何圣兵1, 孟凡良2, 王寶貞1, 王 琳1, 崔洪升3
( 1.哈爾濱工業(yè)大學(xué)市政環(huán)境工程學(xué)院，黑龍江哈爾濱　15 0090；2.中國市政工程?hào)|北設(shè)計(jì)研究院，吉林長春13 0024；
3.中國市政工程華北設(shè)計(jì)研究院，天津300074)

　　摘　要： 對松花江原水采用氣浮法和常規(guī)沉淀法進(jìn)行處理發(fā)現(xiàn)，氣浮法的除濁效果優(yōu)于常規(guī)沉淀法，在低溫、低濁時(shí)二者的處理效果差距更大，故從顆粒尺寸、顆粒密度、水溫、顆粒沉降速率和反應(yīng)時(shí)間等角度闡述了氣浮和沉淀工藝在除濁效果方面的差異。此外，兩種工藝對CODMn、UV₂₅₄和TOC的去除效果表明有機(jī)物質(zhì)的去除只與混凝步驟有關(guān)而與沉淀或氣浮步驟無關(guān)。
　　關(guān)鍵詞：溶氣氣浮法；沉淀法；濁度去除
　　中圖分類號(hào)：TU991.23
　　文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：C
　　文章編號(hào)：1000-4602(2002)05-0042-03

　　氣浮法(DAF)是在水中通入大量微細(xì)氣泡，使其粘附于雜質(zhì)顆粒上造成整體密度＜1的狀態(tài)，靠浮力使其上升至水面而使固液分離的一種凈水法。作為過濾工藝的預(yù)處理，對于低濁度的原水，溶氣氣浮工藝要優(yōu)于沉淀工藝，而當(dāng)原水濁度＞100NTU時(shí)，則不宜 采用氣浮法^[1]。DAF工藝的主要設(shè)計(jì)參數(shù)包括停留時(shí)間、表面負(fù)荷率、回流比、溶氣壓力等。氣浮池的水力停留時(shí)間大致為5～15 min；表面負(fù)荷率為5～12m³/(m²·h)，處理飲用水時(shí)溶氣壓力范圍為200～600kPa，回流比為5%～10%。優(yōu)化溶氣壓力和回流比 能夠有效地降低水廠的運(yùn)行和維護(hù)費(fèi)用。此外由于停留時(shí)間短，氣浮池的基建費(fèi)用比沉淀池少，但卻能獲得更好的處理效果。?

1　試驗(yàn)流程與設(shè)備 試驗(yàn)原水為松花江水。

　　快速混合池尺寸為200mm×200mm×200mm，反應(yīng)池尺寸為300mm×300mm×800mm，沉淀 工藝的沉淀池尺寸為450mm×1200 mm×800mm，氣浮池的尺寸為450mm×200mm×800mm，均用有機(jī)玻璃材質(zhì)加工制成。試驗(yàn)采用的空壓機(jī)為Z-0.29/7型，溶氣罐為200×1500mm的鋼制罐體，內(nèi)裝高度為800mm的階梯環(huán)填料。?
　　采用的工藝流程如圖1、2所示。?

　　濁度檢測采用2100A型濁度儀。UV₂₅₄和TOC檢測分別采用752紫外光柵分光光度計(jì)和TOC測定儀。

2　結(jié)果及討論

2.1 水溫對除濁效果的影響
　　每年的11月中旬至第二年的4月中旬間松花江水質(zhì)具有低溫、低濁的特點(diǎn)(水溫為0℃、濁度為10NTU左右、pH值在6.8左右)，在6、7月間水溫在20℃左右，濁度為70NTU左右。試驗(yàn)期間投加的混凝劑為硫酸鋁，低溫期投加量經(jīng)小試確定為40mg/L，采用活化硅酸作為助凝劑，投量為5mg/L。在較高溫度和濁度下的混凝劑投量為25mg/L。為了對比氣浮與沉淀工藝對固液分離的效果，兩套工藝流程中對混合池、反應(yīng)池、投藥量及混合強(qiáng)度等前續(xù)工藝采用了相同的運(yùn)行參數(shù)。混合池中的快速混合時(shí)間為2min，G值為420s-1,反應(yīng)池反應(yīng)時(shí)間為20min，G值為10s-1,氣浮池水力停留時(shí)間為10min，回流比采用8% ，沉淀池中水力停留時(shí)間為1h，表面負(fù)荷率為氣浮池的1/6。
　　不同水溫下兩種工藝對濁度的去除效果見圖3、4。?

　　如圖3、4所示，在低溫、低濁期間沉淀池對濁度的去除率不高，平均在50%左右，出水濁度維持在5NTU左右；而氣浮池對濁度的去除率則高達(dá)90%左右，出水濁度可降至1NTU左右。 當(dāng)水溫為20℃、進(jìn)水濁度在60～80NTU時(shí)，沉淀工藝的出水濁度在4NTU左右，平均去除率為95%；DAF的出水濁度在2NTU左右，平均去除率為97%，效果優(yōu)于沉淀工藝。
對兩種工藝的處理效果差異分析如下：?
　　根據(jù)斯托克斯公式^[2]，假定一個(gè)絮凝顆粒的直徑為50μm，密度為1.01g/mL，則在20℃時(shí)此顆粒的沉降速度為0.05m/h，沉淀池的表面負(fù)荷率一般在0.75～1.6m³/(m²·h)，所以該顆粒不會(huì)被沉淀去除。如果顆粒要得到0.75m/h的沉速，則顆粒需要成長到178μm的直徑才能被去除。在0℃時(shí)水的動(dòng)力粘度系數(shù)為20℃時(shí)的1.8倍，對于同樣狀況的絮凝顆粒，0℃時(shí)在沉淀池中的沉速為0.03m/h。要使顆粒得到0.75m/h的沉降速度，則該顆粒需長到245μm的直徑。?
　　在考察水溫對處理效果的影響時(shí)，必須考慮溫度對絮凝顆粒的穩(wěn)定性、顆粒與顆粒以及顆粒與氣泡之間結(jié)合性能的影響。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(huì)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。采用DAF工藝時(shí)，由于通入空氣，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。?
2.2 反應(yīng)時(shí)間對除濁效果的影響
　　無論在低溫或高溫，對于沉淀工藝而言，要想獲得較高的濁度去除率，反應(yīng)池中的反應(yīng)時(shí)間應(yīng)不少于20min。而對于氣浮工藝而言，只需要5min的反應(yīng)時(shí)間就能獲得很高的去除率，這是因?yàn)槌恋矸ㄊ且揽啃跄w粒不斷長大而下沉，在低濁度時(shí)顆粒有效碰撞幾 率降低因而使得顆粒成長的時(shí)間較為緩慢，據(jù)有關(guān)資料介紹為20～30min。氣浮法則借助于微氣泡的粘附作用，從而使得反應(yīng)時(shí)間比沉淀法短。
　　試驗(yàn)結(jié)果見圖5、6。?

2.3 對有機(jī)物的去除效果
　　原水水質(zhì)見表1。

表1 原水水質(zhì) 項(xiàng) 目 范 圍 水溫 0 20 pH值 6.7 7.1 TOC(mg/L) 8.4～10.7 9.2～13.3 CODMn(mg/L) 4.4～5.9 5.3～6.4 UV₂₅₄(cm^-1) 0.15～0.21 0.17～0.24

　　 試驗(yàn)結(jié)果見表2。

表2　兩種工藝對有機(jī)物的去除效果比較 方法 溫度(℃) TOC CODMn UV₂₅₄ 范圍(mg/L) 平均去除率(%) 范圍(mg/L) 平均去除率(%) 范圍(mg/L) 平均去除率(%) DAF工藝 0 6.2 ～7.5 36.68 3.1～3.7 33.27 0.12～0.17 20.23 20 7.3～10.2 28.47 4.3～4.9 25.74 0.13 ～0.19 22.53 沉淀工藝 0 6. 3～7.7 34.76 3.3～4.0 31.64 0.13～0.18 15.68 20 7.2～10.3 28.83 4.4～5.0 24.96 0.13 ～0.18 21.18

　　 從表2可見，在0℃和20℃時(shí)，兩種工藝對有機(jī)物的去除率均較低，對TOC和CODMn的處理效果相差無幾，而對UV₂₅₄的去除率在0℃時(shí)則相差了4.55%，這是由于兩種工藝的出水濁度不同所引起的，DAF出水濁度平均為5NTU,而沉淀池的出水濁度在1NTU左右。在20℃時(shí)，對UV254處理效率的差異降至1.35%，這也是由于二者出水濁度的差異變小所造成的。兩種工藝在0℃時(shí)對水中有機(jī)物的去除率高于20℃時(shí)，這是由于前續(xù)的混凝工藝采用了不同的投藥量所造成的。可見對有機(jī)物的去除效果取決于混凝工藝，而與DAF或沉淀等固液分離步驟關(guān)系不大，這與O‘Melia等的研究結(jié)果相符[3]。因此要想提高對水中有機(jī)物質(zhì)的去除效果，重點(diǎn)應(yīng)對混凝工藝進(jìn)行探討。?

3 結(jié)論

　　① 對于濁度＜100NTU的原水，DAF工藝要優(yōu)于常規(guī)的沉淀工藝，特別是對低溫、低濁水，其優(yōu)勢更為明顯。
　　② DAF工藝的反應(yīng)時(shí)間只需要5min就能獲得較高的處理效率，而對常規(guī)的沉淀工藝而言，至少需要20min的反應(yīng)時(shí)間才能較為充分地發(fā)揮沉淀工藝的沉淀能力。
　　③ 水中有機(jī)物質(zhì)的去除效果取決于混凝工藝，而與DAF或沉淀等固液分離步驟無關(guān)。?
　　④ 在我國北方城市新建低溫、低濁水質(zhì)的處理廠或?qū)σ延兴畯S進(jìn)行改造時(shí)，可優(yōu)先考慮采用氣浮工藝。

參考文獻(xiàn)：

　　[1]James P,Malley Jr,James K Edzwald.Laboratory comparison of DAF with conventional treatment[J].J AWWA,1991,83(6):56-61.
　　[2]嚴(yán)煦世,范瑾初.給水工程(第3版)[M].北京:中國建筑工業(yè)出版社,1995.
　　[3] O‘Melia C R，Grieves R B.Raw water quality,coagulant selection,and solid-liquid separation[M].Kansas City：AWWA Ann Conf,1987.

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　　收稿日期：2001-09-07