微纳米气泡藻水分离试验研究

王 建，胡淑恒，卓胜君，汪家权

(合肥工业大学 资源与环境工程学院，合肥 230009)

微纳米气泡藻水分离试验研究

王 建，胡淑恒，卓胜君，汪家权

(合肥工业大学 资源与环境工程学院，合肥 230009)

采用微纳米气泡混凝气浮处理合肥塘西河藻水分离港新鲜藻水和陈藻水，考察混凝剂、停留时间等因素对微纳米气泡气浮藻水分离的影响。通过与分离港实际运行的加压溶气气浮法比较，研究最佳处理效果的试验参数，以期获得最佳的工艺条件。结果表明：新鲜藻水和陈藻水使用混凝剂PAC的最佳用量分别为24，36 g/m3，气浮池最佳停留时间分别为30，40 min，对应的处理效果最好；新鲜藻水总磷(TP)、总氮(TN)、化学需氧量(COD)、悬浮物(SS)去除率分别达到96.50%，53.10%，85.70%，99.00%，陈藻水TP，TN，COD，SS去除率可分别达到98.40%，62.40%，65.60%，99.80%。微纳米气泡法处理效果优于加压溶气气浮法。

微纳米气泡；藻水分离；混凝剂优选；混凝剂用量；气浮时间

1 研究背景

混凝—气浮法是目前藻水分离较普遍的技术工艺，通常采用加压溶气气浮。加压溶气气浮[1-2]是一种物化处理过程，形成的气泡直径一般为20～100 μm[3]。贾伟建等[4]研究了混凝—气浮工艺处理低浊高藻水库的效果，水藻类去除率达到93.7%。吴玉宝等[5]采用溶气气浮法处理含藻水，藻类去除率达到90%左右。但是传统溶气气浮法存在工艺复杂、电能消耗较大、空压机的噪音大等缺点[6]。微纳米气泡具有水中停留时间长、吸附性能强、稳定性良好等优点[7-10]。柳姝等[11]、张奎兴等[12]、李青云等[13]研究表明，微纳米气泡具有较好的藻水分离和水质净化效果。

本研究以巢湖新鲜藻水和陈藻水为试验对象，考察混凝剂、停留时间等因素对微纳米气泡气浮藻水分离的影响，并与加压溶气气浮法比较，以期获得最佳的工艺条件。

2 试验装置与方法

2.1 试验装置

合肥市塘西河藻水分离港建有500 m3调峰池，在夏季巢湖蓝藻爆发期，一方面立即打捞生产，另一方面存储进入调峰池，待生产压力降低时进行处理，所以实际处理的藻水为从湖中打捞出来的新鲜藻水和在调峰池中的陈藻水。分离港中，通过打捞藻浆、混凝沉降、加压溶气气浮、脱水这4步实现藻水分离。其中混凝沉降加入聚丙烯酰胺(PAM)和聚合氯化铝(PAC)，加压溶气气浮加入PAM。现工艺虽然可以实现藻水分离，但加压溶气气浮阶段需调控溶气罐气压，操作复杂，出水效果不稳定，并且水质不良。本试验以分离港沉降池出水为原水，气浮池通入XZCP-K型超微米气泡发生装置产生的微纳米气泡，实现新型微纳米气泡气浮。试验装置如图1所示。

图1 微纳米气泡气浮工艺流程Fig.1 Flow chart of the micro-nano bubble air flotation process

2.2 试验方法

2.2.1 混凝微纳米气泡气浮混凝剂试验

用潜水泵将含藻水泵入2 m3的蓄水罐中，充分搅拌后，泵入试验的0.5 m3气浮池中，通过阀门控制进水量为1 m3/h，控制投入混凝剂量分别为0，2，4，6，8 L/h。取试验池出水与现工艺出水分析对比。

2.2.2 混凝微纳米气泡气浮气浮时间试验

用潜水泵将含藻水泵入2 m3的蓄水罐中，充分搅拌后，泵入试验的气浮池中，投入混凝剂。调节进水量从而控制气浮时间分别为20，30，40，50，60 min。取试验池出水水样与现工艺出水分析对比。

3 结果与讨论

3.1 混凝剂的优选

研究表明聚合混凝剂比无机盐混凝剂投药量少很多， PAC为最常用的混凝剂，且PAC混凝后出水铝的残留量小[14]。PAM是污水处理中广泛使用的混凝剂，所以本试验选用PAC和PAM作对比。配制分离港生产所用药剂浓度，分别向新鲜藻水中投加0.7 g/L PAM 和6 g/L PAC。

图2 PAC与PAM效果对比Fig.2 Comparison of the effect between PAC and PAM

由图2可知，选用PAC做混凝剂时脱氮除磷效果比PAM的好，同时，PAM本身含有N元素，导致TN去除率出现负值[15]。混凝剂投加量8 L/h时，二者在SS去除率方面能达到相同效果，但是在投加量<8 L/h时，PAC对SS的去除效果优于PAM。分析认为 PAC分散于水体中会生成一系列多核络合物，它们往往有较高的正电荷和较大的比表面积，能迅速吸附杂质、中和胶体电荷、压缩双电子层、促进胶体和悬浮物等快速脱稳。PAM则是通过吸附架桥、电中和等起絮凝作用，另外PAM有增稠作用会使颗粒集体沉降，导致絮体较大，不利于气浮。在投加量为2 L/h和4 L/h时，PAC去除COD效果优于PAM；投加量达到饱和值后，PAC的效果减弱，被PAM反超。这是因为混凝剂用量过多使得带负电的悬浮物转而带正电，相互排斥，使形成的絮体重新变为稳定的胶体，导致混凝效果下降。综合考虑应选择PAC作为本次试验的混凝剂。

3.2 新鲜藻水和陈藻水混凝剂用量

藻水分离港抽取刚打捞的新鲜藻水和在调峰池中的陈藻水经混凝沉淀过后，气浮分离，停留时间1 h，新鲜藻水和陈藻水经过分离港加压溶气气浮工艺处理过后的处理效果见表1所示。其中新鲜藻水和陈藻水的进水水质pH值分别为7.2，7.1。

表1 加压溶气气浮工艺混凝剂最佳用量的 新鲜藻水与陈藻水处理效果Table 1 Treatment effects of fresh and stale algae-laden waters with the optimum cogulant dosage by pressurized air flotation technique

由表1可知，陈藻水的进水水质COD，SS，TP，TN各项指标都远高于新鲜藻水。分析认为一方面在调峰池中有机物降解使元素释放出来；另一方面藻的细胞壁破裂使细胞质流出导致各项指标升高。图3为微纳米气泡气浮工艺不同混凝剂的处理效果。比较表1和图3可知微纳米气泡混凝气浮工艺处理效果优于加压溶气气浮法工艺。其中TN，COD，SS的去除率提高效果最为明显。

图3 微纳米气泡气浮工艺混凝剂用量对新鲜藻水和陈藻水处理效果的影响Fig.3 Influence of coagulant dosage on the treatment effect of fresh and stale algae-laden waters by micro-nano bubble air flotation technique

新鲜藻水在混凝剂投加量为4 L/h，即24 g/m3时，去除效果最佳,TP，TN，COD，SS去除率分别为96.20%，45.67%，44.88%，98.76%。陈藻水在混凝剂投加量为6 L/h，即36 g/m3时，去除效果最佳,TP，TN，COD，SS去除率分别为99.18%，82.76%，34.43%，96.39%。

PAC作为一种无机高分子混凝剂，如果投加量过大，会使微粒被若干高分子链包围，而无空白部位去吸附其他的高分子链，造成胶粒表面饱和产生再稳现象，所以随着混凝剂投加量增加，SS去除率先上升后下降。新鲜藻水SS去除率比陈藻水高，且陈藻水在混凝剂用量为0时COD去除率为9.84%，低于新鲜藻水的30.91%。分析是因为陈藻水中许多蓝藻死亡细胞壁破裂导致陈藻水混凝效率较差，所以在混凝剂用量相同时，新鲜藻水SS去除率较高。但随着混凝剂用量增加，陈藻水与新鲜藻水SS去除效率趋于一致，而COD与悬浮物有一定的线性关系[16]，所以COD去除率的变化趋势与SS去除率相似，都是先升高后降低。

随着混凝剂用量的增加，TP，TN的去除率缓慢增加。在混凝剂用量相同的情况下，发酵过后的陈藻水TP，TN去除效果高于新鲜藻水。根据微环境理论与生物学角度理解，混凝的絮体内存在溶解氧梯度，即絮体表层溶解氧浓度高而内部溶解氧浓度低，加上在气浮池中的搅动容易形成厌氧和好氧交替的过程，有利于N，P的去除。而陈藻水絮凝效果较差，结构较松散，更利于N，P的去除。

3.3 混凝微纳米气泡气浮时间

抽取刚从湖里打捞的新鲜藻水和在调峰池发酵过后的陈藻水，新鲜藻水和陈藻水经过分离港加压溶气气浮工艺处理过后的处理效果见表2。其中新鲜藻水和陈藻水的进水水质pH值分别为7.2，7.1。同时进行微纳米气泡气浮试验，按3.2节结果加入适量混凝剂。加压溶气气浮法工艺中，新鲜藻水比陈藻水COD，SS的去除率分别高5.0%，4.50%。陈藻

表2 加压溶气气浮工艺最佳气浮时间的新鲜藻水 与陈藻水处理效果Table 2 Treatment effects of fresh and stale algae-laden waters with the optimum air flotation time by pressurized air flotation technique

水比新鲜藻水TP，TN的去除率分别高10.60%和34.10%。这表明以加压溶气气浮法工艺处理藻水，陈藻水处理效果优于新鲜藻水。

图4为微纳米气泡气浮工艺不同气浮停留时间的处理效果。

图4 微纳米气泡气浮工艺气浮时间对新鲜藻水和陈藻水处理效果的影响Fig.4 Influence of air flotation time on the treatment effect of fresh and stale algae-laden waters by micro-nano bubble air flotation technique

由图4可知，新鲜藻水在气浮池停留时间30 min时处理效果最好，TP，TN，COD，SS去除率分别为96.50%，53.10%，85.70%，99.00%。陈藻水在气浮池停留时间为40 min时处理效果最好，TP，TN，COD，SS去除率分别为98.40%，62.40%，65.60%，99.80%。

在气浮停留时间相同时，新鲜藻水的COD去除率高于陈藻水的。分析是气浮池中新鲜藻水中的溶解氧含量较高，好氧条件下COD去除率更高。随着气浮时间的延长，陈藻水的COD去除率先升高后降低。新鲜藻水SS去除率在99.2%～96.2%之间波动，陈藻水SS去除率在98.5%～99.8%之间波动。在气浮停留时间为20，30 min时，陈藻水SS去除率没新鲜藻水高。这是因为反应时间太短，陈藻水混凝效果差，生成的絮凝单体较少，气浮效果没有新鲜藻水好。

试验中TP去除率较高可能是在好氧条件下磷元素被氧化成PO43-而生成磷酸盐沉淀，而加压溶气气浮和微纳米气泡气浮都提供了充足的氧气，所以TP去除率较高。TN去除还需具备充分的反硝化作用，需与其他方法如生物法等组合才能有效脱氮。陈藻水开始处于厌氧条件，随着气浮时间延长水中溶解氧含量增加，更易形成好氧和厌氧交替条件，所以陈藻水TN去除率高于新鲜藻水。

4 结 论

(1) 微纳米气泡混凝气浮工艺与现运行的加压溶气气浮法工艺相比，TP，TN，COD，SS去除率更高。

(2) 微纳米气泡混凝气浮工艺处理新鲜藻水的混凝剂PAC最佳用量为24 g/m3，气浮最佳停留时间为30 min。陈藻水的混凝剂PAC最佳用量为36 g/m3，气浮最佳停留时间为40 min。

(3) 综合考虑，新鲜藻水COD，SS去除率高于陈藻水，陈藻水TN，TP去除率高于新鲜藻水。

[1] 郝玉芳.加压气浮法处理含油废水中溶气压力对出水水质的影响与应用研究[J].环境工程，2011，29(增)：441-443.

[2] 袁 俊，朱光灿，吕锡武.气浮除藻工艺的比较及影响因素[J].净水技术，2012，31(6)：25-28.

[3]王端洋，刘 丹，赵可卉，等.典型气浮净水设备评述[J].环境科学与技术，2011，34(9)：82-87.

[4] 贾伟建，张克峰，王永磊，等.混凝—气浮处理低浊高藻水库水的试验研究[J].山东建筑大学学报，2015，30(1)：41-46.

[5] 吴玉宝，王启山，王玉恒，等.混凝—气浮除藻工艺中混凝剂的选择[J].给水排水，2008，34(5)：154-156.

[6] 黄 璐.油滴/气泡尺度对模拟含油废水气浮效果的影响[D].上海：东华大学，2012.

[7] 夏志然，胡黎明，赵清源.地下水原位修复的臭氧微纳米气泡技术研究[J].地下空间与工程学报，2014，10(增2)：2006-2011.

[8] 李恒震，胡黎明，辛鸿博.微纳米气泡技术应用于污染地下水原位修复研究[J].岩土工程学报，2015，37(增2)：115-120.

[9] 刘 春，张 磊，杨景亮，等.微气泡曝气中氧传质特性研究[J].环境工程学报， 2010，4(3)：585-589.

[10]张立娟，陈 浩，李朝霞，等.纳米气泡的长寿源于其高的内部密度[J].中国科学：物理学 力学 天文学，2007，37(4)：556-560.

[11]柳 姝，黄培坤，汪群慧，等.混凝微纳米气泡气浮法处理含藻废水的研究[J].环境工程学报，2008，2(12):1639-1643.

[12]张奎兴，罗建中.超微米气泡技术应用于黑臭河水质处理试验研究[J].环境工程，2014，20(7)：30-32.

[13]李青云，林 莉，汤显强，等.湖库富营养化水体移动式水质净化平台关键技术构建研究[J].长江科学院院报，2014，31(10)：28-33.

[14]杨忠莲，高宝玉，岳钦艳，等.铝盐混凝剂的混凝效果与残留铝含量和组分之间的关系研究[J].环境科学，2010，31(6)：1542-1547.

[15]包木太，陈国庆，王 娜，等.油田污水中聚丙烯酰胺(HPAM)的降解机理研究[J].高分子通报，2008，2(11)：1-9.

[16]曹佳红，陈为庄.城市污水处理厂出水的化学需氧量和悬浮物的相关关系以及悬浮物测定方法探讨[J].四川环境，2003，22(6)：39-40.

(编辑：罗 娟)

Experimental Investigation on Separating Algae from Water UsingMicro-nano Bubble Air Flotation Process

WANG Jian，HU Shu-heng，ZHUO Sheng-jun，WANG Jia-quan

(School of Resources and Environmental Engineering，Hefei University of Technology，Hefei 230009，China)

Micro-nano bubble coagulation and air flotation process was adopted to treat the fresh and stale algae-laden waters coming from the algae and water separation port of Tangxi River in Hefei. Effects of coagulant and air retention time on the separation of algae and water were investigated. Through comparing the method with pressurized dissolved-air flotation which is in operation at present in the separation port, experimental parameters of the best treatment effect were explored to achieve the optimal process conditions. Results showed that the optimal dosage of coagulant PAC for fresh and stale algae-laden waters was 24 g/m3and 36 g/m3, respectively, and the optimum air retention time in floatation pool was 30 min and 40 min,respectively. The removal rates of total phosphorus(TP), total nitrogen (TN), chemical oxygen demand (COD) and suspended solids (SS) of fresh algae-laden water reached 96.50%, 53.10%, 85.70%, 99.00%, respectively. And the removal rates of TP, TN, COD and SS of stale algae-laden water reached 98.40%, 62.40%, 65.60%, 99.80%, respectively. The treatment effect of micro-nano bubble air flotation was better than that of pressurized dissolved-air flotation.

micro-nano bubble；separating algae from water；coagulant optimization and selection；coagulant dosage；air flotation time

2016-01-19；

2016-02-23

王 建(1990-)，男，安徽合肥人，硕士研究生，研究方向为水污染控制技术，(电话)15856939019(电子信箱)15856939019@163.com。

10.11988/ckyyb.20160061

2017,34(4):20-23

X522

A

1001-5485(2017)04-0020-04