DAF工藝在華南地區(qū)某低濁高藻水源水廠的工程實(shí)踐

黃鶴俊， 汪 琳， 吳 斌， 王旭晨

(珠海水務(wù)環(huán)境控股集團(tuán)有限公司，廣東珠海519000)

近年來(lái)，隨著人類活動(dòng)的不斷增強(qiáng)，湖泊、水庫(kù)富營(yíng)養(yǎng)化問(wèn)題日益突出，富營(yíng)養(yǎng)化導(dǎo)致藍(lán)藻水華頻繁發(fā)生，我國(guó)已經(jīng)成為世界上藍(lán)藻水華暴發(fā)最嚴(yán)重的國(guó)家之一[1]。為應(yīng)對(duì)藻類問(wèn)題對(duì)給水處理工藝的影響，我國(guó)在以水庫(kù)、湖泊等地表水為原水的多個(gè)水廠中陸續(xù)應(yīng)用了氣浮工藝[2]。該工藝是一種常用的固液分離方式，運(yùn)行時(shí)將微氣泡發(fā)生系統(tǒng)產(chǎn)生的微氣泡通入待處理的水中，使微氣泡與水體中的絮體顆粒物碰撞、粘附，并形成密度較小的氣泡-顆粒聚集體(夾氣絮體)，夾氣絮體在浮力的作用下，上浮到水體表面形成穩(wěn)定的浮渣層，并最終伴隨浮渣層的去除從水體中分離。氣浮分離技術(shù)按照微氣泡發(fā)生方式的不同，主要分為3種工藝形式：散氣氣浮(dispersed air flotation)、電解氣浮(electrolytic flotation)與加壓溶氣氣浮(dissolved air flotation，DAF)[3]，其中加壓溶氣氣浮工藝廣泛應(yīng)用于飲用水處理領(lǐng)域[4]。研究表明，氣浮凈水技術(shù)在應(yīng)對(duì)低濁、高藻水處理中顯示了獨(dú)有的優(yōu)勢(shì)[5-8]。多個(gè)應(yīng)用案例實(shí)踐表明，氣浮工藝適用于處理腐殖質(zhì)含量較高或天然色度較高、富營(yíng)養(yǎng)化、藻含量較高、濁度較低甚至是低溫低濁原水[9-11]。為有效應(yīng)對(duì)低濁高藻原水問(wèn)題，在珠海市T水廠升級(jí)改造工程中增設(shè)溶氣氣浮(DAF)工藝設(shè)施。

1 水廠概況與原水水質(zhì)

T水廠現(xiàn)有規(guī)模為12×104m3/d，采用混凝、沉淀、過(guò)濾和消毒常規(guī)凈水工藝，原水取自F水庫(kù)。

按照《地表水環(huán)境質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)》(GB 3838—2002)，F(xiàn)水庫(kù)水質(zhì)總體上穩(wěn)定達(dá)到Ⅱ類水標(biāo)準(zhǔn)。原水水質(zhì)的主要特征為：濁度低，多數(shù)時(shí)間(80%以上)為2～6 NTU，最高僅23 NTU；藻類含量高，常年藻類均值在107個(gè)/L級(jí)別以上，最高含量達(dá)到2.76×108個(gè)/L。表1為2015—2016年原水水質(zhì)的相關(guān)監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)。

2 存在的問(wèn)題與改造工藝選擇

原工藝流程的機(jī)械攪拌澄清池除藻效果差，濁度去除效率低，以致濾池反沖洗周期大大縮短，個(gè)別時(shí)段甚至造成濾床堵塞、板結(jié)。

為解決上述工藝問(wèn)題，在T水廠進(jìn)行了氣浮工藝處理水庫(kù)水中試研究。結(jié)果表明：水廠原絮凝、沉淀、過(guò)濾、消毒工藝對(duì)藻類去除效率較低，沉淀工藝無(wú)法有效處理該低濁度原水，而氣浮工藝則能對(duì)這些指標(biāo)進(jìn)行有效去除。氣浮工藝對(duì)藻類的去除率可達(dá)到83%左右，使水中藻類含量從107個(gè)/L以上降至106個(gè)/L以下；氣浮出水濁度穩(wěn)定在1.0 NTU以下。通過(guò)中試并結(jié)合T水廠原處理工藝，決定在T水廠增設(shè)氣浮工藝，代替原沉淀工藝。

表1 原水水質(zhì)

3 溶氣氣浮工藝設(shè)計(jì)

氣浮凈水工藝的成功基本上取決于以下主要的連續(xù)步驟：①原水混凝，通過(guò)添加正確品類和劑量的化學(xué)品(如混凝劑等)來(lái)完成；②絮凝，形成粒徑范圍恰當(dāng)?shù)男跄w，以浮選分離(要求絮凝體粒徑范圍低于沉降技術(shù)所需的絮凝體尺寸范圍)；③微氣泡產(chǎn)生，這是通過(guò)高壓飽和室(注入加壓循環(huán)水和壓縮空氣)來(lái)完成的，高壓飽和室與安裝在接觸區(qū)開(kāi)始處的特殊噴嘴相連接，導(dǎo)致飽和水流壓力突然下降，從而產(chǎn)生空氣微泡云(氣泡大小通常在10 ～ 100 μm之間)；④將飽和水混入絮凝水中，促進(jìn)微氣泡與絮凝體結(jié)構(gòu)碰撞粘附，形成團(tuán)簇，即含有多個(gè)微氣泡附著的絮凝體[12]。

改造后T水廠采用機(jī)械混合網(wǎng)格絮凝氣浮工藝，機(jī)械混合池、網(wǎng)格絮凝池、氣浮池三池合建。進(jìn)水經(jīng)配水渠進(jìn)入機(jī)械混合池，混合時(shí)間為30 s，攪拌G值取500～1 000 s-1，機(jī)械混合池出水進(jìn)入網(wǎng)格絮凝池。絮凝池豎井流速、過(guò)網(wǎng)及過(guò)孔流速按遞減設(shè)計(jì)，前段豎井和中段豎井流速為0.14～0.12 m/s，末段豎井流速為0.12～0.10 m/s，前段過(guò)網(wǎng)流速為0.30～0.25 m/s，中段過(guò)柵流速為0.25～0.22 m/s，末段不設(shè)網(wǎng)格，網(wǎng)格絮凝池絮凝時(shí)間設(shè)為19.9 min，有效水深為5.4 m。

網(wǎng)格絮凝池出水經(jīng)過(guò)渡區(qū)均勻配水進(jìn)入氣浮池，氣浮池共4組，每組分2格，單組尺寸L×B×H=19.5 m×19.9 m×3.8 m，有效水深為2.7 m，接觸室上升流速為19.0 mm/s，停留時(shí)間為140 s。分離室表面負(fù)荷為4.46 m3/(m2·h)，停留時(shí)間為36.29 min，氣浮池回流比為10%。每格氣浮池內(nèi)設(shè)1臺(tái)行車(chē)式刮渣機(jī)，定期刮渣。

在反沖洗泵房一側(cè)新建氣浮氣源設(shè)備間，放置氣浮設(shè)備和氣源設(shè)備。氣浮系統(tǒng)主要設(shè)備為離心清水泵4臺(tái)，2用2備，流量Q=300 m3/h，揚(yáng)程H=50 m，功率P=75 kW；空壓機(jī)4臺(tái)，2用2備，流量Q=2.0 m3/min，工作壓力為0.8 MPa，功率P=11 kW；儲(chǔ)氣罐2個(gè)，體積V=3 m3，直徑D=1.2 m，壓力為1.0 MPa；溶氣罐2個(gè)，體積V=8 m3，直徑D=1.6 m，壓力為1.0 MPa。氣源系統(tǒng)主要設(shè)備為空壓機(jī)2臺(tái)，1用1備，流量Q=2.4 m3/min，工作壓力為0.8 MPa，功率P=15 kW；干燥器2臺(tái)，1用1備，流量Q=2.4 m3/min，壓力為1.0 MPa，功率P=1 kW；儲(chǔ)氣罐1個(gè)，體積V=6 m3，直徑D=1.4 m。

4 溶氣氣浮工藝設(shè)備選型與注意事項(xiàng)

常規(guī)的溶氣氣浮系統(tǒng)由加壓溶氣系統(tǒng)、溶氣釋氣系統(tǒng)和固液分離系統(tǒng)三部分組成，主要設(shè)備有壓力溶氣罐、回流增壓水泵、空氣壓縮機(jī)、溶氣釋放器、刮渣機(jī)等。

4.1 加壓溶氣系統(tǒng)

加壓溶氣裝置也稱為加壓空氣飽和裝置，包括回流增壓水泵、空氣壓縮機(jī)(或射流器)、壓力溶氣罐以及其他附屬設(shè)備。溶氣系統(tǒng)占?xì)飧∵^(guò)程能量消耗的50%[13]，優(yōu)化溶氣系統(tǒng)的設(shè)計(jì)對(duì)減小氣浮運(yùn)行成本至關(guān)重要[14]。反映溶氣系統(tǒng)水平的是溶氣罐的溶氣效率及容積負(fù)荷率，國(guó)外一般均按溶氣水在罐中停留3～5 min來(lái)設(shè)計(jì)罐的容積。為了提高溶氣效率，各國(guó)都趨向于采用填料罐。國(guó)內(nèi)通過(guò)對(duì)溶氣罐的系統(tǒng)研究，已取得如下成果：①填料罐系統(tǒng)的溶氣效率一般比空罐系統(tǒng)提高20%～40%；②證實(shí)了液膜阻力控制溶氣速率，要提高溶氣效率必須使液相分散得越細(xì)、越薄、湍流越劇烈，但從節(jié)能角度考慮，又不允許過(guò)大的阻力損失，階梯環(huán)填料較好地滿足以上條件，在水溫20℃時(shí)溶氣效率可達(dá)90%，水溫30℃時(shí)可達(dá)99%；③溶氣罐中低水位優(yōu)于高水位，這是由于分散度高的液體與空氣接觸時(shí)間較長(zhǎng)的緣故；④空氣進(jìn)口的位置(上與下)與方式(管口、小孔、微孔板)，對(duì)填料溶氣罐的溶氣效率幾無(wú)影響；⑤未溶空氣不排放，不會(huì)影響溶氣罐的溶氣量，也不會(huì)影響氣浮效果，如此可實(shí)行空壓機(jī)間斷供氣，使壓縮空氣100%被利用，既節(jié)省電耗，又延長(zhǎng)了設(shè)備使用壽命。

T水廠壓力溶氣罐由主罐體、填料、進(jìn)水氣動(dòng)閥、進(jìn)氣氣動(dòng)閥、出水氣動(dòng)閥、放空閥和其它附件(水位計(jì)、視鏡、壓力表、浮球液位控制器、壓力傳感器、磁浮子翻板液位計(jì)、安全閥、釋放閥等)組成。氣浮池共4組，每組分2格，每組設(shè)置1臺(tái)溶氣罐，容積為6 m3，直徑為1.5 m，高度為4.5 m，壓力為1.0 MPa；罐體內(nèi)填料采用聚丙烯階梯環(huán)，填充高度為1.2 m，過(guò)流密度為150～3 000 m3/(m2·d)，工作壓力為0.25～0.50 MPa。罐體采用厚度大于3 mm的SS304不銹鋼板折板、焊接加工而成，罐體上下封頭整體壓制。壓力溶氣罐采用不排放未溶空氣的運(yùn)行方式，以達(dá)到節(jié)省空壓機(jī)電耗、縮短連續(xù)運(yùn)行時(shí)間、延長(zhǎng)空壓機(jī)壽命的目的。空氣壓縮機(jī)必須選用無(wú)油空壓機(jī)，以防止對(duì)水造成污染。

T水廠原溶氣系統(tǒng)回流水取自氣浮池出水，經(jīng)過(guò)一段時(shí)間的運(yùn)行后發(fā)現(xiàn)該進(jìn)水管上的過(guò)濾器堵塞頻繁，影響溶氣罐的過(guò)流密度。改用濾池出水作為回流水后情況好轉(zhuǎn)，故新廠設(shè)計(jì)或有條件的老廠改建時(shí)建議考慮以濾池出水作為溶氣回流水，并在進(jìn)入釋放器之前的管線中設(shè)置濾網(wǎng)，既防止管道中的鐵銹堵塞釋放器，又可減少濾網(wǎng)清洗次數(shù)[15]。壓力溶氣罐一般采用Q235鋼板或不銹鋼板卷焊而成，在壓力下的空氣飽和水是一種極具腐蝕性的混合物，如果使用低碳鋼制造壓力溶氣罐，應(yīng)采用耐腐蝕襯里加以防護(hù)，建議直接選用不銹鋼材質(zhì)。

4.2 溶氣釋氣系統(tǒng)

溶氣釋放裝置由溶氣釋放器和溶氣水管路組成，其作用是對(duì)溶氣罐內(nèi)的溶氣水進(jìn)行減壓，使溶氣水中的氣體以微氣泡的形式釋放出來(lái)，并使微氣泡能夠快速、均勻地附著在待處理水中顆粒物質(zhì)的表面。溶氣釋放器是整個(gè)氣浮工藝的關(guān)鍵設(shè)備，它關(guān)系到釋氣率的大小、氣泡尺寸大小及氣泡分布的均勻性，直接影響氣浮凈水效果和日常運(yùn)行能耗。目前國(guó)內(nèi)外采用不同類型的釋放器，有簡(jiǎn)單閥門(mén)式、針型閥式以及專用釋放器，后者屬于專利技術(shù)。

國(guó)內(nèi)氣浮工藝多采用TJ型和TV型溶氣釋放器。TJ型的工作原理是當(dāng)壓力溶氣水通過(guò)該釋放器內(nèi)孔盒時(shí)，因流態(tài)驟變和急劇消能，氣泡在減壓條件下瞬間充分地釋放。在釋放器堵塞時(shí)，可以通過(guò)從上接口抽真空，提起器內(nèi)舌簧，清除堵塞的雜質(zhì)。TV型克服了TJ型布水不均勻、需要水射器才能使舌簧提起的缺點(diǎn)，采用圓盤(pán)徑向全方位釋放，與水的接觸條件更佳。當(dāng)釋放器堵塞時(shí)，接通壓縮空氣，即可使下盤(pán)體向下移動(dòng)，增大盤(pán)間水流通道，使堵塞物排出。為防止釋放器腐蝕，影響處理效果，一般采用全不銹鋼材質(zhì)。研究表明，效果好的溶氣釋放器需要實(shí)現(xiàn)：釋放器內(nèi)部流道方向的突然變化，沿流動(dòng)路徑存在撞擊面；釋放器下游存在直接的撞擊面；流道末端存在錐形截面，用來(lái)減小流動(dòng)水和靜止水之間的速度差[16]。

T水廠氣浮工藝采用TV-Ⅲ型溶氣釋放器，304不銹鋼材質(zhì)，每格池設(shè)14個(gè)，每個(gè)釋放器的釋放水量Q=5.18 m3/h。帶有反沖洗裝置，打開(kāi)沖洗氣閥，接通壓縮空氣氣源，通過(guò)壓縮空氣將釋放裝置的兩盤(pán)片推開(kāi)，再利用溶氣水將溶氣釋放裝置內(nèi)的堵塞物沖洗干凈。溶氣釋放器清洗周期為3個(gè)月，運(yùn)行2年未發(fā)生堵塞現(xiàn)象。

4.3 固液分離系統(tǒng)

水廠中氣浮的固液分離裝置就是氣浮池體，是將氣泡與水中的懸浮物、膠體、大部分有機(jī)物等分離的場(chǎng)所。一般由接觸區(qū)、分離區(qū)、集渣槽、刮渣機(jī)、集水管、水位控制器等組成，它反映了浮渣與清水的分離效果、分離速度(表面負(fù)荷率)和基建投資費(fèi)用。在飲用水處理中，氣浮池一般為矩形池。除了上述基本池型外，還有許多組合氣浮池，例如高效并流斜板沉淀-氣浮過(guò)濾池、氣浮斜管沉淀池、氣浮絮凝池和氣浮移動(dòng)罩濾池等。

影響氣浮分離系統(tǒng)技術(shù)性能的因素頗多，主要有以下幾個(gè)方面[13,17]：

① 應(yīng)提供絮凝水與回流水的良好混合條件，絮凝水中的絮粒進(jìn)入接觸區(qū)時(shí)，不因水流條件的變化打碎絮粒。

② 合理地布置釋放器，使釋氣水的作用范圍遍及全區(qū)，能充分、及時(shí)地使微氣泡與絮粒接觸。

③ 控制絮凝水的上升流速，避免短流、偏流，一般接觸區(qū)保持Re=2 500～5 000紊流態(tài)，以便微氣泡與絮粒能有足夠機(jī)會(huì)進(jìn)行多點(diǎn)接觸，不致在上浮過(guò)程中被水流剪脫已粘附的氣泡而影響后續(xù)分離效果。

④ 進(jìn)入分離區(qū)的絮凝水應(yīng)均勻分布在分離區(qū)的整個(gè)寬度上，以避免水力干擾。

⑤ 分離區(qū)通常配備一個(gè)擋板，將氣泡團(tuán)聚體導(dǎo)向分離區(qū)表面。擋板通常以一定角度(大約與水平面成60°)布置，以降低分離區(qū)入口段中絮凝水的速度，避免干擾積聚在分離區(qū)表面的浮渣層。擋板頂部和分離區(qū)中的液體表面之間應(yīng)提供足夠的空間，以確保速度不會(huì)增加，從而導(dǎo)致浮渣層的破壞。

⑥ 選擇分離速度時(shí)，應(yīng)有利于帶氣絮粒上浮。因此，對(duì)于絮粒大、密度小、不易破碎的帶氣絮粒一般采用較大的分離速度；對(duì)于濃度大、浮渣多的，在固液分離時(shí)形成“擁擠上浮”現(xiàn)象的應(yīng)取小值。

⑦ 應(yīng)避免分離區(qū)短流、局部滯流、碰壁回流等不良現(xiàn)象的出現(xiàn)。

積聚在分離區(qū)表面的浮渣可通過(guò)水力排渣或機(jī)械刮渣去除。水力排渣是將分離區(qū)中的水位提高到足以使浮渣和水溢流到浮渣收集槽中，其優(yōu)點(diǎn)是設(shè)備成本低，對(duì)處理后的水質(zhì)影響較小，缺點(diǎn)是耗水量高和污泥含固率低(小于0.2%)。為獲得更高的污泥含固率，氣浮池推薦采用機(jī)械方式撇除浮渣，一般有行車(chē)式、繩索牽引式和鏈條牽引式刮渣機(jī)，需關(guān)注刮渣設(shè)備的材質(zhì)選擇和安裝精度，避免運(yùn)行故障?！妒彝饨o水設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)》(GB 50013—2018) 規(guī)定：刮渣機(jī)的行車(chē)速度不宜大于5 m/min，以避免浮渣因擾動(dòng)劇烈而落下，影響出水水質(zhì)。

5 溶氣氣浮工藝的運(yùn)行效果

T水廠使用液態(tài)聚合氯化鋁(PAC，10% Al2O3含量)作為混凝劑，單位投加量為15～20 mg/L，混合絮凝前投加0.5 mg/L臭氧進(jìn)行預(yù)氧化處理，預(yù)臭氧接觸時(shí)間為5.9 min。對(duì)改造前后的藻類、濁度進(jìn)行監(jiān)測(cè)對(duì)比，對(duì)改造后氣浮池進(jìn)出水CODMn、氨氮、嗅味物質(zhì)等進(jìn)行檢測(cè)分析。

5.1 藻類去除效果

如圖1所示，檢測(cè)期間原水藻類在(2 439～4 590)×104個(gè)/L，原機(jī)械攪拌澄清池藻類去除效果不佳，氣浮池出水藻類則降低至(77～830)×104個(gè)/L，出水含藻量大幅度下降，平均去除率達(dá)到92.16%，實(shí)現(xiàn)了對(duì)低濁高藻水的有效處理。

圖1 改造前澄清池與改造后氣浮池出水藻類對(duì)比

5.2 濁度去除效果

原水濁度常年穩(wěn)定在2～6 NTU，原機(jī)械攪拌澄清池對(duì)此類低濁高藻原水濁度去除效果不佳，平均去除率僅為50%左右；改用氣浮工藝后，出水濁度穩(wěn)定在1.0 NTU以下，水質(zhì)較好時(shí)能穩(wěn)定低于0.5 NTU，平均去除率達(dá)到82.96%以上，見(jiàn)圖2。

圖2 改造前澄清池與改造后氣浮池出水濁度對(duì)比

5.3 CODMn去除效果

檢測(cè)期間原水CODMn平均濃度在1.93～3.12 mg/L之間，氣浮工藝對(duì)CODMn的去除效果不明顯且不夠穩(wěn)定，CODMn去除率為2.54%～38.46%，見(jiàn)圖3。

圖3 氣浮池進(jìn)出水CODMn

5.4 氨氮去除效果

檢測(cè)期間原水氨氮平均濃度在0.24～0.36 mg/L之間，氣浮工藝對(duì)氨氮去除效果不明顯，氨氮去除率為8.33%～17.65%，見(jiàn)圖4。

圖4 氣浮池進(jìn)出水氨氮

5.5 嗅味物質(zhì)去除效果

藻類污染除影響過(guò)濾工藝外，還會(huì)產(chǎn)生嗅味化合物，其中土臭素和2-甲基異莰醇是兩種最常見(jiàn)且難以去除的嗅味化合物。由于這兩種化合物分子均為飽和環(huán)叔醇結(jié)構(gòu)，所以抗化學(xué)氧化性很強(qiáng)，難以被現(xiàn)有常規(guī)水處理工藝去除。檢測(cè)期間原水土臭素濃度在4.64～5.98 ng/L，2-甲基異莰醇濃度在24.9～61.5 ng/L。

從圖5可以看出，氣浮池對(duì)土臭素和2-甲基異莰醇均有一定的去除效果，但表現(xiàn)并不穩(wěn)定，對(duì)土臭素的去除率為16.67%～44.98%，對(duì)2-甲基異莰醇的去除率為16.18%～61.88%。由于原水2-甲基異莰醇濃度較高，若僅靠氣浮處理，難以保證出水嗅味等級(jí)達(dá)標(biāo)，需后續(xù)增加生物活性炭等深度處理工藝。

圖5 氣浮池進(jìn)出水土臭素和2-MIB

6 結(jié)語(yǔ)與展望

① 為應(yīng)對(duì)低濁高藻原水對(duì)水處理工藝造成的不利影響，在珠海T水廠升級(jí)改造工程中增設(shè)溶氣氣浮(DAF)工藝設(shè)施。運(yùn)行數(shù)據(jù)表明，氣浮工藝能對(duì)珠海地區(qū)高藻原水進(jìn)行有效處理，藻類去除率達(dá)到90%以上，濁度去除效果亦較為理想，絮凝效果良好時(shí)氣浮出水濁度穩(wěn)定低于1.0 NTU，能有效緩解和應(yīng)對(duì)低濁高藻原水對(duì)水廠處理工藝的影響，對(duì)同類水處理工藝的選型具有借鑒意義。

② 目前國(guó)內(nèi)的氣浮設(shè)備產(chǎn)品規(guī)格參差不齊，缺少統(tǒng)一的行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)，尤其針對(duì)給水氣浮的標(biāo)準(zhǔn)更是稀少。希望國(guó)內(nèi)同行在加快氣浮工藝研究的同時(shí)，盡快實(shí)現(xiàn)給水氣浮設(shè)備標(biāo)準(zhǔn)化、模塊化、國(guó)產(chǎn)化、智能化[18]。同時(shí)，為全面深入推廣此項(xiàng)工藝，還需對(duì)相關(guān)技術(shù)加以完善和提高，可重點(diǎn)放在以下四個(gè)方面：一是高效溶氣釋放器的研發(fā)制造與氣泡的進(jìn)一步微細(xì)化、均布化；二是直接切割氣體制造微氣泡，改變傳統(tǒng)升壓再降壓的耗能模式；三是分離區(qū)固液分離系統(tǒng)的優(yōu)化布置；四是研發(fā)適用于給水氣浮工藝的混凝劑和助凝劑。相信在國(guó)內(nèi)科研人員和工程技術(shù)人員的共同努力下，氣浮工藝技術(shù)能在未來(lái)發(fā)展得更加節(jié)能、高效、經(jīng)濟(jì)、適用。