劉洋，張聲，張曉健
(清華大學(xué) 環(huán)境科學(xué)與工程系，北京 100084)

　　摘　要：對密云水庫水采用溶氣氣浮(DAF)工藝進(jìn)行處理，發(fā)現(xiàn)DAF工藝處理密云水庫水效果顯著。在高藻期，DAF工藝對藻類的去除效果明顯，在原水溫度t=13.8～20.1℃，pH=6.6，ρ(Al³⁺)=2.0mg/L的最優(yōu)混凝條件下，進(jìn)水濁度為2.62～5.93NTU，出水濁度為0.29～0.44NTU，色度去除率為81.8％，嗅閾值去除率達(dá)75.0％，藻總數(shù)去除率達(dá)92.6％。
　　關(guān)鍵詞：溶氣氣??；高藻水；低溫低濁水
　　中圖分類號：TU991.27　　文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A　　文章編號：1009—2455(2004)06—0017—04

A Study of Treatment of Water from Miyun Reservoir by Dissolved Air Floatation Process
Liu Yang，ZHANG Sheng，ZHANG Xiao-jian
(Department of Environmental Science and Technology, Tsinghua University, Beijing 100084，China)

　　AbStract：It was found in the treatment of the water from Miyun reservoir by Dissolved Air Floatation(DAF) process that the result of the treatment of the said water by the said process was significant.During algaeladen period，the result of removal of algae by DAF process was obvious.When the raw water was under the optimum coagulating conditions，i.e.，t=13.8～20.1℃，pH=6.6 and ρ(Al³⁺)=2.0mg/L，and when the turbidity of the inlet water was 2.62～5.93 NTU，the turbity of the outlet water was 0.29～0.44 NTU，the removal rate of colour was 81.8％，the removal rate of olfactory threshold value reached 75.0％ and that of total algae number reached 92.6％.
　　Key words：dissolved air floatation；algae-laden water；low-temperature and low-turbidity water

　　近年來調(diào)查表明，密云水庫水質(zhì)為中營養(yǎng)型，庫區(qū)水體向富營養(yǎng)化發(fā)展的趨勢比較明顯，每年有近6個(gè)月的高藻期；而且?guī)靺^(qū)水體濁度較低，特別是冬季原水濁度一般在2 NTU以下，另外由于北京的氣候特征，冬季氣溫較低，因此庫區(qū)水體在冬季要經(jīng)歷較長時(shí)間的低溫低濁期。根據(jù)密云水庫的特征，本文對溶氣氣浮(DAF)工藝處理密云水庫原水進(jìn)行了中試試驗(yàn)研究。

1 材料與方法

1.1 試驗(yàn)裝置
　　試驗(yàn)裝置如圖1所示，包括混凝劑投加、硫酸投加以調(diào)節(jié)pH值、兩級絮凝池、氣浮池。絮凝池和氣浮池合建在一起，絮凝池采用機(jī)械攪拌，G值均為70 s^-1。絮凝池長，寬，高分別為1.50，0.60，2.50 m；氣浮池長，寬，高分別為1.60，0.60，2.50 m。

　　試驗(yàn)期間，原水流量為12m³/h，氣浮池溶氣水回流比為10％，溶氣罐壓力為0.52 MPa，混凝劑為聚合氯化鋁溶液，Al₂O₃的質(zhì)量分?jǐn)?shù)為10.31％，投加量以Al³⁺計(jì)。
1.2 分析項(xiàng)目、測定方法及主要儀器
　　分析項(xiàng)目有：濁度，藻計(jì)數(shù)，葉綠素-a，UV₂₅₄，COD_Mn，色度，殘余鋁，嗅，DOC，BDOC(生物可降解溶解性有機(jī)碳)，AOC(生物可同化有機(jī)碳)，顆粒粒徑分布。
　　葉綠素-a，UV₂₅₄，色度，殘余鋁的測定均借助于Hach公司的DR/4000 U分光光度計(jì)。采用標(biāo)準(zhǔn)方法2150^[1]進(jìn)行嗅的測定。測定UV₂₅₄和DOC之前用玻璃纖維膜(Whatman，GF/C)過濾水樣。DOC的測定借助于日本島津公司的TOC-Vwp，其值為水樣經(jīng)0.45μm濾膜過濾后測定的TOC。
　　BDOC測定方法是，向0.45μm過濾的待測水樣中加入接種液，在20±1℃下恒溫培養(yǎng)28 d，測定培養(yǎng)前后的DOC，兩者的差值即為BDOC。
　　AOC的測定方法是由van der Kooij博士首先提出^[2]的，這種方法以飲用水中普遍存在的熒光假單胞菌P17和一種螺旋菌NOX為測試菌，以乙酸鈉為標(biāo)準(zhǔn)基質(zhì)，根據(jù)待測水樣中接種的P17和NOX生長菌落數(shù)和生長因子求出AOC濃度。水中顆粒粒徑分布采用IBR公司的VersaCount粒度儀進(jìn)行測定。

2 結(jié)果與討論

　　DAF工藝處理密云水庫水的研究包括：高藻條件下處理效果的考察，低溫低濁條件下處理效果的考察。
2.1 DAF工藝處理密云高藻水源水
　　試驗(yàn)期間原水水溫13.8～20.1℃，pH值7.96～8.28。通過改變投藥量和調(diào)節(jié)pH值的強(qiáng)化混凝試驗(yàn)確定混凝條件。混凝劑投加量為2.0mg/L，投加H₂S0₄(質(zhì)量分?jǐn)?shù)為29％)維持絮凝池中水的pH值為6.60時(shí)，出水濁度，UV₂₅₄，COD_Mn和藻總數(shù)的去除效果較好，且投藥量和投酸量較為經(jīng)濟(jì)，因此確定在高藻條件下，DAF工藝的最優(yōu)混凝條件是投藥量2.0mg/L，調(diào)節(jié)pH值為6.60。
2.1.1 高藻期DAF工藝整體處理效果考察
　　DAF工藝處理高藻水源水的整體處理效果，考察指標(biāo)為濁度、色度、嗅、藻計(jì)數(shù)、葉綠素-a、殘余鋁、顆粒物粒度分布。各指標(biāo)如表l所示。

表1 高藻條件下DAF工藝對各種水質(zhì)指標(biāo)的去除

項(xiàng)目 藻計(jì)數(shù)/（個(gè)·L^-1） 葉綠素-a/（μg·L^-1） 色度/度 嗅閾值 殘余鋁/（mg·L^-1） 原水均值 3.24×10⁷ 11.33 22 24 DAF出水均值 2.39×10⁶ 1.20 4 6 0.114 平均去除率/% 92.6 89.4 81.8 75.0

　　試驗(yàn)原水濁度為2.62～5.93 NTU，DAF出水濁度降為0.29～0.44NTU，平均為0.32 NTU，如圖2所示。試驗(yàn)結(jié)果表明，本工藝對于低濁水具有良好的濁度去除效果，DAF工藝的出水濁度已經(jīng)達(dá)到中國飲用水水質(zhì)標(biāo)準(zhǔn)。

　　試驗(yàn)顯示，DAF工藝對葉綠素-a有良好的去除效果，但略小于對藻總數(shù)的去除，這是因?yàn)椋宓目倲?shù)包括死藻和活藻，葉綠素-a則是間接表征水中活藻的含量，由于活藻的機(jī)動性，使得其不容易為微絮體和微氣泡所捕捉。
　　水中形成色度的物質(zhì)主要是膠體有機(jī)物和相對分子質(zhì)量大于1000的有機(jī)物，由于DAF的高效性，使得水中膠體有機(jī)物的去除率較高，這與DAF工藝對色度的高效去除是相符的，而且這也反映了水源水中的主體致色物質(zhì)是膠體有機(jī)物。
　　水處理中通常使用嗅閾值(TON)作為評價(jià)水嗅的指標(biāo)，一般水的嗅閾值應(yīng)小于5才能使飲水者滿意。結(jié)果顯示，DAF工藝比較有效地去除了原水中的致嗅物質(zhì)，DAF工藝出水的嗅味接近飲水者要求，這主要是因?yàn)樵趶?qiáng)化混凝條件下，DAF工藝有較好的除藻和去除有機(jī)物的效果。
　　我國飲用水水質(zhì)標(biāo)準(zhǔn)中規(guī)定，飲用水中殘余鋁的質(zhì)量濃度不得超過0.2mg/L，試驗(yàn)結(jié)果顯示，DAF出水中殘余鋁的質(zhì)量濃度為0.114mg/L，已滿足飲用水水質(zhì)標(biāo)準(zhǔn)。
　　試驗(yàn)對原水和DAF出水中2～30 μm的顆粒物進(jìn)行了考察，見表2。結(jié)果顯示，原水中絕大部分的顆粒處在2～10μm，且2～5μm的顆粒數(shù)目最多，并且DAF出水中絕大部分的顆粒仍處在2～10μm，且2～5μm的顆粒數(shù)目也最多。由試驗(yàn)結(jié)果可見，DAF工藝對水中各種尺寸的顆粒去除作用十分明顯，大部分顆粒都被去除，如果經(jīng)過后續(xù)過濾單元的處理，出水顆粒將進(jìn)一步減少。

表2 DAF工藝對水中顆粒物的去除

項(xiàng)目 顆粒物粒徑/μm ＞2 2～5 5～10 10～15 15～30 ＞30 原水/（個(gè)·mL^-1） 14763 10453 3501 577 222 10 DAF出水/（個(gè)·mL^-1） 457 368 61 18 9 1 去除率/% 96.9 96.5 98.3 96.9 95.9 90.0

　　通過以上各項(xiàng)水質(zhì)指標(biāo)的分析，可以看出DAF工藝處理高藻期密云水庫水是十分有效的：出水藻總數(shù)為2.39×10⁶個(gè)/L，總?cè)コ蕿?2.6％；出水ρ(葉綠素-a)為1.20μg/L，總?cè)コ蕿?9.4％；出水濁度為0.29～0.44 NTU；出水基本沒有嗅味；出水色度為4度，總?cè)コ蕿?1.8％；出水殘余鋁的質(zhì)量濃度為0.114mg/L；出水顆粒物得到較好的去除，去除率達(dá)到96.9％。
2.1.2 高藻期DAF工藝對水中有機(jī)物的去除
　　有關(guān)文獻(xiàn)指出，DAF工藝對水中有機(jī)物能發(fā)揮很好的去除作用^[3]，本試驗(yàn)有機(jī)物考察指標(biāo)如下：UV₂₅₄，DOC，SUVA(比紫外吸收值)，BDOC，AOC。其去除結(jié)果如表3所示。

表3 DAF工藝對有機(jī)物的去除

項(xiàng)目 UV₂₅₄/ cm^-1 ρ(COD_Mn)/ （mg·L^-1） ρ(DOC)/（mg·L^-1） ρ(BDOC)/（mg·L^-1） ρ(AOC-P17)/（μg·L^-1） ρ(AOC-NOX)/（μg·L^-1） ρ(AOC)/（μg·L^-1） 原水均值 0.037 1.95 2.283 0.209 157 30 187 DAF出水均值 0.024 1.08 1.905 0.180 126 19 145 >平均去除率/% 34.4 44.2 16.6 13.9 19.7 36.7 22.5

　　試驗(yàn)中投加H₂SO₄改變原水pH值使絮凝池中水的pH值為6.60，混凝劑投加量為2.0mg/L，在此條件下，有機(jī)物與混凝劑一起形成不溶性的絡(luò)合物(鋁的腐殖酸鹽和富里酸鹽)，然后與微氣泡粘附實(shí)現(xiàn)固液分離，另外混凝劑生成氫氧化物絮體對天然有機(jī)物吸附而將其去除，所以DAF工藝對UV₂₅₄的去除效果較好，平均去除率為34.4％。DAF工藝對COD_Mn的平均去除率為44.2％，其去除效果優(yōu)于對UV₂₅₄的去除，這是因?yàn)镃OD_Mn，反映的有機(jī)物包括懸浮、膠態(tài)部分和溶解性有機(jī)物，UV₂₅₄反映的有機(jī)物是溶解性的，而DAF工藝對懸浮、膠態(tài)物質(zhì)去除效果良好(通過濁度反映)，所以DAF丁藝對COD_Mn的去除效果要明顯優(yōu)于對UV₂₅₄的去除。
　　比紫外吸收值(SUVA)是指單位濃度DOC的紫外吸收值，即UV₂₅₄/DOC，它反映了水中有機(jī)物的芳香構(gòu)造化程度。原水SUVA為1.53，說明原水DOC中大部分是非腐殖質(zhì)，所以DAF工藝對DOC的去除率不高，僅為16.6％。BDOC反映的是DOC中相對分子質(zhì)量較小、親水性較高的——部分有機(jī)物，所以與DOC相比，DAF工藝對BDOC的占除率更低，為13.9％。
　　原水ρ(AOC)為187μg/L，其中ρ(AOC-P17)為157μg/L，ρ(AOC-NOX)為301μg/L，AOC-P17比例較高，占84.0％。試驗(yàn)表明DAF工藝對AOC-NOX的去除效果要顯著優(yōu)于對AOC-P17的去除，AOC-NOX的去除率為36.7％，AOC-P17的去除率為19.7％。總的來說，經(jīng)DAF工藝處理后ρ(AOC)降為145μg/L，去除率為22.5％。
　　DAF工藝對密云高藻原水中的有機(jī)物表現(xiàn)出了一定的去除效果：UV₂₅₄的平均去除率為34.4％，出水UV₂₅₄為0.024cm^-1；COD_Mn的平均去除率為44.2％，出水ρ(COD_Mn)為1.08mg/L；DOC的去除率為16.6％，出水ρ(DOC)為1.905mg/L；BDOC的去除率為13.9％，出水ρ(BDOC)為0.180mg/L：AOC的去除率為22.2％，出水P(AOC)為145μg/L。
2.2 DAF工藝對密云低溫低濁水的處理
　　在低溫時(shí)由于水的粘度較大，顆粒周圍的水化膜較厚，顆粒的親水性加強(qiáng)，從而使得顆粒能夠在水中穩(wěn)定地存在。尤其在低濁度時(shí)，由于水中膠體顆粒物數(shù)量較少，因而與混凝劑有效碰撞脫穩(wěn)的機(jī)會也少，在實(shí)際生產(chǎn)中往往不得不采用加大投藥量的方法來提高處理效果^[4]。采用DAF工藝時(shí)，由于通入空氣，產(chǎn)生大量微氣泡，氣泡和顆粒相互碰撞粘附幾率增大，使顆粒的密度變小而更容易浮至水面被去除。
　　密云水庫水冬季經(jīng)歷較長時(shí)間的低溫低濁期，試驗(yàn)期間，水溫為2.8～5.0℃，pH值為8.31～8.37。通過不同投藥量的對比試驗(yàn)確定混凝條件，混凝劑投加量為2.0mg/L，無pH值調(diào)節(jié)。
　　DAF工藝處理低溫低濁水的考察指標(biāo)包括：濁度、色度、嗅、殘余鋁、UV₂₅₄和COD_Mn。各指標(biāo)如表4所示。

表4 低溫低濁條件下DAF工藝對各種水質(zhì)指標(biāo)的去除

項(xiàng)目 色度/度 嗅閾值 ρ(殘余鋁)/（mg·L^-1） UV₂₅₄/ cm^-1 ρ(COD_Mn)/ （mg·L^-1） 原水均值 7 9 0.032 2.03 DAF出水均值 3 4 0.169 0.026 1.59 >平均去除率/% 57.1 55.6 19.7 21.4

　　原水濁度0.64～1.06NTU，DAF出水濁度為0.22～0.27NTU，平均為0.24NTU。如圖3所示。

　　試驗(yàn)結(jié)果顯示，本工藝對于低溫低濁水的濁度去除效果顯著，DAF工藝的出水濁度遠(yuǎn)低于中國飲用水水質(zhì)標(biāo)準(zhǔn)。
　　由試驗(yàn)結(jié)果可見，在低溫低濁條件下，原水中致色、致嗅物質(zhì)相對較少，在DAF處理后，色度和嗅閾值都達(dá)到了中國飲用水水質(zhì)標(biāo)準(zhǔn)要求。DAF出水殘余鋁的質(zhì)量濃度為0.169mg/L，滿足飲用水水質(zhì)標(biāo)準(zhǔn)。
　　低溫低濁條件下，由于原水中顆粒物較少，且水的粘度較大，極大地影響了混凝效果。盡管由于DAF工藝本身的優(yōu)勢，在水中產(chǎn)生大量氣泡，增大了氣泡和顆粒相互撞擊粘附幾率，取得了較好的濁度去除效果，但是，水中產(chǎn)生的絮凝顆?？偭咳匀幌鄬^低，而且顆粒周圍的水化膜較厚，顆粒的親水性強(qiáng)，很大程度上影響了絮體對水中有機(jī)物的吸附，因此DAF對有機(jī)物的去除效果相對較差，UV₂₅₄的平均去除率為19.7％，COD_Mn的平均去除率為21.4％。由于原水中懸浮、膠態(tài)物質(zhì)較少，因此UV₂₅₄和COD_Mn的去除率差異不明顯。

3 結(jié)論

　?、俑鶕?jù)密云水庫水的特征，采用DAF工藝處理密云水庫原水是十分有效的。氣浮池水力負(fù)荷13.8m³/(m²·h)，溶氣水回流比為10％，溶氣罐壓力0.52 MPa。絮凝時(shí)間和氣浮池水力停留時(shí)間均為10min。
　?、贒AF工藝對密云水庫高藻原水具有顯著的處理效果，出水濁度為0.29～0.44NTU，藻總數(shù)去除率達(dá)到92.6％，葉綠素-a去除率為89.4％，DAF工藝對致色、致嗅物質(zhì)去除效果良好，出水色度為4，去除率為81.8％，嗅閾值為6，去除率為75.0％。
　?、跠AF工藝適合處理密云水庫低溫低濁水，在不增大投藥量的條件下，出水濁度為0.22～0.27 NTU，色度為3度，嗅閾值為4，均滿足中國飲用水水質(zhì)標(biāo)準(zhǔn)。
　　④在強(qiáng)化混凝條件下，DAF工藝對有機(jī)物具有很好的去除效果，通常條件下UV₂₅₄的去除率為34.4％，COD_Mn的去除率為44.2％；在低溫低濁條件下，UV₂₅₄和COD_Mn的去除率也可達(dá)到20％左右。

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作者簡介：劉洋(1978—)，男，遼寧鞍山人，清華大學(xué)碩士研究生，主要從事水質(zhì)凈化技術(shù)與科學(xué)研究，電話(010)62781779，liu_y01@mails.tsinghua.edu.cn。