介紹氣浮法用于水廠改造及工程實例
摘 要：無論是氣浮濾池或浮沉池，均可在不新增構筑物的前提下，有效地優化水處理流程的整體性能。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，從而不須設專用的刮渣設備；斜管沉淀池易于改造為浮沉池。
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、高色和受有機物污染的原水。工程應用及研究均表明，除分離無機及有機懸浮物外，氣浮法對于水中溶解性有機物也有一定的去除效果。
實際上，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。更何況隨著國內水環境受到日益嚴重的污染，許多河水兼有了江河水與湖、塘、水庫水的水質特征，如含藻量增多、色臭味加重、并呈現季節性變化，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水處理流程中，可充分發揮氣浮法與沉淀法各自的特點，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、高色和受有機物污染原水的處理效果，但不適應高濁期水質；第二種方式可根據原水水質，隨時將沉浮池切換為沉淀池或氣浮池使用，對原水水質有較強的適應性；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，進一步增強了對水質變化的適應性，可有效地改善處理效果。
本文主要以筆者完成的兩項工程實例，介紹后兩種改造方式。
2 實例一：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
原設計流量２萬噸／日，改造時實際平均日供水量為２.５萬噸，高峰期超過３萬噸，已處于超負荷運行狀態。由于沙河上游工業廢水排放增多，水源污染狀況日趨嚴重，極大地干擾了水廠的正常運行。主要表現在：
①枯水期沙河水中污水(由上游排放)所占比例偏大，水質(有機)污染嚴重，歷時較長，加之此時原水水質多處于低溫低濁期，原有水處理工藝對此很不適應。
近期統計資料表明，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5級，處理后分別為5-8度、25－35度和4級，人工加泥后水質有所提高。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30000度，沉淀池濁度負荷過高，大量絮凝體溢流入濾池，堵塞濾料，此時出水水質雖有保證，但過濾周期縮短，處理系統整體性能難以正常發揮；
③由于水中存在大量的營養物質，春、夏季節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、綠藻和藍藻(主要是鞘絲藻和魚腥藻)居多。同時，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，使制水成本增加。
1995年初，在小試的基礎上，通過將原虹吸濾池的６個濾格均改造為氣浮式虹吸濾池，實現了混凝沉淀－氣浮過濾的新工藝，流程如下：
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因為采用的是分流式壓力溶氣氣浮系統，所以未增加濾池的水量負荷，亦即無論氣浮單元投入運行與否，濾速均未改變，同時，也無須增設新的處理構筑物。
氣浮單元的運行方式非常靈活，可通過將氣浮單元投入或撤出水處理系統，或調節溶氣水回流比的大小等方法，控制濾前水質，以適應原水水質的變化，降低制水成本。因此，非常適用于季節性多變的水源水質，增強系統整體抗沖擊負荷的能力。
改造完成后，在不同的溶氣水回流比、投礬量及原水水質條件下，共進行了７個過濾周期的測試，表中所列為各周期平均水質、運行操作指標、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。試驗期間，從第４個周期(４號樣)起，天氣轉晴，氣溫升高，同時，上游工業廢水排放量增大，致使原水水質變壞，有機物污染程度及藻類總數顯著增加。
由表１可見，各樣本氣濾后水水質指標均明顯優于過濾水，同時制水成本也大為下降。分析試驗所測結果，影響出水水質及水處理系統整體性能的因素主要有：
①懸浮物尺度：與常規氣浮系統不同，本試驗氣浮單元進水不是平緩地由反應池引入，而是經管渠系統而來，其中的懸浮物是破碎細小的礬花。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：因為溶氣水取自沉淀水，所以確切地說，溶氣水與處理水量之比應稱為“分流比”，但為便于理解，在此還是按習慣稱其為回流比。
回流比在很大程度上控制著氣濾水的水質。５，６，７樣本中均含回流比相異的兩組氣浮過濾水測試結果。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小時延至 8.5小時。
增加回流比還可降低投礬量。如２號樣與３號樣的原水水質差別不大，當回流比由10.5％增到12％，對應投礬量由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％。
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除沉淀水水質外，影響回流比的主要因素是濾速。對比現行《室外給水設計規范》(BGJ13-86)規定，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。而本試驗中，一般在回流比大于10％的條件下，才能保證氣濾水水質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)是一個主要原因。過大的濾速一方面減少了氣泡釋放與浮升的時間，同時會在濾料層中產生氣阻現象。另一方面浮渣層由于缺乏足夠多的氣泡頂托，也不易穩定。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。
因為試驗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，所以不宜減產進行試驗，以求得較低濾速條件下的最優回流比。但從幾次單池短時降流的實際觀測所見，在同樣的回流比條件下，浮渣層的厚度、密度及穩定性明顯增加。
實際上，對回流比的大小應作全面衡量。從實效上看，降低回流比的目的無非是希望節省氣浮系統動力費用，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，但卻大大延長了濾池的過濾周期，節約了大量的沖洗水。況且12％與 7％回流比間的的電費差額很小(29元／萬噸)，相比之下，在水質提高的同時，總成本也降低了很多。
因此，應根據實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10－25％。本研究建議在原水受有機物污染，或濾速大于9m/h的情況下，采用大的回流比(大于10％－12％)，在經濟上與技術上都是有利的。當原水水質一般時，回流比則以小于10％為宜。根據這一原則，并考慮到離心泵Ｑ－Ｎ曲線較為平緩的特點(水泵軸功率隨流量減少的降差很小)，選泵時宜選用兩大一小三臺泵，單泵工作，其中一臺大泵為備用泵，以適應不同水質及回流比要求；
③對有機物及藻類的去除：對比各樣本，氣濾池對有機物的去除明顯高于濾池，尤其是對藻類的去除。在多數樣本中，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別正在于待濾水的水質更好。
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，而在水源污染期(樣本４－７)，濾池周期極短，但當采用較高回流比時，氣濾池周期可延長５－１１小時。
對水廠而言，在改善出廠水質的同時能增加過濾周期，就意味著生產成本的下降，尤其是在原周期較短的情況下，效益更加突出；
⑤經濟分析：表１中制水成本下降為根據各周期實測電耗值，按周口市工業電價(Ｃ電＝0.40元／度電)和二水廠實際制水成本(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，降幅更多。按日產水量３萬噸、成本降低 225元／萬噸計，每年可節省成本近30萬元，若計入減少的礬耗，經濟效益將更為顯著。
⑥操作水平：考慮到研究成果的實用性與可重復性，本次試驗完全是在水廠實際的操作水平、運行條件及運行狀態下進行的，對實際存在的很多的不利因素未加以排除，同時，試驗期間正處于源水水質污染的不利條件下，因此所得研究成果真實地反映了混凝沉淀－氣浮過濾新工藝的實際應用效果，具有較大的參考價值。
試驗結果表明:
①合理分配水處理系統中各單元懸浮物負荷，改善待濾水水質是保證濾池正常功能和濾后水質的關鍵；
②在傳統的混凝沉淀－過濾工藝中，增加氣浮工序后可形成的一種高效、低耗、實用的飲用水處理新工藝，其經濟技術指標明顯優于傳統的沉淀－過濾工藝。通過處理單元的優化組合，使懸浮物負荷分配更趨合理，提高了水處理系統抗沖擊負荷的能力與運行操作的靈活性，強化了整體性能；
③由于新工藝放寬了對沉淀水水質的要求，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計負荷。這樣，新工藝除可節省運行費用外，還可降低改、擴建或新建工程投資；
④在周口二水廠的試驗條件下，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，經濟效益十分明顯。
⑤延長過濾周期，改善出水水質，收到了良好的經濟效益與社會效益；
⑥氣浮式虹吸濾池與氣浮式雙閥濾池工藝簡單，易于實現，不需增設構筑物與刮渣機，投資省、見效快，尤其適合現有濾池的改造，還可作為其他類型濾池改造時的參考；
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。可以通過調節回流比的大小，適應不同的水質。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，以適應不同水質及回流比要求；
⑧氣浮濾池濾速以小于9m/h為宜，否則應采用大的回流比。
3 實例二：沉浮池
湖北某鄉鎮水廠以長湖為水源，設計日供水量6千噸，原設計凈水流程及構筑物池型為：
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
工程建成后，隨著沿湖地區經濟的快速發展，大量未經處理的工業及生活污水排入其中，再加上水產養殖業的影響，長湖水質受到嚴重污染，溶解性有機物含量加，水體呈富營養化，色、嗅、味顯著。除汛水期外(歷時幾周)，水中懸浮物以有機顆粒及水微生物(如水藻)為主。這類物質比重一般接近于水，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，出水水質難以滿足國家飲用水衛生標準。更有甚者，濾后水水質差于原水水質的現象時有發生。嚴重時，水呈醬褐色，被用戶稱為“醬油水”，“腥臭水”。因為水質差，用戶數量銳減，水廠日供水量僅2千噸左右，以致生產成本高，水廠的經濟效益及社會效益均受到嚴重影響。
現場情況分析表明，要獲得好的水處理效果，關鍵在于提高濾前水的水質。因此，根據原水水質特點，考慮將斜管沉淀池改為可切換為沉淀池或氣浮池運行的“斜管沉淀/氣浮池”。
改造后的沉淀池僅在原池中增設了兩面導流墻。隔墻1設于沉淀池起端，用于形成氣泡捕捉區(微氣泡與水中懸浮顆粒在此相互碰撞凝聚)，隔墻2設于沉淀池未端，用于隔開浮渣并將澄清水從池的下部導入出水槽。
在隔墻1下方開有導流孔，并設閘板1控制孔的開閉。當原水濁度較高時(如汛期)，打開閘板，這時水從池底進入，向上通過斜管，沉淀水由集水槽收集，經集水總渠送往濾池。這時池子的功能與一般斜管沉淀池無異。若將閘板關閉，并啟動產微氣泡系統，水池即成為氣浮池。這時，水在氣泡捕捉區內與微氣泡混合，向上溢流入氣浮區，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入出水區，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/氣浮池投入運行。濾前水質獲得明顯改善，出廠水質經當地衛生防疫部門檢測，各項指標均符合國家《生活飲用水衛生標準》(BG5749-85)(表2)。
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該技術改造成功的經驗說明，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、效益好的實用技術，具有以下幾個特點：
①社會效益，經濟效益顯著。水質改善后，根據優質優價的原則，經當地物價部門核準，水價得到調整。同時用水量及用戶數量也不斷增加，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，斜管沉淀池的原有構造不變；
③處理效果好，濾池過濾周期明顯延長。另外，與常規氣浮池相比，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物有一定的輔助作用；
④運行管理靈活，沉淀、氣浮功能切換方便，對原水水質變化的適應性強；
4 結束語
綜上所述，無論是氣浮濾池或浮沉池，均可在不新增構筑物的前提下，有效地優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有的構筑物形式。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，從而不須設專用的刮渣設備；斜管沉淀池易于改造為浮沉池。這幾種池型國內均為數不少，因此，將氣浮工藝用于現有水廠的改造具有實用性強，應用面廣、投資少、見效快等特點，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，降低制水成本，具有普遍的意義和較高的應用價值。
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