黃鶴俊， 汪 琳， 吳 斌， 王旭晨

(珠海水務(wù)環(huán)境控股集團有限公司，廣東珠海519000)

近年來，隨著人類活動的不斷增強，湖泊、水庫富營養(yǎng)化問題日益突出，富營養(yǎng)化導致藍藻水華頻繁發(fā)生，我國已經(jīng)成為世界上藍藻水華暴發(fā)最嚴重的國家之一[1]。為應(yīng)對藻類問題對給水處理工藝的影響，我國在以水庫、湖泊等地表水為原水的多個水廠中陸續(xù)應(yīng)用了氣浮工藝[2]。該工藝是一種常用的固液分離方式，運行時將微氣泡發(fā)生系統(tǒng)產(chǎn)生的微氣泡通入待處理的水中，使微氣泡與水體中的絮體顆粒物碰撞、粘附，并形成密度較小的氣泡-顆粒聚集體(夾氣絮體)，夾氣絮體在浮力的作用下，上浮到水體表面形成穩(wěn)定的浮渣層，并最終伴隨浮渣層的去除從水體中分離。氣浮分離技術(shù)按照微氣泡發(fā)生方式的不同，主要分為3種工藝形式：散氣氣浮(dispersed air flotation)、電解氣浮(electrolytic flotation)與加壓溶氣氣浮(dissolved air flotation，DAF)[3]，其中加壓溶氣氣浮工藝廣泛應(yīng)用于飲用水處理領(lǐng)域[4]。研究表明，氣浮凈水技術(shù)在應(yīng)對低濁、高藻水處理中顯示了獨有的優(yōu)勢[5-8]。多個應(yīng)用案例實踐表明，氣浮工藝適用于處理腐殖質(zhì)含量較高或天然色度較高、富營養(yǎng)化、藻含量較高、濁度較低甚至是低溫低濁原水[9-11]。為有效應(yīng)對低濁高藻原水問題，在珠海市T水廠升級改造工程中增設(shè)溶氣氣浮(DAF)工藝設(shè)施。

1 水廠概況與原水水質(zhì)

T水廠現(xiàn)有規(guī)模為12×104m3/d，采用混凝、沉淀、過濾和消毒常規(guī)凈水工藝，原水取自F水庫。

按照《地表水環(huán)境質(zhì)量標準》(GB 3838—2002)，F(xiàn)水庫水質(zhì)總體上穩(wěn)定達到Ⅱ類水標準。原水水質(zhì)的主要特征為：濁度低，多數(shù)時間(80%以上)為2～6 NTU，最高僅23 NTU；藻類含量高，常年藻類均值在107個/L級別以上，最高含量達到2.76×108個/L。表1為2015—2016年原水水質(zhì)的相關(guān)監(jiān)測數(shù)據(jù)。

2 存在的問題與改造工藝選擇

原工藝流程的機械攪拌澄清池除藻效果差，濁度去除效率低，以致濾池反沖洗周期大大縮短，個別時段甚至造成濾床堵塞、板結(jié)。

為解決上述工藝問題，在T水廠進行了氣浮工藝處理水庫水中試研究。結(jié)果表明：水廠原絮凝、沉淀、過濾、消毒工藝對藻類去除效率較低，沉淀工藝無法有效處理該低濁度原水，而氣浮工藝則能對這些指標進行有效去除。氣浮工藝對藻類的去除率可達到83%左右，使水中藻類含量從107個/L以上降至106個/L以下；氣浮出水濁度穩(wěn)定在1.0 NTU以下。通過中試并結(jié)合T水廠原處理工藝，決定在T水廠增設(shè)氣浮工藝，代替原沉淀工藝。

表1 原水水質(zhì)

3 溶氣氣浮工藝設(shè)計

氣浮凈水工藝的成功基本上取決于以下主要的連續(xù)步驟：①原水混凝，通過添加正確品類和劑量的化學品(如混凝劑等)來完成；②絮凝，形成粒徑范圍恰當?shù)男跄w，以浮選分離(要求絮凝體粒徑范圍低于沉降技術(shù)所需的絮凝體尺寸范圍)；③微氣泡產(chǎn)生，這是通過高壓飽和室(注入加壓循環(huán)水和壓縮空氣)來完成的，高壓飽和室與安裝在接觸區(qū)開始處的特殊噴嘴相連接，導致飽和水流壓力突然下降，從而產(chǎn)生空氣微泡云(氣泡大小通常在10 ～ 100 μm之間)；④將飽和水混入絮凝水中，促進微氣泡與絮凝體結(jié)構(gòu)碰撞粘附，形成團簇，即含有多個微氣泡附著的絮凝體[12]。

改造后T水廠采用機械混合網(wǎng)格絮凝氣浮工藝，機械混合池、網(wǎng)格絮凝池、氣浮池三池合建。進水經(jīng)配水渠進入機械混合池，混合時間為30 s，攪拌G值取500～1 000 s-1，機械混合池出水進入網(wǎng)格絮凝池。絮凝池豎井流速、過網(wǎng)及過孔流速按遞減設(shè)計，前段豎井和中段豎井流速為0.14～0.12 m/s，末段豎井流速為0.12～0.10 m/s，前段過網(wǎng)流速為0.30～0.25 m/s，中段過柵流速為0.25～0.22 m/s，末段不設(shè)網(wǎng)格，網(wǎng)格絮凝池絮凝時間設(shè)為19.9 min，有效水深為5.4 m。

網(wǎng)格絮凝池出水經(jīng)過渡區(qū)均勻配水進入氣浮池，氣浮池共4組，每組分2格，單組尺寸L×B×H=19.5 m×19.9 m×3.8 m，有效水深為2.7 m，接觸室上升流速為19.0 mm/s，停留時間為140 s。分離室表面負荷為4.46 m3/(m2·h)，停留時間為36.29 min，氣浮池回流比為10%。每格氣浮池內(nèi)設(shè)1臺行車式刮渣機，定期刮渣。

在反沖洗泵房一側(cè)新建氣浮氣源設(shè)備間，放置氣浮設(shè)備和氣源設(shè)備。氣浮系統(tǒng)主要設(shè)備為離心清水泵4臺，2用2備，流量Q=300 m3/h，揚程H=50 m，功率P=75 kW；空壓機4臺，2用2備，流量Q=2.0 m3/min，工作壓力為0.8 MPa，功率P=11 kW；儲氣罐2個，體積V=3 m3，直徑D=1.2 m，壓力為1.0 MPa；溶氣罐2個，體積V=8 m3，直徑D=1.6 m，壓力為1.0 MPa。氣源系統(tǒng)主要設(shè)備為空壓機2臺，1用1備，流量Q=2.4 m3/min，工作壓力為0.8 MPa，功率P=15 kW；干燥器2臺，1用1備，流量Q=2.4 m3/min，壓力為1.0 MPa，功率P=1 kW；儲氣罐1個，體積V=6 m3，直徑D=1.4 m。

4 溶氣氣浮工藝設(shè)備選型與注意事項

常規(guī)的溶氣氣浮系統(tǒng)由加壓溶氣系統(tǒng)、溶氣釋氣系統(tǒng)和固液分離系統(tǒng)三部分組成，主要設(shè)備有壓力溶氣罐、回流增壓水泵、空氣壓縮機、溶氣釋放器、刮渣機等。

4.1 加壓溶氣系統(tǒng)

加壓溶氣裝置也稱為加壓空氣飽和裝置，包括回流增壓水泵、空氣壓縮機(或射流器)、壓力溶氣罐以及其他附屬設(shè)備。溶氣系統(tǒng)占氣浮過程能量消耗的50%[13]，優(yōu)化溶氣系統(tǒng)的設(shè)計對減小氣浮運行成本至關(guān)重要[14]。反映溶氣系統(tǒng)水平的是溶氣罐的溶氣效率及容積負荷率，國外一般均按溶氣水在罐中停留3～5 min來設(shè)計罐的容積。為了提高溶氣效率，各國都趨向于采用填料罐。國內(nèi)通過對溶氣罐的系統(tǒng)研究，已取得如下成果：①填料罐系統(tǒng)的溶氣效率一般比空罐系統(tǒng)提高20%～40%；②證實了液膜阻力控制溶氣速率，要提高溶氣效率必須使液相分散得越細、越薄、湍流越劇烈，但從節(jié)能角度考慮，又不允許過大的阻力損失，階梯環(huán)填料較好地滿足以上條件，在水溫20℃時溶氣效率可達90%，水溫30℃時可達99%；③溶氣罐中低水位優(yōu)于高水位，這是由于分散度高的液體與空氣接觸時間較長的緣故；④空氣進口的位置(上與下)與方式(管口、小孔、微孔板)，對填料溶氣罐的溶氣效率幾無影響；⑤未溶空氣不排放，不會影響溶氣罐的溶氣量，也不會影響氣浮效果，如此可實行空壓機間斷供氣，使壓縮空氣100%被利用，既節(jié)省電耗，又延長了設(shè)備使用壽命。

T水廠壓力溶氣罐由主罐體、填料、進水氣動閥、進氣氣動閥、出水氣動閥、放空閥和其它附件(水位計、視鏡、壓力表、浮球液位控制器、壓力傳感器、磁浮子翻板液位計、安全閥、釋放閥等)組成。氣浮池共4組，每組分2格，每組設(shè)置1臺溶氣罐，容積為6 m3，直徑為1.5 m，高度為4.5 m，壓力為1.0 MPa；罐體內(nèi)填料采用聚丙烯階梯環(huán)，填充高度為1.2 m，過流密度為150～3 000 m3/(m2·d)，工作壓力為0.25～0.50 MPa。罐體采用厚度大于3 mm的SS304不銹鋼板折板、焊接加工而成，罐體上下封頭整體壓制。壓力溶氣罐采用不排放未溶空氣的運行方式，以達到節(jié)省空壓機電耗、縮短連續(xù)運行時間、延長空壓機壽命的目的。空氣壓縮機必須選用無油空壓機，以防止對水造成污染。

T水廠原溶氣系統(tǒng)回流水取自氣浮池出水，經(jīng)過一段時間的運行后發(fā)現(xiàn)該進水管上的過濾器堵塞頻繁，影響溶氣罐的過流密度。改用濾池出水作為回流水后情況好轉(zhuǎn)，故新廠設(shè)計或有條件的老廠改建時建議考慮以濾池出水作為溶氣回流水，并在進入釋放器之前的管線中設(shè)置濾網(wǎng)，既防止管道中的鐵銹堵塞釋放器，又可減少濾網(wǎng)清洗次數(shù)[15]。壓力溶氣罐一般采用Q235鋼板或不銹鋼板卷焊而成，在壓力下的空氣飽和水是一種極具腐蝕性的混合物，如果使用低碳鋼制造壓力溶氣罐，應(yīng)采用耐腐蝕襯里加以防護，建議直接選用不銹鋼材質(zhì)。

4.2 溶氣釋氣系統(tǒng)

溶氣釋放裝置由溶氣釋放器和溶氣水管路組成，其作用是對溶氣罐內(nèi)的溶氣水進行減壓，使溶氣水中的氣體以微氣泡的形式釋放出來，并使微氣泡能夠快速、均勻地附著在待處理水中顆粒物質(zhì)的表面。溶氣釋放器是整個氣浮工藝的關(guān)鍵設(shè)備，它關(guān)系到釋氣率的大小、氣泡尺寸大小及氣泡分布的均勻性，直接影響氣浮凈水效果和日常運行能耗。目前國內(nèi)外采用不同類型的釋放器，有簡單閥門式、針型閥式以及專用釋放器，后者屬于專利技術(shù)。

國內(nèi)氣浮工藝多采用TJ型和TV型溶氣釋放器。TJ型的工作原理是當壓力溶氣水通過該釋放器內(nèi)孔盒時，因流態(tài)驟變和急劇消能，氣泡在減壓條件下瞬間充分地釋放。在釋放器堵塞時，可以通過從上接口抽真空，提起器內(nèi)舌簧，清除堵塞的雜質(zhì)。TV型克服了TJ型布水不均勻、需要水射器才能使舌簧提起的缺點，采用圓盤徑向全方位釋放，與水的接觸條件更佳。當釋放器堵塞時，接通壓縮空氣，即可使下盤體向下移動，增大盤間水流通道，使堵塞物排出。為防止釋放器腐蝕，影響處理效果，一般采用全不銹鋼材質(zhì)。研究表明，效果好的溶氣釋放器需要實現(xiàn)：釋放器內(nèi)部流道方向的突然變化，沿流動路徑存在撞擊面；釋放器下游存在直接的撞擊面；流道末端存在錐形截面，用來減小流動水和靜止水之間的速度差[16]。

T水廠氣浮工藝采用TV-Ⅲ型溶氣釋放器，304不銹鋼材質(zhì)，每格池設(shè)14個，每個釋放器的釋放水量Q=5.18 m3/h。帶有反沖洗裝置，打開沖洗氣閥，接通壓縮空氣氣源，通過壓縮空氣將釋放裝置的兩盤片推開，再利用溶氣水將溶氣釋放裝置內(nèi)的堵塞物沖洗干凈。溶氣釋放器清洗周期為3個月，運行2年未發(fā)生堵塞現(xiàn)象。

4.3 固液分離系統(tǒng)

水廠中氣浮的固液分離裝置就是氣浮池體，是將氣泡與水中的懸浮物、膠體、大部分有機物等分離的場所。一般由接觸區(qū)、分離區(qū)、集渣槽、刮渣機、集水管、水位控制器等組成，它反映了浮渣與清水的分離效果、分離速度(表面負荷率)和基建投資費用。在飲用水處理中，氣浮池一般為矩形池。除了上述基本池型外，還有許多組合氣浮池，例如高效并流斜板沉淀-氣浮過濾池、氣浮斜管沉淀池、氣浮絮凝池和氣浮移動罩濾池等。

影響氣浮分離系統(tǒng)技術(shù)性能的因素頗多，主要有以下幾個方面[13,17]：

① 應(yīng)提供絮凝水與回流水的良好混合條件，絮凝水中的絮粒進入接觸區(qū)時，不因水流條件的變化打碎絮粒。

② 合理地布置釋放器，使釋氣水的作用范圍遍及全區(qū)，能充分、及時地使微氣泡與絮粒接觸。

③ 控制絮凝水的上升流速，避免短流、偏流，一般接觸區(qū)保持Re=2 500～5 000紊流態(tài)，以便微氣泡與絮粒能有足夠機會進行多點接觸，不致在上浮過程中被水流剪脫已粘附的氣泡而影響后續(xù)分離效果。

④ 進入分離區(qū)的絮凝水應(yīng)均勻分布在分離區(qū)的整個寬度上，以避免水力干擾。

⑤ 分離區(qū)通常配備一個擋板，將氣泡團聚體導向分離區(qū)表面。擋板通常以一定角度(大約與水平面成60°)布置，以降低分離區(qū)入口段中絮凝水的速度，避免干擾積聚在分離區(qū)表面的浮渣層。擋板頂部和分離區(qū)中的液體表面之間應(yīng)提供足夠的空間，以確保速度不會增加，從而導致浮渣層的破壞。

⑥ 選擇分離速度時，應(yīng)有利于帶氣絮粒上浮。因此，對于絮粒大、密度小、不易破碎的帶氣絮粒一般采用較大的分離速度；對于濃度大、浮渣多的，在固液分離時形成“擁擠上浮”現(xiàn)象的應(yīng)取小值。

⑦ 應(yīng)避免分離區(qū)短流、局部滯流、碰壁回流等不良現(xiàn)象的出現(xiàn)。

積聚在分離區(qū)表面的浮渣可通過水力排渣或機械刮渣去除。水力排渣是將分離區(qū)中的水位提高到足以使浮渣和水溢流到浮渣收集槽中，其優(yōu)點是設(shè)備成本低，對處理后的水質(zhì)影響較小，缺點是耗水量高和污泥含固率低(小于0.2%)。為獲得更高的污泥含固率，氣浮池推薦采用機械方式撇除浮渣，一般有行車式、繩索牽引式和鏈條牽引式刮渣機，需關(guān)注刮渣設(shè)備的材質(zhì)選擇和安裝精度，避免運行故障?！妒彝饨o水設(shè)計標準》(GB 50013—2018) 規(guī)定：刮渣機的行車速度不宜大于5 m/min，以避免浮渣因擾動劇烈而落下，影響出水水質(zhì)。

5 溶氣氣浮工藝的運行效果

T水廠使用液態(tài)聚合氯化鋁(PAC，10% Al2O3含量)作為混凝劑，單位投加量為15～20 mg/L，混合絮凝前投加0.5 mg/L臭氧進行預(yù)氧化處理，預(yù)臭氧接觸時間為5.9 min。對改造前后的藻類、濁度進行監(jiān)測對比，對改造后氣浮池進出水CODMn、氨氮、嗅味物質(zhì)等進行檢測分析。

5.1 藻類去除效果

如圖1所示，檢測期間原水藻類在(2 439～4 590)×104個/L，原機械攪拌澄清池藻類去除效果不佳，氣浮池出水藻類則降低至(77～830)×104個/L，出水含藻量大幅度下降，平均去除率達到92.16%，實現(xiàn)了對低濁高藻水的有效處理。

圖1 改造前澄清池與改造后氣浮池出水藻類對比

5.2 濁度去除效果

原水濁度常年穩(wěn)定在2～6 NTU，原機械攪拌澄清池對此類低濁高藻原水濁度去除效果不佳，平均去除率僅為50%左右；改用氣浮工藝后，出水濁度穩(wěn)定在1.0 NTU以下，水質(zhì)較好時能穩(wěn)定低于0.5 NTU，平均去除率達到82.96%以上，見圖2。

圖2 改造前澄清池與改造后氣浮池出水濁度對比

5.3 CODMn去除效果

檢測期間原水CODMn平均濃度在1.93～3.12 mg/L之間，氣浮工藝對CODMn的去除效果不明顯且不夠穩(wěn)定，CODMn去除率為2.54%～38.46%，見圖3。

圖3 氣浮池進出水CODMn

5.4 氨氮去除效果

檢測期間原水氨氮平均濃度在0.24～0.36 mg/L之間，氣浮工藝對氨氮去除效果不明顯，氨氮去除率為8.33%～17.65%，見圖4。

圖4 氣浮池進出水氨氮

5.5 嗅味物質(zhì)去除效果

藻類污染除影響過濾工藝外，還會產(chǎn)生嗅味化合物，其中土臭素和2-甲基異莰醇是兩種最常見且難以去除的嗅味化合物。由于這兩種化合物分子均為飽和環(huán)叔醇結(jié)構(gòu)，所以抗化學氧化性很強，難以被現(xiàn)有常規(guī)水處理工藝去除。檢測期間原水土臭素濃度在4.64～5.98 ng/L，2-甲基異莰醇濃度在24.9～61.5 ng/L。

從圖5可以看出，氣浮池對土臭素和2-甲基異莰醇均有一定的去除效果，但表現(xiàn)并不穩(wěn)定，對土臭素的去除率為16.67%～44.98%，對2-甲基異莰醇的去除率為16.18%～61.88%。由于原水2-甲基異莰醇濃度較高，若僅靠氣浮處理，難以保證出水嗅味等級達標，需后續(xù)增加生物活性炭等深度處理工藝。

圖5 氣浮池進出水土臭素和2-MIB

6 結(jié)語與展望

① 為應(yīng)對低濁高藻原水對水處理工藝造成的不利影響，在珠海T水廠升級改造工程中增設(shè)溶氣氣浮(DAF)工藝設(shè)施。運行數(shù)據(jù)表明，氣浮工藝能對珠海地區(qū)高藻原水進行有效處理，藻類去除率達到90%以上，濁度去除效果亦較為理想，絮凝效果良好時氣浮出水濁度穩(wěn)定低于1.0 NTU，能有效緩解和應(yīng)對低濁高藻原水對水廠處理工藝的影響，對同類水處理工藝的選型具有借鑒意義。

② 目前國內(nèi)的氣浮設(shè)備產(chǎn)品規(guī)格參差不齊，缺少統(tǒng)一的行業(yè)標準，尤其針對給水氣浮的標準更是稀少。希望國內(nèi)同行在加快氣浮工藝研究的同時，盡快實現(xiàn)給水氣浮設(shè)備標準化、模塊化、國產(chǎn)化、智能化[18]。同時，為全面深入推廣此項工藝，還需對相關(guān)技術(shù)加以完善和提高，可重點放在以下四個方面：一是高效溶氣釋放器的研發(fā)制造與氣泡的進一步微細化、均布化；二是直接切割氣體制造微氣泡，改變傳統(tǒng)升壓再降壓的耗能模式；三是分離區(qū)固液分離系統(tǒng)的優(yōu)化布置；四是研發(fā)適用于給水氣浮工藝的混凝劑和助凝劑。相信在國內(nèi)科研人員和工程技術(shù)人員的共同努力下，氣浮工藝技術(shù)能在未來發(fā)展得更加節(jié)能、高效、經(jīng)濟、適用。