溶气气浮工艺处理低浊研究

何 华 王毅力 朱文芳
北京市自来水公司

　　一 前言

　　近年来，随着人们生活水平的提高，对水质标准提出了更高的要求，于是低浊水的处理问题成为当今世界给水处理的难点和重点之一。气浮法在水处理领域是近年来颇受国内外学者关注的一项高效、快速的固液分离技术。自从本世纪七十年代以来，该技术得到迅速的发展。到目前为止，已经广泛地应用于给水的净化，尤其是过去较难解决的低温、低浊、高藻水的处理。
　　气浮可以说是一种策略分离过程，在该过程中，气泡粘附于固体颗粒的气泡一颗粒复合体的表现密度小于水的密度，从而使此复合体易于上浮至水面。根据不同的气泡产生方式，可以把气浮过程分为电解（凝聚）气浮、布气气浮和溶气气浮。压力溶气气浮是应用最广泛的处理过程。

　　二 试验装置与流程

　　试验采用的絮凝——气浮工艺系统装置包括混凝池、絮凝池、气浮池等有机玻璃池体，采用机械搅拌，溶气系统包括不锈钢压力溶气罐、空压机，释气系统为MJ、仿MJ型释放器。采用HACH公司的172OC型低量程在线浊度仪进行进水温度的在线监测；投药单元为SCD投药自动控制系统，流动电流控制器采用Chemtrac Systems Inc.的SCC3000XR型流动电流控制仪器，投药泵采用Cole-Parmer Instrument Co.的7523-3型数字式变速蠕动泵，电远种自动控制接口。

　　实验系统流程如图1所示，原水经进水管流入混合池进行投药快速混合，一部分进入三级机械搅拌絮凝反应池，另一部分分流为流动电流供水或排入集水渠。絮凝反应后的水流入气浮池接触区与释放器出的气泡混合反应，继而进入气浮池分离区，气泡絮粒的聚集体上浮为浮渣层，清水流经集水管流出。原水和出水均分流至在线浊度仪监测浊度。溶气释气系统是将空气压机、回流水由离心泵同时打入溶气罐，然后经由管道至释放器减压释放。

　　三 试验结果与讨论

　　1、 凝聚的水力条件

　　通过对混合强度和时间对絮凝气浮除浊效果的研究表明，对于PAC和AS两种絮凝剂，从图2、3可以看出，随着混合程度的增大，除浊率总体上呈下降趋势；其中PAC的规律较为明显，而AS较差，PAC变化范围在9%以内，AS变化范围在14%以内；表明了混合阶段对除浊效果有一定的影响，而且这些图均表明PAC的曲线比AS的波动小，表明了PAC作为絮凝气浮的药剂比AS合适；从图表可以看出，PAC为絮凝剂时，搅拌时间越短，效果越好，曲线规律明显，其中15s的混合时间最佳，并与其它时间相差较大；而AS为絮凝剂时，15S的混合时间最差，但是在30S以上的其余三个停留时间的区别不是很大，这可能表明AS的混合时间至少要大于30S；以上区别是由于PAC和AS的絮凝机理不同所致，PAC为预制的高分子混凝剂，混和于水中，不需水解其高聚产物即可与原水中的颗粒进行扩散吸附反应，所以在混合过程中即同时发生压缩双电层、吸附电中和等作用；而AS为AI（Ⅲ）离子，混合于水中，除了在混合过程中发生压缩双电层、吸附电中和等作用外，还要进行水解反应，AI（Ⅲ）离子和水解生成的低取产物与原水中颗粒物的吸附反应进行的较慢，因而发生压缩双电层、吸附电中的等作用需要稍长的时间。
　　2、絮凝的水力条件
　　传统上讲，气浮对絮凝的要求较低，但从气泡——絮体复合体形成机理看，对于低浊水，气泡需与絮体在碰撞中粘附，适当的絮体体积对气浮过程是有利的。絮体何种过大或过小都会影响气浮处理效果。而絮体体积大小由絮凝搅拌强度和停留时间决定。据图4可以看出，对于实验范围内的4种停留时间，浊度去除率随着搅拌强度的增大基本呈上升趋势至稳定：浊度去除率的降低点的总平均G值时间，浊度去除率随着搅拌强度的增大基本呈上升趋势至稳定：浊度去除率的降低点的总平均G值在较长的停留时间明有所滞后；并且随着停留时间的减少浊度去除率逐渐下降，平均G小于70S^-1时和大于140S^-1时这种差别较大，而在上述两G值之间这种差别变小，可以认为以PAC为絮凝剂时搅拌强度在50--140s^-1较为合适，总停留时间不小于450s（7.5min）为佳。

　　3、DAF的水力负何的研究实验
　　实验中，对于以PAC、AS絮凝剂，接触室负荷（接触室停留时间）的变化对絮凝气浮除浊效果的影响趋势相近，均是在实验范围内随着接触室负荷的增大（接触室停留时间的减小）除浊率逐渐下降。其原因有二，（A）：接触室负荷的增大（接触室停留时间的减小），意味着气泡和絮体接触而进行异相絮凝反应的时间减少，从而不利于使接触絮凝反应进行充分，最终影响到气浮的除浊效果。（B）：接触室负荷的增大（接触室停留时间减小），使得接触室中水流的率流程度发生变化，率流扰动的不利影响愈来愈强，不利于气泡和絮体之间进行反应形成稳定的气泡絮体聚集体，或者打碎了已形成的聚集体，从而降低了气浮的出水质量。由图5可见，接触室负荷在20.00～60.00m³/m².hr之间（停留时间在1.5～4.0min）变化时，PAC为絮凝剂时除浊率变化范围为20%左右，而AS为絮凝剂时除浊率变化范围为12%左右。由此可见，气浮接触区的水力条件和停留时间对絮凝气浮的除浊效果有较大的影响。这与传统气浮他设计表面负荷不宜小于7.2m³/m².hr矛盾。另外实验中发现，当保持接触时间相同，分离时间对除浊效果的影响不显著。

　　4、气泡大小对气浮尺寸的影响
　　根据Stocks的公式：

　　U=（1/18）.g/μ（ρ^s-ρ）d²

　　式中：U——颗粒沉速
　　　　　g——重力加速度
　　　　　μ——水的动力粘滞系数
　　　　　ρ^s-ρ——颗粒及水的密度
　　　　　d——球形颗粒的特征直径
　　如果颗粒能沾附足够数量的气泡，使其表现密度小于水的密度，则密度差（ρs-ρ）为负值，即沉速为负，这表明颗粒——气泡的聚集体能被俘托至水面。因此，形成一定微细度和稳定不灭的气泡十分重要。大气泡具有很高的上升速率，当它与絮体将要接触时，气泡巨大的惯性撞击力不仅不能使气泡很好地与絮体粘附，反而将造成严重的率乱，剪切并撞碎絮体。气泡尺度小，每单位何种的释气可产生更多的气泡，从而增大了气泡与絮体之间的碰撞机率，然而小气泡上升速度慢，反而增大了气浮池的尺寸，增加了基建费用，如图6。在实际应用中，气泡直径为10-120μm，平均直径为40μm。

　　从表1的实验结果可见，如果不考虑气浮池刮渣时的影响，气浮池分离区长度为1m时，深度仅为0.6m即可，远无小于气浮池设计中有效深度1.5--2.0m。

表1 分离区深度对浊度去除率的影响 分离区深度（m） 0.6 1.0 1.5 1.8 浊度去除率 74.1 72.5 76.6 75.4

　　5、释放器、压力、回流比的选择
　　选择有效的释放器是必需的，它是决定浮处理效果的因素之一。释放器应能突然间降低压力，并能产生高度的紊流。当然，过高的气流速度会打碎已有的絮体，降低气浮处理效果。
　　气浮处理效果还与释气量的大小有关，释气量大，出水浊度低，去除率高。释气量的大小又由压力和回流比决定。对于低浊水所需释气量的大小仅与所需处理的水量有关，而与水中的固体悬浮物的大小无关。
　　由于在0--30℃和200-800KPa的温度和压力范围内，氮气和氧气均遵循享利定律：
　　　P=H·X 　　　　　　　（2）
　　气体在水中的溶解度可由下式求出：
　　C^溶=M·X （3）
　　由公试（2）、（3）可以求导出回流比、压力、所需释气量的关系如下：
　　R=（C_需/C_溶）=（C_需·H)/(M·P) （4）
　　式中：P——气体在液相中的分压
　　　　　X——液相中该气体的摩尔分数
　　　　　H——享利定律常数
　　　　　M——气体的平均分子量
　　　　　C_溶—气体在水中的溶解度
　　　　　C_需—所需的释气量
　　　　　R——回流比
　　6、气浮对浊度去除效果的影响
　　1）水厂源水高浊方式变化
　　由于水库存排洪水厂源水浊度突然升高到近100NTU，此时气浮实验系统的进、出水浊度状竞争中图7所示。此时，投药量增大到10.9mgAL₂O₃/L，出水浊度可以降低到期0.5NTU以下，由此可见溶气气浮处理有很好的耐冲击能力。

　　2）配制水的浊度变化
　　为验证气浮系统对浊度升高的适应情况，应用高岭土配制水进行系列实验。各级浊度由1NTU逐步增加到88NTU，投药量也相应增大。其中一级举例如图8所示，源水浊度为16--21NTU的处理效果，投药量达到3mg/L时，出水浊度可降至3NTU以下，浊度去除率仍在85%以上。
　　各组的汇总结果按浊度去除率如图9所示，图中小于1.5NTU和73--88NTU两组源水是水厂正常的和突发的水源水，其他各组是不同浊度的高岭配制水。从浊度去除率来看，当投药量达到3mg/L时，去除率达到75%以上；当投药量达到4mg/L时，去除率达到80--85%。当然，它们的出水浊度是各不相同的，随源水浊度的升高，出水浊度也升高。如果加大投药量，气浮池出水浊度仍能降到0.5NTU以下。

　　7、气浮对藻类去除效果的影响
　　含有藻类的源水在溶气气浮系统中的去除效果见表2所列。实验时，源水为正常的低浊度，流量为2.0m³/小时。絮凝剂PAC投药量为1.58mgAL₂O₃/L。由表可见，水源水中的藻类含量是很低的，经过处理后，也有显著的去除，说明溶气气浮法对去除藻类有较高的效能。

表2 去除藻类的效果 水质指标 进水 出水 浊度（NTU） 1.64 0.72 水温（℃） 14.0 14.6 PH 7.6 7.6 碱度（mg/L) 133 133 需氧量（（mg/L)） 1.80 1.45 硅藻（10⁴/L） 14.11 0.59 绿藻（10⁴/L） 2.94 0.59 蓝藻（10⁴/L） 2.35 0 金藻（10⁴/L） 10.58 0 角藻（10⁴/L） 1.18 0 黄藻（10⁴/L） 1.76 0

注：检验单位——第九水厂水质股

　　四、结论

　　比重和水接近的颗粒、藻类不易下沉，但在水中通入大量微小的气泡，可使气泡粘附在颗粒上，使颗粒快速上浮，因此，溶气气浮工艺比絮凝沉淀工艺对低浊水及含藻水有很好的处理效果，且药剂耗量小。

参考文献

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