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(yè)服務(wù)中心；2.山東省新泰市自來水有限公司；3.山東建筑大學(xué)

當(dāng)今多處湖庫水將有機(jī)物含量高的黃河、長江等大流域的水源不斷引進(jìn)，水體中污染物的成分越來越復(fù)雜，導(dǎo)致水體富營養(yǎng)化嚴(yán)重，藻類滋生泛濫且隨季節(jié)波動(dòng)較大，常規(guī)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(jié)約能耗等特點(diǎn)的多相流泵氣浮技術(shù)可以很好地應(yīng)對此類水環(huán)境問題。本文針對影響氣浮設(shè)備的溶氣效率、微氣泡粒徑、氣泡穩(wěn)定時(shí)間等性能參數(shù)，結(jié)合溶氣壓力、混凝劑的投加量、進(jìn)氣量、回流比等影響氣浮出水效果的關(guān)鍵性因素，對多相流泵氣浮設(shè)備性能參數(shù)與除污染效能之間關(guān)系進(jìn)行研究，為水廠氣浮設(shè)備的運(yùn)行評估以及設(shè)備改進(jìn)提供技術(shù)參考。

一、研究背景

（一）湖庫水藻污染現(xiàn)狀

湖泊和水庫水是我國重要的飲用水資源，在全國城鎮(zhèn)供水系統(tǒng)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(jīng)濟(jì)快速發(fā)展的過程中，湖庫水源水質(zhì)復(fù)雜多變、水廠工藝不適應(yīng)、飲用水水質(zhì)達(dá)標(biāo)率低等突出問題逐漸顯現(xiàn)出來。在水資源匱乏及水污染日益嚴(yán)重的情況下，多處湖庫水將濁度大、有機(jī)物含量高的黃河、長江等大流域的水源不斷引進(jìn)。當(dāng)南水北調(diào)用水及本地水庫水相互混合后，使水質(zhì)表現(xiàn)出低溫、低濁、高藻等特點(diǎn)，造成的口感異味等水質(zhì)問題嚴(yán)重影響了居民健康生活。因此為減少藻污染對水環(huán)境質(zhì)量健康的影響，需要優(yōu)化湖庫水源水廠處理工藝技術(shù)、提高供水保障能力水平，為國家社會發(fā)展提供基礎(chǔ)保障。

（二）多相流泵氣浮除藻技術(shù)研究意義

常規(guī)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(zhì)不達(dá)標(biāo)的情況，且會因?yàn)橥端幜康脑黾釉斐上靖碑a(chǎn)物等新的污染物質(zhì)[3]，威脅供水水質(zhì)安全。相比之下，氣浮工藝去除濁度、油脂的同時(shí)還可以高效去除藻類等其他微生物[4,5]，是一種被廣泛應(yīng)用的高效除藻技術(shù)。然而傳統(tǒng)的氣浮系統(tǒng)由溶氣泵、溶氣罐、空壓機(jī)等組成，占地面積較大且能耗較高。相關(guān)學(xué)者針對氣浮設(shè)備的優(yōu)化進(jìn)行研究，Wang等人[6]的研究表明，逆向流與同向流相結(jié)合的氣浮技術(shù)可以明顯降低絮體松散黏附不牢固等問題的發(fā)生率，同時(shí)多相流泵無需空氣壓縮機(jī)、溶氣罐等設(shè)備即能直接進(jìn)行溶氣，產(chǎn)生溶氣水釋放出微氣泡，節(jié)約能耗[7]。但目前關(guān)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(shí)際運(yùn)行參數(shù)參差不齊等問題，因此探究多相流泵氣浮設(shè)備性能以及其最佳運(yùn)行參數(shù)對于完善氣浮設(shè)備體系、提高氣浮工藝凈水效果以及保障水環(huán)境質(zhì)量安全十分必要。

二、試驗(yàn)部分

（一）原水水質(zhì)

本試驗(yàn)用水為鵲山水庫原水，各水質(zhì)指標(biāo)變化情況如表1所示。

表1 試驗(yàn)原水水質(zhì)

（二）試驗(yàn)裝置

（1-釋放器；2-刮渣機(jī)；3-液位計(jì)；4-多相流泵；5-溶氣罐）

試驗(yàn)場所主要依托于濟(jì)南鵲華水廠中試基地的浮沉池，中試設(shè)備設(shè)計(jì)水量為8m3/h。氣浮區(qū)規(guī)格為2.41.22.15m3，接觸時(shí)間1min，分離室上升速度為1.63mm/s，選用EB3U型多相流泵。

三、試驗(yàn)分析

（一）氣浮設(shè)備性能研究

1.溶氣效率測定分析

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

圖1 中試試驗(yàn)裝置流程圖

由圖2可以看出，實(shí)際測得的釋氣量偏小，溶氣效率不足55%。當(dāng)溶氣壓力在0.36MPa-0.44MPa時(shí)，溶氣效率較為穩(wěn)定；當(dāng)溶氣壓力超過0.44MPa后，實(shí)際測得的釋氣量趨于穩(wěn)定。另外，試驗(yàn)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(shè)備的最優(yōu)工作壓力為0.40MPa。

圖2 理論釋氣量與實(shí)際釋氣量的關(guān)系

2.氣泡穩(wěn)定時(shí)間測定分析

由圖2能夠得出，當(dāng)氣液比一定時(shí)，氣泡穩(wěn)定時(shí)間隨壓力的增加而升高，在超過0.44MPa后，微氣泡穩(wěn)定時(shí)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(nèi)，微氣泡的穩(wěn)定時(shí)間變化不大，此時(shí)氣浮工藝運(yùn)行相對穩(wěn)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(shí)，裝置產(chǎn)生的氣泡水可以產(chǎn)生滿足試驗(yàn)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(jìn)行性能測試，該氣浮模塊采用多相流泵進(jìn)行溶氣，設(shè)備在溶氣壓力降低時(shí)，氣浮效果較差，且運(yùn)行極不穩(wěn)定，因此為研究該設(shè)備產(chǎn)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(jìn)行測量，每個(gè)工況條件下測量的微氣泡數(shù)目不低于1000個(gè)。

圖3 氣泡穩(wěn)定時(shí)間與工作壓力的關(guān)系

從圖4中可以看出，當(dāng)壓力為0.36MPa時(shí)，微氣泡的最高頻率直徑為15μm左右，最高頻率達(dá)到49%。同時(shí)通過平均粒徑和氣泡數(shù)密度隨溶氣壓力變化試驗(yàn)得出該設(shè)備在0.36MPa-0.48MPa范圍內(nèi)，隨著壓力的增加，氣泡粒徑變動(dòng)不大，氣泡的密度在一定數(shù)量上保持穩(wěn)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(shè)定為0.4MPa后運(yùn)行多相流泵，水池內(nèi)的水體溫度為6℃，初始清水中的DO值為11.85mg/L，待氣浮系統(tǒng)運(yùn)行穩(wěn)定后，氣浮池中水體逐漸變白，呈現(xiàn)出“牛奶水”的特點(diǎn)，這表明氣浮設(shè)備運(yùn)行效果很好。

（二）氣浮設(shè)備運(yùn)行效果研究

1.藻類濁度的去除效能

通過試驗(yàn)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(shí)，濁度的去除效率為56.49%，相比于 0.45MPa、6mg/L時(shí)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(shí)去除效果最好，濁度去除率達(dá)到56.49%。當(dāng)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(shè)備的運(yùn)行穩(wěn)定性逐漸減弱。當(dāng)混凝劑投藥量不變時(shí)，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(wěn)定，這與相關(guān)學(xué)者的研究結(jié)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(jìn)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(fù)荷。因此在實(shí)際生產(chǎn)應(yīng)用過程中，應(yīng)當(dāng)考慮經(jīng)濟(jì)因素，選擇合適的溶氣壓力和回流比，以節(jié)約能耗。

2.有機(jī)物的去除效能

通過試驗(yàn)數(shù)據(jù)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(shí)達(dá)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(shí)，氣水比不穩(wěn)定，生成的氣泡數(shù)密度及粒徑分布偏差較大，在對溶氣效率的測定中，當(dāng)壓力值達(dá)到0.44MPa后，溶氣效率便開始下降，因此該設(shè)備在溶氣壓力為0.4MPa時(shí)運(yùn)行效果較穩(wěn)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(shí)，各指標(biāo)的去除率逐漸升高并趨于穩(wěn)定，但回流比對去除效果的影響均高于溶氣壓力和投藥量?；炷A段后，水中帶負(fù)電的有機(jī)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(jìn)行脫穩(wěn)，形成絮體，絮體與微氣泡互相碰撞黏附，而且水中含苯環(huán)或芳香類大分子有機(jī)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(jī)物膠體與氣泡形成夾氣絮體進(jìn)而上浮至水面進(jìn)行去除，進(jìn)一步保障了水體質(zhì)量安全。

四、結(jié)論

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

2.利用多相流泵氣浮工藝進(jìn)行除污染效能試驗(yàn)時(shí)，綜合考慮各個(gè)指標(biāo)的去除效能，得出常規(guī)工藝在溶氣壓力0.4MPa、絮凝劑PAFC加藥量4mg/L、回流比25%時(shí)對濁度、葉 綠 素 a、TOC、UV254、CODMn的去除率分別達(dá)到56.49%、50.23%、23.73%、28.75%、23.98%，該設(shè)備除污染效能的變化情況與設(shè)備性能參數(shù)指標(biāo)的變化規(guī)律相符合。