微氣泡氣浮清除水體中暴發藻類的試驗研究*

葉建鋒 鐘曉春 宋召鳳 高陽俊

(1.東華大學環境科學與工程學院，上海 201620；2.耶魯大學森林與環境學院，康涅狄格州 紐黑文 06511；3.上海市環境科學研究院，上海 200233)

我國湖庫等開放水體富營養化程度日漸嚴重[1]，藻類暴發頻繁[2-3]，已成為當今水環境亟需解決的重點問題。現有的藻類暴發治理技術存在藻類暴發有效預警困難、防治效果差及暴發后藻類清除速度慢等問題。因此，我國藻類暴發在短期內仍難以避免，如何降低水華危害，解決藻類暴發后的快速清除問題顯得十分必要。

現有的藻類清除技術主要有物理、化學和生物法3種。物理法以絮凝沉淀或氣浮[4-5]、人工機械打撈[6]為主，絮凝沉淀法效果好但成本高、易產生二次污染，人工機械打撈耗時耗力且效果較差；化學法除藻效果明顯[7]，但投加除藻劑本身對水環境影響大，且藻類死亡后釋放藻毒素二次污染水環境；生物法通過投放食藻魚類或微生物控藻[8-9]，但控藻效果緩慢，不適合暴發期藻類快速清除。針對目前已有的藻類清除技術成本高、易產生二次污染、處理效果差等缺陷，本研究首次提出采用微氣泡氣浮(微氣浮)清除水體中暴發的藻細胞(聚體)。根據氣泡浮選技術在油類回收[10-12]、礦物質浮選[13]等領域的研究成果，浮選顆粒與氣泡直徑大小相近時兩者黏附效果最好，氣浮效果最顯著。傳統氣浮技術所能產生的氣泡直徑通常為80～100 μm，藻細胞直徑僅為3～30 μm，因此在不投加絮凝劑條件下氣泡對藻細胞的黏附能力很差。近年來，由于氣浮設備技術進步，新型溶氣泵可使微氣泡直徑穩定在10～30 μm，使微氣泡直徑與藻細胞相近[14]，實現在不投加化學絮凝劑條件下對藻細胞產生較好的去除效果。

本研究在不投加絮凝劑的條件下利用微氣浮除藻，優化藻水分離技術參數，明確藻渣特性，以確定最佳微氣浮條件和藻渣收集參數，進而為開放水體大規模藻類清除工作提供理論參數和技術支撐。

1 材料與方法

1.1 試驗裝置與材料

試驗裝置見圖1，主要由進水箱、多相流泵、溶氣罐、氣浮柱等組成。其中，進水箱為聚氯乙烯(PVC)材質，尺寸為60 cm×40 cm×70 cm，頂端進水底部出水，出口端接有進水底閥、進水流速調節閥；多相流泵采用德國EDUR牌EB3U型多相流泵，設計流量為1.5 m3/h，功率為1.5 kW，多相流泵進水端的進氣管上接有進氣流量計，出水端接有單向閥；溶氣罐材質為不銹鋼，頂端裝有壓力表與安全閥，溶氣罐高為81 cm，直徑為11 cm，出口端接有流量調節閥與流量計；氣浮柱材質為透明有機玻璃，直徑為20 cm，高為120 cm，氣浮柱上有刻度線。

藻水取自上海市淀山湖藍藻暴發期水樣，水樣葉綠素a質量濃度為2 000～3 000 μg/L。

1.2 試驗方法

根據自來水氣浮試驗結果，氣浮裝置在進氣量為0.2～0.3 mL/min、溶氣水流量400 L/h、壓力0.65～0.70 MPa時，氣浮時間較長，微氣泡直徑最小。因此，在此參數條件下開展后續試驗，分析各工況條件下藻類去除效果和藻渣特性。

根據試驗工況要求，將自來水(或藻水)注入進水箱，啟動多相流泵制成溶氣水，將試驗裝置調試到穩定狀態后關閉多相流泵，將待處理藻水加入氣浮柱后再次啟動多相流泵，當氣浮柱液面達到要求刻度時，關閉多相流泵，待氣浮柱內微氣泡上浮完成后采用刮板取出藻渣，取水樣測定葉綠素a濃度，以葉綠素a去除率表征除藻效果。

1.2.1 不同溶氣水對除藻效果的影響

將藻水稀釋成高、中、低3種濃度梯度，3種梯度下葉綠素a質量濃度平均值分別為2 000、1 250、350 μg/L。按表1中工況1～3分別將3種濃度梯度的藻水注入氣浮柱至40 cm刻度處，然后分別以自來水或等濃度待處理藻水作為溶氣水進行氣浮試驗，使氣浮柱液面升高至110 cm處，氣浮完成后取氣浮柱水樣測定葉綠素a濃度，考察兩種溶氣水的除藻效果。

1.2.2 藻濃度及溶氣水與藻水體積比對除藻效果的影響

將3種濃度梯度的藻水分別按表1中工況4～6注入氣浮柱至33、60、65 cm刻度處，以自來水為溶氣水，啟動多相流泵使氣浮柱液面升高至110 cm刻度處，氣浮完成后取氣浮柱水樣測定葉綠素a濃度，考察藻濃度及溶氣水與藻水體積比對除藻效果的影響。

1.2.3 藻渣特性參數試驗

以自來水為溶氣水，將待處理藻水注入氣浮柱40 cm刻度，分別按照表1中工況1～3、工況7～9要求調節溶氣水與藻水體積比，從溶氣水進入氣浮柱開始計時，記錄不同時間點的藻渣厚度與藻渣形成、上浮和穩定時間，并取藻渣測定鮮質量及含水率。

1.3 計時及分析方法

將藻渣自然風干后，103～105 ℃條件下烘干至恒重，分別計算其鮮質量、干質量及含水率；以溶氣水進入氣浮柱時開始計時，當液面出現藻渣層時計為T1，氣浮柱微氣泡上浮完成時計為T2，液面藻渣層開始分散下沉時計為T3，則藻渣形成、藻渣上浮和藻渣穩定時間分別為T1、(T2-T1)、(T3-T2)；葉綠素a濃度采用分光光度法測定。

1—進水箱；2—進水底閥；3—進水流速調節閥；4—進氣流量計；5—多相流泵；6—單向閥；7—溶氣罐；8—壓力表；9—安全閥；10—流量調節閥；11—流量計；12—氣浮柱；13—釋放器圖1 試驗裝置示意圖Fig.1 Schematic diagram of experimental device

工況123456789溶氣水與藻水體積比70∶4070∶4070∶4077∶3350∶6045∶6536∶4048∶4060∶40葉綠素a質量濃度/(μg·L-1)35012502000350、1250、2000350350350

2 結果與討論

2.1 不同溶氣水對除藻效果的影響

不同溶氣水微氣浮除藻效果如圖2所示。由圖2可見，以自來水作為溶氣水時，3種濃度梯度藻水的葉綠素a去除率為62.0%～73.0%；以等濃度待處理藻水為溶氣水時，葉綠素a去除率僅為9.0%～48.0%。對比兩種溶氣水除藻效果可見，以自來水作為溶氣水時葉綠素a的去除率整體高于藻水作為溶氣水，且葉綠素a的去除率隨著藻濃度的增加而升高，但當以藻水為溶氣水時葉綠素a的去除率則呈現相反的變化趨勢。究其原因主要是藻水在經過多相流泵加壓溶氣過程中，水中藻聚體被多相流泵高速旋轉的葉輪打碎，藻聚體被打碎后粒徑變小，使之不易上浮至液面，導致葉綠素a去除率下降；當以自來水作為溶氣水時，則不會出現此現象。因此，在自然水體中采用微氣浮設備清除藻類時，氣浮裝置進水口可布設在藻類暴發層以下的清水層。

圖2 不同溶氣水對除藻類效果的影響Fig.2 Effect of different dissolved air water on algae removal

2.2 藻濃度及溶氣水與藻水體積比對除藻效果的影響

藻濃度、溶氣水與藻水體積比對除藻效果的影響見圖3，其中柱狀圖表示平均值。由圖3(a)可見，高、中、低濃度藻水在3種進水條件下葉綠素a去除率平均值分別為72.4%、68.2%、61.5%，葉綠素a的去除率隨著藻濃度的降低而降低。當藻水藻濃度相同時，溶氣水與藻水體積比越高，葉綠素a去除率也越高；當溶氣水與藻水體積比為77∶33時，高、中、低濃度藻水葉綠素a的去除率分別是體積比為45∶65時的1.26、1.17、1.20倍，可見增加溶氣水與藻水體積比對高濃度藻水的葉綠素a去除率提高最顯著。由圖3(b)可見，當溶氣水與藻水體積比分別為77∶33、50∶60、45∶65時，3種藻水葉綠素a去除率的平均值分別為73.8%、67.0%、60.9%，葉綠素a去除率隨溶氣水與藻水體積比的降低而降低。當溶氣水與藻水體積比相同時，藻濃度越高，葉綠素a去除率也越高，這主要源于藻類暴發后多以藻聚體形式懸浮存在，微氣泡更容易與其黏附而使其上浮。在實際自然水體微氣浮除藻工藝中，考慮到能耗成本因素，宜將溶氣水和藻水體積比控制在1.4左右。

圖3 藻濃度及溶氣水與藻水體積比對除藻效果的影響Fig.3 Effect of algae concentrations,and ratio of dissolved air water to algae water on algae removal

2.3 微氣浮藻渣特性及收集參數

2.3.1 微氣浮藻渣特性

不同工況下微氣浮藻渣厚度隨氣浮時間的變化如圖4所示。對比工況1、7、8、9可見，當藻濃度相同、溶氣水與藻水體積比不同時，藻渣層累積趨勢基本一致，均在170 s左右基本完成藻渣層的累積。對比工況1、2、3可見，當溶氣水與藻水體積比相同、藻濃度不同時，藻渣累積速率、藻渣厚度及累積穩定時間總體上均隨藻濃度的增加而增加。不同工況下微氣浮獲得的藻渣含水率見圖5。由圖5可見，不同工況下微氣浮獲得的藻渣含水率略有差異，總體在96.5%～98.8%。

圖4 藻渣厚度隨氣浮時間變化Fig.4 Variation of algae residue thickness with flotation time

圖5 不同工況條件藻渣含水率Fig.5 Moisture content of algae residue obtained in different working condition

2.3.2 微氣浮藻渣收集參數分析

對比工況1、2、3、9下微氣浮藻渣出現、上浮、穩定時間，結果如圖6所示。由圖6可見，微氣浮進行40～60 s后開始出現藻渣；低濃度藻水(工況1、9)藻渣上浮時間為160～200 s，藻渣穩定時間在850 s左右；中、高濃度藻水(工況2、3)藻渣出現相對較快，藻渣上浮時間較長，約為360 s，藻渣穩定時間在700～750 s。可見，將微氣浮應用于實際自然水體除藻時，在不考慮開放水體中的風浪等因素，藻類最佳氣浮時間為3～6 min，藻渣最佳收集時段為微氣浮完成后的14 min內。

圖6不同工況下微氣浮藻渣形成、上浮、穩定時間 Fig.6 The arising,floating,stabilizing time of micro-flotation algae residue in different working condition

3 結 論

在不投加絮凝劑前提下利用微氣浮技術清除藻水中的藻細胞。試驗結果表明，氣浮裝置在進氣量為0.2～0.3 mL/min、溶氣水流量400 L/h、壓力0.65～0.70 MPa時，氣浮時間較長，微氣泡直徑最小，在此條件下，微氣浮技術除藻效果良好。以自來水作為溶氣水時，藻水葉綠素a去除率在62.0%～73.0%，微氣浮產生的藻渣含水率在96.5%～98.8%。利用試驗結果指導實際自然水體除藻工作，宜將氣浮裝置進水口布設在藻類暴發層以下的清水層，綜合考慮處理能耗成本及處理效果，溶氣水和藻水體積比宜控制在1.4左右，藻類最佳氣浮時間為3～6 min，藻渣最佳收集時段為微氣浮完成后的14 min內。

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