壓力溶氣氣浮工藝在給水處理中的發展與應用

劉浩然 孫海平 張剛 劉宏遠

1浙江工業大學建筑與土木工程學院 浙江 杭州 310012 2浙江嘉源環境集團有限公司 浙江 嘉興 314001

1、前言

給水處理的目的是對地表或地下水體進行技術加工，使最終出水水質符合生活或工業用水標準。與污水處理相比，水的使用用途，水中雜質的種類和濃度以及處理要求均不同。常規的給水處理工藝包括混凝、沉淀、過濾、消毒等。當處理高藻水或低溫低濁水時，沉淀工藝對水中細小顆粒的去除能力降低，凈水廠通常采用投加粘土或強化混凝的方法提高出水水質，增加了成本。采用DAF工藝可高效處理此類水體，近年來人們致力于該工藝對給水處理方面的研究與應用，用它來代替沉淀工藝。

2、DAF工藝的基本理論

2.1 運行原理與過程

溶有飽和空氣的壓力水由于壓力釋放會溶出大量微氣泡。這些微氣泡與混凝后的絮體顆粒結合，易上浮去除，達到凈水目的，此為DAF工藝的工作原理。DAF池被分為接觸區和分離區。運行時，空氣和回流水（一般為DAF池出水）進入壓力溶氣罐內充分接觸，溶有飽和空氣的壓力水通過釋放器從罐內進入接觸區并產生微氣泡；上升的微氣泡與絮體顆粒發生碰撞、吸附作用后共同流至分離區；在分離區內，微氣泡-絮體聚合物上浮至水面由排泥系統除去，澄清水從池體下部從出水管流出。

2.2 接觸區微氣泡與絮體的反應模型

2.2.1 白水層過濾模型

白水層過濾模型認為接觸區水流流態為層流。接觸區內的微氣泡類似于砂濾池中的濾料，絮體顆粒在上向流過程中被攔截、碰撞、吸附在微氣泡表面，故攔截為主導作用。因此，微氣泡的直徑與接觸區反應效率呈負相關關系，而微氣泡的體積濃度，上升速率與接觸區反應效率呈正相關關系。實際生產中，一般通過增大溶氣罐壓力和溶氣量來提高接觸區反應效率，優化工藝處理效果。

2.2.2 群體平衡模型

群體平衡模型認為在實際運行時，接觸區水流流態為紊流。微氣泡與絮體顆粒的相互作用類似于異相絮凝。微氣泡通過紊流擴散與絮體顆粒發生碰撞，故碰撞為主導作用。模型表明，微氣泡和絮體顆粒的濃度、尺寸、性質對接觸區反應效率產生影響，認為當兩者尺寸相當時，反應效率最大。實際生產中，DAF工藝對絮體尺寸要求不大（50μm）。因此，所需混凝劑藥量也較小。

2.3 分離區水流流動模型

常規的DAF池的分離區設計和沉淀池類似，都基于斯托克斯定律。理想的分離區水流流動模型為活塞流（水流垂直向下流動）。而當水流流速大于微氣泡-絮體聚合物上升速度時，水流會呈現先水平流后下向流的分層流動現象。這一現象的發現對提高水力負荷方面意義較大，有益于高速DAF工藝的發展研究。

3、工藝運行條件與處理效果

3.1 原水適用條件

DAF工藝對原水水質有一定要求，適用于處理富營養化以及低溫低濁水。以原水濁度為例，濁度被分為礦物濁度（粘土顆粒為濁度主要影響因素）和非礦物濁度（藻顆粒為濁度主要影響因素）。DAF工藝適用于處理濁度在5～10NTU的原水。當原水濁度在10～100NTU時，該工藝更適用于處理非礦物濁度原水（如水庫水）。實際生產中，最大濁度上限可達200NTU。

3.2 工藝處理效果

DAF工藝對藻類和原生動物等污染物的處理效果顯著，除藻效率可達八至九成，對“兩蟲”的去除率可達九成以上。此外，該工藝對含氮、碳消毒副產物的去除效果也較優。由此可見，DAF工藝處理低密度污染物的能力較強。這主要是因為該類物質由于自身低密度的特性，與微氣泡結合后的聚合物密度更低，更易于上浮去除。

4、最新研究進展

4.1 高速DAF工藝

21世紀初，高速DAF工藝在全球范圍內得到研究與發展，其水力負荷較常規工藝大兩倍以上，所需絮凝時間可降低至5分鐘，占地面積更小，投資成本更低。兩者設計參數相似，主要區別在于高速DAF工藝由于極高的水力負荷，微氣泡易被水流帶至底部出水管，影響出水水質，需要加設氣泡去除設備。在分離區底部設置特制的集水裝置（穿孔板），可有效控制出流水中微氣泡的數量。

4.2 正電荷DAF工藝

改變氣泡性質的起泡劑被廣泛應用于礦物浮選和污水處理領域。給水處理中通過投加起泡劑改變微氣泡的表面電荷，可減少混凝劑藥量甚至無需投加混凝劑。研究發現，在不投加混凝劑的情況下，正電荷DAF工藝對藻類的去除率依然可達八成以上。此外，在一定的鋁離子濃度和pH條件下，通過電凝聚也可直接產生正電荷微氣泡，提供了不加藥劑產生正電荷微氣泡的可能。

4.3 DAF-膜組合處理工藝

由于DAF工藝獨特的運作機理和強大的去污能力，與膜的組合處理工藝成為近幾年給水處理的研究熱點。DAF工藝可以高效去除原水中的有機物，降低后置超濾膜結垢的風險；作為海水淡化RO膜系統的前處理系統，可去除藻類、油類等物質，防止RO膜污染。此外，河流治理領域中的DAF-膜一體化設備為這兩種工藝的組合提供了新的思路。該設備中，微濾膜被放置在分離區的底部，水流可直接進入膜系統，大大減少了全系統的體積。

5 結語

DAF工藝應用于給水處理領域已長達數十年，特別適用于處理富營養化以及低溫低濁水。DAF池占地面積小，所需藥量少，符合我國可持續發展的要求。根據各地區特殊的原水水質狀況對工藝進行合理的調整與優化，是我國現階段發展DAF工藝需要克服的難題。此外，新型的DAF工藝以及與膜的組合處理工藝將獲得更廣泛的研究與應用。