楊開

　　摘要：本文以兩個(gè)工程實(shí)例，具體地介紹了用氣浮工藝改造采用混凝-沉淀-過濾工藝水廠的技術(shù)方法及效果。工程實(shí)踐表明，氣浮工藝用于水廠改造，具有實(shí)用性強(qiáng)，應(yīng)用面廣、投資少、見效快等特點(diǎn)，可作為處理微污染江河飲用水的一種備選方法。對于緩解由于水源污染而造成的處理難度，改善供水水質(zhì)，降低制水成本，具有普遍的意義和較高的應(yīng)用價(jià)值。

1 前言

　　眾所周知，氣浮法由于分離效率高，并兼有向水中充氧曝氣的作用，所以特別適用于處理低溫、低濁、高藻、高色和受有機(jī)物污染的原水。工程應(yīng)用及研究均表明，除分離無機(jī)及有機(jī)懸浮物外，氣浮法對于水中溶解性有機(jī)物也有一定的去除效果。
　　實(shí)際上，即使是在含沙量較大的江河水或混凝良好的水中，也還存同樣適于為氣浮法所去除的小沉速顆粒。更何況隨著國內(nèi)水環(huán)境受到日益嚴(yán)重的污染，許多河水兼有了江河水與湖、塘、水庫水的水質(zhì)特征，如含藻量增多、色臭味加重、并呈現(xiàn)季節(jié)性變化，增加了混凝-沉淀-過濾工藝的處理難度。因此，將氣浮工藝引入傳統(tǒng)水處理流程中，可充分發(fā)揮氣浮法與沉淀法各自的特點(diǎn)，以期獲得較好的處理效果。
　　氣浮法用于水廠的改造，主要有三種形式：
　　1. 簡單地將沉淀池改為氣浮池；
　　2. 將沉淀池改為可切換交替運(yùn)行的沉浮池；
　　3. 將濾池改為氣浮濾池。
　　第一種方式雖可有效改善低溫、低濁、高藻、高色和受有機(jī)物污染原水的處理效果，但不適應(yīng)高濁期水質(zhì)；第二種方式可根據(jù)原水水質(zhì)，隨時(shí)將沉浮池切換為沉淀池或氣浮池使用，對原水水質(zhì)有較強(qiáng)的適應(yīng)性；第三種方式通過將濾池改造為氣浮濾池，形成混凝-沉淀-氣浮-過濾處理流程，進(jìn)一步增強(qiáng)了對水質(zhì)變化的適應(yīng)性，可有效地改善處理效果。
　　本文主要以筆者完成的兩項(xiàng)工程實(shí)例，介紹后兩種改造方式。

2 實(shí)例一：氣浮濾池

　　河南省某水廠建于1990年，取沙河水（屬淮河流域），處理流程為：

　　原水–穿孔旋流絮凝池–斜管沉淀池–虹吸濾池–液氯消毒–管網(wǎng)

　　原設(shè)計(jì)流量２萬噸／日，改造時(shí)實(shí)際平均日供水量為２.５萬噸，高峰期超過３萬噸，已處于超負(fù)荷運(yùn)行狀態(tài)。由于沙河上游工業(yè)廢水排放增多，水源污染狀況日趨嚴(yán)重，極大地干擾了水廠的正常運(yùn)行。主要表現(xiàn)在：
　　①枯水期沙河水中污水（由上游排放）所占比例偏大，水質(zhì)（有機(jī)）污染嚴(yán)重，歷時(shí)較長，加之此時(shí)原水水質(zhì)多處于低溫低濁期，原有水處理工藝對此很不適應(yīng)。
　　近期統(tǒng)計(jì)資料表明，低溫低濁期一般在１－３月，原水濁度9-17 度，色度為20－30度，出水分別為3-7NTU和20－25度，采用人工加泥的方法后，分別為1-4度和8-13度；污染（同時(shí)也是枯水）期一般在3，4，5，11，12月，原水濁度約20度，色度40－50，臭和味高達(dá)5級，處理后分別為5-8度、25－35度和4級，人工加泥后水質(zhì)有所提高。原水年平均濁度約25－100度，出廠水一般大于5NTU。
　　②在７、８月高濁期，水中泥沙含量大，濁度最高達(dá)30000度，沉淀池濁度負(fù)荷過高，大量絮凝體溢流入濾池，堵塞濾料，此時(shí)出水水質(zhì)雖有保證，但過濾周期縮短，處理系統(tǒng)整體性能難以正常發(fā)揮；
　　③由于水中存在大量的營養(yǎng)物質(zhì)，春、夏季節(jié)水中藻類和其他浮游生物增多，腥味極重。鏡檢表明，藻類以絲藻、硅藻、綠藻和藍(lán)藻（主要是鞘絲藻和魚腥藻）居多。同時(shí)，水生物還在濾料表面繁殖，使過濾周期大為縮短，濾池沖洗頻繁，難以洗凈。而不良的沖洗又降低了濾池的過濾能力，形成惡性循環(huán)，使制水成本增加。
　　1995年初，在小試的基礎(chǔ)上，通過將原虹吸濾池的６個(gè)濾格均改造為氣浮式虹吸濾池，實(shí)現(xiàn)了混凝沉淀－氣浮過濾的新工藝，流程如下：

　　因?yàn)椴捎玫氖欠至魇綁毫θ軞鈿飧∠到y(tǒng)，所以未增加濾池的水量負(fù)荷，亦即無論氣浮單元投入運(yùn)行與否，濾速均未改變，同時(shí)，也無須增設(shè)新的處理構(gòu)筑物。
　　氣浮單元的運(yùn)行方式非常靈活，可通過將氣浮單元投入或撤出水處理系統(tǒng)，或調(diào)節(jié)溶氣水回流比的大小等方法，控制濾前水質(zhì)，以適應(yīng)原水水質(zhì)的變化，降低制水成本。因此，非常適用于季節(jié)性多變的水源水質(zhì)，增強(qiáng)系統(tǒng)整體抗沖擊負(fù)荷的能力。
　　改造完成后，在不同的溶氣水回流比、投礬量及原水水質(zhì)條件下，共進(jìn)行了７個(gè)過濾周期的測試，表中所列為各周期平均水質(zhì)、運(yùn)行操作指標(biāo)、以及采用氣浮濾池后制水成本降低值。其中，濾池周期以濾后水濁度超過3度為限，溶氣水壓力控制在0.32-0.36MPa。表中，沉淀水、過濾水和氣濾水分別表示沉淀池、濾池和氣浮濾池出水。試驗(yàn)期間，從第４個(gè)周期（４號樣）起，天氣轉(zhuǎn)晴，氣溫升高，同時(shí)，上游工業(yè)廢水排放量增大，致使原水水質(zhì)變壞，有機(jī)物污染程度及藻類總數(shù)顯著增加。
　　由表１可見，各樣本氣濾后水水質(zhì)指標(biāo)均明顯優(yōu)于過濾水，同時(shí)制水成本也大為下降。分析試驗(yàn)所測結(jié)果，影響出水水質(zhì)及水處理系統(tǒng)整體性能的因素主要有：
　　①懸浮物尺度：與常規(guī)氣浮系統(tǒng)不同，本試驗(yàn)氣浮單元進(jìn)水不是平緩地由反應(yīng)池引入，而是經(jīng)管渠系統(tǒng)而來，其中的懸浮物是破碎細(xì)小的礬花。所以，氣濾池表面大量浮渣的形成，說明水中懸浮顆粒的大小不是影響氣浮效果的主要因素；
　　②回流比：因?yàn)槿軞馑∽猿恋硭源_切地說，溶氣水與處理水量之比應(yīng)稱為“分流比”，但為便于理解，在此還是按習(xí)慣稱其為回流比。
　　回流比在很大程度上控制著氣濾水的水質(zhì)。５，６，７樣本中均含回流比相異的兩組氣浮過濾水測試結(jié)果。比較各對照組可見，回流比增加后，過濾周期延長很多。如與５號樣，回流比由７％增至１０％后，過濾周期由２小時(shí)延至 8.5小時(shí)。
　　增加回流比還可降低投礬量。如２號樣與３號樣的原水水質(zhì)差別不大，當(dāng)回流比由10.5％增到12％，對應(yīng)投礬量由4.10mg/l降至1.70mg/l后，氣濾池周期僅縮短18％，而濾池則縮短39％。

　　除沉淀水水質(zhì)外，影響回流比的主要因素是濾速。對比現(xiàn)行《室外給水設(shè)計(jì)規(guī)范》（BGJ13-86）規(guī)定，氣浮池向下流速一般采用5.40－9.00 m/h，回流比為5-10％，溶氣壓力為0.2-0.4MPa。而本試驗(yàn)中，一般在回流比大于10％的條件下，才能保證氣濾水水質(zhì)以及足夠長的過濾周期。其原因除正處于高污染、高藻期外，濾速（等于氣浮池向下流速）過大（11-12 m/h)是一個(gè)主要原因。過大的濾速一方面減少了氣泡釋放與浮升的時(shí)間，同時(shí)會在濾料層中產(chǎn)生氣阻現(xiàn)象。另一方面浮渣層由于缺乏足夠多的氣泡頂托，也不易穩(wěn)定。再由于氣濾池改建施工上的原因，難以保證待濾水與溶氣水的均勻分布與有效接觸，也使回流比增加。
　　因?yàn)樵囼?yàn)期間正處于用城市供水緊張期，水廠清水池的水位總是處于低線，所以不宜減產(chǎn)進(jìn)行試驗(yàn)，以求得較低濾速條件下的最優(yōu)回流比。但從幾次單池短時(shí)降流的實(shí)際觀測所見，在同樣的回流比條件下，浮渣層的厚度、密度及穩(wěn)定性明顯增加。
　　實(shí)際上，對回流比的大小應(yīng)作全面衡量。從實(shí)效上看，降低回流比的目的無非是希望節(jié)省氣浮系統(tǒng)動力費(fèi)用，降低制水成本。由表２可見，盡管高的回流比增加了氣浮動力費(fèi)，但卻大大延長了濾池的過濾周期，節(jié)約了大量的沖洗水。況且12％與 7％回流比間的的電費(fèi)差額很小（29元／萬噸），相比之下，在水質(zhì)提高的同時(shí)，總成本也降低了很多。
　　因此，應(yīng)根據(jù)實(shí)際情況與要求的不同，合理選擇或確定回流比，不宜一概而論。如英國推薦的回流比就高達(dá)10－25％。本研究建議在原水受有機(jī)物污染，或?yàn)V速大于9m/h的情況下，采用大的回流比（大于10％－12％），在經(jīng)濟(jì)上與技術(shù)上都是有利的。當(dāng)原水水質(zhì)一般時(shí)，回流比則以小于10％為宜。根據(jù)這一原則，并考慮到離心泵Ｑ－Ｎ曲線較為平緩的特點(diǎn)（水泵軸功率隨流量減少的降差很小），選泵時(shí)宜選用兩大一小三臺泵，單泵工作，其中一臺大泵為備用泵，以適應(yīng)不同水質(zhì)及回流比要求；
　　③對有機(jī)物及藻類的去除：對比各樣本，氣濾池對有機(jī)物的去除明顯高于濾池，尤其是對藻類的去除。在多數(shù)樣本中，濾池對藻的去除很少，尤其是樣本５（６），過濾水藻含量甚至高于沉淀水，這可能是由于濾層已為藻所飽和而致；
　　④過濾周期：過濾周期的長短直接反映了濾前水處理效果的好壞，特別是水中有機(jī)物對濾料絮凝吸附能力的干擾很大，往往造成濁度提前穿透。新工藝與原有工藝的最大區(qū)別正在于待濾水的水質(zhì)更好。
　　由表１可見，一般情況下（樣本１－３）氣浮濾池過濾周期較濾池延長約14小時(shí)，而在水源污染期（樣本４－７），濾池周期極短，但當(dāng)采用較高回流比時(shí)，氣濾池周期可延長５－１１小時(shí)。
　　對水廠而言，在改善出廠水質(zhì)的同時(shí)能增加過濾周期，就意味著生產(chǎn)成本的下降，尤其是在原周期較短的情況下，效益更加突出；
　　⑤經(jīng)濟(jì)分析：表１中制水成本下降為根據(jù)各周期實(shí)測電耗值，按周口市工業(yè)電價(jià)（Ｃ電＝0.40元／度電）和二水廠實(shí)際制水成本（Ｃ水＝0.48元／噸水，其中已扣除二泵房輸配水成本）折算而得。
　　折算結(jié)果表明，一般情況下制水成本可降低160－350元／萬噸，原水污染時(shí)，降幅更多。按日產(chǎn)水量３萬噸、成本降低 225元／萬噸計(jì)，每年可節(jié)省成本近30萬元，若計(jì)入減少的礬耗，經(jīng)濟(jì)效益將更為顯著。
　　⑥操作水平：考慮到研究成果的實(shí)用性與可重復(fù)性，本次試驗(yàn)完全是在水廠實(shí)際的操作水平、運(yùn)行條件及運(yùn)行狀態(tài)下進(jìn)行的，對實(shí)際存在的很多的不利因素未加以排除，同時(shí)，試驗(yàn)期間正處于源水水質(zhì)污染的不利條件下，因此所得研究成果真實(shí)地反映了混凝沉淀－氣浮過濾新工藝的實(shí)際應(yīng)用效果，具有較大的參考價(jià)值。
　　試驗(yàn)結(jié)果表明:
　　①合理分配水處理系統(tǒng)中各單元懸浮物負(fù)荷，改善待濾水水質(zhì)是保證濾池正常功能和濾后水質(zhì)的關(guān)鍵；
　　②在傳統(tǒng)的混凝沉淀－過濾工藝中，增加氣浮工序后可形成的一種高效、低耗、實(shí)用的飲用水處理新工藝，其經(jīng)濟(jì)技術(shù)指標(biāo)明顯優(yōu)于傳統(tǒng)的沉淀－過濾工藝。通過處理單元的優(yōu)化組合，使懸浮物負(fù)荷分配更趨合理，提高了水處理系統(tǒng)抗沖擊負(fù)荷的能力與運(yùn)行操作的靈活性，強(qiáng)化了整體性能；
　　③由于新工藝放寬了對沉淀水水質(zhì)的要求，因此，可以增加已有沉淀池的處理流量或提高新建沉淀池的設(shè)計(jì)負(fù)荷。這樣，新工藝除可節(jié)省運(yùn)行費(fèi)用外，還可降低改、擴(kuò)建或新建工程投資；
　　④在周口二水廠的試驗(yàn)條件下，氣浮濾池制水成本一般可降低1.6－3.6分／噸，污染期超過7分／噸，經(jīng)濟(jì)效益十分明顯。
　　⑤延長過濾周期，改善出水水質(zhì)，收到了良好的經(jīng)濟(jì)效益與社會效益；
　　⑥氣浮式虹吸濾池與氣浮式雙閥濾池工藝簡單，易于實(shí)現(xiàn)，不需增設(shè)構(gòu)筑物與刮渣機(jī)，投資省、見效快，尤其適合現(xiàn)有濾池的改造，還可作為其他類型濾池改造時(shí)的參考；
　　⑦溶氣水回流比的大小，對氣浮處理效果起著十分重要的控制作用。可以通過調(diào)節(jié)回流比的大小，適應(yīng)不同的水質(zhì)。因此，回流比的范圍以7-12％為宜，最好選用二大一小三臺泵，以單泵方式工作，其中一臺為備用泵，以適應(yīng)不同水質(zhì)及回流比要求；
　　⑧氣浮濾池濾速以小于9m/h為宜，否則應(yīng)采用大的回流比。

3 實(shí)例二：沉浮池

　　湖北某鄉(xiāng)鎮(zhèn)水廠以長湖為水源，設(shè)計(jì)日供水量6千噸，原設(shè)計(jì)凈水流程及構(gòu)筑物池型為：

　　原水–穿孔旋流絮凝池–斜管沉淀池–重力式無閥濾池–液氯消毒–管網(wǎng)

　　工程建成后，隨著沿湖地區(qū)經(jīng)濟(jì)的快速發(fā)展，大量未經(jīng)處理的工業(yè)及生活污水排入其中，再加上水產(chǎn)養(yǎng)殖業(yè)的影響，長湖水質(zhì)受到嚴(yán)重污染，溶解性有機(jī)物含量加，水體呈富營養(yǎng)化，色、嗅、味顯著。除汛水期外（歷時(shí)幾周），水中懸浮物以有機(jī)顆粒及水微生物（如水藻）為主。這類物質(zhì)比重一般接近于水，即使加大投礬量，也很難由水中沉淀分離出來，從而使水微生物得以在濾池內(nèi)大量繁殖，一方面堵塞濾料層，使過濾周期縮短，另一方面，由于濾料受到污染，出水水質(zhì)難以滿足國家飲用水衛(wèi)生標(biāo)準(zhǔn)。更有甚者，濾后水水質(zhì)差于原水水質(zhì)的現(xiàn)象時(shí)有發(fā)生。嚴(yán)重時(shí)，水呈醬褐色，被用戶稱為“醬油水”，“腥臭水”。因?yàn)樗|(zhì)差，用戶數(shù)量銳減，水廠日供水量僅2千噸左右，以致生產(chǎn)成本高，水廠的經(jīng)濟(jì)效益及社會效益均受到嚴(yán)重影響。
　　現(xiàn)場情況分析表明，要獲得好的水處理效果，關(guān)鍵在于提高濾前水的水質(zhì)。因此，根據(jù)原水水質(zhì)特點(diǎn)，考慮將斜管沉淀池改為可切換為沉淀池或氣浮池運(yùn)行的“斜管沉淀/氣浮池”。
　　改造后的沉淀池僅在原池中增設(shè)了兩面導(dǎo)流墻。隔墻1設(shè)于沉淀池起端，用于形成氣泡捕捉區(qū)（微氣泡與水中懸浮顆粒在此相互碰撞凝聚），隔墻2設(shè)于沉淀池未端，用于隔開浮渣并將澄清水從池的下部導(dǎo)入出水槽。
　　在隔墻1下方開有導(dǎo)流孔，并設(shè)閘板1控制孔的開閉。當(dāng)原水濁度較高時(shí)（如汛期），打開閘板，這時(shí)水從池底進(jìn)入，向上通過斜管，沉淀水由集水槽收集，經(jīng)集水總渠送往濾池。這時(shí)池子的功能與一般斜管沉淀池?zé)o異。若將閘板關(guān)閉，并啟動產(chǎn)微氣泡系統(tǒng)，水池即成為氣浮池。這時(shí)，水在氣泡捕捉區(qū)內(nèi)與微氣泡混合，向上溢流入氣浮區(qū)，氣-固凝聚體浮升水面成為浮渣，定期刮入排渣槽排除。澄清水向下通過斜管進(jìn)入出水區(qū)，由集水槽收集后送往濾池。沉淀與氣浮功能的切換非常方便。
　　1996年年中，改造后的斜管沉淀/氣浮池投入運(yùn)行。濾前水質(zhì)獲得明顯改善，出廠水質(zhì)經(jīng)當(dāng)?shù)匦l(wèi)生防疫部門檢測，各項(xiàng)指標(biāo)均符合國家《生活飲用水衛(wèi)生標(biāo)準(zhǔn)》（BG5749-85）（表2）。

　　該技術(shù)改造成功的經(jīng)驗(yàn)說明，將斜管沉淀池改造為斜管沉淀/氣浮池是一種投入少，見效快、效益好的實(shí)用技術(shù)，具有以下幾個(gè)特點(diǎn)：
　　①社會效益，經(jīng)濟(jì)效益顯著。水質(zhì)改善后，根據(jù)優(yōu)質(zhì)優(yōu)價(jià)的原則，經(jīng)當(dāng)?shù)匚飪r(jià)部門核準(zhǔn)，水價(jià)得到調(diào)整。同時(shí)用水量及用戶數(shù)量也不斷增加，與96年同期相比，97年末水廠利潤增加287.1%，做到了政府滿意、用戶滿意、水廠滿意。
　　②投資省，簡單易行。由示意圖可見，整個(gè)改造工程僅增加兩面隔墻和一套壓力溶氣水制取及釋氣系統(tǒng)，斜管沉淀池的原有構(gòu)造不變；
　　③處理效果好，濾池過濾周期明顯延長。另外，與常規(guī)氣浮池相比，充分利用了池中原有的斜管，一方面提高了氣浮分離效率，另一方面斜管上附著的生物膜在水中溶解氧較為充足的條件下，對于氧化水中溶解性有機(jī)物有一定的輔助作用；
　　④運(yùn)行管理靈活，沉淀、氣浮功能切換方便，對原水水質(zhì)變化的適應(yīng)性強(qiáng)；

4 結(jié)束語

　　綜上所述，無論是氣浮濾池或浮沉池，均可在不新增構(gòu)筑物的前提下，有效地優(yōu)化水處理流程的整體性能。至于具體采用哪一種方式，主要取決于水廠中現(xiàn)有的構(gòu)筑物形式。其中，虹吸濾池、雙閥濾池和移動罩濾池易于改造為氯浮濾池，前兩種池型浮渣可隨反沖洗水一同排除，從而不須設(shè)專用的刮渣設(shè)備；斜管沉淀池易于改造為浮沉池。這幾種池型國內(nèi)均為數(shù)不少，因此，將氣浮工藝用于現(xiàn)有水廠的改造具有實(shí)用性強(qiáng)，應(yīng)用面廣、投資少、見效快等特點(diǎn)，不失為解決微污染江河飲用水處理的一條有效途徑。對于緩解由于水源污染而造成的處理難度，改善供水水質(zhì)，降低制水成本，具有普遍的意義和較高的應(yīng)用價(jià)值。

楊開，武漢水利電力大學(xué)副教授。武漢市武昌珞珈山（430072），
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