氣浮設(shè)計優(yōu)化研究-以阿聯(lián)酋某氣浮預(yù)處理項目為例

劉田雨

（上海巴安水務(wù)股份有限公司，上海 201700）

氣浮法（DissolvedAirFlotation，簡稱DAF），是一種從廢水中分離SS和油脂的有效方法。通過空氣與顆粒物吸附或合并在一起，使附著在氣泡上的顆粒可以從液相中漂浮出來。氣浮法最開始在礦石選礦中應(yīng)用多年，它在廢水處理領(lǐng)域的首次應(yīng)用是在懸浮固體（SS）、纖維和其他低密度固體的浮選中。浮選也用于污泥濃縮和海水淡化工藝中與濾池工藝結(jié)合進(jìn)行預(yù)處理。近年來，空氣浮選法是一種實用、可靠、高效的處理工藝，已被應(yīng)用于去除廢水中的油脂[1]，在處理造紙廢水（whitewater）、煉油廠中含油廢水中得到廣泛應(yīng)用[1]。

1 氣浮法簡介

在水處理的應(yīng)用中，氣浮浮選法主要用于固—液分離和液—液分離。在城鎮(zhèn)給水工藝流程中，浮選工藝與沉淀工藝通常都屬于沉淀/澄清工藝范疇，功能相似，但氣浮相較于沉淀的不同是該工藝是將液相內(nèi)密度小于所在承載液體的顆粒通過前置混凝絮凝工藝凝聚后，最終將這些上浮至表面的聚結(jié)物以表面浮渣（即氣浮表面污泥）的形式收集并去除的一種處理方法。

目前在工業(yè)上應(yīng)用較為廣泛的兩種主要氣浮產(chǎn)品為：（1）分散或誘導(dǎo)氣體（普通空氣）浮選（IAF），該類產(chǎn)品的原理大致為通過高速旋轉(zhuǎn)葉輪或文丘里噴嘴將氣泡機(jī)械性地注入至氣浮池，噴嘴口處會形成綿密氣泡；（2）溶解氣體（加壓空氣）浮選（DAF），利用水在不同壓力下溶解度不同的特性，將空氣溶解在廢水中，通過壓力釋放而形成非常小的氣泡，并上升到表面與油和SS 附著[1]。

在氣浮系統(tǒng)中，提升氣泡/固體或氣泡/油團(tuán)聚體的上升速率的關(guān)鍵是有效降低油（或固體）顆粒（或聚結(jié)體）的密度，這是通過將氣泡附著或封裝到絮凝體、氣泡或固體顆粒上實現(xiàn)的。在本文中主要討論的氣浮類型為加壓溶氣氣浮，加壓溶氣氣浮的原理主要是將氣浮系統(tǒng)中的出水澄清水通過水泵運(yùn)送至壓力容器中，同時會將壓縮空氣打入壓力容器（即加壓溶氣罐）中。根據(jù)亨利定律（Henry’s law），在不同溫度和不同壓力下，空氣在水中的溶解度不同，在加壓溶氣氣浮系統(tǒng)中，也是利用了亨利定律，當(dāng)壓縮空氣與氣浮澄清回流水部分溶解于壓力容器后，通過加壓溶氣水釋放裝置釋放，在壓力釋放的同時形成了微氣泡，微氣泡便附著水體內(nèi)的聚結(jié)體上浮。壓力釋放裝置的設(shè)備形式對氣泡的大小和均勻性有著決 定性的影響。

氣浮系統(tǒng)內(nèi)的加壓溶氣罐也分為兩種類型，一種是填料式加壓溶氣罐，另一種是非填料式加壓溶氣罐。填料式加壓溶氣罐具有更高的空氣溶解率，但在長期運(yùn)行中罐體內(nèi)填料容易結(jié)垢以及 生長出微生物。

目前，影響氣浮效果的主要因素有以下幾個方面：（1）壓縮空氣壓力及流速；（2）微氣泡的大小和微氣泡分散程度；（3）氣浮進(jìn)水中懸浮顆粒的表面性質(zhì)；（4）氣浮池的水力設(shè)計；（5）微氣泡的濃度；（6）加藥量；（7）溫度；（8）回流比；（9）pH值。

2 項目概況

該項目位于阿聯(lián)酋阿布扎比某港，出水分為飲用水和高純水，標(biāo)準(zhǔn)遵循阿聯(lián)酋當(dāng)?shù)仫嬘盟畼?biāo)準(zhǔn)。當(dāng)?shù)刈罡邷囟葹?0 ℃，在7 ℃時的相對濕度為100%，設(shè)計風(fēng)速為45 m/s，1至3月及8至10月會有沙塵暴。

該項目采用加壓溶氣氣浮，工藝流程如圖2-1所示：

原水進(jìn)入混凝池后，通過水力機(jī)械攪拌發(fā)生混凝反應(yīng)，混凝劑采用三氯化鐵FeCl3。混凝后的水進(jìn)入絮凝區(qū)，發(fā)生絮凝反應(yīng)。該絮凝區(qū)配備了攪拌機(jī)，同樣采用機(jī)械攪拌。絮凝劑采用PAC聚合物。

絮凝后的水通過進(jìn)水泵進(jìn)入混合區(qū)，在混合區(qū)內(nèi)加壓溶解水和進(jìn)水混合，混合后的水通過溶氣釋放系統(tǒng)壓力釋放進(jìn)入氣浮池。這里的絮凝物上升到水面，通過刮泥機(jī)刮取表面污泥排至污泥渠。澄清水通過氣浮池底部的淹沒式穿孔排水管進(jìn)入出水區(qū)，淹沒式排水管按一定規(guī)律沿氣浮池底部分布。

其中，氣浮設(shè)備的出水水位由氣浮池出水部分的可手動調(diào)節(jié)的出水堰板控制，溶氣水采用氣浮出水回用水。該項目氣浮設(shè)計基本參數(shù)如下：

設(shè)計水量：4 811 m3/h

DAF運(yùn)行數(shù)量：2套

每臺DAF進(jìn)水：2 402 m3/h

加壓溶氣水量：360 m3/h

每臺DAF總進(jìn)水量：2 762 m3/h

回流比：～14.98%

水力負(fù)荷：25.11 m/h

3 現(xiàn)場問題

3.1 加藥設(shè)計問題

傳統(tǒng)的飲用水處理中，包括混凝、絮凝、沉淀和過濾，這些工藝都需要形成大的、致密的絮體。混凝絮凝步驟旨在形成所謂的“針絮”，與較大的絮狀物相比，“針絮”已被證明適用于更長的過濾周期和能夠有更好的去除濁度的效果，較大的絮凝物在后續(xù)過濾工藝過程中容易發(fā)生絮體斷裂并導(dǎo)致濁度增加。

在以往的運(yùn)行實踐中，是將三氯化鐵或任何其他混凝劑進(jìn)行稀釋后，再加入待處理的水中。這一步是指將未稀釋的三氯化鐵混凝劑以40%濃度稀釋后加入待處理的水中。稀釋后的混凝劑可以確保混凝劑與膠體更好地接觸從而更快地混凝。在載水中加入氯化鐵也是相對正確的水處理解決方案，通過許多混凝/絮凝裝置的運(yùn)行證實，加入稀釋的混凝劑可以優(yōu)化工藝，降低加藥率。

但是，在該項目中，混凝劑三氯化鐵是以未經(jīng)稀釋的形態(tài)加入至混凝池中，且目前用于調(diào)節(jié)pH值的硫酸是直接在混凝池的頂部滴到水面上。此時在混凝劑的作用下混凝過程基本已經(jīng)完成，這時才調(diào)整pH值，明顯順序是有一定問題的。此外，該順序也不能保證原水與藥劑能進(jìn)行適當(dāng)?shù)幕旌稀?/p>

此外，在很多氣浮現(xiàn)場中都存在的一個共有的問題，即加藥量如何隨著水質(zhì)變化而進(jìn)行調(diào)整。同樣的問題也存在于該阿聯(lián)酋氣浮預(yù)處理項目中。在設(shè)計初期，根據(jù)對原水水質(zhì)成分的分析，推薦的加藥量為3.0 mg/L至18.0 mg/L，坦白說這是一個非常寬泛的范圍，于實際水廠運(yùn)營而言并不能產(chǎn)生有效的幫助。同時也由于氣浮下游工藝中有反滲透膜，為防止反滲透元件的損壞，反滲透膜對于過膜的水質(zhì)有著相對較高的要求。即便反滲透膜是在短時間內(nèi)暴露于較差的過膜水質(zhì)中，也可能會導(dǎo)致反滲透元素的污染，且影響是不可逆的。

非常重要的是，如果混凝劑的劑量沒有正確調(diào)整，形成的氯化鐵絮凝體會很重，而且大部分絮凝體不會漂浮在表面。它們部分沉積在混凝池和絮凝池中，然后在系統(tǒng)的浮選部分沉積，并在氣浮池底部產(chǎn)生具有一定質(zhì)量和濃度的沉積物。根據(jù)以往的工程經(jīng)驗，大部分形成的絮體在出水中過程中進(jìn)入重力雙介質(zhì)過濾系統(tǒng)中，很有可能增加氣浮出水的濁度。

綜上所述，該項目中加藥方法和混凝加藥量的設(shè)計應(yīng)用性較差。較為可行的優(yōu)化方案是：第一，增加藥劑制備設(shè)備，傳統(tǒng)的混凝加藥系統(tǒng)分為濕式投加法和干式投加法，大部分水廠除石灰石之外都使用濕式投加法。系統(tǒng)主要包括藥劑搬運(yùn)、調(diào)制溶解、轉(zhuǎn)液泵提升，儲罐儲液以及帶有流量指示的計量泵。對于本文所述的現(xiàn)場氣浮加藥問題，可以在加藥系統(tǒng)內(nèi)增加可遠(yuǎn)程控制的調(diào)節(jié)閥門，用以對流量進(jìn)行調(diào)節(jié)。針對濕式投加法彌補(bǔ)了當(dāng)加藥量突然改變時投加量調(diào)整較慢的這一缺點，可以在設(shè)計混凝劑儲罐時增加藥劑儲存天數(shù)，從而應(yīng)對加藥量突然增加的情況；第二，站在增加反滲透膜的使用壽命的角度，可在反滲透膜前的預(yù)處理工藝中增加水質(zhì)監(jiān)測設(shè)備，例如檢測濁度、SVI及pH值等。由監(jiān)測設(shè)備向現(xiàn)場總控傳輸信號，聯(lián)動加藥系統(tǒng)內(nèi)的調(diào)節(jié)閥門，從而對加藥量進(jìn)行調(diào)整。從長遠(yuǎn)的運(yùn)營角度來看，現(xiàn)場、運(yùn)營、業(yè)主公司內(nèi)部，可以根據(jù)對現(xiàn)場原水進(jìn)行氣浮小試，例如，每組三個樣本，每個樣本的加藥量不同，加藥后通入溶氣水模擬氣浮流程，選取浮選效果最佳的一組，記錄下此時的加藥量，并根據(jù)以往運(yùn)營經(jīng)驗設(shè)計一個加藥量計算表格或電子方程。這個程序可以在每一個現(xiàn)場輪班運(yùn)行一次，并對加藥量進(jìn)行調(diào)整。如果在嚴(yán)重的情況下，必要時需要現(xiàn)場操作人員進(jìn)行手動調(diào)整。此外，由于鐵基混凝劑的質(zhì)量相對較重，只有部分絮體能夠漂浮至表面，因此慎重減少加藥量也是提高氣浮運(yùn)行效果的方法之一；第三，如前文所述，加藥點的位置需要重新安排。較為可行的方案是將混凝劑加藥點安排在進(jìn)水槽處，且處于攪拌器下方或DN900進(jìn)水管的末端，將硫酸的加藥點安排在氣浮進(jìn)水槽之前，在這樣的安排下可以保證在混合攪拌后不會對pH產(chǎn)生影響。

3.2 布水均勻性問題

該項目中，混凝池與絮凝池的位置如3-1圖所示：

圖3-1 混凝絮凝平面布置圖

從圖中可以明顯看出，混凝池的位置并沒有位于兩個絮凝池中間，因此會有兩個絮凝池布水不均勻的情況。氣浮池之間的布水不均勻會增加氣浮系統(tǒng)內(nèi)回流量困難，從而難以保障氣浮出水的穩(wěn)定性。

對于這個問題，可行的優(yōu)化方案是在絮凝池入口增加一個堰板，例如在工程中得到廣泛應(yīng)用的三角堰板，在控制液位的同時還可以對流量進(jìn)行計量。

3.3 溶氣釋放多孔板堵塞問題

在現(xiàn)場運(yùn)行中出現(xiàn)了回流泵流量達(dá)不到設(shè)計流量，但加壓溶氣罐中的壓力仍然處于正常運(yùn)行壓力下的情況，排查后發(fā)現(xiàn)問題可能出在壓力容器釋放處。同樣，如前文所述，三氯化鐵有著較重的質(zhì)量，且在現(xiàn)場運(yùn)行中混凝部分出現(xiàn)了加藥過量的情況，這也導(dǎo)致了回流泵管線中有著較為大量的被水泵葉輪打散的絮體，而這也是造成溶氣釋放板堵塞的原因。如果這樣的系統(tǒng)長期運(yùn)行且在容易堵塞的情況下，溶氣釋放設(shè)備就需要定期清洗和維護(hù)。而清洗需要將氣浮池停止運(yùn)行，再將池內(nèi)水排空，然后才能拆卸溶氣釋放器進(jìn)行清洗，這顯然增加了運(yùn)維成本。并且，如果在水量突然增大的情況下出現(xiàn)了堵塞，很有可能會導(dǎo)致后續(xù)工藝的崩潰。此外，釋放板的堵塞會對氣浮系統(tǒng)的水力和表面污泥的形成造成很大的負(fù)面影響，也會對加壓溶氣罐中產(chǎn)生的微氣泡造成影響。

在未來的設(shè)計中，可以考慮在泵前或泵后增加過濾裝置。除了可以有效防止釋放板的頻繁堵塞外，還可以減少進(jìn)入加壓溶氣罐內(nèi)的雜質(zhì)，以防溶氣罐內(nèi)微生物的生長。尤其可以降低填料式加壓溶氣罐罐體內(nèi)結(jié)垢的風(fēng)險。如果在泵前增加，還可以有效防止水中雜質(zhì)對水泵的葉輪造成破壞。在設(shè)備調(diào)試過程中，可以在加壓溶氣罐出口處安裝一個暫時性的過濾器，防止在調(diào)試運(yùn)行過程中由于加壓溶氣罐運(yùn)輸或包裝導(dǎo)致罐體內(nèi)產(chǎn)生雜質(zhì)造成釋放板堵塞。

3.4 刮泥機(jī)淤泥問題

在氣浮系統(tǒng)中，刮泥機(jī)的形式有多種，最常見的有橋架式刮泥機(jī)、行車式刮泥機(jī)及鏈板式刮泥機(jī)。對于氣浮系統(tǒng)而言，無論是何種類型的刮泥機(jī)在實際運(yùn)行過程中都會出現(xiàn)在氣浮池末端或表面浮泥收集槽內(nèi)有無法排干凈的淤泥。并且由于氣浮產(chǎn)出的表面污泥的含固率在2%左右，會有部分污泥在被刮泥機(jī)刮至氣浮池末端后又倒流進(jìn)氣浮池內(nèi)。同時，在氣浮池排泥槽內(nèi)也會有無法排除干凈的污泥。在這種情況下，就需要增加一個噴淋系統(tǒng)對污泥進(jìn)行沖洗，否則經(jīng)過較長時間污泥凝固后會更加難以清洗。設(shè)計時，可以將刮泥機(jī)的軌道也納入噴淋范圍內(nèi)。所需的噴射水可以保持在最低限度，并相應(yīng)選擇噴淋噴頭的設(shè)計和位置。沖洗的持續(xù)時間和頻率應(yīng)設(shè)置為可調(diào)，對于對自動化要求高的水廠，可以設(shè)計增加一個可遠(yuǎn)程控制的調(diào)節(jié)閥門，同時，可以考慮提安裝手動調(diào)節(jié)沖洗水流量的閥門。

3.5 材質(zhì)選擇問題

迪拜是亞熱帶氣候，只有夏冬兩季，最高溫度能夠高達(dá)50 ℃，在太陽的暴曬下，設(shè)備表面的溫度可能不止50 ℃。這也是在本項目設(shè)計時未能考慮到的問題。本項目中加壓溶氣罐上的閥門選擇的材質(zhì)為UPVC，UPVC材質(zhì) 具有較差的耐熱性[2]，由于所有設(shè)備的安裝都在室外，沒有任何防曬措施，鋼制空氣管支撐不良，會對UPVC閥門產(chǎn)生壓力，在長時間的陽光照射下會變得脆弱。在現(xiàn)場的UPVC閥門已經(jīng)出現(xiàn)了問題。目前可供的解決方法是更換閥門更換材質(zhì)。

4 結(jié)論

通過對現(xiàn)場出現(xiàn)的問題進(jìn)行分析后，得出如下幾條優(yōu)化思路：

（1）一個完整的水處理工藝是由多個處理過程串聯(lián)組成的，這些過程都是一環(huán)套一環(huán)的，上游的失誤會導(dǎo)致下游的問題。因此對于水廠而言，有一套良好且完整的自控連鎖系統(tǒng)是非常重要的。在必要時，可以多增加水質(zhì)監(jiān)測點位。

（2）絮凝池的進(jìn)水口最好增設(shè)三角堰板或流量監(jiān)測設(shè)備，用以保證氣浮池內(nèi)配水的均勻性。

（3）混凝劑和pH調(diào)節(jié)藥劑應(yīng)在稀釋后再加入工藝系統(tǒng)中。

（4）工程師在工藝設(shè)計時，應(yīng)充分考慮到當(dāng)?shù)氐臍夂驐l件，尤其涉及室外安裝環(huán)境。

（5）應(yīng)在回流-加壓溶氣罐管線中增設(shè)過濾設(shè)備，保證系統(tǒng)長期穩(wěn)定運(yùn)行。

（6）從長遠(yuǎn)角度來看，水廠應(yīng)制定應(yīng)急預(yù)案，配合水質(zhì)及系統(tǒng)遠(yuǎn)程監(jiān)測，可以保證在突發(fā)事件發(fā)生時可以及時采取應(yīng)急措施。