王寶林，韓硯萍
（天津市自來水集團(tuán)有限公司，天津 300040）

　　摘要：常規(guī)水處理工藝過程中，常因夾氣問題而影響生產(chǎn)。產(chǎn)生夾氣的原因是多種多樣的，大致可分為兩類：“溶入夾氣”與“卷帶夾氣”，本文分析了常規(guī)水處理中各生產(chǎn)工序產(chǎn)生夾氣的現(xiàn)象和危害，并提出了解決辦法。
　　關(guān)鍵詞：水處理；夾氣；常規(guī)工藝
　　中圖分類號：TU991.2
　　文獻(xiàn)標(biāo)識碼：C
　　文章編號：1000-4602(2000)11-0046-03

　　水處理中常見的夾氣形式大致可分為兩類：“溶入夾氣”與“卷帶夾氣”。空氣在水體中的“溶入”、“析出”與水體輸送和水處理過程中的空氣“卷帶”不同，“溶入”與“析出”的條件是壓力和溫度的變化，“卷帶”則是在溫度、壓力基本不變,因水力條件變所產(chǎn)生的現(xiàn)象。

　　1 “夾氣”對沉淀工藝的影響

　　某水廠的平流沉淀池處理能力為25×104m³/d，突然發(fā)生大量絮體(泥渣)上浮，池面聚集的泥渣厚度達(dá)10cm，泥渣內(nèi)含有微量氣泡，使其浮于沉淀池表面。經(jīng)采用高壓水沖擊破渣，大量絮體又被帶入濾池而造成堵塞，縮短了濾池運行周期。
　　分析原因，可能來自兩方面：①由于天氣較熱，泥渣中微生物作用的分解產(chǎn)氣致使泥渣內(nèi)含有微量氣泡；②由于原水夾氣，在平流池中產(chǎn)生“氣浮”作用，使泥渣內(nèi)含有微量氣泡。分析認(rèn)為第二種原因是主要作用因素，因先有上浮，而后才可能有日曬引起的微生物繁殖，解決了上浮，即解決了微生物繁殖。在分析的基礎(chǔ)上，首先查找進(jìn)水泵吸氣點，加大泵軸水封水量，保證了泵軸“水封”有效而不進(jìn)氣。采取此措施后，上浮有所緩解，但未根除。繼續(xù)查尋可疑點，最后，找出有兩臺泵埋于地下吸水管的水平段底部腐蝕穿孔，當(dāng)預(yù)沉池水位高時不進(jìn)氣，水位低時則大量吸進(jìn)空氣，造成絮體上浮。
　　又例，處理能力為50×104m³/d的斜管沉淀池（分為四組，每組兩池），突然連續(xù)兩天池面出現(xiàn)大量絮體，致使該廠動員大量人力清理池面。第三天以后再沒出現(xiàn)絮體上浮。該廠無進(jìn)水泵，原水由遠(yuǎn)在3km之外的水源廠供應(yīng)，所以無進(jìn)水泵吸氣問題。針對此問題，廠內(nèi)進(jìn)行工藝分析，廠外進(jìn)行系統(tǒng)分析。
　　通過分析水源廠運行日報，發(fā)現(xiàn)水源廠連續(xù)兩天由于來水量不足，前池低水位運行。水源廠泵站設(shè)計為自灌式，泵軸不進(jìn)氣，由于前池低水位運行，水泵吸水管路出現(xiàn)負(fù)壓，引起泵軸進(jìn)氣，造成水廠斜管沉淀池絮體上浮。通過以上兩例可見，進(jìn)水泵夾氣能引起嚴(yán)重后果，并且原因比較隱蔽，難于分析、查找。
　　以上兩例形成的沉淀池“氣浮”，影響生產(chǎn)的機理是什么，筆者認(rèn)為主要是氣體的溶入與析出。當(dāng)進(jìn)水泵夾氣以后，水、氣通過葉輪高速旋轉(zhuǎn)，得以充分混合，水泵出水管內(nèi)形成以水為連續(xù)相、氣為高度分散相的氣液兩相流體。水通過水泵獲得能量，氣泡在壓力作用下向水中溶解，使水成為以空氣為溶質(zhì)的溶液。溶入空氣量與溫度、壓力、進(jìn)氣的多寡、傳質(zhì)阻力、濃差擴散速度等多種因素有關(guān)。計算飽和溶液可以應(yīng)用亨利定律，計算非飽和溶液則比較復(fù)雜。
　　當(dāng)水進(jìn)入敞開式混合設(shè)備時，未被吸收的空氣以氣泡形式很快從水體釋放出來，但已溶解的氣體受傳質(zhì)阻力、濃差擴散速度、氣泡成長、聚集速度等因素影響，釋放速度較慢，并且隨著濃度的降低，釋放速度越來越慢。常規(guī)給水處理要求混合階段水力條件“快速劇烈”，停留時間很短，在混合階段未釋放凈空氣的工藝水進(jìn)入了反應(yīng)階段。
　　在反應(yīng)階段，空氣未釋放凈的工藝水繼續(xù)釋放氣體，并聚集、成長為小氣泡，而已投入的凈水藥劑開始絮凝，形成細(xì)小礬花，并逐漸長大。此時，水體已成為氣、液、固三相體，氣、固為高分散相，水為連續(xù)相。根據(jù)氣、液、固三相體各自的表面張力性質(zhì)，形成的微小氣泡附著在絮體上，成為氣固兩相結(jié)合體。據(jù)有關(guān)資料介紹，單純絮體礬花的體積質(zhì)量僅為1.04（有的更小），當(dāng)絮體附著上小氣泡后，混合體積質(zhì)量＜1，從而形成氣、固兩相體在連續(xù)相——水體中上浮，這也就是氣浮池原理。據(jù)有關(guān)資料介紹，當(dāng)微氣泡直徑為30～50μm時，氣浮效果最好。
　　原水夾氣后，水體完全具備了氣浮條件，沉淀池池面聚集大量浮渣就不足為奇了。需要指出的是，沉淀池出現(xiàn)“氣浮”現(xiàn)象時，出水水質(zhì)不一定嚴(yán)重惡化，但要防止浮渣進(jìn)入濾站，并設(shè)法清除。

　　2 “夾氣”對濾池運行的影響

　　濾池運行的氣體干擾問題，遠(yuǎn)比沉淀池復(fù)雜，原因難于發(fā)現(xiàn)，后果也比較嚴(yán)重，解決起來難度較大。
　　2.1 “跌水”對濾池運行的影響
　　“跌水”造成的水體夾氣，一般屬于“卷帶”夾氣，“溶解”氣體量很少，主要是空氣和水的摻混作用。
　　① 沉淀池出水“跌水”對濾池的影響。平流沉淀池出水，多采用堰口收水，形式有寬頂水平堰、鋸齒三角堰等，堰后一般都有不同高度的跌水。斜管沉淀池大部分通過水平孔眼“跌入”集水支槽，然后再由支槽“跌入”匯水總渠。在這些“跌水”過程中往往卷帶部分氣體進(jìn)入集水渠，然后在輸送過程中再釋放出來。“沉淀”是凈化過程的一級處理，沉淀后的水中仍有許多未被截留絮體雜質(zhì)，留待二級處理——過濾解決。這些絮體雜質(zhì)與“卷帶”氣體進(jìn)入水體，與未釋放出的微氣泡相結(jié)合，具備了氣浮的條件，形成漂浮污物。這種情況，造成濾站進(jìn)水渠水流縱斷面上的顆粒雜質(zhì)分布不勻，形成上濁下清的雜質(zhì)濃度梯度。濾池進(jìn)水口一般設(shè)在進(jìn)水渠道的中下部，這就造成各濾池“固體負(fù)荷”分配不均，使連接在進(jìn)水渠道始端的濾池“固體負(fù)荷”較輕，連接在進(jìn)水渠道末端的濾池“固體負(fù)荷”較重。這種負(fù)荷不均的狀況，造成濾池運行周期有很大的差異，使濾池管理難度加大。
　　② 濾池進(jìn)水“跌水”造成的夾氣。濾池進(jìn)水跌水是一種非正常操作。由于濾池進(jìn)、出水量控制不當(dāng)，造成濾池液面低于排水槽上頂，濾池進(jìn)水“跌入”池內(nèi)。這種違規(guī)操作，一方面可能沖壞已形成的過濾泥膜，造成過濾短流，影響濾后水質(zhì)。另一方面，“跌水”卷帶的空氣若進(jìn)入濾床，可能形成濾床的局部氣塞，影響濾池的效率。未進(jìn)入濾床的空氣則在濾池表面釋放，使濾池水面有一層漂浮物，使人產(chǎn)生不潔的感覺，這層漂浮物隨著池面水位的漲落，附著于池壁，久而久之，池壁表面形成一層污泥。
　　2.2 濾池負(fù)壓運行造成夾氣
　　“濾池負(fù)壓運行”是指濾池在正常使用周期內(nèi)的某一時段，濾料層內(nèi)的壓力低于環(huán)境的大氣壓。在這種運行狀態(tài)下，當(dāng)過濾水進(jìn)入這一負(fù)壓過濾層時，溶于水的氣體在負(fù)壓的作用下從水體中析出，堵塞濾料間的孔隙，形成所謂的“氣塞”，在短時間內(nèi)使過濾速度大幅度下降，迫使濾池停止運行，進(jìn)行反沖洗。在用反沖洗驅(qū)除“氣塞”空氣時，在濾池內(nèi)又形成氣、液、固三相流體，驅(qū)除“氣塞”空氣的同時，會夾帶濾料，造成濾料流失。避免濾池負(fù)壓運行，是水處理工程技術(shù)人員的共識，筆者通過多年的工作實踐，認(rèn)為有兩個問題應(yīng)引起重視：一個是濾后出水渠要設(shè)置高程適宜的出水堰。另一個是盡可能降低濾前水濁度，避免濾池阻力增加過快。
　　① 濾后出水渠的出水堰。清水池的功能是調(diào)節(jié)供水高峰時的水量和保證消毒接觸時間，因此一般要有3～5 m的深度。為保證濾池正常工作，濾池出水管設(shè)置要高于清水池最高水位，當(dāng)其水位較低時，清水池與濾池連接管路和濾池就會出現(xiàn)負(fù)壓，解決這一問題的辦法，是在清水池和濾站之間的管路上加設(shè)出水堰，切斷連續(xù)液面，使濾池成為不受下游水位影響的獨立生產(chǎn)單元。出水堰高程設(shè)計很重要，筆者認(rèn)為出水堰高程與濾池濾水管高程一致為好，或進(jìn)行計算：
　　出水堰高程=濾水管管中高程-堰上水頭-管路水頭損失
　　② 避免濾池阻力增加過快。濾池阻力增加過快，也會發(fā)生溶解空氣從水中析出，造成氣塞。因某些原因（如藻類、膠體、高濁），清潔濾池在投入使用初期的水頭損失上升很快，主要水頭損失集中在濾池表面，也會造成下部濾料層出現(xiàn)負(fù)壓，使溶解空氣從水中析出而形成“氣塞”。在濾池使用初期，應(yīng)適當(dāng)控制濾速，這無論是在提高初濾水質(zhì)上，還是避免“氣塞”上都是有益的。
　　2.3 濾池沖洗夾氣
　　普通濾池的沖洗系統(tǒng)有兩種：高位水塔（水箱、水罐）沖洗和水泵沖洗，這兩種沖洗方式都可能夾氣。水泵沖洗的進(jìn)氣部位多為泵軸和吸水管路；水塔沖洗的進(jìn)氣多為沖洗間歇、水塔余水漏失、水塔至濾池沖洗管排空進(jìn)氣，所夾的氣體在濾池沖洗時釋放。濾池沖洗夾氣，往往氣量集中，對沖洗中的承托層和濾料強烈擾動，造成承托層原級配破壞，在過濾時使砂濾料從下部漏失。大氣泡的攪拌和提升作用，使過濾層上部的濾料隨沖洗水流失。
　　2.4 水溫變化引起濾池“氣塞”
　　某處理量為5×104m³/d的濾池，初冬季節(jié)突然運行周期由20h縮短為僅2～4h，嚴(yán)重影響生產(chǎn)。該廠當(dāng)時由于外界需求不足，負(fù)荷率僅為設(shè)計能力的50%，時值初冬，室內(nèi)已供熱采暖，環(huán)境溫度20℃左右，主要產(chǎn)水構(gòu)筑物設(shè)于室內(nèi)，原水水溫在4～5℃左右。分析原因：根據(jù)亨利定律，當(dāng)溫度較低時氣體在水中有較大的溶解度，原水在低氣溫下，經(jīng)過長時間的輸配，溶入了較多的空氣。在水處理過程中，由于室溫較高，停留時間較長，引起水體與室內(nèi)空氣熱交換，水體溫度上升，亨利系數(shù)增大，溶解氣體從水中析出，聚集于砂濾料孔隙內(nèi)，引起濾池“氣塞”，使運行周期下降。針對此問題，采取降低環(huán)境溫度的辦法可使問題得到緩解。

　　3 夾氣對清水池的影響

　　前面曾提到在清水池和濾站之間的管路上應(yīng)加設(shè)出水堰，防止濾池出現(xiàn)負(fù)壓運行。任何事物都有它的兩面性，濾后出水堰的設(shè)置防止了濾池負(fù)壓運行，但使濾池與清水池之間出現(xiàn)一個“跌水”，這個‘跌水’又是一個空氣與濾后水摻混的部位。“跌水”卷帶空氣進(jìn)入濾后清水，這在一般情況下并無大礙。若濾后濁度較高或混凝劑殘余較多，產(chǎn)生二次絮凝，則會在清水池表面形成漂浮物。清水池的進(jìn)水管和出水管一般靠近池底或低于池底，當(dāng)清水池長期處于高水位時，漂浮物在表面聚集，造成清水池上、下部的水質(zhì)差異。附著在漂浮絮體內(nèi)的細(xì)菌，受到濁質(zhì)的保護(hù)，不易被殺菌消毒劑殺滅，降低了消毒效果，甚者可能造成細(xì)菌“復(fù)蘇”。

　　4 送水泵夾氣對管網(wǎng)的影響

　　送水泵夾氣的原因與進(jìn)水泵夾氣相似，但送水泵夾氣后輸送距離長、壓力高，夾氣的主要方式是溶入、析出。由于壓力高，在管網(wǎng)中停留時間長，進(jìn)入水中的大部分氣體溶入了水中。其主要影響是針對供水管網(wǎng)和用戶的，大致有以下幾個方面：
　　① 使用戶擔(dān)心自來水的水質(zhì)和飲用的安全。溶入自來水中的氣體，要經(jīng)用戶的水龍頭放出后才能“析出”，使放出的水呈乳白色，停留一段時間后才變清，用戶往往認(rèn)為自來水的水質(zhì)不好，飲用不安全。
　　② 管道夾氣影響出廠水計量的準(zhǔn)確程度。
　　③ 未被溶解的氣體聚集在管網(wǎng)某處，減小了管道過流斷面，增大自來水管網(wǎng)輸配阻力。
　　④ 由于管道夾氣，容易造成爆管事故。

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收稿日期：2000-06-07