逆流共聚气浮水处理工艺研究

郭瑾珑1， 王毅力2， 李大鹏3， 汤鸿霄1
（1.中国科学院生态环境研究中心环境水化学国家重点实验室， 北京100085;
2.北京林业大学资源与环境学院， 北京 100083; 3.北京航空航天大学环境工程学院，北京?100083 )

　　摘　要： 逆流共聚气浮水处理工艺相对于传统的气浮、沉淀处理工艺有很大的优越性，一方面絮凝过程在逆流共聚气浮反应柱中进行，溶气回流水释放的微气泡参与到悬浮颗粒物的絮凝反应中而有助于形成体积质量小而结构牢固的絮体；另一方面反应柱中的微絮体在气泡的生成过程中充当了“核”的作用，有助于溶气水中气泡的迅速形成并提高气泡与絮体的碰撞粘附效率，同时反应柱中可形成稳定的气泡—絮体共聚悬浮层，有利于拦截随水流下行的絮体与上升的微气泡，提高了处理效率。
　　关键词：气浮；逆流共聚； 除浊
　　中图分类号： TU992
　　文献标识码： A
　　文章编号：1000-4602(2002)07-0012-05

Counter Current Co-Flocculation Flotation-New Water Treatment Method
GUO Jin?long1, WANG Yi?li2, LI Da?peng3, TANG Hong xiao1
(1.SKLEAC,Research Center for Eco-environmental Science,Chinese Academy of Scien ce,?Beijing 100085,China; 2.College of Natural Resource and Environment, Beijing Forest ?University,Beijing 100083,China; 3.School of Environment al Engineering,Beijing University of Aeronautics and Astronautics,Beijin g 100083,China)

　　Abstract：Counter current co-flocculation flotation (CCC-FF) for treatment of drinking wat er has quite a few advantages over the conventional air-flotation/sedimentation process.On one hand,the flocculation proceeds in CCC-FF tank,and then the micro- bubbles released from recycle water will take part in the flocculation of suspen ded particles,which contributes to the formation of low density but highly stabl e flocs.On the other hand,the micro-flocs function as “nucleus” during the bub ble formation from the recycle water,resulting in the formation of bubble in wat er and enhancement of the collision and adhesion rate between bubble and floc.Mo reover,bubble-floc aggregate will form blanket in certain part of the CCC-FF tan k,which will intercept efficiently the downward-flowing flocs and upward-flowing bubbles.?
　　Keywords:air-flotation; counter current co-flocculation flotation; turbidity removal

　　自从矿物浮选工艺被引入水处理工程以后，溶气气浮(DAF)也由最初的大容积、低负荷池型逐渐向集成、紧凑型发展，近年来不少研究者提出了紊流气浮的新概念，并进行了研究开 发与应用^［1］。结合紊流气浮的理论与应用，设计了一种逆流共聚气浮水处理工艺，并对其运行情况进行了研究。

1 试验材料与方法

1.1 设备与材料
　　用自来水(北京市第九水厂)与高岭土(北京朝阳旭东化工厂)混合配制成一定浊度的原水，水温为7～15℃，选用液体聚合铝(Al含量为2.57mmol/L，碱化度为70.90%)作絮凝剂，另有提升泵、投药泵、配水泵、在线浊度仪、非在线浊度仪、流动电流仪。　溶气回流水由压力溶气系统提供，并由溶气系统用空压机、离心泵将空气与自来水一起压入溶气罐，然后由管道输送至释放器减压释放，溶气罐的压力维持在380kPa。
　　流共聚气浮反应柱内径为184mm，有效高度为200cm，反应柱上每隔20cm打孔径为5cm 的圆孔，用活接头连接作为原水与回流水进水口和采样孔，溢渣槽内径为304cm，溶气回流水进口距反应柱底部为30cm。
1.2 工艺流程
　　逆流共聚气浮反应工艺流程如图1所示。

　　先配制一定浊度的原水，经提升泵进入逆流共聚气浮反应柱上方，将絮凝剂在提升泵的吸水口加入，溶气回流水在反应柱的底部通入，使两者逆向流动，水体中的悬浮颗粒物与气泡相互碰撞、絮凝长大并利用气泡的浮力上升到反应柱顶部，通过调节出水管的阀门可使生成的浮渣由溢渣槽排出，气浮反应柱中的气泡、颗粒物在原水与回流水的共同冲击下形成稳定的悬浮层并处于紊动状态，可有效拦截向上浮升的气泡与随水流下行的悬浮颗粒物，处理过的经流动电流仪、在线浊度仪检测后进入下一处理单元。

2 结果与讨论

2.1 理论分析
　　图2简要给出了逆流共聚气浮反应柱中不同部分所起的作用。

　　在整个反应柱内的气泡扰动增加了絮体之间的相互碰撞，同时气泡本身也充当了架桥作用。气泡—絮体共聚悬浮层拦截随水流下行的絮体颗粒，同时上升的气泡与悬浮层中的共聚体发生粘附，共聚体体积质量随粘附气泡数量的增加而降低，最终上浮到反应柱顶部被去除；穿透悬浮层的微小颗粒物随水流下行，与溶气回流水相遇后在气泡的形成中起到凝结核的作用，并随气泡上升到悬浮层中，这样就可使悬浮层不断更新。?
　　如上所述，气泡与絮体相互包裹长大生成的共聚体因体积质量较小而利于上浮，悬浮层中的絮体能够接触更多的气泡，同时对水质有一定缓冲作用，随着处理水量的增加，悬浮层向下移动直到出水水质超标。?
2.2 反应柱内浊度变化规律
　　距原水进水口的远近与反应柱内浊度变化的关系见图3(温度：14℃、回流比：15%、投药量：0.24mmol/L、水量：350L/h)。?
　　由图3可知，在柱内距原水进水口40～100cm段形成了气泡—絮体共聚悬浮层，此处浊度较高，絮体与气泡在此处进行充分的碰撞、粘附并长大。当距原水进水口超过100cm时柱内 浊度降低得很快，证明该段絮体含量已经很少，大部分絮体都被气泡—絮体共聚悬浮层截留 。?

　　反应柱中距原水进水口较近处的浊度有时超过原水的浊度，这主要是由于整个反应柱中的浊度物质都需经过上浮聚集在柱上部再溢流排出，故越靠近反应柱上部水中的浊度也越高，这样可使浮渣层大量拦截原水中的悬浮颗粒物，真正起到接触絮凝及拦截上浮物的作用。?
　　最低采样口在溶气回流水进口上部20cm处，水样浊度远高于出水浊度(出水浊度为4.65、2.82NTU，水样浊度为5.73、6.45 NTU)，说明溶气回流水释放处即气泡形成、长大部分还能对絮体进行很好的拦截。穿过悬浮层的微小颗粒随水流向下运动，在溶气释放器处充当了微小气泡形成过程中的“核”作用^［2、3］，溶气回流水中的溶解性气体以微小颗粒物为核长大、生成气泡后一起上升到悬浮层，最终上升到柱顶部被去除。?
2.3 絮凝剂投量对处理效果的影响
　　投药量与浊度去除率的关系见图4(温度：8℃、回流比：15%、水量：350L/h)。

　　由图4可以看出，当投药量为0.1mmol/L时浊度去除率基本稳定，随着投药量的增加去除率也有所提高，但是增幅不大，而且当投药量＜0.12mmol/L时处理出水水质恶化，当投药量＞1.57mmol/L时有较多的絮状沉淀物残留在出水中而增大了出水浊度。絮凝剂的加入能够压缩水中颗粒表面的双电层，使颗粒物发生有效碰撞并长大，而后与气泡相互粘附上浮去除，同时絮凝剂也能够起到架桥的作用，使颗粒物之间形成更快、更好的粘结，絮凝剂的水解产物还能够粘附、连接气泡及微絮体，使其生成相互包裹的共聚体而利于气浮。随着投药量的增加，絮凝剂的水解产物也增加并生成无定形氢氧化铝沉淀，在随粘附气泡上升的过程中发挥了卷扫网捕作用，有效地去除了水中的颗粒物质，因此在较大的投药量范围内都能够对水中的浊度进行很好的去除。当投药量过低时絮凝剂不能有效地压缩颗粒物双电层和影响颗粒物的长大过程，从而不能与气泡很好地粘附去除；而当投药量过高时大量的无定形氢氧化铝沉淀将会滞留在水溶液中导致出水浊度升高。?
　　尽管原水浊度不同，但流动电流值随投药量的变化趋势比较相似，这可能缘于颗粒物的部分表面位能优先与絮凝剂相互作用并因此影响颗粒物之间的碰撞效率，同时颗粒物与流动电流仪的测量探头发生作用时起主要作用的也是这些表面位电荷，即使原水浊度不同，流动电流随投药量的变化趋势也比较相似。?
2.4 回流水与原水口间距对除浊的影响
　　图5给出了两进水口间距对浊度去除的效果(温度：8℃、回流比：15%、原水浊度：26.64 NTU、水量：350L/h)。?

　　图5表明，两进水口间距对浊度去除有较大影响。在整个试验范围内随着两者间距的增加浊度去除率升高，这主要是由于气泡与微絮体相互结合形成共聚体，共聚体在两个进水口间形成悬浮层，该悬浮层对向上浮升的气泡与向下流动的悬浮颗粒有拦截作用。随着两个进水口间距的增加，气泡与絮体相互作用的距离也增加，即气泡—絮体共聚悬浮层的厚度增加，这样就能够更好地对向下流动的微絮体进行拦截，同时对做上升运动的气泡进行最大程度的利用。?
　　如果两个进水口间距很小则悬浮层不能很好地形成并保持稳定。首先，由于原水有一定的流速，对悬浮层有一定的冲击破坏作用；其次，由于悬浮层厚度较薄，即使气泡能够与脱稳颗粒物相互絮凝生成共聚体，共聚体也会很快浮升到反应柱顶部，从而影响悬浮层的稳定；再次，一部分脱稳颗粒物来不及与气泡作用就随水流走，不能够有效上浮，从而影响去除效果。?
　　浊度去除效果随两进水口间距的变化也可以从流动电流的变化中反映出来。随着两者间距的增加流动电流值升高，当两进水口间距＞80cm时流动电流值较稳定，证明在此范围内悬浮颗粒物与絮凝剂能够得到很好的混合并生成一定尺度的较为稳定的絮体，有利于气浮去除。 ?
2.5 处理水量对浊度去除的影响
　　 图6是处理水量与浊度去除效果的关系(温度：7℃、回流比：10%、投药量：0.16mmol/L) 。?

　　由图6可以看出，随着处理水量的增加浊度去除率一直降低，尤其是当处理水量达到500L/h 时，去除效率更是急剧下降。通过与平流式气浮池的对比可知［4］，逆流共聚气浮水处理工艺的进水量在200～400L/h范围都是可行的(除浊率为75%～85%)。当处理水量过大时向下的水流会扰动、破坏共聚体悬浮层，而且会由于大量的微气泡随水流向下流出反应柱而不能发挥其粘附颗粒物的功能，所以除浊效果将受到很大影响。?
2.6 回流比对浊度去除的影响
　　回流比对除浊效果的影响见图7(温度：12℃、投药量：0.16mmol/L、水量：350L/h)。?

　　由图7可以看出，当回流比为8%时即可达到较为稳定的除浊效果。随着回流比的降低，处理水水质急剧变差，当回流比达到5%时柱内水质严重恶化，柱底部有大颗粒絮体沉降，其主要原因是当回流比过小时气泡不足以粘附生成的絮体上升，气泡—微絮体生成的共聚悬浮层遭到破坏，而且由于絮体已经长大，其本身也不容易通过上浮去除，所以会随着水流流向柱底部，导致处理水水质恶化。

3 结论

　　逆流共聚气浮工艺的絮凝—气浮单元的停留时间为6～11min，该工艺的处理水量为9～16m³/(m²·h)，处理效果稳定时的回流比为8%～15%，溶气回流水与原水进口间距≥120cm，对应不同原水浊度聚合铝投量为5～15mg/L(以Al₂O₃计)就可达到较稳定的去 除效果，相对于传统的气浮或者沉淀工艺，其主要优点如下：?
　　① 逆流共聚气浮水处理工艺中絮凝剂与原水在输水管线中混合，絮凝过程在逆流共聚气浮反应柱中进行，回流水释放的微气泡参与到了悬浮颗粒物的絮凝反应中有助于形成体积质量较小、结构较牢固的絮体；另外，反应柱中的微絮体在气泡的生成过程中充当了“核”的作用，有助于溶气水中气泡的形成，并提高了气泡与絮体的粘附、碰撞效率。?
　　② 在逆流共聚气浮反应柱中形成了气泡—絮体共聚悬浮层，随着进水的冲击、共聚体的上浮去除，该悬浮层得到不断的更新并维持稳定，悬浮层的形成有助于拦截随水流下行的絮体与上升的微气泡，可获得最优的去除效果与利用效率。?
　　③ 絮凝、气浮两个单元操作都在逆流共聚气浮反应柱中完成，节省了占地面积、基建费用，缩短了水力停留时间。?
　　④ 气泡絮体共聚悬浮层位于原水进水口下方40cm处，悬浮层及处理效率的稳定需要约15min的时间，工艺系统启动、稳定较快，同时由于水力停留时间较短，流动电流对浊度变化的响应更快，从而有利于实现系统的自动化控制。

参考文献：

　　［1］ Kiuru H J.Development of dissolved air flotation technology from the first generation to the newest (third) one (DAF in turbulent flow conditions)［J］.Water Science and Technology，2001,43(8):1-7.
　　［2］ Jones S F,Evans G M,Galvin K P.The cycle of bubble production from a gas cavity in a supersaturated solution［J］.Advances in Colloid and Interface Science，1999,80:51-84.
　　［3］Jones S F,Evans G M,Galvin K P.The cycle of bubble production from a gas cavity in a supersaturated solution［J］.Advances in Colloid and Interface Science，1999,80:27-50.
　　［4］许保玖，安鼎年.给水处理理论与设计［M］.北京:中国建筑工业出版社，1992.

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　　作者简介： 郭瑾珑(1976- ), 男, 河北石家庄人，博士研究生, 研究方向为水质净化技术与科学。
　　电　　话：(010)62849144 82682352 13681159369
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　　收稿日期：2002-03-13