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，對水質標準提出了更高的要求，于是低濁水的處理問題成為當今世界給水處理的難點和重點之一。氣浮法在水處理領域是近年來頗受國內外學者關注的一項高效、快速的固液分離技術。自從本世紀七十年代以來，該技術得到迅速的發展。到目前為止，已經廣泛地應用于給水的凈化，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合體的表現密度小于水的密度，從而使此復合體易于上浮至水面。根據不同的氣泡產生方式，可以把氣浮過程分為電解（凝聚）氣浮、布氣氣浮和溶氣氣浮。壓力溶氣氣浮是應用最廣泛的處理過程。

　　二 試驗裝置與流程

　　試驗采用的絮凝——氣浮工藝系統裝置包括混凝池、絮凝池、氣浮池等有機玻璃池體，采用機械攪拌，溶氣系統包括不銹鋼壓力溶氣罐、空壓機，釋氣系統為MJ、仿MJ型釋放器。采用HACH公司的172OC型低量程在線濁度儀進行進水溫度的在線監測；投藥單元為SCD投藥自動控制系統，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型數字式變速蠕動泵，電遠種自動控制接口。

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

　　三 試驗結果與討論

　　1、 凝聚的水力條件

　　通過對混合強度和時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的規律較為明顯，而AS較差，PAC變化范圍在9%以內，AS變化范圍在14%以內；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，攪拌時間越短，效果越好，曲線規律明顯，其中15s的混合時間最佳，并與其它時間相差較大；而AS為絮凝劑時，15S的混合時間最差，但是在30S以上的其余三個停留時間的區別不是很大，這可能表明AS的混合時間至少要大于30S；以上區別是由于PAC和AS的絮凝機理不同所致，PAC為預制的高分子混凝劑，混和于水中，不需水解其高聚產物即可與原水中的顆粒進行擴散吸附反應，所以在混合過程中即同時發生壓縮雙電層、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生壓縮雙電層、吸附電中和等作用外，還要進行水解反應，AI（Ⅲ）離子和水解生成的低取產物與原水中顆粒物的吸附反應進行的較慢，因而發生壓縮雙電層、吸附電中的等作用需要稍長的時間。
　　2、絮凝的水力條件
　　傳統上講，氣浮對絮凝的要求較低，但從氣泡——絮體復合體形成機理看，對于低濁水，氣泡需與絮體在碰撞中粘附，適當的絮體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度和停留時間決定。據圖4可以看出，對于實驗范圍內的4種停留時間，濁度去除率隨著攪拌強度的增大基本呈上升趨勢至穩定：濁度去除率的降低點的總平均G值時間，濁度去除率隨著攪拌強度的增大基本呈上升趨勢至穩定：濁度去除率的降低點的總平均G值在較長的停留時間明有所滯后；并且隨著停留時間的減少濁度去除率逐漸下降，平均G小于70S^-1時和大于140S^-1時這種差別較大，而在上述兩G值之間這種差別變小，可以認為以PAC為絮凝劑時攪拌強度在50--140s^-1較為合適，總停留時間不小于450s（7.5min）為佳。

　　3、DAF的水力負何的研究實驗
　　實驗中，對于以PAC、AS絮凝劑，接觸室負荷（接觸室停留時間）的變化對絮凝氣浮除濁效果的影響趨勢相近，均是在實驗范圍內隨著接觸室負荷的增大（接觸室停留時間的減小）除濁率逐漸下降。其原因有二，（A）：接觸室負荷的增大（接觸室停留時間的減小），意味著氣泡和絮體接觸而進行異相絮凝反應的時間減少，從而不利于使接觸絮凝反應進行充分，最終影響到氣浮的除濁效果。（B）：接觸室負荷的增大（接觸室停留時間減小），使得接觸室中水流的率流程度發生變化，率流擾動的不利影響愈來愈強，不利于氣泡和絮體之間進行反應形成穩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量。由圖5可見，接觸室負荷在20.00～60.00m³/m².hr之間（停留時間在1.5～4.0min）變化時，PAC為絮凝劑時除濁率變化范圍為20%左右，而AS為絮凝劑時除濁率變化范圍為12%左右。由此可見，氣浮接觸區的水力條件和停留時間對絮凝氣浮的除濁效果有較大的影響。這與傳統氣浮他設計表面負荷不宜小于7.2m³/m².hr矛盾。另外實驗中發現，當保持接觸時間相同，分離時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
　　　　　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量的氣泡，使其表現密度小于水的密度，則密度差（ρs-ρ）為負值，即沉速為負，這表明顆粒——氣泡的聚集體能被俘托至水面。因此，形成一定微細度和穩定不滅的氣泡十分重要。大氣泡具有很高的上升速率，當它與絮體將要接觸時，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生更多的氣泡，從而增大了氣泡與絮體之間的碰撞機率，然而小氣泡上升速度慢，反而增大了氣浮池的尺寸，增加了基建費用，如圖6。在實際應用中，氣泡直徑為10-120μm，平均直徑為40μm。

　　從表1的實驗結果可見，如果不考慮氣浮池刮渣時的影響，氣浮池分離區長度為1m時，深度僅為0.6m即可，遠無小于氣浮池設計中有效深度1.5--2.0m。

表1 分離區深度對濁度去除率的影響 分離區深度（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。釋放器應能突然間降低壓力，并能產生高度的紊流。當然，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，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，而與水中的固體懸浮物的大小無關。
　　由于在0--30℃和200-800KPa的溫度和壓力范圍內，氮氣和氧氣均遵循享利定律：
　　　P=H·X 　　　　　　　（2）
　　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）可以求導出回流比、壓力、所需釋氣量的關系如下：
　　R=（C_需/C_溶）=（C_需·H)/(M·P) （4）
　　式中：P——氣體在液相中的分壓
　　　　　X——液相中該氣體的摩爾分數
　　　　　H——享利定律常數
　　　　　M——氣體的平均分子量
　　　　　C_溶—氣體在水中的溶解度
　　　　　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，此時氣浮實驗系統的進、出水濁度狀競爭中圖7所示。此時，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
　　為驗證氣浮系統對濁度升高的適應情況，應用高嶺土配制水進行系列實驗。各級濁度由1NTU逐步增加到88NTU，投藥量也相應增大。其中一級舉例如圖8所示，源水濁度為16--21NTU的處理效果，投藥量達到3mg/L時，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，當投藥量達到3mg/L時，去除率達到75%以上；當投藥量達到4mg/L時，去除率達到80--85%。當然，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中的去除效果見表2所列。實驗時，源水為正常的低濁度，流量為2.0m³/小時。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 水質指標 進水 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：檢驗單位——第九水廠水質股

　　四、結論

　　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

　　1、陳翼孫、胡斌 環境工程治理叢書：氣浮凈水技術，中國環境科學出版，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的發展與趨向”給水排水 1988.3
　　7 陳翼孫、胡斌“溶氣浮渣法凈水的實踐”凈水技術1982.2