气浮设备运行效果与除污效能研究*

田立平，王晓波，郑振魁，亓华，马汇源，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

近年来，藻污染事件频发，水库水作为饮用水水源地的重要来源之一，受藻细胞和藻源有机物的影响，其往往比其他水源水更难处理。随着水体富营养化严重，引发的生态环境和生物安全问题逐渐引起人们的关注，饮用水安全问题也面临着巨大挑战。传统的混凝沉淀工艺对浊度有较好的祛除效果，但对有机物、藻类的去除效果不佳。

气浮净水技术作为一种高效水处理技术，具有自动化程度高、占地面积小、除藻效率高等特点[1]。但是目前的气浮设备存在参数参差不齐、性能不稳定以及评估技术欠缺等问题[2]，因此提高气浮净水效率，改进气浮设备，提高气浮工艺运行保障，使溶气效率变高、净水效果更好已成为当下需要解决的关键性问题。因此，本研究针对影响气浮设备溶气效率、微气泡粒径、气泡稳定时间等性能参数，结合混凝剂的投加量、溶气压力、进气量等影响气浮出水效果的关键性因素，以评价气浮设备性能与除污染效能之间关系，实验结果将有助于为水厂气浮设备的运行评估提供技术支撑。

一、现状

（一）水源水质现状

水资源作为当今社会赖以生存和发展的重要资源，它支撑着经济的发展和社会的进步。2019年，全国的水资源总量比近几年的平均水量多出4.8%，但我国的水资源总量仍表现出东部多西部少、南部多北部少、人均占有量少的特点。通过对全国1931个地表水水质断面（点位）的水质进行监测，可将水质断面（点位）共分为五类，其中Ⅰ类有75个，所占比例3.9%；Ⅱ类有890个，所占比例46.1%；Ⅲ类有481个，所占比例24.9%；Ⅳ类有338个，所占比例17.5%；Ⅴ类有81个，所占比例4.2%；劣Ⅴ类有66个，所占比例3.4%。与2018年相比，Ⅰ-Ⅲ类水质断面（点位）数量有所上升，上升了3.9%，劣Ⅴ类降低了3.3%，水质总体趋势有所提升，水中的污染物以COD、TP和CODMn等指标为主。

在我国各项发展快速推进的过程中，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。北方黄河流域的水质特点主要呈现出浊度大、有机物含量高；当南水北调用水及本地水库水相互混合后，使水质呈现出低温、低浊、高藻的特点，且藻类随季节发生变化。水资源问题已不仅仅是资源问题，更成为了关系到国家经济、社会可持续发展和长治久安的重大战略问题。我们需要深入探讨水处理方向存在的问题、短板，寻求高效、经济的组合工艺，以为现代社会发展提供基础保障。

（二）处理工艺现状

加压溶气减压释气气浮工艺是常用的溶气气浮工艺，该工艺是将气体在一定压力的条件下溶解在水中，并达到该温度下该气体的饱和状态，然后将这部分高压高饱和的溶气水通过减压释气装置释放出来，压力的降低会促使这部分被高压溶解在水中的气体不断析出，进而形成使微纳米气泡在气浮接触室与絮体相黏附，然后上浮到水面上，利用刮渣机刮去浮渣的工艺。

由于传统的加压溶气气浮（DAF）工艺存在絮体松、散黏附不牢固等问题，鉴于传统气浮设备仍需改进，许多行业内人士对气浮技术加以完善和改进。麦斯特公司生产的CQJ型浅层离子气浮设备是将浅层气浮与离子气浮相结合，能够生产出数量多粒径小的微气泡，对絮体的适应性强，甚至可以不投加混凝剂，因此能够节约能耗。加压溶气设备作为环保型产品，未来应该朝着高自动化控制、低能耗损失、集成简约高效的方向发展，提高出水水质。

图1 气浮工艺对浊度(a)、叶绿素-a (b)、TOC (c)、UV254 (d)的去除效果

二、材料和方法

（一）原水水质

本实验用水各水质指标变化情况如表1所示。

表1 原水水质指标

（二）实验装置

实验室内采用LF-1500微纳米气泡发生器作为气泡发生装置，并借助程控式六联搅拌仪进行。

在每个自制气浮池中分别加入1000ml实验原水，控制转速200r/min，运行30s，期间不做任何处理；继续控制200r/min转速运行30s，分别加入聚合氯化铝铁（PAFC）1ml、2ml、3ml、4ml、5ml、6ml、7ml；待程序运行至第三阶段，通入300ml溶气水至气浮池中，控制转速50r/min，反应900s。气浮结束后静置5分钟，从取样口取水样进行相关指标的检测。

三、结果与讨论

气浮设备运行效果研究。为研究气浮工艺的去除效果，选用聚合氯化铝铁（PAFC）作为混凝剂，溶气水pH=7,水温20℃。

从图2中可以看出，随着PAFC投加量增大和压力升高，浊度和叶绿素a的去除效率均表现出先升高后趋于稳定或降低的规律。当压力一定，PAFC投加量6mg/L时，浊度的去除效率达到了95.76%，叶绿素a的去除效率达到了96.41%。在此之后，随着PAFC投加量的增大，浊度和叶绿素a的去除效率出现了减小的趋势，这是由于当混凝剂投加过量时，过量的Al3+相互络合，产生胶体保护，在电性斥力的作用下不能很好地与水中的微气泡进行黏附，且过量的混凝剂也会形成沉淀物导致出水浊度升高[3]。当混凝剂投加量保持不变时，浊度和叶绿素a的去除效率随压力的升高逐渐趋于稳定，其中在溶气压力为0.4MPa时，去除效率最高。从2.1节中可以看出，随着溶气压力的升高，气浮设备的溶气效率有所增加；在0.44MPa时达到最大溶气效率，并且在溶气压力为0.4MPa时，气浮设备产生的微气泡在水中的稳定时间均能达到4min以上，水中微气泡的粒径也随压力的增加而逐渐减小，气泡与水中细小颗粒絮体的碰撞黏附几率逐渐提高，当气泡密度达到一定的饱和值后，水中颗粒物的去除率不再受气泡密度的影响而增大，因此会稳定在一定的数值上。

图2 连续运行时的浊度(a)、叶绿素a(b)、TOC(c)、UV254(d)的去除率

TOC和UV254的去除效率随溶气压力的升高而升高，其中TOC在溶气压力为0.44MPa的条件下去除率达到了36.72%，UV254在溶气压力为0.40MPa的条件下达到了最高去除率67.02%。

这是由于随着溶气压力的升高，该设备的溶气性能逐渐稳定，在溶气压力值达到0.44MPa时，水中的气泡粒径逐渐趋于稳定，粒径大小稳定在24μm，水中的气泡密度和气泡稳定时间也逐渐增加，气泡与水中有机物的碰撞黏附几率大大提高；当压力一定时，随着PAFC投加量的增加，TOC和UV254的去除率表现出先升高后不变的规律。从气浮工艺去除有机物的效果可以得出，气浮工艺对UV254的去除效率高于TOC。

这是由于UV254为大分子、疏水性有机物，在混凝和气浮过程中，这类难降解的大分子芳香族的有机化合物易于黏附在絮体和微泡上，然后随微气泡上浮至水面去除；而水中总有机碳主要是以溶解性有机碳为主，溶解性有机物不易被微气泡黏附，所以去除率比较低。

兼顾除浊除藻、除有机物的共同效率，确定出的0.4MPa、PAFC投加量6mg/L为该设备运行时的最优工况。调整好工况，没有外界干扰的情况下连续运行进行数据观测见下图3。

连续运行期间，气浮出水的浊度在0.319-0.402NTU之间，去除率比较稳定，平均去除率为54%。在工艺运行过程中，出水浊度相对平稳，说明气浮设备在该工况条件下的运行状况良好，出水水质检测浊度低于1NTU，大大缓解了过滤工艺的处理负荷，减少了用水量。由于原水中叶绿素a含量在3.26μg/L-6.33μg/L之间，含量极少，气浮后出水中叶绿素a的含量在1.79μg/L-3.61μg/L之间，平均去除效率仍能达到43.18%，说明气浮对于微小的藻细胞也有很高的去除效率。通过对连续运行气浮池的进出水对TOC、UV254、CODMn的运行情况进行测定，原水TOC在2.107mg/L-2.465 mg/L之间，出 水TOC在1.523mg/L-1.739mg/L之间，气浮工艺对TOC的平均去除效率为28.63%；原水UV254含量在0.047cm-1-0.053cm-1之间，出水UV254在0.029cm-1-0.034 cm-1之间，气浮工艺对UV254的平均去除效率为35.83%；原水CODMn含量在2.3mg/L-3.1mg/L之间，出水CODMn在1.56mg/L-2.03mg/L之间，气浮工艺对CODMn的平均去除效率为34.60%。从实验的结来果看，UV254的去除效果优于TOC和CODMn，这是由于UV254代表的含有苯环或共轭双键的芳香大分子的疏水性物质更容易与气泡表面黏附结合，去除效果较好，CODMn代表的悬浮物和胶体能够黏附包裹在气泡表面，与气泡一共上浮至水面，而CODMn中的溶解态有机物和TOC代表的以溶解性有机物为主的有机物不容易与气泡相互黏附，所以去除率有所降低。

四、结论

利用该设备进行除污染效能试验时，分别在溶气压力0.36MPa-0.48MPa、PAFC投加量为1mg/L-7mg/L的条件下进行实验，综合考虑各个指标的去除效能，得出气浮工艺在溶气压力为0.4MPa、PAFC加药量为6mg/L时对浊度、叶绿素a、TOC、UV254的去除率分别达到95.76%、96.41%、34.21%、65.96%。该设备除污染效能的变化规律与设备性能参数的变化呈正相关。通过检测设备连续运行30天数据得出，气浮出水的浊度在0.319-0.402NTU之间，去除率比较稳定，平均去除率为54%，气浮工艺对叶绿素a、TOC、UV254的平均去除效率分别能够达到43.18%、28.63%、35.83%。