溶气气浮法与沉淀法的处理效果比较

何圣兵1, 孟凡良2, 王宝贞1, 王 琳1, 崔洪升3
( 1.哈尔滨工业大学市政环境工程学院，黑龙江哈尔滨　15 0090；2.中国市政工程东北设计研究院，吉林长春13 0024；
3.中国市政工程华北设计研究院，天津300074)

　　摘　要： 对松花江原水采用气浮法和常规沉淀法进行处理发现，气浮法的除浊效果优于常规沉淀法，在低温、低浊时二者的处理效果差距更大，故从颗粒尺寸、颗粒密度、水温、颗粒沉降速率和反应时间等角度阐述了气浮和沉淀工艺在除浊效果方面的差异。此外，两种工艺对CODMn、UV₂₅₄和TOC的去除效果表明有机物质的去除只与混凝步骤有关而与沉淀或气浮步骤无关。
　　关键词：溶气气浮法；沉淀法；浊度去除
　　中图分类号：TU991.23
　　文献标识码：C
　　文章编号：1000-4602(2002)05-0042-03

　　气浮法(DAF)是在水中通入大量微细气泡，使其粘附于杂质颗粒上造成整体密度＜1的状态，靠浮力使其上升至水面而使固液分离的一种净水法。作为过滤工艺的预处理，对于低浊度的原水，溶气气浮工艺要优于沉淀工艺，而当原水浊度＞100NTU时，则不宜 采用气浮法^[1]。DAF工艺的主要设计参数包括停留时间、表面负荷率、回流比、溶气压力等。气浮池的水力停留时间大致为5～15 min；表面负荷率为5～12m³/(m²·h)，处理饮用水时溶气压力范围为200～600kPa，回流比为5%～10%。优化溶气压力和回流比 能够有效地降低水厂的运行和维护费用。此外由于停留时间短，气浮池的基建费用比沉淀池少，但却能获得更好的处理效果。?

1　试验流程与设备 试验原水为松花江水。

　　快速混合池尺寸为200mm×200mm×200mm，反应池尺寸为300mm×300mm×800mm，沉淀 工艺的沉淀池尺寸为450mm×1200 mm×800mm，气浮池的尺寸为450mm×200mm×800mm，均用有机玻璃材质加工制成。试验采用的空压机为Z-0.29/7型，溶气罐为200×1500mm的钢制罐体，内装高度为800mm的阶梯环填料。?
　　采用的工艺流程如图1、2所示。?

　　浊度检测采用2100A型浊度仪。UV₂₅₄和TOC检测分别采用752紫外光栅分光光度计和TOC测定仪。

2　结果及讨论

2.1 水温对除浊效果的影响
　　每年的11月中旬至第二年的4月中旬间松花江水质具有低温、低浊的特点(水温为0℃、浊度为10NTU左右、pH值在6.8左右)，在6、7月间水温在20℃左右，浊度为70NTU左右。试验期间投加的混凝剂为硫酸铝，低温期投加量经小试确定为40mg/L，采用活化硅酸作为助凝剂，投量为5mg/L。在较高温度和浊度下的混凝剂投量为25mg/L。为了对比气浮与沉淀工艺对固液分离的效果，两套工艺流程中对混合池、反应池、投药量及混合强度等前续工艺采用了相同的运行参数。混合池中的快速混合时间为2min，G值为420s-1,反应池反应时间为20min，G值为10s-1,气浮池水力停留时间为10min，回流比采用8% ，沉淀池中水力停留时间为1h，表面负荷率为气浮池的1/6。
　　不同水温下两种工艺对浊度的去除效果见图3、4。?

　　如图3、4所示，在低温、低浊期间沉淀池对浊度的去除率不高，平均在50%左右，出水浊度维持在5NTU左右；而气浮池对浊度的去除率则高达90%左右，出水浊度可降至1NTU左右。 当水温为20℃、进水浊度在60～80NTU时，沉淀工艺的出水浊度在4NTU左右，平均去除率为95%；DAF的出水浊度在2NTU左右，平均去除率为97%，效果优于沉淀工艺。
对两种工艺的处理效果差异分析如下：?
　　根据斯托克斯公式^[2]，假定一个絮凝颗粒的直径为50μm，密度为1.01g/mL，则在20℃时此颗粒的沉降速度为0.05m/h，沉淀池的表面负荷率一般在0.75～1.6m³/(m²·h)，所以该颗粒不会被沉淀去除。如果颗粒要得到0.75m/h的沉速，则颗粒需要成长到178μm的直径才能被去除。在0℃时水的动力粘度系数为20℃时的1.8倍，对于同样状况的絮凝颗粒，0℃时在沉淀池中的沉速为0.03m/h。要使颗粒得到0.75m/h的沉降速度，则该颗粒需长到245μm的直径。?
　　在考察水温对处理效果的影响时，必须考虑温度对絮凝颗粒的稳定性、颗粒与颗粒以及颗粒与气泡之间结合性能的影响。在低温时由于水的粘度较大，颗粒周围的水化膜较厚，颗粒的亲水性加强，从而使得颗粒能够在水中稳定地存在。尤其在低浊度时，由于水中胶体颗粒物数量较少，因而与混凝剂有效碰撞脱稳的机会也少，在实际生产中往往不得不采用加大投药量的方法来提高处理效果。采用DAF工艺时，由于通入空气，气泡和颗粒相互碰撞粘附几率增大，使颗粒的密度变小而更容易浮至水面被去除。?
2.2 反应时间对除浊效果的影响
　　无论在低温或高温，对于沉淀工艺而言，要想获得较高的浊度去除率，反应池中的反应时间应不少于20min。而对于气浮工艺而言，只需要5min的反应时间就能获得很高的去除率，这是因为沉淀法是依靠絮凝颗粒不断长大而下沉，在低浊度时颗粒有效碰撞几 率降低因而使得颗粒成长的时间较为缓慢，据有关资料介绍为20～30min。气浮法则借助于微气泡的粘附作用，从而使得反应时间比沉淀法短。
　　试验结果见图5、6。?

2.3 对有机物的去除效果
　　原水水质见表1。

表1 原水水质 项 目 范 围 水温 0 20 pH值 6.7 7.1 TOC(mg/L) 8.4～10.7 9.2～13.3 CODMn(mg/L) 4.4～5.9 5.3～6.4 UV₂₅₄(cm^-1) 0.15～0.21 0.17～0.24

　　 试验结果见表2。

表2　两种工艺对有机物的去除效果比较 方法 温度(℃) TOC CODMn UV₂₅₄ 范围(mg/L) 平均去除率(%) 范围(mg/L) 平均去除率(%) 范围(mg/L) 平均去除率(%) DAF工艺 0 6.2 ～7.5 36.68 3.1～3.7 33.27 0.12～0.17 20.23 20 7.3～10.2 28.47 4.3～4.9 25.74 0.13 ～0.19 22.53 沉淀工艺 0 6. 3～7.7 34.76 3.3～4.0 31.64 0.13～0.18 15.68 20 7.2～10.3 28.83 4.4～5.0 24.96 0.13 ～0.18 21.18

　　 从表2可见，在0℃和20℃时，两种工艺对有机物的去除率均较低，对TOC和CODMn的处理效果相差无几，而对UV₂₅₄的去除率在0℃时则相差了4.55%，这是由于两种工艺的出水浊度不同所引起的，DAF出水浊度平均为5NTU,而沉淀池的出水浊度在1NTU左右。在20℃时，对UV254处理效率的差异降至1.35%，这也是由于二者出水浊度的差异变小所造成的。两种工艺在0℃时对水中有机物的去除率高于20℃时，这是由于前续的混凝工艺采用了不同的投药量所造成的。可见对有机物的去除效果取决于混凝工艺，而与DAF或沉淀等固液分离步骤关系不大，这与O‘Melia等的研究结果相符[3]。因此要想提高对水中有机物质的去除效果，重点应对混凝工艺进行探讨。?

3 结论

　　① 对于浊度＜100NTU的原水，DAF工艺要优于常规的沉淀工艺，特别是对低温、低浊水，其优势更为明显。
　　② DAF工艺的反应时间只需要5min就能获得较高的处理效率，而对常规的沉淀工艺而言，至少需要20min的反应时间才能较为充分地发挥沉淀工艺的沉淀能力。
　　③ 水中有机物质的去除效果取决于混凝工艺，而与DAF或沉淀等固液分离步骤无关。?
　　④ 在我国北方城市新建低温、低浊水质的处理厂或对已有水厂进行改造时，可优先考虑采用气浮工艺。

参考文献：

　　[1]James P,Malley Jr,James K Edzwald.Laboratory comparison of DAF with conventional treatment[J].J AWWA,1991,83(6):56-61.
　　[2]严煦世,范瑾初.给水工程(第3版)[M].北京:中国建筑工业出版社,1995.
　　[3] O‘Melia C R，Grieves R B.Raw water quality,coagulant selection,and solid-liquid separation[M].Kansas City：AWWA Ann Conf,1987.

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　　收稿日期：2001-09-07