（环境工程专业论文）人工景观水体微气泡过滤水质净化技术研究.pdf

摘要 摘要 本课题在气浮净水技术的基础上，提出依靠具有碰撞粘附及过滤截留作用的 微气泡层进行水质处理的微气泡过滤水质净化技术，为上海世博园区内景观水体 的水质保障提供技术支持，也为城市人工景观水体的水质保持提供借鉴。 为了对微气泡性质进行准确、快速的评价，研究建立了以摄像机、显微镜和 观测水槽为主体的动态显微测试技术，该技术可以动态拍摄释气水中运动着的微 气泡，获取其连续运动过程，准确反映释气水中微气泡直径分布情况。微气泡动 态显微测试技术为微气泡净水技术的不断发展建立了重要的研究基础。 课题通过微气泡动态显微测试技术和微气泡稳定时间法，以微气泡平均直径 作为评价指标，对气液混合泵、溶气罐以及释放器进行不同组合而成的四种微气 泡产生系统进行了优选研究，并考察了压强和吸气量对微气泡直径的影响规律。 结果表明，增加压强、减小吸气量均可以提高微气泡产生系统的紊流程度，从而 增多气泡核位的总体数量，在释气量相同的条件下，气泡平均粒径将会减小，直 径分布趋于集中。在压强为0 4 2 m p a ，吸气量为7 时，单独使用气液混合泵、 组合使用气液混合泵和溶气罐、组合使用气液混合泵、溶气罐和释放器以及组合 使用气液混合泵和释放器四种微气泡产生系统产生的微气泡平均直径分别是 8 5 8 微米、7 2 o 微米、7 l 。6 微米和8 3 1 微米。综合考虑工程应用中的实用性， 后续试验选择气液混合泵和溶气罐作为微气泡产生系统。 课题在对最优微气泡产生系统的释气性能研究的基础上，以释气量、微气泡 数最浓度等作为评价指标，对该微气泡产生系统的最佳工况进行了研究。结果表 明，增加压强可以提高气泡数量浓度；减小吸气量，气泡数量浓度有一定提高， 但是继续减小吸气量，气泡的数量浓度有所下降。该系统的最侍工况：乐强为 o 4 2 m p a ，吸气量为7 ，此时系统产生的微气泡数量浓度最高，达到2 1 x1 0 8 个 l ，平均直径最小，为7 2 0 微米。 课题开展了微气泡过滤水质净化技术处理富营养化人工景观水体的试验研 究，并对除藻机理进行了深入的探讨。结果表明，进水叶绿素a 平均浓度约为 1 5 - - - - 9 5 1 , t g l ，当回流比达到1 3 0 ，水力负荷为5 m h 时，去除率达到9 3 4 ，出 水叶绿素a 平均浓度为2 9 9 9 l ，可达到贫中营养型水体要求。微气泡的平均直 径的减小及数量浓度的提高有利于藻类的分离。同时，该技术对原水中的总磷、 氨氮、浊度、有机物的去除率分别达到5 0 2 、5 7 o 、6 1 1 和5 9 3 ，出水均 满足i v 水水质标准，水体富营养化程度可以得到有效控制。 课题开展了微絮凝微气泡过滤水质净化技术处理富营养化人工景观水体的 试验研究，试验结果显示，在回流比为5 0 ，水力负荷为7 m h 条什下，p a c 投 摘要 加量为3 m g l 时，经过微絮凝微气泡过滤水质净化处理后叶绿素a 、总磷、浊 度、有机物、氨氮等污染指标均满足类水水质标准，水体富营养化程度得到有 效控制。 关键词：人工景观水体，水质净化，微气泡显微测试，过滤，吸附 l l a b s t r a c t a b s t r a c t b a s e do nt h ea i rf l o t a t i o nt e c h n o l o g y , t h es t u d ya d v a n c e sa na i rm i c r o b u b b l e f ii t r a t i o nw a t e rq u a l i t yp u r i f i c a t i o nt e c h n o l o g yw h i c hm a i n l yd e p e n d so nt h ea d h e s i o n a n df i l t r a t i o nf u n c t i o no ft h em i c r o b u b b l el a y e r t h et e c h n o l o g yw i l lp r o v i d ee f f e c t i v e t e c h n i c a ls u p p o r tf o rt h el a n d s c a p ew a t e rq u a l i t yp r o t e c t i o nf o rt h es h a n g h a ie x p o ， a n di ta l s oh a sp r a c t i c a ls i g n i f i c a n c ef o rs o l v i n gw a t e re u t h r o p h i c a t i o np r o b l e ma n d m a i n t a i n i n gb e a u t i f u lw a t e rl a n d s c a p e 。 w ei n v e n t e dt h ed y n a m i cm i c r o b u b b l em i c r o - v i d e ot e s tt e c h n o l o g yi no r d e rt o c a r r y o u ta na c c u r a t ea n dr a p i da s s e s s m e n to ft h em i c r o b u b b l ec h a r a c t e r t h e t e c h n o l o g yc a nm e m o r i z et h ep r o c e s so ft h em i c r o b u b b l e sm o v e m e n ta n dr e f l e c tt h e d i s t r i b u t i o no ft h em i c r o b u b b l ed i a m e t e ra c c u r a t e l y t h et e c h n o l o g ya l s oh a s s i g n i f i c a n c ef o rd e v e l o p m e n to f m i c r o b u b b l ew a t e rq u a l i t yp u r i f i c a t i o nt e c h n o l o g y w edi dar e s e a r c ho nt h eo p t i m i z a t i o no ft h em i c r o b u b b l eg e n e r a t e ds y s t e m b e t w e e nf o u rc o m b i n a t i o n so fg a s 1 i q u i dm i x e dp u m p d i s s o l v e da i rt a n ka n d d i s s o l v e da i r r e l e a s ei m p l e m e n tt h r o u g hm i c r o b u b b l ed y n a m i cm i c r o v i d e o t e s t s y s t e ma n dm i c r o b u b b l es t a b i l i t yt i m em e t h o d ，a n da l s ov i s i t e dt h ei m p a c to fp r e s s u r e a n da i rv o l u m eo nm i c r o b u b b l ed i a m e t e r t h er e s u l ts h o wt h a t ，i n c r e a s i n gp r e s s u r e a n dr e d t l c i n gt h ea i rv o l u m ec a nr e l e a s et h et u r b u l e n c ee x t e n to ft h es y s t e m ，s oa st o i n c r e a s et h eo v e r a l ln u m b e ro fn u c l e a rp o s i t i o n so fb u b b l e s ，w h e ng a sr e l e a s e di nt h e s a m ec o n d i t i o n s 。t h ed i a m e t e ro fb u b b l e sw i l ld e s c e n da n dt h ed i s t r i b u t i o no fb u b b l e s d i a m e t e rw i l lb ef o c u s e d w h e np r e s s u r ei s0 4 2 m p aa n dt h ea i rv o l u m ei s7 ，t h e b u b b l e s d i a m e t e rw h i c hw e r ep r o d u c e db yg a s l i q u i dm i x e dp u m p ，g a s l i q u i dm i x e d p u m pa n dd i s s o l v e da i rt a n k ，g a s l i q u i dm i x e dp u m pa n dd i s s o l v e da i rt a n ka n d d i s s o l v e da i r - r e l e a s ei m p l e m e n t ，a n dg a s - l i q u i dm i x e dp u m pa n dd i s s o l v e d a i r r e l e a s ei m p l e m e n tw e r e8 5 8m i c r o n s ，7 2 0m i c r o n s ，7 1 6m i c r o n sa n d8 3 1 m i c r o n sr e s p e c t i v e l y c o n s i d e r a t i o no ft h ep r a c t i c a le n g i n e e r i n ga p p l i c a t i o n s ，w e c h o s eg a s 1 i q u i dm i x e dp u m pa n dd i s s o l v e da i rt a n ka sm i c r o b u b b l eg e n e r a t e d s y s t e m b a s e do nt hs t u d yo nt h ea i rr e l e a s ea m o u n to ft h eb e s tm i c r o b u b b l eg e n e r a t e d s y s t e m ，w ed i dar e s e a r c ho nt h eo p t i m i z a t i o no ft h eo p e r a t i o nc o n d i t i o no ft h eb e s t m i c r o b u b b l eg e n e r a t e ds y s t e mt h r o u g ha i rr e l e a s ea m o u n ta n dc o n c e n t r a t i o no f m i c r o b u b b l en u m b e r t h er e s u l ts h o w e dt h a ti n c r e a s e i n gp r e s s u r ec a ni n c r e a s et h e c o n c e n t r a t i o no fm i c r o b u b b l en u m b e r ；r e d u c i n gt h ea i rv o l u m e ，t h ec o n c e n t r a t i o no f i l l a 。b s t r a c t m i c r o b u b b l en u m b e rw i l l i m p r o v e ，b u t c o n t i n u et or e d u c ea i rv o l u m e ，t h e c o n c e n t r a t i o no fm i c r o b u b b l en u m b e ri nt h en u m b e rw i l ld e c l i n e w h e nt h ep r e s s u r e i so 4 2 m p aa n dt h ea i rv o l u m ei s7 t h es y s t e mg e n e r a t e dt h eh i g h e s tc o n c e n t r a t i o n o fm i c r o b u b b l en u m b e rw i t h2 1 10 s la n dt h es m a l l e rb u b b l e sd i a m e t e rw i t h7 2 mi c r o n s ， w ea p p l ym i c r o b u b b l ef i l t r a t i o nw a t e rq u a l i t yp u r i f i c a t i o nt e c h n o l o g yt ot r e a t l a n d s c a p ew a t e ri nu n i v e r i s t yc a m p u s ，a n da l s od i d ar e s e a r c ho nt h er e m o v a l m e c h a n i s m t h er e s u l ts h o w e dt h a tw h e nt h er e f l u xr a t i oi s13 0 ，h y d r a u l i cl o a d i n g i s5 m h t h er e m o v a lr a t eo fc h l ar e a c h e d9 3 4 ，w a t e rq u a l i t ya c h i e v e dt h e n u t r i t i o n p o o r w a t e rr e q ui r e m e n t s t h ea v e r a g ed i a m e t e ra n dc o n c e n t r a t i o no f m i c r o - b u b b l eh a v eag r e a t e ri n f l u e n c eo nt h er e m o v a lo fa l g a e u n d e rt h et e s t c o n d i t i o n s ，t h eb e s ta v e r a g ed i a m e t e ro fm i c r o - b u b b l ei s7 6 9 ma n dt h ec o n c e n t r a t i o n o fm i c r o b u b b l ei s4 1 10 s l i nt h em e a n w h i l e t h er e m o v a lr a t eo ft p , n h 3 - n ， t u r b i d i t y 。c o dr e a c h e d5 0 2 ，5 7 0 ，61 1 a n d5 9 ，3 ，a l lt h ei n d e x e sc a nm e e t t h er e q u i r e m e n tf o ri vw a t e r w ea p p l ym i c r o f l o c c u l a t i o n m i c r o b u b b l ef i l t r a t i o nw a t e rq u a l i t yp u r i f i c a t i o n t e c h n o l o g yt ot r e a te u t r o p h i c a t i o nl a n d s c a p ew a t e ri nu n i v e r i s t yc a m p u s ，t h er e s u l t s h o w e dt h a tt h er e f l u xr a t i oi s5 0 a n dt h eh y d r a u l i cl o a d i n g i s7 m hc o n d i t i o n sa n d p a cd o s a g ei s3 m g l ，a l lt h ei n d e x e sc a nm e e tt h er e q u i r e m e n tf o ri vw a t e r k e y w o r d s ：a r t i f i c i a ll a n d s c a p ew a t e r ，w a t e rp u r i f i c a t i o n ，d y n a m i cm i c r o b u b b l e m i c r o v i d e ot e s tt e c h n o l o g y , f i l t r a t i o n ，a d s o r p t i o n i v 学位论文版权使用授权书 本人完全了解同济大学关于收集、保存、使用学位论文的规定， 同意如下各项内容：按照学校要求提交学位论文的印刷本和电子版 本；学校有权保存学位论文的印刷本和电子版，并采用影印、缩印、 扫描、数字化或其它手段保存论文；学校有权提供目录检索以及提供 本学位论文全文或者部分的阅览服务；学校有权按有关规定向国家有 关部门或者机构送交论文的复印件和电子版；在不以赢利为目的的前 提下，学校可以适当复制论文的部分或全部内容用于学术活动。 经指导教师同意，本学位论文属于保密，在年解密后适用 本授权书。 指导教师签名：学位论文作者签名： 年月日年月 日 历j 一蛩 备 捌月一 者；忙年文乃， 论 筠 学 同济大学学位论文原创性声明 本人郑重声明：所呈交的学位论文，是本人在导师指导下，进行 研究工作所取得的成果。除文中已经注明引用的内容外，本学位论文 的研究成果不包含任何他人创作的、已公开发表或者没有公开发表的 作晶的内容。对本论文所涉及的研究工作做出贡献的其他个人和集 体，均己在文中以明确方式标明。本学位论文原创性声明的法律责任 由本人承担。 签名神玛 签名： 公岬? 1 卅年月z z 日 第l 章绪论 第1 章绪论 1 1 人工景观水体富营养化问题 景观水体，是指以水体为中，t l , 的具有结构和功能整体性的生态学单位构成的 臼然系统【2 】o 人工景观水体，即经过人工加工或改造而成的景观水体。主要包 括人工流水、景观池塘、喷泉小品、降温水幕等。 近年来，随着社会各界对水环境的目益重视，各种人工景观水体在城市不同 区域、地块应运而生。但是由于人工景观水体具有水源条件不佳、面源污染较重、 设计施工不够合理、管理维护不善、水中生物多样性较差等弊端【3j ，人们在享受 水景的同时，也发现越来越多的人工景观水体出现了严重的富营养化问题。本课 题以人工景观水体为研究对象，探讨其水质维护、特别是藻类快速、高效分离的 处理技术。 1 1 1 人工景观水体水质的主要问题 人工景脱水体水质污染的重要问题之一是富营养化问题，即水体中营养物质 的逐渐富集和伴随的藻类增殖、生物生产力提高以及其他致使水质恶化的生物学 变化。经过生态学家和环境专家多年研究，目前，引起水体富营养化的物质被认 为有以下几种： ( 1 ) 营养盐类 氮、磷负荷与浮游藻类生产力的相互关系是揭示湖泊富营养化形成机理的主 受途径。s t u m n 提出了藻类的经验分子式为c 1 0 6 h 2 6 3 0 l l o n l 6 p ，因此磷是控制湖 泊藻类生长的主要因素。同时，由于水体中有一些藻类( 如蓝、绿藻) 具有固氮 能力，能够把大气中的氮转化为能被水生植物吸收和利用的硝酸盐形式，因而使 得藻类能够获得充足的氮营养物质【4 1 。 ( 2 ) 微量金属 研究证明，在微量金属中，特别是铁和锰有促进浮游生物繁殖的功能。格兰 认为铁是浮游生物繁殖的激素。哈维报道，锰有促进小球藻繁殖的功能。在凯彻 姆和雷德菲尔德的生态地区的培养实验中也证实了，铁和锰有促进生长的作用。 岩崎报道，高浓度的铁、锰对鞭毛藻的繁殖有非常良好的作用1 5 j 。 ( 3 ) 维生素 在浮游生物中，需要多种维生素。其中，维生素b 1 2 是多数浮游生物成长和 繁殖不可缺少的要素，是限制其繁殖和分布的重要生理生态要素。维生素b i 2 是 第1 章绪论 细菌等微生物的产物，又是和陆地同时起源的，但在水域卫，在有机物多的湖泊 和内湾中是作为细菌的副产物而产生的【5 1 。 ( 4 ) 有机物 有机物具有与铁、锰等微量金属进行整合及作为维生素的补给源的作用。但 特殊的有机物对浮游生物的增殖有显著的促进作用。岩崎报告，酵母、土壤浸提 液、动物的浸提液和分解物、谷氨酸等使涡鞭毛藻类增殖5 4 0 倍【5 】。 现有人工景观水体大多为封闭系统，自净能力较差，内部结构彳i 合理，目补 水水源及面源污染中的营养盐和有机物等污染物质不断输入，随着时问的推移， 必将产生富营养化现象，导致藻类暴发，最终使得水体变得浑浊不清。 1 1 2 人工景观水体富营养化的危害 富营养化已成为我国水体污染的重大问题之一，人工景观水体富营养化会导 致某些特征性藻类( 主要为蓝藻、绿藻) 的暴发，成片成团的覆盖在水体表咱f 对 水质产生较大的影响，具体危害主要表现在以下方而【5 j ： ( 1 ) 水体透明度下降 在富营养水体中，以蓝、绿藻为优势种类的大量水藻浮在水体表面，经过风 吹，不断被密集、浓缩。由于水体表面悬浮着密集的水藻，使水质变得浑浊，透 明度明显降低，富营养化严重的水质透明度仅有0 2 m ，造成水体感官性状下降。 ( 2 ) 消耗水体的溶解氧 由于水体表层有密集的藻类，阳光难以透射进入水体，因此水体内部的光合 作用明显地受到限制而减弱。其次，藻类死亡后不断地i 句水底沉淀并不断地腐烂 分解，消耗深层水体的溶解氧。这种厌氧状态，可以触发或者加速底泥积累的营 养物质的释放，造成水体营养物质的高负荷，形成富营养化水体的恶性循环。 ( 3 ) 向水体释放有毒物质 某些藻类能够分泌、释放有毒性的物质。例如，蓝藻们的不定腔球藻 ( c o c l o s p h a e r i u md u b i u m ) ，铜锈微囊藻( m i c r o c y s t i sa e r u g i n o s a ) 等藻能够分 泌藻青朊( p h y c y a n ) 这样的带有毒性的物质，这利一有毒的物质进入水体后，若 人饮用会发生消化道炎症，有害人体健康。 ( 4 ) 使水味变得腥臭难闻 在富营养状态的水体中生长着很多藻类，其中有一些能够散发出腮昧异臭。 如蓝藻门的束丝藻属( a p h a n j z o m e n o n ) 、鱼腥藻属( a n a b a e n a ) 、腔球藻属 ( c o e l o s p h a e r i u m ) 、绿藻门的空球藻属( e u d o r i n a ) 和硅藻门中某些藻属如针 杆藻属( s y n e d r a ) 等都会散发出难闻的气味。 2 第1 章绪论 水体富营养化会导致水华现象的出现，已成为人工景观水体污染的主要原 因。如何有效地控制及应对人工景观水体富营养化及“水华”的产生，是目前环境 领域的研究热点和前沿，也是目前中国乃至世界最紧迫的重大环境问题之一。 1 2 人工景观水体常用水质控制技术 ( 1 ) 人工曝气及内循环技术 人工曝气技术是对水体曝气复氧的同时使水体循环流动，有利于克服短流和 提高缓冲能力，也有利于增加水中溶解氧，钝化底泥，阻止底泥中磷释放，消除 或防止热分层，使水体充分混合，抑制水华发生。该技术宜采用自然跌水、喷泉 和人工机械等方式。其中人工机械方式包括在水体内适当位置设置固定的曝气设 施如风能曝气机、水流加压喷射设备、机械曝气设备、水下射流曝气设备、水下 推流设备等，或增设一定数量的流动曝气船。通过人工曝气复氧，可以使水体逐 步恢复自然的生态功能。即使严重黑臭的水体，在有氧条件下，2 0 h 后臭味基本 消除，水体颜色明显改观，c o d 。，、b o d 5 都有大幅度( 3 0 - - - 5 0 ) 降低【6 塔j 。 ( 2 ) 混凝沉淀和过滤技术 混凝沉淀技术是通过投加混凝剂，使水中的微小悬浮物和胶体杂质相互碰 撞，失去稳定性，从而聚结成较大的颗粒，在重力作用下下沉，使水质得到净化。 过滤技术是水体在推动力作用下穿过具有丰富细微孔道的过滤介质，水中的一些 悬浮物质和胶体物质被截留在孔隙中或介质表面上，从而分离不溶性污染杂质， 也可分离细菌、病毒和高分子物质。两者通常组合使用，对水中颗粒物有较好的 去除效果【9 】【10 1 。 ( 3 ) 曝气生物滤池 曝气生物滤池为接触氧化和过滤相结合的污水处理构筑物。其处理污水主要 依靠反应器内填料上所附生物膜中微生物氧化分解作用，填料及生物膜的吸附阻 留作用和沿水流方向形成的食物链分级捕食作用以及生物膜内部微环境和厌氧 段的反硝化作用。正常运行期间，曝气生物滤池对c o d 和n h 3 n 的去除率分别 可以达到3 0 8 0 和7 0 9 5 1 1 1 12 1 。 ( 4 ) 人工湿地 人工湿地能够利用基质微生物一植物这个复合生态系统的物理、化学和生物 的三重协调作用，通过过滤、吸附、共沉、离子交换、植物吸收和微生物分解等 作用来实现对废水的高效净化，同时通过营养物质和水分的生物地球化学循环， 促进植物牛长并使其增产，实现废水的资源化与无害化。它具有出水水质稳定、 第1 章绪论 对有机物和氮、磷等营养物质去除能力强、基建和运行费用低维护管理方便、耐 冲击负荷强、适于处理间歇排放的污水和具有美学价值等优点【1 3 1 5 1 。 表1 1 人工景观水体水质保障技术特点分析 项目 人工曝产t 及内循环混凝沉淀和过滤曝气生物滤池人t 湿地 适用水体流动性较差，溶解 悬浮物含量较高有机物、氨氮等污营养盐、悬浮物浓 氧匮乏 染物浓度较高度较高 处理效果溶解氧恢复，色度 s s 、c o d o ，、b o d 5氨氮和c o d 。去除总氮、总磷、c o d 。， 改) ! ! i l 、c o d 。，、b o d 5和t p 去除率分别 率分别达到7 0 和浊度去除率分别 去除率可达3 0 达到4 0 6 0 、9 5 手i i3 0 8 0 达到3 0 6 5 、 5 0 2 5 3 5 、3 0 3 5 6 5 ，4 0 5 0 和4 0 6 0 8 0 $ n 约8 0 占地而积 基本1 i 需占地占地咖积较小占地；| 较人 景观效应基本没有影响装置对削边环境景观有一定影响，宜在增强景观效应 景脱水体周边的隐蔽j ) ( 域建设净化设施 建设投资建设投入较低建设投入较低建设投入较高建设投入较高 运行费用运行能耗较高运行能耗较低运行能耗较高运行能耗较低 操作管理设备需日常维护 设备需同常维护需定期反冲洗植物需要收割 人上曝气及内循环、混凝沉淀和过滤、曝气生物滤池和人上湿地等处理工艺， 因其对有机物、营养盐等具有较高的去除效果，且在处理过程中产生的二次污染 较少，而被广泛应用于人工景观水体的水质控制领域。但是，以上技术的除藻能 力较为有限，一旦出现藻类大规模暴发现象，难以及时、有效的对藻类进行处理、 恢复水体水质。这主要是因为藻类比重小，难于沉淀，稳定性高( 在电位= 0 时才能脱稳) ，并可分泌可溶性胞外有机物( e o m ) ，它是由含氮物质和戊糖 胶类物质组成。e o m 可与铁盐、铝盐形成配合、络合物胶体而不利于脱稳，使 混凝效果不佳【1 6 】。未去除的藻类进入滤池，造成滤池堵塞，会使滤池运行周期 缩短，反冲水量增加。因此，当景观水体发生藻类暴发的情况时，以上沉淀作用 为主的技术无法快速、高效的对藻类进行处理。所以对现有技术进行改革与创新， 形成具有除藻效果更好，运行更为稳定的除藻新技术正成为人工景观水体水质控 制技术的研究热点及发展趋势。 1 3 人工景观水体微气泡水质净化技术 1 3 1 气浮净水技术的概况 水处理工程领域里的气浮技术与浮选法在原理上十分相似，主要是在待处理 水中通入人量密集的微气泡，使其与杂质颗粒相互粘附，形成比重小于水的浮体， 4 第1 章绪论 从而依靠浮力上升至水而，对水中污染物质进行去除。该技术对水中质轻的悬浮 颗粒，如湖泊、水库及部分江河水中的藻类、植物残体及细小的胶体杂质；印染 行业的染料颗粒；造纸、化纤行业的短纤维：炼油、化工行业的石油及有机溶剂 的微滴等，具有良好的去除效果【l7 。1 9 】。 气浮技术根据气泡的产生方式不同，可分为电解( 凝聚) 气浮、布气气浮和 溶气气浮，如表所示【2 0 2 2 1 。 表1 2 气浮技术分类 气浮( f l o t a t i o n ) 电解( 凝聚) 气浮( e l e c t r o l y t i cf l o t a t i o n ) 布气气浮 浮沫浮选法( f r o t hf l o t a t i o n ) 泡沫浮选法( f o a mf l o t a t i o n ) ( d i s p e r s e da i rf l o t a t i o n ) 涡凹( 空穴) 气浮( c a v i t a t i o n a i r f l o t a t i o n ) 微气浮( m i c r o f l o t a t i o n ) 溶气气浮 真空气浮( v a c u u mf l o t a t i o n ) ( d i s s o l v e da i rf l o t a t i o n )压力溶气气浮 全流式( f u l lf l o w ) 分流式( s p i l tf l o w ) ( p r e s s u r ef l o t a t i o n ) 部分刚流式( r e c y c l ef l o w ) ( 1 ) 电解( 凝聚) 气浮法 电解凝聚气浮是向水中通入5 1 0 v 的直流电，废水电解产生h 2 、0 2 、c 0 2 等，密度小，直径约1 0 6 0 1 a m ，浮生过程中不会引起水流紊动，浮载能力大。 但由于存在电耗较高，电极板易结垢等问题，日前该法主要用于小规模的工业废 水处理和污泥浓缩中。 ( 2 ) 布气气浮法 街气气浮法是通过由粉末冶金、素烧陶瓷或塑料制成的微孔板，将净化后的 压缩空气分散为小气泡而进行气浮，可以大大降低能耗，但目前的微孑l 板孔径太 大，产生的气泡较大( 直径l 1 0 m m ) ，必须投加表面活性剂方能形成可利用 的微小气泡，极大限制了它的适用范围。目前此方法主要用于选矿工程，并且因 其缺点而不适于水处理过程。 ( 3 ) 溶气气浮法 溶气真空气浮的主要特点是气浮池在负压下运行，空气在水中易呈过饱和状 态，析m 的空气量取决于溶解空气量和真空度。这种方法的优点是溶气压力比加 压溶气法低，能耗较小，但其最大缺点是气浮池构造复杂，运行维护有困难，因 此在生产中应用不多。真空气浮仅用于造纸工业中纤维的回收方面，并且正被压 力溶气气浮所替代。 微气浮迄今只用于一些具有少量污水和废水的处理中。 第1 章绪论 压力溶气气浮是应用最广泛的处理过程，其操作原理是在加压情况下，将空 气溶解在废水中达饱和状态，然后瞬间减至常压，这时溶解在水中的空气就成了 过饱和状态，以极微小的气泡释放出来。加压溶气气浮按溶气水1 i 同有全流式压 力溶气气浮、分流式压力溶气气浮和部分回流式压力溶气气浮三种基本流程。其 中的部分回流式压力溶气气浮是水处理最常用的工艺，它在某些方面可以作为替 代沉淀的新技术【2 3 五5 | 。 1 3 2 溶气气浮技术的发展 压力溶气气浮是国内外常用的气浮法，主要由空气饱和设备、空气释放设备 和气浮池等组成。根据气浮池中微气泡污泥层( 床) 有无过滤作用及水的不同流 态将d a f 技术的发展分为早期d a f 系统、普通d a f 系统、紊流d a f 系统【2 6 】。 ( 1 ) 早期d a f 系统 早期d a f 系统气浮池池型长、窄、浅，进水和溶气水从进水竖井底部进入， 溶气水通过竖井底部的溶气释放器释放，在竖井底部与进水混合，混合后的污水 朝水面流动。由于水流流速低，水流方向几乎接近水平。早期d a f 在气浮池有 一很薄的微气泡污泥层，水在微气泡污泥层下流动，微气泡污泥层无过滤作用。 在大多数情况下，在气浮池末端根本不存在微气泡污泥层。 容气水 一e 粱 气浮区 ! 水 一e 券 微气泡污泥层 图1 1 早期d a f 系统 ( 2 ) 普通d a f 系统 2 0 世纪6 0 7 0 年代，d a f 广泛应用于水处理领域中，特别是用于对低温水 的沉淀处理。在芬兰，自2 0 世纪7 0 年代以来，溶气气浮几乎取代了地表水处理 中的沉淀池。 6 图i 2 普通d a f 系统 ( 3 ) 紊流d a f 系统 图1 3 气浮滤池 誊豢鬻 筹爨燕篙淼 7 第l 章绪论 - 图1 4 紊流d a f 系统 污泥层 板 从第一代d a f 技术发展到现在的第三代d a f 技术，最为显著的变化是微气 泡层的高度在不断增加，早期的d a f 技术中，微气泡的作用主要是通过碰撞粘 附作片j 与水中颗粒物质结合成浮体从而依靠浮力上升至水面将污染物进行去除， 在气浮池中仅有很薄的微气泡层，因此不能起到过滤作用。到了第二、三代d a f 时，微气泡层的厚度增加到l m 左右，同时充分发挥了微气泡层对悬浮颗粒的吸 附和过滤作用，因此，有效提高了该技术的处理效果。 1 3 3 微气泡过滤水质净化技术 为了更加充分发挥微气泡层对污染物的作用，本课题研究的微气泡过滤水质 净化技术主要就是依靠密而高的微气泡层同时发挥碰撞粘附以及过滤截留作用 对水中的污染物进行净化处理。为了能够提供浓密的微气泡层并充分发挥其去除 污染物的作用，微气泡产生系统的优化和反应器运行方式的优化两个方而成为微 气泡过滤水质净化技术的关键环节。 ( 1 ) 微气泡产生系统的优化 获取平均直径更小、密度更大的微气泡，对微气泡过滤水质净化技术非常必 要。早期d a f 技术的微气泡产生系统组成主要有空压机、溶气罐等组成。为了 简化装置、降低能耗，很多学者开始尝试利用气液混合泵可以同时吸气、进水的 特点来代替原有的溶气释气系统。成玎眄华【27 】等对利用气液混合泵和分离罐作为 微气泡产生系统产生的微气泡性质进行了测试，结果显示，微气泡的大小能满足 t 艺的要求。在不同气液混合泵工作压力和吸气量条件下，微气泡直径分布的峰 值在4 0 - - - 6 0 微米间变化，直径小于8 0 微米的微气泡数量占微气泡总量的8 5 第l 章绪论 9 5 。但是该系统的主要问题是溶气释气能力较差，释气量约为2 1 ，约占气 体理论溶解量的l 4 。原因足气液混合泵吸入的其它大部分气体在分离罐中被释 放，无法形成有效的微气泡。从而导致反应器内微气泡的数量浓度明显较低，这 将影n i 柚到微气泡与颗粒物质的碰撞效率和微气泡层对颗粒物质的过滤截留作用， 从而导致处理效果下降。因此，对微气泡产生系统的优化研究是微气泡过滤水质 净化技术发展的基础。 ( 2 ) 反应器运行方式的优化 从d a f 技术的发展过程可以看出，随着微气泡层的逐渐变厚，反应器内水 体的流向也逐渐南开始的平流逐渐发展到与水平面一般成一定角度。为了更好的 利用微气泡层的吸附及过滤作用，微气泡过滤技术采用竖流工艺进行工作。竖向 流工艺的优点有以卜两方面【2 8 】：一方面，微气泡层沿反应器分离区纵断面上分 布在浮渣层至释放口之间的整个高度上，微气泡层厚度大大高于平推流气浮池中 的微气泡层厚度，因而延长了颗粒与气泡的接触时间，增加了它们相互碰撞的机 会和次数。另一方面，原水的颗粒大部分在分离区的中上部被去除，未被气泡粘 附的絮体在一f n 已所剩不多，而池体下部是微气泡相对密集的区域，大量的新生 微气泡未粘附杂质颗粒，因此在下部形成了众多气泡包围稀少颗粒的情况，这些 稀少的颗粒有充分的机会与气泡碰撞并被粘附后上升到反应器顶部，因此可以有 效提高对污染物的处理效果。 9 第2 章课题研究目的、内容和方法 2 1 课题背景 第2 章课题研究目的、内容和方法 随着近几年我国城市经济的快速发展，城市景观水体的水质都发生了不同程 度的水质恶化现象，大量富含氮、磷等营养物质的污染物流入水体，造成富营养 化现象严重。上海市水环境监测中心于对延中绿地、盛大花园、西郊公园、世纪 公园、华东师人丽娃河等1 7 处伞市有代表性的人造水景观，2 5 个采样监测断面 上进行的系统调查分析，属i i i 、v 和劣v 类水体分别占监测总数的8 、3 2 、 2 8 币h3 2 ，其中v 和劣v 类水占6 0 ，主要超标指标为总氮、高锰酸钾盐指数、 化学需氧量、五口生化需氧量和氨氮等有机物指标。大部分水体总磷和总氮都达 到了中等严重富营养化的水平。白莲泾作为流经上海世博园区内的一条河流， 从目前水质情况来看，t p 、t n 、n h 3 n 浓度均超过地表水环境质量标准 ( g b 3 8 3 8 2 0 0 2 ) v 类标准。 2 0 1 0 年世博会将在上海召开，园i 又：规划用地范围为5 2 8 k m 2 ，将建没白莲泾 公园、世博公园、后滩公园等绿地、湿地与水系景观，具有生态保健、亲水游憩、 水上休闲等功能，上海世博会期间，正值富营养化现象出现的高峰期，一旦发生 大规模藻类暴发事件，采用适当的应急处理技术对藻类进行分离处理就显得非常 重要。微气泡水质净化技术对藻类去除具有较好的优势，因此，通过对气浮技术 的进步发展从而研究更加高效、快速的微气泡过滤水质控制技术，对世博会召 开期间园区景观水体水质保障具有重要意义，对于城市水体生态环境建设，保护 城市生态安全，促进城市生态性和经济性的协调发展同样具有重要意义。 2 2 研究目的 ( 1 ) 微气泡动态显微测试技术的研发 微气泡性质的研究是微气泡水质净化技术发展的基础。为了可以实时的反映 出反应器内部微气泡的变化和运动情况，为微气泡的性质研究提供可靠、准确的 技术支持，本研究在原有显微测试装置的基础上，提出了以摄像机为主体的动态 显微测试技术，并在实验室内搭建了实际测试装置用于后续试验研究。 ( 2 ) 微气泡产生系统的优化研究 产牛优质的微气泡是微气泡过滤技术的保障。为了获得平均直径较小、数量 密度较高的微气泡，本研究对以气液混合泵为主的4 种微气泡产生系统进行优化 1 0 笫2 章课题研究目的、内容年方法 研究，并考察影响微气泡性质的主要工艺参数，从而得到最佳的微气泡产生系统 以及该系统产生微气泡的最佳工艺参数。 ( 3 ) 微气泡过滤水质净化技术处理富营养化景观水体研究 随着人工景观水体的富营养化问题日益加重，藻类大规模暴发的现象也频繁 发生。为了给藻类快速、高效的分离处理提供技术支持，本研究提出依靠微气泡 层的粘附及过滤作用对悬浮藻类进行分离处理的微气泡过滤水质净化技术，研究 该技术的最佳工艺参数，并深入探讨微气泡层对藻类等污染物的去除机理。 ( 4 ) 微絮凝微气泡过滤水质净化技术处理富营养化景观水体研究 针对微气泡过滤水质净化技术存在的问题，以降低成本、提高效率为目标， 在微气泡过滤水质净化技术的基础上引入微絮凝技术，利用逆流共聚作用使得原 水中的颗粒物质更易去除，探索降低系统所需回流比的自效途径，并研究该技术 的最佳工艺参数。 2 3 研究内容 ( 1 ) 微气泡动态显微测试技术的研发 在静态显微测试技术的基础上，研究以摄像机和显微镜为主体的动态显微测 试技术。摄像机可以连续拍摄并记录一段时问内溶气水中的微气泡运动和分布情 况，获得全面的微气泡资料。为了观测和拍摄的清晰和准确，研究适合观测的町 调节溶气水槽观测窗以及选择适当的显微镜放人倍率。为了方便、快捷的进行图 像处理和数据分析，研究利用v i s u a lb a s i c 程序进行微气泡直径测量_ 并利用s p s s 统计分析软件进行数据处理的方法。 ( 2 ) 微气泡产生系统的优化研究 利用微气泡动态显微测试技术和气泡稳定h , - t n 方法分别对单独使用气液混 合泉、组合使用气液混合泵和溶气罐、组合使用气液混合泵、溶气罐和释放器四 种微气泡产生系统在不同的工况下产生的微气泡大小进行测试，比较四种系统产 生微气泡的差异，从而选取其中最佳的一种作为微气泡产生系统，并且研究压强、 吸气量等参数对微气泡大小的影响。对最优微气泡产生系统在不同工况下的释气 性能进行研究，进而分析微气泡数量浓度的变化规律，从而得到最优微气泡产生 系统产生的微气泡平均直径最小、数量浓度最高的工况条件，为后续机理研究提 供理论基础。对两种微气泡直径测试方法的进行对比研究，并通过对微气泡产生 的机理的研究，在大量试验数据的基础上，建立微气泡平均直径的数学模型。 ( 3 ) 微气泡过滤水质净化技术处理富营养化景观水体研究 第2 章课题研究目的、内容和方法 在气泡与颗粒物相互作用理论的基础上，提出微气泡过滤水质净化技术。该 技术主要足在不投加混凝剂的前提下，利用高浓度、低直径的微气泡群对景观水 体中的藻类进行快速、高效的分离处理。通过微气泡过滤水质净化技术进行除藻 试验，研究该技术的丰要运行参数包括回流比