水中的DO值為11.85mg/L，待氣浮系統運行穩定后，氣浮池中水體逐漸變白，呈現出“牛奶水”的特點，這表明氣浮設備運行效果很好。

（二）氣浮設備運行效果研究

1.藻類濁度的去除效能

通過試驗得知，隨著溶氣壓力的升高，濁度的去除效率有所降低，在0.40MPa下，混凝劑投加量為4mg/L時，濁度的去除效率為56.49%，相比于 0.45MPa、6mg/L時的去除率高1.86%。隨著回流比的提高，濁度去除效率在回流比為25%時去除效果最好，濁度去除率達到56.49%。當溶氣壓力從0.4MPa提高至0.5MPa的過程中，水中葉綠素a的去除率開始降低，最高去除效率為59.56%，隨著壓力的升高，該氣浮設備的運行穩定性逐漸減弱。當混凝劑投藥量不變時，隨著回流比的升高，葉綠素a的去除率先逐漸升高然后趨于穩定，這與相關學者的研究結果相同[9]，說明增大回流比，能夠增加水中的氣泡濃度，有利于促進水中微氣泡-顆粒的碰撞黏附作用，但增加溶氣水的回流比會增加回流泵的工作負荷。因此在實際生產應用過程中，應當考慮經濟因素，選擇合適的溶氣壓力和回流比，以節約能耗。

2.有機物的去除效能

通過試驗數據得出，隨著溶氣壓力由0.40MPa升高至0.50MPa，氣浮工藝對TOC、UV254、CODMn的去除率逐漸降低，均在0.40MPa時達到最大去除率，分別為30.96%、39.17%、37.31%。去除率的降低是由于在壓力升高時，氣水比不穩定，生成的氣泡數密度及粒徑分布偏差較大，在對溶氣效率的測定中，當壓力值達到0.44MPa后，溶氣效率便開始下降，因此該設備在溶氣壓力為0.4MPa時運行效果較穩定。隨著回流比的加大，TOC、UV254、CODMn的去除率整體上有所降低。在混凝劑的投加量逐漸增加時，各指標的去除率逐漸升高并趨于穩定，但回流比對去除效果的影響均高于溶氣壓力和投藥量。混凝階段后，水中帶負電的有機分子與混凝劑中帶正電的金屬離子通過電性中和的作用進行脫穩，形成絮體，絮體與微氣泡互相碰撞黏附，而且水中含苯環或芳香類大分子有機物具有憎水性，微氣泡表面也具有憎水性，兩者能夠相互吸附，從而使得有機物膠體與氣泡形成夾氣絮體進而上浮至水面進行去除，進一步保障了水體質量安全。

四、結論

1.多相流泵氣浮設備的平均溶氣效率不足55%，在個各壓力下產生的氣泡平均粒徑均小于26μm。氣浮技術能夠增加水中溶解氧的含量，在溫度條件6℃的條件下，產生的溶解氧含量為11.85mg/L。通過對設備性能參數的評估研究，得到設備運行的最佳溶氣壓力為0.40MPa，設備性能穩定且基本滿足相關規范要求。

2.利用多相流泵氣浮工藝進行除污染效能試驗時，綜合考慮各個指標的去除效能，得出常規工藝在溶氣壓力0.4MPa、絮凝劑PAFC加藥量4mg/L、回流比25%時對濁度、葉 綠 素 a、TOC、UV254、CODMn的去除率分別達到56.49%、50.23%、23.73%、28.75%、23.98%，該設備除污染效能的變化情況與設備性能參數指標的變化規律相符合。