壓力溶氣氣浮工藝在給水處理中的發(fā)展與應(yīng)用

劉浩然 孫海平 張剛 劉宏遠(yuǎn)

1浙江工業(yè)大學(xué)建筑與土木工程學(xué)院 浙江 杭州 310012 2浙江嘉源環(huán)境集團(tuán)有限公司 浙江 嘉興 314001

1、前言

給水處理的目的是對(duì)地表或地下水體進(jìn)行技術(shù)加工，使最終出水水質(zhì)符合生活或工業(yè)用水標(biāo)準(zhǔn)。與污水處理相比，水的使用用途，水中雜質(zhì)的種類(lèi)和濃度以及處理要求均不同。常規(guī)的給水處理工藝包括混凝、沉淀、過(guò)濾、消毒等。當(dāng)處理高藻水或低溫低濁水時(shí)，沉淀工藝對(duì)水中細(xì)小顆粒的去除能力降低，凈水廠(chǎng)通常采用投加粘土或強(qiáng)化混凝的方法提高出水水質(zhì)，增加了成本。采用DAF工藝可高效處理此類(lèi)水體，近年來(lái)人們致力于該工藝對(duì)給水處理方面的研究與應(yīng)用，用它來(lái)代替沉淀工藝。

2、DAF工藝的基本理論

2.1 運(yùn)行原理與過(guò)程

溶有飽和空氣的壓力水由于壓力釋放會(huì)溶出大量微氣泡。這些微氣泡與混凝后的絮體顆粒結(jié)合，易上浮去除，達(dá)到凈水目的，此為DAF工藝的工作原理。DAF池被分為接觸區(qū)和分離區(qū)。運(yùn)行時(shí)，空氣和回流水（一般為DAF池出水）進(jìn)入壓力溶氣罐內(nèi)充分接觸，溶有飽和空氣的壓力水通過(guò)釋放器從罐內(nèi)進(jìn)入接觸區(qū)并產(chǎn)生微氣泡；上升的微氣泡與絮體顆粒發(fā)生碰撞、吸附作用后共同流至分離區(qū)；在分離區(qū)內(nèi)，微氣泡-絮體聚合物上浮至水面由排泥系統(tǒng)除去，澄清水從池體下部從出水管流出。

2.2 接觸區(qū)微氣泡與絮體的反應(yīng)模型

2.2.1 白水層過(guò)濾模型

白水層過(guò)濾模型認(rèn)為接觸區(qū)水流流態(tài)為層流。接觸區(qū)內(nèi)的微氣泡類(lèi)似于砂濾池中的濾料，絮體顆粒在上向流過(guò)程中被攔截、碰撞、吸附在微氣泡表面，故攔截為主導(dǎo)作用。因此，微氣泡的直徑與接觸區(qū)反應(yīng)效率呈負(fù)相關(guān)關(guān)系，而微氣泡的體積濃度，上升速率與接觸區(qū)反應(yīng)效率呈正相關(guān)關(guān)系。實(shí)際生產(chǎn)中，一般通過(guò)增大溶氣罐壓力和溶氣量來(lái)提高接觸區(qū)反應(yīng)效率，優(yōu)化工藝處理效果。

2.2.2 群體平衡模型

群體平衡模型認(rèn)為在實(shí)際運(yùn)行時(shí)，接觸區(qū)水流流態(tài)為紊流。微氣泡與絮體顆粒的相互作用類(lèi)似于異相絮凝。微氣泡通過(guò)紊流擴(kuò)散與絮體顆粒發(fā)生碰撞，故碰撞為主導(dǎo)作用。模型表明，微氣泡和絮體顆粒的濃度、尺寸、性質(zhì)對(duì)接觸區(qū)反應(yīng)效率產(chǎn)生影響，認(rèn)為當(dāng)兩者尺寸相當(dāng)時(shí)，反應(yīng)效率最大。實(shí)際生產(chǎn)中，DAF工藝對(duì)絮體尺寸要求不大（50μm）。因此，所需混凝劑藥量也較小。

2.3 分離區(qū)水流流動(dòng)模型

常規(guī)的DAF池的分離區(qū)設(shè)計(jì)和沉淀池類(lèi)似，都基于斯托克斯定律。理想的分離區(qū)水流流動(dòng)模型為活塞流（水流垂直向下流動(dòng)）。而當(dāng)水流流速大于微氣泡-絮體聚合物上升速度時(shí)，水流會(huì)呈現(xiàn)先水平流后下向流的分層流動(dòng)現(xiàn)象。這一現(xiàn)象的發(fā)現(xiàn)對(duì)提高水力負(fù)荷方面意義較大，有益于高速DAF工藝的發(fā)展研究。

3、工藝運(yùn)行條件與處理效果

3.1 原水適用條件

DAF工藝對(duì)原水水質(zhì)有一定要求，適用于處理富營(yíng)養(yǎng)化以及低溫低濁水。以原水濁度為例，濁度被分為礦物濁度（粘土顆粒為濁度主要影響因素）和非礦物濁度（藻顆粒為濁度主要影響因素）。DAF工藝適用于處理濁度在5～10NTU的原水。當(dāng)原水濁度在10～100NTU時(shí)，該工藝更適用于處理非礦物濁度原水（如水庫(kù)水）。實(shí)際生產(chǎn)中，最大濁度上限可達(dá)200NTU。

3.2 工藝處理效果

DAF工藝對(duì)藻類(lèi)和原生動(dòng)物等污染物的處理效果顯著，除藻效率可達(dá)八至九成，對(duì)“兩蟲(chóng)”的去除率可達(dá)九成以上。此外，該工藝對(duì)含氮、碳消毒副產(chǎn)物的去除效果也較優(yōu)。由此可見(jiàn)，DAF工藝處理低密度污染物的能力較強(qiáng)。這主要是因?yàn)樵擃?lèi)物質(zhì)由于自身低密度的特性，與微氣泡結(jié)合后的聚合物密度更低，更易于上浮去除。

4、最新研究進(jìn)展

4.1 高速DAF工藝

21世紀(jì)初，高速DAF工藝在全球范圍內(nèi)得到研究與發(fā)展，其水力負(fù)荷較常規(guī)工藝大兩倍以上，所需絮凝時(shí)間可降低至5分鐘，占地面積更小，投資成本更低。兩者設(shè)計(jì)參數(shù)相似，主要區(qū)別在于高速DAF工藝由于極高的水力負(fù)荷，微氣泡易被水流帶至底部出水管，影響出水水質(zhì)，需要加設(shè)氣泡去除設(shè)備。在分離區(qū)底部設(shè)置特制的集水裝置（穿孔板），可有效控制出流水中微氣泡的數(shù)量。

4.2 正電荷DAF工藝

改變氣泡性質(zhì)的起泡劑被廣泛應(yīng)用于礦物浮選和污水處理領(lǐng)域。給水處理中通過(guò)投加起泡劑改變微氣泡的表面電荷，可減少混凝劑藥量甚至無(wú)需投加混凝劑。研究發(fā)現(xiàn)，在不投加混凝劑的情況下，正電荷DAF工藝對(duì)藻類(lèi)的去除率依然可達(dá)八成以上。此外，在一定的鋁離子濃度和pH條件下，通過(guò)電凝聚也可直接產(chǎn)生正電荷微氣泡，提供了不加藥劑產(chǎn)生正電荷微氣泡的可能。

4.3 DAF-膜組合處理工藝

由于DAF工藝獨(dú)特的運(yùn)作機(jī)理和強(qiáng)大的去污能力，與膜的組合處理工藝成為近幾年給水處理的研究熱點(diǎn)。DAF工藝可以高效去除原水中的有機(jī)物，降低后置超濾膜結(jié)垢的風(fēng)險(xiǎn)；作為海水淡化RO膜系統(tǒng)的前處理系統(tǒng)，可去除藻類(lèi)、油類(lèi)等物質(zhì)，防止RO膜污染。此外，河流治理領(lǐng)域中的DAF-膜一體化設(shè)備為這兩種工藝的組合提供了新的思路。該設(shè)備中，微濾膜被放置在分離區(qū)的底部，水流可直接進(jìn)入膜系統(tǒng)，大大減少了全系統(tǒng)的體積。

5 結(jié)語(yǔ)

DAF工藝應(yīng)用于給水處理領(lǐng)域已長(zhǎng)達(dá)數(shù)十年，特別適用于處理富營(yíng)養(yǎng)化以及低溫低濁水。DAF池占地面積小，所需藥量少，符合我國(guó)可持續(xù)發(fā)展的要求。根據(jù)各地區(qū)特殊的原水水質(zhì)狀況對(duì)工藝進(jìn)行合理的調(diào)整與優(yōu)化，是我國(guó)現(xiàn)階段發(fā)展DAF工藝需要克服的難題。此外，新型的DAF工藝以及與膜的組合處理工藝將獲得更廣泛的研究與應(yīng)用。