气浮法用于水厂改造及工程实例介绍

杨开

　　摘要：本文以两个工程实例，具体地介绍了用气浮工艺改造采用混凝-沉淀-过滤工艺水厂的技术方法及效果。工程实践表明，气浮工艺用于水厂改造，具有实用性强，应用面广、投资少、见效快等特点，可作为处理微污染江河饮用水的一种备选方法。对于缓解由于水源污染而造成的处理难度，改善供水水质，降低制水成本，具有普遍的意义和较高的应用价值。

1 前言

　　众所周知，气浮法由于分离效率高，并兼有向水中充氧曝气的作用，所以特别适用于处理低温、低浊、高藻、高色和受有机物污染的原水。工程应用及研究均表明，除分离无机及有机悬浮物外，气浮法对于水中溶解性有机物也有一定的去除效果。
　　实际上，即使是在含沙量较大的江河水或混凝良好的水中，也还存同样适于为气浮法所去除的小沉速颗粒。更何况随着国内水环境受到日益严重的污染，许多河水兼有了江河水与湖、塘、水库水的水质特征，如含藻量增多、色臭味加重、并呈现季节性变化，增加了混凝-沉淀-过滤工艺的处理难度。因此，将气浮工艺引入传统水处理流程中，可充分发挥气浮法与沉淀法各自的特点，以期获得较好的处理效果。
　　气浮法用于水厂的改造，主要有三种形式：
　　1. 简单地将沉淀池改为气浮池；
　　2. 将沉淀池改为可切换交替运行的沉浮池；
　　3. 将滤池改为气浮滤池。
　　第一种方式虽可有效改善低温、低浊、高藻、高色和受有机物污染原水的处理效果，但不适应高浊期水质；第二种方式可根据原水水质，随时将沉浮池切换为沉淀池或气浮池使用，对原水水质有较强的适应性；第三种方式通过将滤池改造为气浮滤池，形成混凝-沉淀-气浮-过滤处理流程，进一步增强了对水质变化的适应性，可有效地改善处理效果。
　　本文主要以笔者完成的两项工程实例，介绍后两种改造方式。

2 实例一：气浮滤池

　　河南省某水厂建于1990年，取沙河水（属淮河流域），处理流程为：

　　原水–穿孔旋流絮凝池–斜管沉淀池–虹吸滤池–液氯消毒–管网

　　原设计流量２万吨／日，改造时实际平均日供水量为２.５万吨，高峰期超过３万吨，已处于超负荷运行状态。由于沙河上游工业废水排放增多，水源污染状况日趋严重，极大地干扰了水厂的正常运行。主要表现在：
　　①枯水期沙河水中污水（由上游排放）所占比例偏大，水质（有机）污染严重，历时较长，加之此时原水水质多处于低温低浊期，原有水处理工艺对此很不适应。
　　近期统计资料表明，低温低浊期一般在１－３月，原水浊度9-17 度，色度为20－30度，出水分别为3-7NTU和20－25度，采用人工加泥的方法后，分别为1-4度和8-13度；污染（同时也是枯水）期一般在3，4，5，11，12月，原水浊度约20度，色度40－50，臭和味高达5级，处理后分别为5-8度、25－35度和4级，人工加泥后水质有所提高。原水年平均浊度约25－100度，出厂水一般大于5NTU。
　　②在７、８月高浊期，水中泥沙含量大，浊度最高达30000度，沉淀池浊度负荷过高，大量絮凝体溢流入滤池，堵塞滤料，此时出水水质虽有保证，但过滤周期缩短，处理系统整体性能难以正常发挥；
　　③由于水中存在大量的营养物质，春、夏季节水中藻类和其他浮游生物增多，腥味极重。镜检表明，藻类以丝藻、硅藻、绿藻和蓝藻（主要是鞘丝藻和鱼腥藻）居多。同时，水生物还在滤料表面繁殖，使过滤周期大为缩短，滤池冲洗频繁，难以洗净。而不良的冲洗又降低了滤池的过滤能力，形成恶性循环，使制水成本增加。
　　1995年初，在小试的基础上，通过将原虹吸滤池的６个滤格均改造为气浮式虹吸滤池，实现了混凝沉淀－气浮过滤的新工艺，流程如下：

　　因为采用的是分流式压力溶气气浮系统，所以未增加滤池的水量负荷，亦即无论气浮单元投入运行与否，滤速均未改变，同时，也无须增设新的处理构筑物。
　　气浮单元的运行方式非常灵活，可通过将气浮单元投入或撤出水处理系统，或调节溶气水回流比的大小等方法，控制滤前水质，以适应原水水质的变化，降低制水成本。因此，非常适用于季节性多变的水源水质，增强系统整体抗冲击负荷的能力。
　　改造完成后，在不同的溶气水回流比、投矾量及原水水质条件下，共进行了７个过滤周期的测试，表中所列为各周期平均水质、运行操作指标、以及采用气浮滤池后制水成本降低值。其中，滤池周期以滤后水浊度超过3度为限，溶气水压力控制在0.32-0.36MPa。表中，沉淀水、过滤水和气滤水分别表示沉淀池、滤池和气浮滤池出水。试验期间，从第４个周期（４号样）起，天气转晴，气温升高，同时，上游工业废水排放量增大，致使原水水质变坏，有机物污染程度及藻类总数显著增加。
　　由表１可见，各样本气滤后水水质指标均明显优于过滤水，同时制水成本也大为下降。分析试验所测结果，影响出水水质及水处理系统整体性能的因素主要有：
　　①悬浮物尺度：与常规气浮系统不同，本试验气浮单元进水不是平缓地由反应池引入，而是经管渠系统而来，其中的悬浮物是破碎细小的矾花。所以，气滤池表面大量浮渣的形成，说明水中悬浮颗粒的大小不是影响气浮效果的主要因素；
　　②回流比：因为溶气水取自沉淀水，所以确切地说，溶气水与处理水量之比应称为“分流比”，但为便于理解，在此还是按习惯称其为回流比。
　　回流比在很大程度上控制着气滤水的水质。５，６，７样本中均含回流比相异的两组气浮过滤水测试结果。比较各对照组可见，回流比增加后，过滤周期延长很多。如与５号样，回流比由７％增至１０％后，过滤周期由２小时延至 8.5小时。
　　增加回流比还可降低投矾量。如２号样与３号样的原水水质差别不大，当回流比由10.5％增到12％，对应投矾量由4.10mg/l降至1.70mg/l后，气滤池周期仅缩短18％，而滤池则缩短39％。

　　除沉淀水水质外，影响回流比的主要因素是滤速。对比现行《室外给水设计规范》（BGJ13-86）规定，气浮池向下流速一般采用5.40－9.00 m/h，回流比为5-10％，溶气压力为0.2-0.4MPa。而本试验中，一般在回流比大于10％的条件下，才能保证气滤水水质以及足够长的过滤周期。其原因除正处于高污染、高藻期外，滤速（等于气浮池向下流速）过大（11-12 m/h)是一个主要原因。过大的滤速一方面减少了气泡释放与浮升的时间，同时会在滤料层中产生气阻现象。另一方面浮渣层由于缺乏足够多的气泡顶托，也不易稳定。再由于气滤池改建施工上的原因，难以保证待滤水与溶气水的均匀分布与有效接触，也使回流比增加。
　　因为试验期间正处于用城市供水紧张期，水厂清水池的水位总是处于低线，所以不宜减产进行试验，以求得较低滤速条件下的最优回流比。但从几次单池短时降流的实际观测所见，在同样的回流比条件下，浮渣层的厚度、密度及稳定性明显增加。
　　实际上，对回流比的大小应作全面衡量。从实效上看，降低回流比的目的无非是希望节省气浮系统动力费用，降低制水成本。由表２可见，尽管高的回流比增加了气浮动力费，但却大大延长了滤池的过滤周期，节约了大量的冲洗水。况且12％与 7％回流比间的的电费差额很小（29元／万吨），相比之下，在水质提高的同时，总成本也降低了很多。
　　因此，应根据实际情况与要求的不同，合理选择或确定回流比，不宜一概而论。如英国推荐的回流比就高达10－25％。本研究建议在原水受有机物污染，或滤速大于9m/h的情况下，采用大的回流比（大于10％－12％），在经济上与技术上都是有利的。当原水水质一般时，回流比则以小于10％为宜。根据这一原则，并考虑到离心泵Ｑ－Ｎ曲线较为平缓的特点（水泵轴功率随流量减少的降差很小），选泵时宜选用两大一小三台泵，单泵工作，其中一台大泵为备用泵，以适应不同水质及回流比要求；
　　③对有机物及藻类的去除：对比各样本，气滤池对有机物的去除明显高于滤池，尤其是对藻类的去除。在多数样本中，滤池对藻的去除很少，尤其是样本５（６），过滤水藻含量甚至高于沉淀水，这可能是由于滤层已为藻所饱和而致；
　　④过滤周期：过滤周期的长短直接反映了滤前水处理效果的好坏，特别是水中有机物对滤料絮凝吸附能力的干扰很大，往往造成浊度提前穿透。新工艺与原有工艺的最大区别正在于待滤水的水质更好。
　　由表１可见，一般情况下（样本１－３）气浮滤池过滤周期较滤池延长约14小时，而在水源污染期（样本４－７），滤池周期极短，但当采用较高回流比时，气滤池周期可延长５－１１小时。
　　对水厂而言，在改善出厂水质的同时能增加过滤周期，就意味着生产成本的下降，尤其是在原周期较短的情况下，效益更加突出；
　　⑤经济分析：表１中制水成本下降为根据各周期实测电耗值，按周口市工业电价（Ｃ电＝0.40元／度电）和二水厂实际制水成本（Ｃ水＝0.48元／吨水，其中已扣除二泵房输配水成本）折算而得。
　　折算结果表明，一般情况下制水成本可降低160－350元／万吨，原水污染时，降幅更多。按日产水量３万吨、成本降低 225元／万吨计，每年可节省成本近30万元，若计入减少的矾耗，经济效益将更为显著。
　　⑥操作水平：考虑到研究成果的实用性与可重复性，本次试验完全是在水厂实际的操作水平、运行条件及运行状态下进行的，对实际存在的很多的不利因素未加以排除，同时，试验期间正处于源水水质污染的不利条件下，因此所得研究成果真实地反映了混凝沉淀－气浮过滤新工艺的实际应用效果，具有较大的参考价值。
　　试验结果表明:
　　①合理分配水处理系统中各单元悬浮物负荷，改善待滤水水质是保证滤池正常功能和滤后水质的关键；
　　②在传统的混凝沉淀－过滤工艺中，增加气浮工序后可形成的一种高效、低耗、实用的饮用水处理新工艺，其经济技术指标明显优于传统的沉淀－过滤工艺。通过处理单元的优化组合，使悬浮物负荷分配更趋合理，提高了水处理系统抗冲击负荷的能力与运行操作的灵活性，强化了整体性能；
　　③由于新工艺放宽了对沉淀水水质的要求，因此，可以增加已有沉淀池的处理流量或提高新建沉淀池的设计负荷。这样，新工艺除可节省运行费用外，还可降低改、扩建或新建工程投资；
　　④在周口二水厂的试验条件下，气浮滤池制水成本一般可降低1.6－3.6分／吨，污染期超过7分／吨，经济效益十分明显。
　　⑤延长过滤周期，改善出水水质，收到了良好的经济效益与社会效益；
　　⑥气浮式虹吸滤池与气浮式双阀滤池工艺简单，易于实现，不需增设构筑物与刮渣机，投资省、见效快，尤其适合现有滤池的改造，还可作为其他类型滤池改造时的参考；
　　⑦溶气水回流比的大小，对气浮处理效果起着十分重要的控制作用。可以通过调节回流比的大小，适应不同的水质。因此，回流比的范围以7-12％为宜，最好选用二大一小三台泵，以单泵方式工作，其中一台为备用泵，以适应不同水质及回流比要求；
　　⑧气浮滤池滤速以小于9m/h为宜，否则应采用大的回流比。

3 实例二：沉浮池

　　湖北某乡镇水厂以长湖为水源，设计日供水量6千吨，原设计净水流程及构筑物池型为：

　　原水–穿孔旋流絮凝池–斜管沉淀池–重力式无阀滤池–液氯消毒–管网

　　工程建成后，随着沿湖地区经济的快速发展，大量未经处理的工业及生活污水排入其中，再加上水产养殖业的影响，长湖水质受到严重污染，溶解性有机物含量加，水体呈富营养化，色、嗅、味显著。除汛水期外（历时几周），水中悬浮物以有机颗粒及水微生物（如水藻）为主。这类物质比重一般接近于水，即使加大投矾量，也很难由水中沉淀分离出来，从而使水微生物得以在滤池内大量繁殖，一方面堵塞滤料层，使过滤周期缩短，另一方面，由于滤料受到污染，出水水质难以满足国家饮用水卫生标准。更有甚者，滤后水水质差于原水水质的现象时有发生。严重时，水呈酱褐色，被用户称为“酱油水”，“腥臭水”。因为水质差，用户数量锐减，水厂日供水量仅2千吨左右，以致生产成本高，水厂的经济效益及社会效益均受到严重影响。
　　现场情况分析表明，要获得好的水处理效果，关键在于提高滤前水的水质。因此，根据原水水质特点，考虑将斜管沉淀池改为可切换为沉淀池或气浮池运行的“斜管沉淀/气浮池”。
　　改造后的沉淀池仅在原池中增设了两面导流墙。隔墙1设于沉淀池起端，用于形成气泡捕捉区（微气泡与水中悬浮颗粒在此相互碰撞凝聚），隔墙2设于沉淀池未端，用于隔开浮渣并将澄清水从池的下部导入出水槽。
　　在隔墙1下方开有导流孔，并设闸板1控制孔的开闭。当原水浊度较高时（如汛期），打开闸板，这时水从池底进入，向上通过斜管，沉淀水由集水槽收集，经集水总渠送往滤池。这时池子的功能与一般斜管沉淀池无异。若将闸板关闭，并启动产微气泡系统，水池即成为气浮池。这时，水在气泡捕捉区内与微气泡混合，向上溢流入气浮区，气-固凝聚体浮升水面成为浮渣，定期刮入排渣槽排除。澄清水向下通过斜管进入出水区，由集水槽收集后送往滤池。沉淀与气浮功能的切换非常方便。
　　1996年年中，改造后的斜管沉淀/气浮池投入运行。滤前水质获得明显改善，出厂水质经当地卫生防疫部门检测，各项指标均符合国家《生活饮用水卫生标准》（BG5749-85）（表2）。

　　该技术改造成功的经验说明，将斜管沉淀池改造为斜管沉淀/气浮池是一种投入少，见效快、效益好的实用技术，具有以下几个特点：
　　①社会效益，经济效益显著。水质改善后，根据优质优价的原则，经当地物价部门核准，水价得到调整。同时用水量及用户数量也不断增加，与96年同期相比，97年末水厂利润增加287.1%，做到了政府满意、用户满意、水厂满意。
　　②投资省，简单易行。由示意图可见，整个改造工程仅增加两面隔墙和一套压力溶气水制取及释气系统，斜管沉淀池的原有构造不变；
　　③处理效果好，滤池过滤周期明显延长。另外，与常规气浮池相比，充分利用了池中原有的斜管，一方面提高了气浮分离效率，另一方面斜管上附着的生物膜在水中溶解氧较为充足的条件下，对于氧化水中溶解性有机物有一定的辅助作用；
　　④运行管理灵活，沉淀、气浮功能切换方便，对原水水质变化的适应性强；

4 结束语

　　综上所述，无论是气浮滤池或浮沉池，均可在不新增构筑物的前提下，有效地优化水处理流程的整体性能。至于具体采用哪一种方式，主要取决于水厂中现有的构筑物形式。其中，虹吸滤池、双阀滤池和移动罩滤池易于改造为氯浮滤池，前两种池型浮渣可随反冲洗水一同排除，从而不须设专用的刮渣设备；斜管沉淀池易于改造为浮沉池。这几种池型国内均为数不少，因此，将气浮工艺用于现有水厂的改造具有实用性强，应用面广、投资少、见效快等特点，不失为解决微污染江河饮用水处理的一条有效途径。对于缓解由于水源污染而造成的处理难度，改善供水水质，降低制水成本，具有普遍的意义和较高的应用价值。

杨开，武汉水利电力大学副教授。武汉市武昌珞珈山（430072），
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