何 華 王毅力 朱文芳
北京市自來水公司

　　一 前言

　　近年來，隨著人們生活水平的提高，對水質(zhì)標(biāo)準(zhǔn)提出了更高的要求，于是低濁水的處理問題成為當(dāng)今世界給水處理的難點(diǎn)和重點(diǎn)之一。氣浮法在水處理領(lǐng)域是近年來頗受國內(nèi)外學(xué)者關(guān)注的一項(xiàng)高效、快速的固液分離技術(shù)。自從本世紀(jì)七十年代以來，該技術(shù)得到迅速的發(fā)展。到目前為止，已經(jīng)廣泛地應(yīng)用于給水的凈化，尤其是過去較難解決的低溫、低濁、高藻水的處理。
　　氣浮可以說是一種策略分離過程，在該過程中，氣泡粘附于固體顆粒的氣泡一顆粒復(fù)合體的表現(xiàn)密度小于水的密度，從而使此復(fù)合體易于上浮至水面。根據(jù)不同的氣泡產(chǎn)生方式，可以把氣浮過程分為電解（凝聚）氣浮、布?xì)鈿飧『腿軞鈿飧　毫θ軞鈿飧∈菓?yīng)用最廣泛的處理過程。

　　二 試驗(yàn)裝置與流程

　　試驗(yàn)采用的絮凝——?dú)飧」に囅到y(tǒng)裝置包括混凝池、絮凝池、氣浮池等有機(jī)玻璃池體，采用機(jī)械攪拌，溶氣系統(tǒng)包括不銹鋼壓力溶氣罐、空壓機(jī)，釋氣系統(tǒng)為MJ、仿MJ型釋放器。采用HACH公司的172OC型低量程在線濁度儀進(jìn)行進(jìn)水溫度的在線監(jiān)測；投藥單元為SCD投藥自動控制系統(tǒng)，流動電流控制器采用Chemtrac Systems Inc.的SCC3000XR型流動電流控制儀器，投藥泵采用Cole-Parmer Instrument Co.的7523-3型數(shù)字式變速蠕動泵，電遠(yuǎn)種自動控制接口。

　　實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)流程如圖1所示，原水經(jīng)進(jìn)水管流入混合池進(jìn)行投藥快速混合，一部分進(jìn)入三級機(jī)械攪拌絮凝反應(yīng)池，另一部分分流為流動電流供水或排入集水渠。絮凝反應(yīng)后的水流入氣浮池接觸區(qū)與釋放器出的氣泡混合反應(yīng)，繼而進(jìn)入氣浮池分離區(qū)，氣泡絮粒的聚集體上浮為浮渣層，清水流經(jīng)集水管流出。原水和出水均分流至在線濁度儀監(jiān)測濁度。溶氣釋氣系統(tǒng)是將空氣壓機(jī)、回流水由離心泵同時(shí)打入溶氣罐，然后經(jīng)由管道至釋放器減壓釋放。

　　三 試驗(yàn)結(jié)果與討論

　　1、 凝聚的水力條件

　　通過對混合強(qiáng)度和時(shí)間對絮凝氣浮除濁效果的研究表明，對于PAC和AS兩種絮凝劑，從圖2、3可以看出，隨著混合程度的增大，除濁率總體上呈下降趨勢；其中PAC的規(guī)律較為明顯，而AS較差，PAC變化范圍在9%以內(nèi)，AS變化范圍在14%以內(nèi)；表明了混合階段對除濁效果有一定的影響，而且這些圖均表明PAC的曲線比AS的波動小，表明了PAC作為絮凝氣浮的藥劑比AS合適；從圖表可以看出，PAC為絮凝劑時(shí)，攪拌時(shí)間越短，效果越好，曲線規(guī)律明顯，其中15s的混合時(shí)間最佳，并與其它時(shí)間相差較大；而AS為絮凝劑時(shí)，15S的混合時(shí)間最差，但是在30S以上的其余三個(gè)停留時(shí)間的區(qū)別不是很大，這可能表明AS的混合時(shí)間至少要大于30S；以上區(qū)別是由于PAC和AS的絮凝機(jī)理不同所致，PAC為預(yù)制的高分子混凝劑，混和于水中，不需水解其高聚產(chǎn)物即可與原水中的顆粒進(jìn)行擴(kuò)散吸附反應(yīng)，所以在混合過程中即同時(shí)發(fā)生壓縮雙電層、吸附電中和等作用；而AS為AI（Ⅲ）離子，混合于水中，除了在混合過程中發(fā)生壓縮雙電層、吸附電中和等作用外，還要進(jìn)行水解反應(yīng)，AI（Ⅲ）離子和水解生成的低取產(chǎn)物與原水中顆粒物的吸附反應(yīng)進(jìn)行的較慢，因而發(fā)生壓縮雙電層、吸附電中的等作用需要稍長的時(shí)間。
　　2、絮凝的水力條件
　　傳統(tǒng)上講，氣浮對絮凝的要求較低，但從氣泡——絮體復(fù)合體形成機(jī)理看，對于低濁水，氣泡需與絮體在碰撞中粘附，適當(dāng)?shù)男躞w體積對氣浮過程是有利的。絮體何種過大或過小都會影響氣浮處理效果。而絮體體積大小由絮凝攪拌強(qiáng)度和停留時(shí)間決定。據(jù)圖4可以看出，對于實(shí)驗(yàn)范圍內(nèi)的4種停留時(shí)間，濁度去除率隨著攪拌強(qiáng)度的增大基本呈上升趨勢至穩(wěn)定：濁度去除率的降低點(diǎn)的總平均G值時(shí)間，濁度去除率隨著攪拌強(qiáng)度的增大基本呈上升趨勢至穩(wěn)定：濁度去除率的降低點(diǎn)的總平均G值在較長的停留時(shí)間明有所滯后；并且隨著停留時(shí)間的減少濁度去除率逐漸下降，平均G小于70S^-1時(shí)和大于140S^-1時(shí)這種差別較大，而在上述兩G值之間這種差別變小，可以認(rèn)為以PAC為絮凝劑時(shí)攪拌強(qiáng)度在50--140s^-1較為合適，總停留時(shí)間不小于450s（7.5min）為佳。

　　3、DAF的水力負(fù)何的研究實(shí)驗(yàn)
　　實(shí)驗(yàn)中，對于以PAC、AS絮凝劑，接觸室負(fù)荷（接觸室停留時(shí)間）的變化對絮凝氣浮除濁效果的影響趨勢相近，均是在實(shí)驗(yàn)范圍內(nèi)隨著接觸室負(fù)荷的增大（接觸室停留時(shí)間的減?。┏凉崧手饾u下降。其原因有二，（A）：接觸室負(fù)荷的增大（接觸室停留時(shí)間的減小），意味著氣泡和絮體接觸而進(jìn)行異相絮凝反應(yīng)的時(shí)間減少，從而不利于使接觸絮凝反應(yīng)進(jìn)行充分，最終影響到氣浮的除濁效果。（B）：接觸室負(fù)荷的增大（接觸室停留時(shí)間減小），使得接觸室中水流的率流程度發(fā)生變化，率流擾動的不利影響愈來愈強(qiáng)，不利于氣泡和絮體之間進(jìn)行反應(yīng)形成穩(wěn)定的氣泡絮體聚集體，或者打碎了已形成的聚集體，從而降低了氣浮的出水質(zhì)量。由圖5可見，接觸室負(fù)荷在20.00～60.00m³/m².hr之間（停留時(shí)間在1.5～4.0min）變化時(shí)，PAC為絮凝劑時(shí)除濁率變化范圍為20%左右，而AS為絮凝劑時(shí)除濁率變化范圍為12%左右。由此可見，氣浮接觸區(qū)的水力條件和停留時(shí)間對絮凝氣浮的除濁效果有較大的影響。這與傳統(tǒng)氣浮他設(shè)計(jì)表面負(fù)荷不宜小于7.2m³/m².hr矛盾。另外實(shí)驗(yàn)中發(fā)現(xiàn)，當(dāng)保持接觸時(shí)間相同，分離時(shí)間對除濁效果的影響不顯著。

　　4、氣泡大小對氣浮尺寸的影響
　　根據(jù)Stocks的公式：

　　U=（1/18）.g/μ（ρ^s-ρ）d²

　　式中：U——顆粒沉速
　　　　　g——重力加速度
　　　　　μ——水的動力粘滯系數(shù)
　　　　　ρ^s-ρ——顆粒及水的密度
　　　　　d——球形顆粒的特征直徑
　　如果顆粒能沾附足夠數(shù)量的氣泡，使其表現(xiàn)密度小于水的密度，則密度差（ρs-ρ）為負(fù)值，即沉速為負(fù)，這表明顆?！?dú)馀莸木奂w能被俘托至水面。因此，形成一定微細(xì)度和穩(wěn)定不滅的氣泡十分重要。大氣泡具有很高的上升速率，當(dāng)它與絮體將要接觸時(shí)，氣泡巨大的慣性撞擊力不僅不能使氣泡很好地與絮體粘附，反而將造成嚴(yán)重的率亂，剪切并撞碎絮體。氣泡尺度小，每單位何種的釋氣可產(chǎn)生更多的氣泡，從而增大了氣泡與絮體之間的碰撞機(jī)率，然而小氣泡上升速度慢，反而增大了氣浮池的尺寸，增加了基建費(fèi)用，如圖6。在實(shí)際應(yīng)用中，氣泡直徑為10-120μm，平均直徑為40μm。

　　從表1的實(shí)驗(yàn)結(jié)果可見，如果不考慮氣浮池刮渣時(shí)的影響，氣浮池分離區(qū)長度為1m時(shí)，深度僅為0.6m即可，遠(yuǎn)無小于氣浮池設(shè)計(jì)中有效深度1.5--2.0m。

表1 分離區(qū)深度對濁度去除率的影響 分離區(qū)深度（m） 0.6 1.0 1.5 1.8 濁度去除率 74.1 72.5 76.6 75.4

　　5、釋放器、壓力、回流比的選擇
　　選擇有效的釋放器是必需的，它是決定浮處理效果的因素之一。釋放器應(yīng)能突然間降低壓力，并能產(chǎn)生高度的紊流。當(dāng)然，過高的氣流速度會打碎已有的絮體，降低氣浮處理效果。
　　氣浮處理效果還與釋氣量的大小有關(guān)，釋氣量大，出水濁度低，去除率高。釋氣量的大小又由壓力和回流比決定。對于低濁水所需釋氣量的大小僅與所需處理的水量有關(guān)，而與水中的固體懸浮物的大小無關(guān)。
　　由于在0--30℃和200-800KPa的溫度和壓力范圍內(nèi)，氮?dú)夂脱鯕饩裱砝桑?br> 　　　P=H·X 　　　　　　?。?）
　　氣體在水中的溶解度可由下式求出：
　　C^溶=M·X （3）
　　由公試（2）、（3）可以求導(dǎo)出回流比、壓力、所需釋氣量的關(guān)系如下：
　　R=（C_需/C_溶）=（C_需·H)/(M·P) （4）
　　式中：P——?dú)怏w在液相中的分壓
　　　　　X——液相中該氣體的摩爾分?jǐn)?shù)
　　　　　H——享利定律常數(shù)
　　　　　M——?dú)怏w的平均分子量
　　　　　C_溶—?dú)怏w在水中的溶解度
　　　　　C_需—所需的釋氣量
　　　　　R——回流比
　　6、氣浮對濁度去除效果的影響
　　1）水廠源水高濁方式變化
　　由于水庫存排洪水廠源水濁度突然升高到近100NTU，此時(shí)氣浮實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)的進(jìn)、出水濁度狀競爭中圖7所示。此時(shí)，投藥量增大到10.9mgAL₂O₃/L，出水濁度可以降低到期0.5NTU以下，由此可見溶氣氣浮處理有很好的耐沖擊能力。

　　2）配制水的濁度變化
　　為驗(yàn)證氣浮系統(tǒng)對濁度升高的適應(yīng)情況，應(yīng)用高嶺土配制水進(jìn)行系列實(shí)驗(yàn)。各級濁度由1NTU逐步增加到88NTU，投藥量也相應(yīng)增大。其中一級舉例如圖8所示，源水濁度為16--21NTU的處理效果，投藥量達(dá)到3mg/L時(shí)，出水濁度可降至3NTU以下，濁度去除率仍在85%以上。
　　各組的匯總結(jié)果按濁度去除率如圖9所示，圖中小于1.5NTU和73--88NTU兩組源水是水廠正常的和突發(fā)的水源水，其他各組是不同濁度的高嶺配制水。從濁度去除率來看，當(dāng)投藥量達(dá)到3mg/L時(shí)，去除率達(dá)到75%以上；當(dāng)投藥量達(dá)到4mg/L時(shí)，去除率達(dá)到80--85%。當(dāng)然，它們的出水濁度是各不相同的，隨源水濁度的升高，出水濁度也升高。如果加大投藥量，氣浮池出水濁度仍能降到0.5NTU以下。

　　7、氣浮對藻類去除效果的影響
　　含有藻類的源水在溶氣氣浮系統(tǒng)中的去除效果見表2所列。實(shí)驗(yàn)時(shí)，源水為正常的低濁度，流量為2.0m³/小時(shí)。絮凝劑PAC投藥量為1.58mgAL₂O₃/L。由表可見，水源水中的藻類含量是很低的，經(jīng)過處理后，也有顯著的去除，說明溶氣氣浮法對去除藻類有較高的效能。

表2 去除藻類的效果 水質(zhì)指標(biāo) 進(jìn)水 出水 濁度（NTU） 1.64 0.72 水溫（℃） 14.0 14.6 PH 7.6 7.6 堿度（mg/L) 133 133 需氧量（（mg/L)） 1.80 1.45 硅藻（10⁴/L） 14.11 0.59 綠藻（10⁴/L） 2.94 0.59 藍(lán)藻（10⁴/L） 2.35 0 金藻（10⁴/L） 10.58 0 角藻（10⁴/L） 1.18 0 黃藻（10⁴/L） 1.76 0

注：檢驗(yàn)單位——第九水廠水質(zhì)股

　　四、結(jié)論

　　比重和水接近的顆粒、藻類不易下沉，但在水中通入大量微小的氣泡，可使氣泡粘附在顆粒上，使顆粒快速上浮，因此，溶氣氣浮工藝比絮凝沉淀工藝對低濁水及含藻水有很好的處理效果，且藥劑耗量小。

參考文獻(xiàn)

　　1、陳翼孫、胡斌 環(huán)境工程治理叢書：氣浮凈水技術(shù)，中國環(huán)境科學(xué)出版，1992。
　　2、T.F.Zabel"Flotaion in water treatment"in Fnnovations in Flotation Technology(P.Marros and K.A.Matis,ed.)NATO AIS Series,Kluwer Academic Publishers,The Dordrecht Netherlands,1992.
　　3 R.A.Hyde,D.G.Miller,R.F.Packham and W.N.Richards,(1997)Water clarification by flotation.JAWWA,67(7):369
　　4 J,A.Kitchener and K.J.Gochin,(1981)The mechinsm of dissolved air flotation for potable water:basic analysis and a proposal.Water Research,15:585
　　5 A.J.Ress,D.J.Rodman and T.F.Zbael.(1979)Dissolved air foltation for Sol-id-Liquid weparation.J.Sepayat.Process Tech.,2:1
　　6 吳正淮 “低溫低濁度水凈化技術(shù)的發(fā)展與趨向”給水排水 1988.3
　　7 陳翼孫、胡斌“溶氣浮渣法凈水的實(shí)踐”凈水技術(shù)1982.2