溶气气浮工艺处理密云水库水的研究

刘洋，张声，张晓健
(清华大学 环境科学与工程系，北京 100084)

　　摘　要：对密云水库水采用溶气气浮(DAF)工艺进行处理，发现DAF工艺处理密云水库水效果显著。在高藻期，DAF工艺对藻类的去除效果明显，在原水温度t=13.8～20.1℃，pH=6.6，ρ(Al³⁺)=2.0mg/L的最优混凝条件下，进水浊度为2.62～5.93NTU，出水浊度为0.29～0.44NTU，色度去除率为81.8％，嗅阈值去除率达75.0％，藻总数去除率达92.6％。
　　关键词：溶气气浮；高藻水；低温低浊水
　　中图分类号：TU991.27　　文献标识码：A　　文章编号：1009—2455(2004)06—0017—04

A Study of Treatment of Water from Miyun Reservoir by Dissolved Air Floatation Process
Liu Yang，ZHANG Sheng，ZHANG Xiao-jian
(Department of Environmental Science and Technology, Tsinghua University, Beijing 100084，China)

　　AbStract：It was found in the treatment of the water from Miyun reservoir by Dissolved Air Floatation(DAF) process that the result of the treatment of the said water by the said process was significant.During algaeladen period，the result of removal of algae by DAF process was obvious.When the raw water was under the optimum coagulating conditions，i.e.，t=13.8～20.1℃，pH=6.6 and ρ(Al³⁺)=2.0mg/L，and when the turbidity of the inlet water was 2.62～5.93 NTU，the turbity of the outlet water was 0.29～0.44 NTU，the removal rate of colour was 81.8％，the removal rate of olfactory threshold value reached 75.0％ and that of total algae number reached 92.6％.
　　Key words：dissolved air floatation；algae-laden water；low-temperature and low-turbidity water

　　近年来调查表明，密云水库水质为中营养型，库区水体向富营养化发展的趋势比较明显，每年有近6个月的高藻期；而且库区水体浊度较低，特别是冬季原水浊度一般在2 NTU以下，另外由于北京的气候特征，冬季气温较低，因此库区水体在冬季要经历较长时间的低温低浊期。根据密云水库的特征，本文对溶气气浮(DAF)工艺处理密云水库原水进行了中试试验研究。

1 材料与方法

1.1 试验装置
　　试验装置如图1所示，包括混凝剂投加、硫酸投加以调节pH值、两级絮凝池、气浮池。絮凝池和气浮池合建在一起，絮凝池采用机械搅拌，G值均为70 s^-1。絮凝池长，宽，高分别为1.50，0.60，2.50 m；气浮池长，宽，高分别为1.60，0.60，2.50 m。

　　试验期间，原水流量为12m³/h，气浮池溶气水回流比为10％，溶气罐压力为0.52 MPa，混凝剂为聚合氯化铝溶液，Al₂O₃的质量分数为10.31％，投加量以Al³⁺计。
1.2 分析项目、测定方法及主要仪器
　　分析项目有：浊度，藻计数，叶绿素-a，UV₂₅₄，COD_Mn，色度，残余铝，嗅，DOC，BDOC(生物可降解溶解性有机碳)，AOC(生物可同化有机碳)，颗粒粒径分布。
　　叶绿素-a，UV₂₅₄，色度，残余铝的测定均借助于Hach公司的DR/4000 U分光光度计。采用标准方法2150^[1]进行嗅的测定。测定UV₂₅₄和DOC之前用玻璃纤维膜(Whatman，GF/C)过滤水样。DOC的测定借助于日本岛津公司的TOC-Vwp，其值为水样经0.45μm滤膜过滤后测定的TOC。
　　BDOC测定方法是，向0.45μm过滤的待测水样中加入接种液，在20±1℃下恒温培养28 d，测定培养前后的DOC，两者的差值即为BDOC。
　　AOC的测定方法是由van der Kooij博士首先提出^[2]的，这种方法以饮用水中普遍存在的荧光假单胞菌P17和一种螺旋菌NOX为测试菌，以乙酸钠为标准基质，根据待测水样中接种的P17和NOX生长菌落数和生长因子求出AOC浓度。水中颗粒粒径分布采用IBR公司的VersaCount粒度仪进行测定。

2 结果与讨论

　　DAF工艺处理密云水库水的研究包括：高藻条件下处理效果的考察，低温低浊条件下处理效果的考察。
2.1 DAF工艺处理密云高藻水源水
　　试验期间原水水温13.8～20.1℃，pH值7.96～8.28。通过改变投药量和调节pH值的强化混凝试验确定混凝条件。混凝剂投加量为2.0mg/L，投加H₂S0₄(质量分数为29％)维持絮凝池中水的pH值为6.60时，出水浊度，UV₂₅₄，COD_Mn和藻总数的去除效果较好，且投药量和投酸量较为经济，因此确定在高藻条件下，DAF工艺的最优混凝条件是投药量2.0mg/L，调节pH值为6.60。
2.1.1 高藻期DAF工艺整体处理效果考察
　　DAF工艺处理高藻水源水的整体处理效果，考察指标为浊度、色度、嗅、藻计数、叶绿素-a、残余铝、颗粒物粒度分布。各指标如表l所示。

表1 高藻条件下DAF工艺对各种水质指标的去除

项目 藻计数/（个·L^-1） 叶绿素-a/（μg·L^-1） 色度/度 嗅阈值 残余铝/（mg·L^-1） 原水均值 3.24×10⁷ 11.33 22 24 DAF出水均值 2.39×10⁶ 1.20 4 6 0.114 平均去除率/% 92.6 89.4 81.8 75.0

　　试验原水浊度为2.62～5.93 NTU，DAF出水浊度降为0.29～0.44NTU，平均为0.32 NTU，如图2所示。试验结果表明，本工艺对于低浊水具有良好的浊度去除效果，DAF工艺的出水浊度已经达到中国饮用水水质标准。

　　试验显示，DAF工艺对叶绿素-a有良好的去除效果，但略小于对藻总数的去除，这是因为，藻的总数包括死藻和活藻，叶绿素-a则是间接表征水中活藻的含量，由于活藻的机动性，使得其不容易为微絮体和微气泡所捕捉。
　　水中形成色度的物质主要是胶体有机物和相对分子质量大于1000的有机物，由于DAF的高效性，使得水中胶体有机物的去除率较高，这与DAF工艺对色度的高效去除是相符的，而且这也反映了水源水中的主体致色物质是胶体有机物。
　　水处理中通常使用嗅阈值(TON)作为评价水嗅的指标，一般水的嗅阈值应小于5才能使饮水者满意。结果显示，DAF工艺比较有效地去除了原水中的致嗅物质，DAF工艺出水的嗅味接近饮水者要求，这主要是因为在强化混凝条件下，DAF工艺有较好的除藻和去除有机物的效果。
　　我国饮用水水质标准中规定，饮用水中残余铝的质量浓度不得超过0.2mg/L，试验结果显示，DAF出水中残余铝的质量浓度为0.114mg/L，已满足饮用水水质标准。
　　试验对原水和DAF出水中2～30 μm的颗粒物进行了考察，见表2。结果显示，原水中绝大部分的颗粒处在2～10μm，且2～5μm的颗粒数目最多，并且DAF出水中绝大部分的颗粒仍处在2～10μm，且2～5μm的颗粒数目也最多。由试验结果可见，DAF工艺对水中各种尺寸的颗粒去除作用十分明显，大部分颗粒都被去除，如果经过后续过滤单元的处理，出水颗粒将进一步减少。

表2 DAF工艺对水中颗粒物的去除

项目 颗粒物粒径/μm ＞2 2～5 5～10 10～15 15～30 ＞30 原水/（个·mL^-1） 14763 10453 3501 577 222 10 DAF出水/（个·mL^-1） 457 368 61 18 9 1 去除率/% 96.9 96.5 98.3 96.9 95.9 90.0

　　通过以上各项水质指标的分析，可以看出DAF工艺处理高藻期密云水库水是十分有效的：出水藻总数为2.39×10⁶个/L，总去除率为92.6％；出水ρ(叶绿素-a)为1.20μg/L，总去除率为89.4％；出水浊度为0.29～0.44 NTU；出水基本没有嗅味；出水色度为4度，总去除率为81.8％；出水残余铝的质量浓度为0.114mg/L；出水颗粒物得到较好的去除，去除率达到96.9％。
2.1.2 高藻期DAF工艺对水中有机物的去除
　　有关文献指出，DAF工艺对水中有机物能发挥很好的去除作用^[3]，本试验有机物考察指标如下：UV₂₅₄，DOC，SUVA(比紫外吸收值)，BDOC，AOC。其去除结果如表3所示。

表3 DAF工艺对有机物的去除

项目 UV₂₅₄/ cm^-1 ρ(COD_Mn)/ （mg·L^-1） ρ(DOC)/（mg·L^-1） ρ(BDOC)/（mg·L^-1） ρ(AOC-P17)/（μg·L^-1） ρ(AOC-NOX)/（μg·L^-1） ρ(AOC)/（μg·L^-1） 原水均值 0.037 1.95 2.283 0.209 157 30 187 DAF出水均值 0.024 1.08 1.905 0.180 126 19 145 >平均去除率/% 34.4 44.2 16.6 13.9 19.7 36.7 22.5

　　试验中投加H₂SO₄改变原水pH值使絮凝池中水的pH值为6.60，混凝剂投加量为2.0mg/L，在此条件下，有机物与混凝剂一起形成不溶性的络合物(铝的腐殖酸盐和富里酸盐)，然后与微气泡粘附实现固液分离，另外混凝剂生成氢氧化物絮体对天然有机物吸附而将其去除，所以DAF工艺对UV₂₅₄的去除效果较好，平均去除率为34.4％。DAF工艺对COD_Mn的平均去除率为44.2％，其去除效果优于对UV₂₅₄的去除，这是因为COD_Mn，反映的有机物包括悬浮、胶态部分和溶解性有机物，UV₂₅₄反映的有机物是溶解性的，而DAF工艺对悬浮、胶态物质去除效果良好(通过浊度反映)，所以DAF丁艺对COD_Mn的去除效果要明显优于对UV₂₅₄的去除。
　　比紫外吸收值(SUVA)是指单位浓度DOC的紫外吸收值，即UV₂₅₄/DOC，它反映了水中有机物的芳香构造化程度。原水SUVA为1.53，说明原水DOC中大部分是非腐殖质，所以DAF工艺对DOC的去除率不高，仅为16.6％。BDOC反映的是DOC中相对分子质量较小、亲水性较高的——部分有机物，所以与DOC相比，DAF工艺对BDOC的占除率更低，为13.9％。
　　原水ρ(AOC)为187μg/L，其中ρ(AOC-P17)为157μg/L，ρ(AOC-NOX)为301μg/L，AOC-P17比例较高，占84.0％。试验表明DAF工艺对AOC-NOX的去除效果要显著优于对AOC-P17的去除，AOC-NOX的去除率为36.7％，AOC-P17的去除率为19.7％。总的来说，经DAF工艺处理后ρ(AOC)降为145μg/L，去除率为22.5％。
　　DAF工艺对密云高藻原水中的有机物表现出了一定的去除效果：UV₂₅₄的平均去除率为34.4％，出水UV₂₅₄为0.024cm^-1；COD_Mn的平均去除率为44.2％，出水ρ(COD_Mn)为1.08mg/L；DOC的去除率为16.6％，出水ρ(DOC)为1.905mg/L；BDOC的去除率为13.9％，出水ρ(BDOC)为0.180mg/L：AOC的去除率为22.2％，出水P(AOC)为145μg/L。
2.2 DAF工艺对密云低温低浊水的处理
　　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^[4]。采用DAF工艺时，由于通入空气，产生大量微气泡，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。
　　密云水库水冬季经历较长时间的低温低浊期，试验期间，水温为2.8～5.0℃，pH值为8.31～8.37。通过不同投药量的对比试验确定混凝条件，混凝剂投加量为2.0mg/L，无pH值调节。
　　DAF工艺处理低温低浊水的考察指标包括：浊度、色度、嗅、残余铝、UV₂₅₄和COD_Mn。各指标如表4所示。

表4 低温低浊条件下DAF工艺对各种水质指标的去除

项目 色度/度 嗅阈值 ρ(残余铝)/（mg·L^-1） UV₂₅₄/ cm^-1 ρ(COD_Mn)/ （mg·L^-1） 原水均值 7 9 0.032 2.03 DAF出水均值 3 4 0.169 0.026 1.59 >平均去除率/% 57.1 55.6 19.7 21.4

　　原水浊度0.64～1.06NTU，DAF出水浊度为0.22～0.27NTU，平均为0.24NTU。如图3所示。

　　试验结果显示，本工艺对于低温低浊水的浊度去除效果显著，DAF工艺的出水浊度远低于中国饮用水水质标准。
　　由试验结果可见，在低温低浊条件下，原水中致色、致嗅物质相对较少，在DAF处理后，色度和嗅阈值都达到了中国饮用水水质标准要求。DAF出水残余铝的质量浓度为0.169mg/L，满足饮用水水质标准。
　　低温低浊条件下，由于原水中颗粒物较少，且水的粘度较大，极大地影响了混凝效果。尽管由于DAF工艺本身的优势，在水中产生大量气泡，增大了气泡和颗粒相互撞击粘附几率，取得了较好的浊度去除效果，但是，水中产生的絮凝颗粒总量仍然相对较低，而且颗粒周围的水化膜较厚，颗粒的亲水性强，很大程度上影响了絮体对水中有机物的吸附，因此DAF对有机物的去除效果相对较差，UV₂₅₄的平均去除率为19.7％，COD_Mn的平均去除率为21.4％。由于原水中悬浮、胶态物质较少，因此UV₂₅₄和COD_Mn的去除率差异不明显。

3 结论

　　①根据密云水库水的特征，采用DAF工艺处理密云水库原水是十分有效的。气浮池水力负荷13.8m³/(m²·h)，溶气水回流比为10％，溶气罐压力0.52 MPa。絮凝时间和气浮池水力停留时间均为10min。
　　②DAF工艺对密云水库高藻原水具有显著的处理效果，出水浊度为0.29～0.44NTU，藻总数去除率达到92.6％，叶绿素-a去除率为89.4％，DAF工艺对致色、致嗅物质去除效果良好，出水色度为4，去除率为81.8％，嗅阈值为6，去除率为75.0％。
　　③DAF工艺适合处理密云水库低温低浊水，在不增大投药量的条件下，出水浊度为0.22～0.27 NTU，色度为3度，嗅阈值为4，均满足中国饮用水水质标准。
　　④在强化混凝条件下，DAF工艺对有机物具有很好的去除效果，通常条件下UV₂₅₄的去除率为34.4％，COD_Mn的去除率为44.2％；在低温低浊条件下，UV₂₅₄和COD_Mn的去除率也可达到20％左右。

参考文献：
［1］APHA，AWWA，WEF.Standard methods for the examination of water wastewater，20th edition[M].Washington DC：American Public Health Association，1999.
［2］Van der Kooij.Determining the concentration of easily assimilable organic carbon in drinking water[J].J AWWA，1982，74(10)：1526-1531.
［3］王毅力，汤鸿霄.气浮净水技术研究及进展[J].环境科学进展，1999，7(6)：94-103.
［4］何圣兵，孟凡良，王宝贞，等.溶气气浮法与沉淀法的处理效果比较[J].中国给水排水，2002，18(5)：42-44.

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作者简介：刘洋(1978—)，男，辽宁鞍山人，清华大学硕士研究生，主要从事水质净化技术与科学研究，电话(010)62781779，liu_y01@mails.tsinghua.edu.cn。