氣浮設備運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

近年來，藻污染事件頻發，水庫水作為飲用水水源地的重要來源之一，受藻細胞和藻源有機物的影響，其往往比其他水源水更難處理。隨著水體富營養化嚴重，引發的生態環境和生物安全問題逐漸引起人們的關注，飲用水安全問題也面臨著巨大挑戰。傳統的混凝沉淀工藝對濁度有較好的祛除效果，但對有機物、藻類的去除效果不佳。

氣浮凈水技術作為一種高效水處理技術，具有自動化程度高、占地面積小、除藻效率高等特點[1]。但是目前的氣浮設備存在參數參差不齊、性能不穩定以及評估技術欠缺等問題[2]，因此提高氣浮凈水效率，改進氣浮設備，提高氣浮工藝運行保障，使溶氣效率變高、凈水效果更好已成為當下需要解決的關鍵性問題。因此，本研究針對影響氣浮設備溶氣效率、微氣泡粒徑、氣泡穩定時間等性能參數，結合混凝劑的投加量、溶氣壓力、進氣量等影響氣浮出水效果的關鍵性因素，以評價氣浮設備性能與除污染效能之間關系，實驗結果將有助于為水廠氣浮設備的運行評估提供技術支撐。

一、現狀

（一）水源水質現狀

水資源作為當今社會賴以生存和發展的重要資源，它支撐著經濟的發展和社會的進步。2019年，全國的水資源總量比近幾年的平均水量多出4.8%，但我國的水資源總量仍表現出東部多西部少、南部多北部少、人均占有量少的特點。通過對全國1931個地表水水質斷面（點位）的水質進行監測，可將水質斷面（點位）共分為五類，其中Ⅰ類有75個，所占比例3.9%；Ⅱ類有890個，所占比例46.1%；Ⅲ類有481個，所占比例24.9%；Ⅳ類有338個，所占比例17.5%；Ⅴ類有81個，所占比例4.2%；劣Ⅴ類有66個，所占比例3.4%。與2018年相比，Ⅰ-Ⅲ類水質斷面（點位）數量有所上升，上升了3.9%，劣Ⅴ類降低了3.3%，水質總體趨勢有所提升，水中的污染物以COD、TP和CODMn等指標為主。

在我國各項發展快速推進的過程中，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。北方黃河流域的水質特點主要呈現出濁度大、有機物含量高；當南水北調用水及本地水庫水相互混合后，使水質呈現出低溫、低濁、高藻的特點，且藻類隨季節發生變化。水資源問題已不僅僅是資源問題，更成為了關系到國家經濟、社會可持續發展和長治久安的重大戰略問題。我們需要深入探討水處理方向存在的問題、短板，尋求高效、經濟的組合工藝，以為現代社會發展提供基礎保障。

（二）處理工藝現狀

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，并達到該溫度下該氣體的飽和狀態，然后將這部分高壓高飽和的溶氣水通過減壓釋氣裝置釋放出來，壓力的降低會促使這部分被高壓溶解在水中的氣體不斷析出，進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，利用刮渣機刮去浮渣的工藝。

由于傳統的加壓溶氣氣浮（DAF）工藝存在絮體松、散黏附不牢固等問題，鑒于傳統氣浮設備仍需改進，許多行業內人士對氣浮技術加以完善和改進。麥斯特公司生產的CQJ型淺層離子氣浮設備是將淺層氣浮與離子氣浮相結合，能夠生產出數量多粒徑小的微氣泡，對絮體的適應性強，甚至可以不投加混凝劑，因此能夠節約能耗。加壓溶氣設備作為環保型產品，未來應該朝著高自動化控制、低能耗損失、集成簡約高效的方向發展，提高出水水質。

圖1 氣浮工藝對濁度(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

本實驗用水各水質指標變化情況如表1所示。

表1 原水水質指標

（二）實驗裝置

實驗室內采用LF-1500微納米氣泡發生器作為氣泡發生裝置，并借助程控式六聯攪拌儀進行。

在每個自制氣浮池中分別加入1000ml實驗原水，控制轉速200r/min，運行30s，期間不做任何處理；繼續控制200r/min轉速運行30s，分別加入聚合氯化鋁鐵（PAFC）1ml、2ml、3ml、4ml、5ml、6ml、7ml；待程序運行至第三階段，通入300ml溶氣水至氣浮池中，控制轉速50r/min，反應900s。氣浮結束后靜置5分鐘，從取樣口取水樣進行相關指標的檢測。

三、結果與討論

氣浮設備運行效果研究。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的去除效率均表現出先升高后趨于穩定或降低的規律。當壓力一定，PAFC投加量6mg/L時，濁度的去除效率達到了95.76%，葉綠素a的去除效率達到了96.41%。在此之后，隨著PAFC投加量的增大，濁度和葉綠素a的去除效率出現了減小的趨勢，這是由于當混凝劑投加過量時，過量的Al3+相互絡合，產生膠體保護，在電性斥力的作用下不能很好地與水中的微氣泡進行黏附，且過量的混凝劑也會形成沉淀物導致出水濁度升高[3]。當混凝劑投加量保持不變時，濁度和葉綠素a的去除效率隨壓力的升高逐漸趨于穩定，其中在溶氣壓力為0.4MPa時，去除效率最高。從2.1節中可以看出，隨著溶氣壓力的升高，氣浮設備的溶氣效率有所增加；在0.44MPa時達到最大溶氣效率，并且在溶氣壓力為0.4MPa時，氣浮設備產生的微氣泡在水中的穩定時間均能達到4min以上，水中微氣泡的粒徑也隨壓力的增加而逐漸減小，氣泡與水中細小顆粒絮體的碰撞黏附幾率逐漸提高，當氣泡密度達到一定的飽和值后，水中顆粒物的去除率不再受氣泡密度的影響而增大，因此會穩定在一定的數值上。

圖2 連續運行時的濁度(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的條件下去除率達到了36.72%，UV254在溶氣壓力為0.40MPa的條件下達到了最高去除率67.02%。

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

這是由于UV254為大分子、疏水性有機物，在混凝和氣浮過程中，這類難降解的大分子芳香族的有機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；而水中總有機碳主要是以溶解性有機碳為主，溶解性有機物不易被微氣泡黏附，所以去除率比較低。

兼顧除濁除藻、除有機物的共同效率，確定出的0.4MPa、PAFC投加量6mg/L為該設備運行時的最優工況。調整好工況，沒有外界干擾的情況下連續運行進行數據觀測見下圖3。

連續運行期間，氣浮出水的濁度在0.319-0.402NTU之間，去除率比較穩定，平均去除率為54%。在工藝運行過程中，出水濁度相對平穩，說明氣浮設備在該工況條件下的運行狀況良好，出水水質檢測濁度低于1NTU，大大緩解了過濾工藝的處理負荷，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到43.18%，說明氣浮對于微小的藻細胞也有很高的去除效率。通過對連續運行氣浮池的進出水對TOC、UV254、CODMn的運行情況進行測定，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CODMn的平均去除效率為34.60%。從實驗的結來果看，UV254的去除效果優于TOC和CODMn，這是由于UV254代表的含有苯環或共軛雙鍵的芳香大分子的疏水性物質更容易與氣泡表面黏附結合，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中的溶解態有機物和TOC代表的以溶解性有機物為主的有機物不容易與氣泡相互黏附，所以去除率有所降低。

四、結論

利用該設備進行除污染效能試驗時，分別在溶氣壓力0.36MPa-0.48MPa、PAFC投加量為1mg/L-7mg/L的條件下進行實驗，綜合考慮各個指標的去除效能，得出氣浮工藝在溶氣壓力為0.4MPa、PAFC加藥量為6mg/L時對濁度、葉綠素a、TOC、UV254的去除率分別達到95.76%、96.41%、34.21%、65.96%。該設備除污染效能的變化規律與設備性能參數的變化呈正相關。通過檢測設備連續運行30天數據得出，氣浮出水的濁度在0.319-0.402NTU之間，去除率比較穩定，平均去除率為54%，氣浮工藝對葉綠素a、TOC、UV254的平均去除效率分別能夠達到43.18%、28.63%、35.83%。