纳米催化电气浮工艺对湖泊型水库原水中藻类的去除

纳米催化电气浮工艺对湖泊型水库原水中藻类的去除
王福利
【摘要】为减轻藻类对水厂常规处理工艺的影响,选用纳米催化电气浮工艺对某湖泊型水库原水进行去除藻类试验.结果表明:纳米催化电气浮工艺是一种广谱杀藻技术,以蓝藻为优势藻的原水经纳米催化电气浮最佳工艺处理后,藻密度的去除率最高可达99.1％.利用正交试验考察了电流密度、停留时间、电极间距对纳米催化电气浮工艺除藻效率的影响,其影响顺序为电流密度＞停留时间＞电极间距；综合经济因素考虑,最佳工艺条件是:电流密度为5 mA/cm2、停留时间为6 min、电极间距为10mm.
【期刊名称】《福建水产》
【年(卷),期】2013(035)005
【总页数】5页(P381-385)
【关键词】纳米催化电气浮;湖泊型水库;藻类去除
【作者】王福利
【作者单位】波鹰(厦门)科技有限公司,福建厦门361022
【正文语种】中文
【中图分类】X524
国内湖泊和水库水的高藻污染是个普遍现象，著名的太湖、巢湖、滇池、东湖和洞庭湖等原本优美怡人的湖泊，却在近20多年来的时间里沦为劣五类地表水，有机
污染严重，高藻频发；无锡市近年来还因太湖蓝藻暴发造成整个城市停水的严重后果。

高藻水是水源富营养化的结果，水质表现为藻类密度高，高锰酸钾指数高、氨氮和亚硝酸盐含量高、藻绿毒素高和部分金属离子偏高等特点。

根据国内相关的工程技术总结表明，当湖泊水库的藻类均值在300×104个/L以上时，常规的自来水处理工艺已不能适应其要求，出水水质普遍超标。

为解决这一问题，近年来，国内针对高藻水原水推出了不少新技术，如高锰酸盐预处理、生物预处理、活性炭吸附、粘土吸附、硅藻土吸附、膜隔滤、超声波杀藻等[1-6]，但在实际应用中，因种种原
因及各类技术的局限性，对藻类密度在400×104个/L以上的高藻水源的水处理效果均不佳，即使近年有的工程采用了超滤工艺，但因前预处理工艺不到位，导致整体处理效果不理想，膜污染严重，藻类透膜率高。

因而，在总结近年国内高藻水原水处理工程技术的基础上，研究高效和适用的组合集成技术就成为当前高藻水原水处理的热点。

本研究采用纳米催化电气浮工艺对某湖泊型水库原水进行去藻类试验，以减轻高藻密度对水厂常规处理工艺的影响及选优最佳高藻去除工艺，旨在为相关的水处理技术提供参考。

1 试验装置与方法
1.1 原理与装置
1.1.1 设计原理
众所周知，藻类大多为半漂浮物质，气浮是高效的除藻措施，传统气浮工艺主要依靠在水中产生大量微气泡(气泡直径大多在100 μm以上)将藻类托浮于水面而去除，去除效果取决于在池中产生微气泡的数量和气泡的大小，而气泡愈小，气泡量愈大，则托浮力愈强[7]；电解工艺除产生电化学氧化作用外，还伴随产生巨量直径小于40 μm的微气泡，电气浮处理效果明显高于传统气浮工艺[8]。

但由于电解能耗较高，要节能必须大幅减少电解有效接触时间，因而在实际应用中，电解池尺寸做的
很小，气浮作用往往不是设计者主要考虑的因素，其处理效果也因此受限。

本工艺设想在除藻工艺中，为充分发挥这两种不同技术特点气浮工艺的优势，将这两种气浮工艺合二为一，即将电气浮装置设在传统气浮工艺的液固分离室，在尽可能节省能耗的基础上，大幅提高传统气浮池的除藻效率。

1.1.2 试验装置
根据以上原理设计试验装置如图1所示。

核心部分电解槽的阳极使用纳米级(≤20 nm)的钌、铑、铱氯化物涂在金属钛外表，经过表面活化处理，在钛表面形成钌、铑、铱的氧化物薄层。

纳米级的钌、铑、铱混合氧化物涂层具有良好的电催化性能。

1.2 试验原水
试验原水为某湖泊型水库水体，主要水质指标检测方法依据GB 3838—2002《地表水环境质量标准》。

1.3 藻密度计算
衡量杀藻效果的指标藻细胞密度采用0.1 mL浮游植物计数板进行计数，计算公式如下：N =(A×D×F)/(B×C×E)
式中：N—每升水样中藻细胞的个数；A—计数框面积(mm2)；B—一个视野的面
积(mm2)；
C—计数时的视野数(个)；D—1升水浓缩后体积(mL)；E—计数框的容积(mL)；F—每片所测藻类数。

1.4 最佳参数正交试验
为考察电流密度、停留时间、极板间距三个参数对纳米催化电气浮工艺去藻率的影响，电流密度设为1、3、5 mA/cm2，停留时间设为3、6、9 min，极板间距设为5、10、15 mm，做正交试验，便于参数的选优。

2 结果与讨论
2.1 主要水质指标与藻密度分析
藻类的生长受水中氮、磷、光照强度、温度、水体pH值、溶解氧等多种环境因素的影响，这些因素的共同作用导致了水体中藻类数量与密度的季节性变化。

表1是试验原水的主要理化指标检测结果。

3—8月，随着气温的增加，藻密度逐渐增加，初期藻类数量增幅较大，至5月出现峰值后下降，7—8月又增加。

这是因为春夏季，是藻类大量繁殖生长的季节，随着气温的升高，藻类大量繁殖；而溶解氧随着藻密度增大表现出明显减小的趋势，溶解氧作为体现湖泊水体营养水平的重要指示参数，不仅是藻类生长重要的能源物质，也是藻类代谢过程所必需的[9]。

尽管有部分研究发现，蓝藻生长期间光合作用可使水体中溶解氧浓度增加，但是当蓝藻繁殖到一定程度时会产生大量死亡细胞，其降解过程通常会消耗大量溶解氧，导致水体中溶解氧含量急剧下降。

浮游植物繁殖生长的主要制约因子是氮和磷，水体富营养化判断标准是总氮0.2 mg/L，总磷为0.02 mg/L。

试验期间TN范围在0.90～1.6 mg/L，TP为0.02～0.04 mg/L，N/P很高，表现为氮过量，磷为限制因子。

但是原水磷含量已远远超过了最低磷限制水平。

因此，试验期内蓝藻生长已不受氮磷条件的限制，湖水体本身已经具备了蓝藻大面积暴发的营养盐条件。

此外水库藻类密度含量还受到丰水期与枯水期影响，5—6月是闽南地区梅雨季节，降雨量较大，大量雨水注入导致水体中藻类密度的降低[10]。

其它指标如浑浊度、高锰酸钾指数等与藻类增长幅度关系不明显。

表1 试验原水水质Tab.1 Quality of source water in experiments水质指标/平
均值Water-quality index/average value3月Mar4月Apr5月May6月Jun7
月Jul8月Aug藻类密度/cells·L-1Algae density
4.8×1067.2×1077.3×1079.2×1062.1×1077.8×107水温/℃ Water temperature18.118.820.621.928.932.1浑浊度/NTU Turbidity
18.916.3216.717.122.4610.21溶解氧/mg·L-1
DO10.910.7810.529.588.38.72pH8.948.89.049.17.68.42高锰酸钾指数/mg·L-1 DOC7.64.68.16.145.6总磷/mg·L-1 TP0.030.020.040.040.020.04总氮/mg·L-1 TN1.61.61.61.50.91亚硝酸盐/mg·L-1 NO-2≤0.03≤0.03≤0.030.050.16≤0.03 2.2 试验水体藻类的组成
试验原水水体藻类组成中，以蓝藻为优势藻，占藻类总量的比例最大为99.1%，
平均91.0%，占绝对优势，其它藻类所占比例都很小(表2)。

其原因可能是试验水体地处亚热带，常年气温较高，年平均水温在24℃左右，其中8 月达到最高水温32.1℃，较高的水温适合蓝藻的生长，因此蓝藻生物量大大高于其他藻类的生物量[11]。

另外原水为弱碱性水质，pH在7.6～9.1之间(表1)，绿藻适宜在微碱性环
境中生长[10]。

表2 试验期间藻类比例Tab.2 Percentage composition of various phytoplankton /%蓝藻 Cyanobacteria其它藻 Other algae进水 Inflow出水Outflow进水 Inflow出水 Outflow最小值 Minimum78.481.30.90.8最大值Maximum99.198.921.615.4平均值 Average value91.092.59.08.9
2.3 藻密度去除效果及最佳工艺参数
表3是原水经纳米催化电气浮工艺处理后的试验结果。

从中可看出，藻密度去除
率在72.1%～99.1%之间，与传统的预氧除藻方法如投加混凝剂相比，可显著提
高水厂高藻期原水处理能力。

影响藻类去除效果的主要因素包括试验水体水质参数，如pH、浊度、总氮、总磷等，以及纳米催化电气浮工艺的控制参数，如电流密度、极板间距、停留时间等。

在目前湖泊水库普遍富营养化的形势下，短期内已难以解决内源性营养盐过量的问题，无法从根本上消除导致藻类异常繁殖的基础条件[12]，因此，在坚持实施控源策略的同时，还有必要针对局部水域采取优化工艺参数的措施以提高除藻效果。

三
个主要参数正交试验结果如表3所示。

表3 正交实验结果Tab.3 Positive solutions of experimental results序号Number电流密度/(mA/cm2)Current density停留时间/min Residence time 极板间距/mmElectrode gap藻密度去除率/%Algae removal
efficiency113572.12361085.33591599.14161575.2539588.36531079.571910 76.88331582.1956598.5k174.777.986.3-k285.286.380.5-k392.388.085.5-
R17.710.25.8-
由表中的极差值可知，各因素对纳米催化电解电气浮除藻效果的影响顺序为：电流密度>停留时间>电极间距。

根据法拉第定律可知，电极上析出的气体数量与通过溶液的电流密度和停留时间成正比。

在纳米催化电气浮过程中，停留时间越长，电流密度越大，气浮效果可能越好，但会显著增大能耗；极板间距越大，能耗越高，极板间距越小，电阻也越小，有利于提高微气泡生成速率，加速有机物的氧化分解[8]。

但极板间距过小，藻类容易堵塞电极，极板也容易结垢，不利于电极的安装检修[13]。

因此综合经济考虑，最佳取值是：电流密度为5 mA/cm2、停留时间为6 min、电极间距为10 mm。

3 结论
(1) 纳米催化电气浮技术是一种新的环境友好型的广谱除藻技术。

以蓝藻为优势藻类的原水经纳米催化电气浮最佳工艺处理后，藻密度的去除率最高可达99.1%。

(2)影响纳米催化电气浮工艺除藻效率的因素主要有电流密度、停留时间、电极间距，且影响力依次为电流密度>停留时间>电极间距；综合经济等各方面的因素考虑，最佳工艺条件是：电流密度为5 mA/cm2、停留时间为6 min、电极间距为10 mm。

参考文献：
[1]赵小丽. 硫酸铜控藻对浮游植物群落的影响[J]. 水生生物学报，2009，33(4)：596-602.
[2] 况琪军，毕永红，胡征宇. 稳定性二氧化氯的杀藻效果研究[J]. 水生生物学报，2003，27(5)：554-556.
[3] 裴海燕，胡文容. 臭氧杀藻特性试验研究[J].工业水处理, 2003，23(9)：55-57.
[4] Chen J J，Yeh H H. The mechanisms of potassium permanganate on algae removal[J]. Water Research，2005，39(18)：4420-4428.
[5] 张龙，乔俊莲，雷青，等. 高锰酸钾预氧化强化混凝去除绿藻的研究[J].环境科学学报，2013，33(1)：73-78.
[6] 潘纲，张明明，闫海，等. 黏土絮凝沉降铜绿微囊藻的动力学及其作用[J]. 环境科学，2003，24(5)：1-10.
[7] 张松年. 气浮净水技术[M]. 北京：中国环境科学出版社，1991.
[8] 王利平，郭宇川，陆雷，等.电气浮工艺对富营养化湖泊型原水中蓝藻的去除[J].中国农村水利水电，2011,(7)：42-44.
[9] 屠清瑛．巢湖：富营养化研究[M]. 合肥：中国科学技术大学出版社，1990.
[10] 秦加宁，陈伟珠，洪专，等. 厦门市坂头水库和汀溪水库水中浮游藻类种群组成特征研究[J].环境科学与管理，2012，37(6)：158-161.
[11] 张胜华. 水处理微生物学[M]. 北京：化学工业出版社，2005.
[12] 濮培民，李正魁，王国祥.提高水体净化能力控制湖泊富营养化[J].生态学报，2005，25(10)：2757-2763.
[13] 李祥华，魏平方，邓皓，等.电气浮法处理钻井废水实验研究[J].油气田环境保护，2005，15( 2) ：14- 16.。