城鎮(zhèn)供水氣浮設備應用現(xiàn)狀及存在問題分析

王永磊 鞠玲 田立平 宋武昌 賈瑞寶

（1山東建筑大學市政與環(huán)境工程學院 山東濟南 250100 2濰坊市市政公用事業(yè)服務中心 山東濰坊 261041 3山東省城市供排水水質(zhì)監(jiān)測中心 山東濟南 250100）

隨著我國城鎮(zhèn)化進程的不斷發(fā)展，城鎮(zhèn)居民對高質(zhì)量飲用水的穩(wěn)定供應也提出了越來越高的要求，對供水關(guān)鍵材料設備的需求也日益增大。氣浮作為供水關(guān)鍵設備，可以向水中通入大量微小氣泡，實現(xiàn)固、液分離，具有自動化程度高、占地面積小、除藻效率高等特點［1］。為了高效節(jié)能無污染的凈化飲用水水質(zhì)，在處理工藝中開始逐漸將氣浮引入其中。我國最早將氣浮技術(shù)引入給水處理工藝中的是武漢東湖水廠，用氣浮代替沉淀，有效緩解了高藻時期藻類難處理的問題，使藻類的去除率達80%以上，成為我國用氣浮處理含藻水典型的工程實例［2］。隨后，國內(nèi)其他地區(qū)又相繼將氣浮技術(shù)應用在凈水工程中，濰坊白浪河水廠、珠海三灶水廠、中山市南頭一水廠、濟南玉清水廠、濟南南郊水廠等都取得了比較好的處理效果［3-5］。

盡管氣浮在水處理中得到了較廣泛的應用，但目前國內(nèi)的氣浮設備產(chǎn)品規(guī)格參差不齊，缺少統(tǒng)一的行業(yè)標準，尤其針對給水氣浮的標準更是稀少。為實現(xiàn)氣浮設備標準化、模塊化、國產(chǎn)化、智能化，對國內(nèi)部分氣浮設備的使用及生產(chǎn)進行調(diào)研，總結(jié)我國國內(nèi)氣浮設備產(chǎn)品生產(chǎn)及使用現(xiàn)狀，分析目前存在的問題及解決對策，對氣浮設備材料未來的發(fā)展趨勢進行引導，加強企業(yè)對薄弱性能環(huán)節(jié)的提升，為產(chǎn)品生產(chǎn)及應用標準化奠定基礎(chǔ)。

1 氣浮設備發(fā)展現(xiàn)狀

氣浮凈水起初是應用在礦選業(yè)，采用加壓溶氣氣浮方法，隨著氣浮技術(shù)應用的領(lǐng)域越來越廣泛，氣浮設備類型也逐漸豐富，主要分為溶氣氣浮設備［6］、散氣氣浮設備［7］、離子氣浮設備［8］、淺層氣浮設備［9］、電解氣浮設備［10］等。 目前在國內(nèi)外給水氣浮中應用最廣泛的是加壓溶氣氣?。?1-12］。溶氣氣浮設備能夠產(chǎn)生數(shù)量較多、氣泡微細、粒度均勻、密集度大、上浮穩(wěn)定的微氣泡［13］，氣泡粒徑微小，對液體的流動狀態(tài)影響較小、除濁除藻效能明顯，設備操作簡單，易于維護和管理。作為典型的氣浮處理設備，我國的天津芥園水廠采用溶氣氣浮工藝除藻，進水量50萬m3/d，葉綠素去除率達90%，濁度小于0.4 NTU，出水水質(zhì)良好，成為使用國內(nèi)氣浮技術(shù)的大型給水廠中的典型示范［14］；資陽市二水廠應用溶氣氣浮除藻工藝進行改造，藻類平均去除率達到92.5%［15］；深圳寶安區(qū)的長流陂水廠采用淺層氣浮工藝進行除藻工作，藻類去除率達80%以上，排渣含水率高達99.3%，處理效果明顯，可以代替?zhèn)鹘y(tǒng)的混凝沉淀工藝［16］。

1.1 氣浮設備生產(chǎn)應用現(xiàn)狀

常規(guī)的加壓溶氣氣浮設備是由加壓溶氣裝置、溶氣釋氣裝置和固液分離裝置三部分組合而成。加壓溶氣裝置也稱為加壓空氣飽和裝置，包括溶氣泵、空氣壓縮機（或射流器）、壓力溶氣罐以及其他附屬設備；溶氣釋放裝置是由溶氣釋放器和溶氣水管路組成；氣浮池是進行固液分離過程的池體，是將氣泡與水中的懸浮物、膠體、大部分有機物等分離的場所。通過對各類組合設備的生產(chǎn)企業(yè)進行調(diào)研，發(fā)現(xiàn)我國各類氣浮設備生產(chǎn)企業(yè)在山東、江蘇、上海及浙江等省市分布較多。結(jié)合對各企業(yè)產(chǎn)品參數(shù)的調(diào)研結(jié)果，分析氣浮設備在給水廠適用的工況條件，并總結(jié)分析各產(chǎn)品的基本狀況。

（1）加壓溶氣裝置。在實際工藝運行過程中，利用溶氣泵高速旋轉(zhuǎn)的葉輪將回流水和氣體充分混合攪拌后與利用空氣壓縮機加壓的空氣一同以一定的壓力送至溶氣罐，溶氣泵和空壓機的工作壓力與溶氣罐的工作壓力相聯(lián)系。通過對國內(nèi)運行比較良好的水廠進行調(diào)研發(fā)現(xiàn)，大多數(shù)水廠的溶氣壓力維持在 0.3～0.4 MPa［15，17-18］，Yong 等也通過實驗發(fā)現(xiàn)當溶氣罐壓力從330 kPa升至550 kPa時，溶氣效率從83%升至91%［19］。溶氣罐有多種形式，但是目前應用最多的是噴淋式填料溶氣罐，這種溶氣罐的溶氣效率與無填料的相比高出約30%［20-21］。王廣豐等通過實驗發(fā)現(xiàn)，在溶氣過程中設法保證溶氣罐中新鮮氣體的含量，不僅能使溶氣系數(shù)提高10%，而且還能減少約10%的能耗［22］。因此，填料溶氣罐借助其能耗低、溶氣效率高的優(yōu)勢在氣浮水廠中得到了廣泛應用。

（2）溶氣釋放裝置。釋放器的作用是對溶氣罐內(nèi)的溶氣水減壓，使溶氣水中的氣體以微氣泡的形式釋放出來，能夠快速、均勻地附著在水中顆粒物質(zhì)的表面。對于溶氣釋放器，目前采用較多的來自東湖水廠和同濟大學生產(chǎn)的產(chǎn)品，即TS型、TJ型及TV型溶氣釋放器，其中TS型除用于試驗性裝置外，在生產(chǎn)上已很少采用［21］。釋放器噴嘴的尺寸對微氣泡的直徑大小的影響遠大于溶氣壓力對氣泡直徑的影響，王晨等對TS型釋放器進行研究，在圓盤縫隙尺寸為3 mm時生成的粒徑小于50 μm的氣泡較穩(wěn)定［23］；Kim等通過實驗研究發(fā)現(xiàn)，在壓力值一定的情況下，使用噴嘴尺寸為0.6 mm的釋放器時，處理效率最高，且在噴嘴尺寸為0.6 mm及以下時，微氣泡尺寸和流速隨噴嘴尺寸的減小而減小［24］。這些試驗研究在實際工程應用中對釋放器類型和尺寸的選擇有較大的參考意義。

（3）固液分離裝置。氣浮池是由絮凝室、氣泡接觸室、分離室三部分組成。早期的氣浮池屬于淺池形式，表面負荷較低，且要求進水流速盡量穩(wěn)定；到了二三代的氣浮池，表面負荷量逐漸增加，加大了池深，減小了占地面積，氣浮池底部設有穿孔集水管，便于收集和排出水中的沉淀物質(zhì)。溶氣氣浮機是采用新型高效的溶氣設備代替?zhèn)鹘y(tǒng)的引起設備向水中溶氣，包括箱體、刮渣機、螺旋出料機等，共同組成一個完整的氣浮凈水裝置。根據(jù)長期的水廠工藝運行經(jīng)驗發(fā)現(xiàn)，傳統(tǒng)的分離室內(nèi)部布水不均勻，導致出水僅靠近池邊出口附近的集水管，使得這部分穿孔集水管易堵塞。為解決這一問題，法國的得利滿公司設計出一種AquaDAF高速氣浮池（見圖1），在分離室內(nèi)設置預制集水板，底部設有三層穿孔集水板，能夠避免短流，更好地實現(xiàn)流量分配，呈現(xiàn)更一致的垂直流，使出水更均勻，固液分離效率更高；省去集水管，減少了因管道堵塞造成出水水質(zhì)不佳的情況［25］。這一設計在我國貴州清鎮(zhèn)東郊水廠、澳門陸環(huán)水廠及澳門MSR水廠等都已應用，并取得了很好的處理效果。

在實際應用過程中，氣浮通過與沉淀池相結(jié)合形成浮沉池［26］、與過濾相結(jié)合形成浮濾池［27］等多種形式，在充分發(fā)揮氣浮工藝高效分離作用的同時與其他工藝構(gòu)筑物進行合建，不僅減少了基建投資和運行成本，而且充分發(fā)揮各工藝的優(yōu)勢，出水水質(zhì)較好。目前我國城鎮(zhèn)給水中應用氣浮設備的部分用戶分布情況及信息見圖2。

由圖2可見，我國應用氣浮設備的給水廠大多分布在沿海沿河流域，其中以黃河流域居多，占全國總比例的40%，長江流域約占32%，海河流域約占13%，淮河流域約占7%，珠江流域約占7%，其他流域約占1%，這也表示出在低溫低濁高藻流域，氣浮的應用更為廣泛［28］。

1.2 產(chǎn)品發(fā)展趨勢

由于傳統(tǒng)的溶氣氣?。―AF）工藝中氣泡對水中細小懸浮物的附著捕捉效率不高，夾氣絮體不穩(wěn)定等問題常有發(fā)生，鑒于傳統(tǒng)溶氣氣浮裝置還有很大的優(yōu)化空間，許多專家學者在考慮實際運行功效的前提下對溶氣氣浮工藝進行改進優(yōu)化。Wang等研發(fā)一種將逆向流與同向流集成一體進行工作的氣浮工藝，顯著改善了傳統(tǒng)DAF工藝黏附效率低，絮體不穩(wěn)定等問題［29］；陳為民等使用旋渦氣液混合泵代替空氣壓縮機、溶氣罐、釋放器和溶氣泵，不但減少了占地面積和能源消耗，還利用發(fā)散漸擴式的釋放口出水，使溶氣水消能減壓分配均勻，并解決了釋放器易堵塞等問題［30］；江華水處理設備公司引進的多相流泵可以直接溶解空氣，省去了空氣壓縮機、溶氣罐等設備，氣泡在池內(nèi)更均勻地分布，同時也減少了能耗損失［31］。麥斯特公司生產(chǎn)的CQJ型淺層離子氣浮設備是將淺層氣浮與離子氣浮相結(jié)合，產(chǎn)生的微氣泡直徑極小，密度極大，而且不需要凝聚成很大的礬花，故可以大大降低絮凝劑的投加量，一些情況下甚至可以不施加，從而降低藥物的消耗。加壓溶氣設備作為環(huán)保型產(chǎn)品，未來應該朝著高自動化控制、低能耗損失、集成簡約高效的方向發(fā)展，提高出水水質(zhì)。

1.3 產(chǎn)業(yè)效能分析

從國內(nèi)的氣浮設備生產(chǎn)企業(yè)中進行調(diào)研，得到部分廠家信息，見圖3。從調(diào)研結(jié)果我們可以看出，各企業(yè)規(guī)模的大小與職工人數(shù)、生產(chǎn)規(guī)模有著很大聯(lián)系，企業(yè)規(guī)模越大，職工人數(shù)越多，生產(chǎn)規(guī)模也越大；各設備企業(yè)生產(chǎn)規(guī)模也以中小型的居多，且大部分是以國內(nèi)銷售為主，出口銷售為輔，這從側(cè)面說明我國的氣浮設備生產(chǎn)廠商在國際上也占有一席之地；產(chǎn)品價格整體較為適中。整個企業(yè)的分布也是處于我國東部沿海地區(qū)，該地區(qū)交通便利，經(jīng)濟較為發(fā)達，也有利于各企業(yè)擴大生產(chǎn)規(guī)模，增強企業(yè)國際影響力，更好的發(fā)揮品牌效益。

2 目前存在的問題

通過對當前氣浮生產(chǎn)及應用市場進行調(diào)查，收集了大量氣浮設備產(chǎn)品的設備參數(shù)信息及用戶體驗情況，了解到目前的應用市場存在以下4方面的問題。

2.1 生產(chǎn)企業(yè)實力弱

從圖3可以看出，國內(nèi)的氣浮設備生產(chǎn)企業(yè)規(guī)模大小不一，且以中小型為主，規(guī)模較小，企業(yè)對市場的抗風險能力偏弱，對產(chǎn)品的創(chuàng)新能力偏弱，進而品牌競爭力相對較弱；產(chǎn)品價格也不穩(wěn)定，企業(yè)門檻偏低，任何具備一定能力的廠家均可生產(chǎn)，雖然產(chǎn)品出廠均需符合各種標準規(guī)范的要求，但是產(chǎn)品質(zhì)量不穩(wěn)定，導致設備使用年限及條件也不同，難以管理；產(chǎn)品價格可低至千元，市場出現(xiàn)盲目低價競爭、忽視產(chǎn)品質(zhì)量的現(xiàn)象。

2.2 用戶運行維護質(zhì)量差

由于氣浮產(chǎn)品質(zhì)量參差不齊，水廠前期設計沒有考慮周到，運行經(jīng)驗不足，導致水廠運行效果不佳；水廠的進水負荷波動較大，設備運行緩沖力度不夠，以及釋放器堵塞和回流水管道不及時清理，對后續(xù)設備影響較大，設備的故障率和老化率升高；氣浮系統(tǒng)運行時電耗約為0.026元/m3，藥耗約為0.025元/m3，總運行費用約為0.05元/m3，氣浮工藝相對于沉淀工藝，電耗高 17%～21%，總能耗高 7%～8%［32］，所以氣浮工藝整體運行成本較高，對用戶來說經(jīng)濟性不強。

2.3 標準化體系不完善

通過對現(xiàn)有規(guī)范進行搜集整理，發(fā)現(xiàn)用于氣浮技術(shù)的規(guī)范和標準并不多，僅有的氣浮規(guī)范也多是專注于環(huán)保和污水氣浮處理領(lǐng)域，專門針對給水氣浮技術(shù)的規(guī)范更是匱乏，且各類標準并不系統(tǒng)，缺少統(tǒng)一的標準規(guī)定。

2.4 設備整體技術(shù)水平較低

釋放器易堵塞，TS型溶氣釋放器的壓力釋放機構(gòu)是固定或半固定的，間隙很小，而且在氣浮池運行初期，水質(zhì)雜質(zhì)較多，管道銹蝕等均易造成釋放器堵塞；各季節(jié)進水量不同導致工藝回流量不穩(wěn)定，起伏較大，影響氣泡的尺寸和處理效果；氣浮系統(tǒng)閑置期保護不當，溶氣罐和管道內(nèi)壁易腐蝕；空壓機啟閉頻繁易損壞等。

3 總結(jié)

（1）氣浮設備生產(chǎn)企業(yè)主要分布在華東地區(qū)，約占70%；華南地區(qū)，約占12%，華北地區(qū)約占8%；西南等其他地區(qū)約占10%；山東諸城和江蘇無錫、宜興等地的氣浮設備生產(chǎn)企業(yè)數(shù)量最多。大部分企業(yè)以國內(nèi)銷售為主、出口銷售為輔。

（2）通過對氣浮水廠調(diào)研，大部分水廠采用溶氣壓力為0.3～0.4 MPa，回流比為10%的參數(shù)值，根據(jù)《室外給水設計標準》（GB 50013—2018）中規(guī)定，應根據(jù)原水氣浮試驗情況或參照相似條件下的運行經(jīng)驗確定，溶氣壓力可采用0.2～0.4 MPa，回流比一般宜為5%～10%，所以從上表看來大部分水廠還是滿足國家設計標準的要求。

（3）由于調(diào)查范圍有限，樣本量較小，不具有典型代表性。在今后的研究中，應該細化氣浮處理的水質(zhì)條件，對各種氣浮技術(shù)的應用進行更加詳細的調(diào)查和總結(jié)。