气体对常规水处理工艺的干扰和解决办法

王宝林，韩砚萍
（天津市自来水集团有限公司，天津 300040）

　　摘要：常规水处理工艺过程中，常因夹气问题而影响生产。产生夹气的原因是多种多样的，大致可分为两类：“溶入夹气”与“卷带夹气”，本文分析了常规水处理中各生产工序产生夹气的现象和危害，并提出了解决办法。
　　关键词：水处理；夹气；常规工艺
　　中图分类号：TU991.2
　　文献标识码：C
　　文章编号：1000-4602(2000)11-0046-03

　　水处理中常见的夹气形式大致可分为两类：“溶入夹气”与“卷带夹气”。空气在水体中的“溶入”、“析出”与水体输送和水处理过程中的空气“卷带”不同，“溶入”与“析出”的条件是压力和温度的变化，“卷带”则是在温度、压力基本不变,因水力条件变所产生的现象。

　　1 “夹气”对沉淀工艺的影响

　　某水厂的平流沉淀池处理能力为25×104m³/d，突然发生大量絮体(泥渣)上浮，池面聚集的泥渣厚度达10cm，泥渣内含有微量气泡，使其浮于沉淀池表面。经采用高压水冲击破渣，大量絮体又被带入滤池而造成堵塞，缩短了滤池运行周期。
　　分析原因，可能来自两方面：①由于天气较热，泥渣中微生物作用的分解产气致使泥渣内含有微量气泡；②由于原水夹气，在平流池中产生“气浮”作用，使泥渣内含有微量气泡。分析认为第二种原因是主要作用因素，因先有上浮，而后才可能有日晒引起的微生物繁殖，解决了上浮，即解决了微生物繁殖。在分析的基础上，首先查找进水泵吸气点，加大泵轴水封水量，保证了泵轴“水封”有效而不进气。采取此措施后，上浮有所缓解，但未根除。继续查寻可疑点，最后，找出有两台泵埋于地下吸水管的水平段底部腐蚀穿孔，当预沉池水位高时不进气，水位低时则大量吸进空气，造成絮体上浮。
　　又例，处理能力为50×104m³/d的斜管沉淀池（分为四组，每组两池），突然连续两天池面出现大量絮体，致使该厂动员大量人力清理池面。第三天以后再没出现絮体上浮。该厂无进水泵，原水由远在3km之外的水源厂供应，所以无进水泵吸气问题。针对此问题，厂内进行工艺分析，厂外进行系统分析。
　　通过分析水源厂运行日报，发现水源厂连续两天由于来水量不足，前池低水位运行。水源厂泵站设计为自灌式，泵轴不进气，由于前池低水位运行，水泵吸水管路出现负压，引起泵轴进气，造成水厂斜管沉淀池絮体上浮。通过以上两例可见，进水泵夹气能引起严重后果，并且原因比较隐蔽，难于分析、查找。
　　以上两例形成的沉淀池“气浮”，影响生产的机理是什么，笔者认为主要是气体的溶入与析出。当进水泵夹气以后，水、气通过叶轮高速旋转，得以充分混合，水泵出水管内形成以水为连续相、气为高度分散相的气液两相流体。水通过水泵获得能量，气泡在压力作用下向水中溶解，使水成为以空气为溶质的溶液。溶入空气量与温度、压力、进气的多寡、传质阻力、浓差扩散速度等多种因素有关。计算饱和溶液可以应用亨利定律，计算非饱和溶液则比较复杂。
　　当水进入敞开式混合设备时，未被吸收的空气以气泡形式很快从水体释放出来，但已溶解的气体受传质阻力、浓差扩散速度、气泡成长、聚集速度等因素影响，释放速度较慢，并且随着浓度的降低，释放速度越来越慢。常规给水处理要求混合阶段水力条件“快速剧烈”，停留时间很短，在混合阶段未释放净空气的工艺水进入了反应阶段。
　　在反应阶段，空气未释放净的工艺水继续释放气体，并聚集、成长为小气泡，而已投入的净水药剂开始絮凝，形成细小矾花，并逐渐长大。此时，水体已成为气、液、固三相体，气、固为高分散相，水为连续相。根据气、液、固三相体各自的表面张力性质，形成的微小气泡附着在絮体上，成为气固两相结合体。据有关资料介绍，单纯絮体矾花的体积质量仅为1.04（有的更小），当絮体附着上小气泡后，混合体积质量＜1，从而形成气、固两相体在连续相——水体中上浮，这也就是气浮池原理。据有关资料介绍，当微气泡直径为30～50μm时，气浮效果最好。
　　原水夹气后，水体完全具备了气浮条件，沉淀池池面聚集大量浮渣就不足为奇了。需要指出的是，沉淀池出现“气浮”现象时，出水水质不一定严重恶化，但要防止浮渣进入滤站，并设法清除。

　　2 “夹气”对滤池运行的影响

　　滤池运行的气体干扰问题，远比沉淀池复杂，原因难于发现，后果也比较严重，解决起来难度较大。
　　2.1 “跌水”对滤池运行的影响
　　“跌水”造成的水体夹气，一般属于“卷带”夹气，“溶解”气体量很少，主要是空气和水的掺混作用。
　　① 沉淀池出水“跌水”对滤池的影响。平流沉淀池出水，多采用堰口收水，形式有宽顶水平堰、锯齿三角堰等，堰后一般都有不同高度的跌水。斜管沉淀池大部分通过水平孔眼“跌入”集水支槽，然后再由支槽“跌入”汇水总渠。在这些“跌水”过程中往往卷带部分气体进入集水渠，然后在输送过程中再释放出来。“沉淀”是净化过程的一级处理，沉淀后的水中仍有许多未被截留絮体杂质，留待二级处理——过滤解决。这些絮体杂质与“卷带”气体进入水体，与未释放出的微气泡相结合，具备了气浮的条件，形成漂浮污物。这种情况，造成滤站进水渠水流纵断面上的颗粒杂质分布不匀，形成上浊下清的杂质浓度梯度。滤池进水口一般设在进水渠道的中下部，这就造成各滤池“固体负荷”分配不均，使连接在进水渠道始端的滤池“固体负荷”较轻，连接在进水渠道末端的滤池“固体负荷”较重。这种负荷不均的状况，造成滤池运行周期有很大的差异，使滤池管理难度加大。
　　② 滤池进水“跌水”造成的夹气。滤池进水跌水是一种非正常操作。由于滤池进、出水量控制不当，造成滤池液面低于排水槽上顶，滤池进水“跌入”池内。这种违规操作，一方面可能冲坏已形成的过滤泥膜，造成过滤短流，影响滤后水质。另一方面，“跌水”卷带的空气若进入滤床，可能形成滤床的局部气塞，影响滤池的效率。未进入滤床的空气则在滤池表面释放，使滤池水面有一层漂浮物，使人产生不洁的感觉，这层漂浮物随着池面水位的涨落，附着于池壁，久而久之，池壁表面形成一层污泥。
　　2.2 滤池负压运行造成夹气
　　“滤池负压运行”是指滤池在正常使用周期内的某一时段，滤料层内的压力低于环境的大气压。在这种运行状态下，当过滤水进入这一负压过滤层时，溶于水的气体在负压的作用下从水体中析出，堵塞滤料间的孔隙，形成所谓的“气塞”，在短时间内使过滤速度大幅度下降，迫使滤池停止运行，进行反冲洗。在用反冲洗驱除“气塞”空气时，在滤池内又形成气、液、固三相流体，驱除“气塞”空气的同时，会夹带滤料，造成滤料流失。避免滤池负压运行，是水处理工程技术人员的共识，笔者通过多年的工作实践，认为有两个问题应引起重视：一个是滤后出水渠要设置高程适宜的出水堰。另一个是尽可能降低滤前水浊度，避免滤池阻力增加过快。
　　① 滤后出水渠的出水堰。清水池的功能是调节供水高峰时的水量和保证消毒接触时间，因此一般要有3～5 m的深度。为保证滤池正常工作，滤池出水管设置要高于清水池最高水位，当其水位较低时，清水池与滤池连接管路和滤池就会出现负压，解决这一问题的办法，是在清水池和滤站之间的管路上加设出水堰，切断连续液面，使滤池成为不受下游水位影响的独立生产单元。出水堰高程设计很重要，笔者认为出水堰高程与滤池滤水管高程一致为好，或进行计算：
　　出水堰高程=滤水管管中高程-堰上水头-管路水头损失
　　② 避免滤池阻力增加过快。滤池阻力增加过快，也会发生溶解空气从水中析出，造成气塞。因某些原因（如藻类、胶体、高浊），清洁滤池在投入使用初期的水头损失上升很快，主要水头损失集中在滤池表面，也会造成下部滤料层出现负压，使溶解空气从水中析出而形成“气塞”。在滤池使用初期，应适当控制滤速，这无论是在提高初滤水质上，还是避免“气塞”上都是有益的。
　　2.3 滤池冲洗夹气
　　普通滤池的冲洗系统有两种：高位水塔（水箱、水罐）冲洗和水泵冲洗，这两种冲洗方式都可能夹气。水泵冲洗的进气部位多为泵轴和吸水管路；水塔冲洗的进气多为冲洗间歇、水塔余水漏失、水塔至滤池冲洗管排空进气，所夹的气体在滤池冲洗时释放。滤池冲洗夹气，往往气量集中，对冲洗中的承托层和滤料强烈扰动，造成承托层原级配破坏，在过滤时使砂滤料从下部漏失。大气泡的搅拌和提升作用，使过滤层上部的滤料随冲洗水流失。
　　2.4 水温变化引起滤池“气塞”
　　某处理量为5×104m³/d的滤池，初冬季节突然运行周期由20h缩短为仅2～4h，严重影响生产。该厂当时由于外界需求不足，负荷率仅为设计能力的50%，时值初冬，室内已供热采暖，环境温度20℃左右，主要产水构筑物设于室内，原水水温在4～5℃左右。分析原因：根据亨利定律，当温度较低时气体在水中有较大的溶解度，原水在低气温下，经过长时间的输配，溶入了较多的空气。在水处理过程中，由于室温较高，停留时间较长，引起水体与室内空气热交换，水体温度上升，亨利系数增大，溶解气体从水中析出，聚集于砂滤料孔隙内，引起滤池“气塞”，使运行周期下降。针对此问题，采取降低环境温度的办法可使问题得到缓解。

　　3 夹气对清水池的影响

　　前面曾提到在清水池和滤站之间的管路上应加设出水堰，防止滤池出现负压运行。任何事物都有它的两面性，滤后出水堰的设置防止了滤池负压运行，但使滤池与清水池之间出现一个“跌水”，这个‘跌水’又是一个空气与滤后水掺混的部位。“跌水”卷带空气进入滤后清水，这在一般情况下并无大碍。若滤后浊度较高或混凝剂残余较多，产生二次絮凝，则会在清水池表面形成漂浮物。清水池的进水管和出水管一般靠近池底或低于池底，当清水池长期处于高水位时，漂浮物在表面聚集，造成清水池上、下部的水质差异。附着在漂浮絮体内的细菌，受到浊质的保护，不易被杀菌消毒剂杀灭，降低了消毒效果，甚者可能造成细菌“复苏”。

　　4 送水泵夹气对管网的影响

　　送水泵夹气的原因与进水泵夹气相似，但送水泵夹气后输送距离长、压力高，夹气的主要方式是溶入、析出。由于压力高，在管网中停留时间长，进入水中的大部分气体溶入了水中。其主要影响是针对供水管网和用户的，大致有以下几个方面：
　　① 使用户担心自来水的水质和饮用的安全。溶入自来水中的气体，要经用户的水龙头放出后才能“析出”，使放出的水呈乳白色，停留一段时间后才变清，用户往往认为自来水的水质不好，饮用不安全。
　　② 管道夹气影响出厂水计量的准确程度。
　　③ 未被溶解的气体聚集在管网某处，减小了管道过流断面，增大自来水管网输配阻力。
　　④ 由于管道夹气，容易造成爆管事故。

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收稿日期：2000-06-07