压力溶气气浮工艺在给水处理中的发展与应用

刘浩然 孙海平 张刚 刘宏远

1浙江工业大学建筑与土木工程学院 浙江 杭州 310012 2浙江嘉源环境集团有限公司 浙江 嘉兴 314001

1、前言

给水处理的目的是对地表或地下水体进行技术加工，使最终出水水质符合生活或工业用水标准。与污水处理相比，水的使用用途，水中杂质的种类和浓度以及处理要求均不同。常规的给水处理工艺包括混凝、沉淀、过滤、消毒等。当处理高藻水或低温低浊水时，沉淀工艺对水中细小颗粒的去除能力降低，净水厂通常采用投加粘土或强化混凝的方法提高出水水质，增加了成本。采用DAF工艺可高效处理此类水体，近年来人们致力于该工艺对给水处理方面的研究与应用，用它来代替沉淀工艺。

2、DAF工艺的基本理论

2.1 运行原理与过程

溶有饱和空气的压力水由于压力释放会溶出大量微气泡。这些微气泡与混凝后的絮体颗粒结合，易上浮去除，达到净水目的，此为DAF工艺的工作原理。DAF池被分为接触区和分离区。运行时，空气和回流水（一般为DAF池出水）进入压力溶气罐内充分接触，溶有饱和空气的压力水通过释放器从罐内进入接触区并产生微气泡；上升的微气泡与絮体颗粒发生碰撞、吸附作用后共同流至分离区；在分离区内，微气泡-絮体聚合物上浮至水面由排泥系统除去，澄清水从池体下部从出水管流出。

2.2 接触区微气泡与絮体的反应模型

2.2.1 白水层过滤模型

白水层过滤模型认为接触区水流流态为层流。接触区内的微气泡类似于砂滤池中的滤料，絮体颗粒在上向流过程中被拦截、碰撞、吸附在微气泡表面，故拦截为主导作用。因此，微气泡的直径与接触区反应效率呈负相关关系，而微气泡的体积浓度，上升速率与接触区反应效率呈正相关关系。实际生产中，一般通过增大溶气罐压力和溶气量来提高接触区反应效率，优化工艺处理效果。

2.2.2 群体平衡模型

群体平衡模型认为在实际运行时，接触区水流流态为紊流。微气泡与絮体颗粒的相互作用类似于异相絮凝。微气泡通过紊流扩散与絮体颗粒发生碰撞，故碰撞为主导作用。模型表明，微气泡和絮体颗粒的浓度、尺寸、性质对接触区反应效率产生影响，认为当两者尺寸相当时，反应效率最大。实际生产中，DAF工艺对絮体尺寸要求不大（50μm）。因此，所需混凝剂药量也较小。

2.3 分离区水流流动模型

常规的DAF池的分离区设计和沉淀池类似，都基于斯托克斯定律。理想的分离区水流流动模型为活塞流（水流垂直向下流动）。而当水流流速大于微气泡-絮体聚合物上升速度时，水流会呈现先水平流后下向流的分层流动现象。这一现象的发现对提高水力负荷方面意义较大，有益于高速DAF工艺的发展研究。

3、工艺运行条件与处理效果

3.1 原水适用条件

DAF工艺对原水水质有一定要求，适用于处理富营养化以及低温低浊水。以原水浊度为例，浊度被分为矿物浊度（粘土颗粒为浊度主要影响因素）和非矿物浊度（藻颗粒为浊度主要影响因素）。DAF工艺适用于处理浊度在5～10NTU的原水。当原水浊度在10～100NTU时，该工艺更适用于处理非矿物浊度原水（如水库水）。实际生产中，最大浊度上限可达200NTU。

3.2 工艺处理效果

DAF工艺对藻类和原生动物等污染物的处理效果显著，除藻效率可达八至九成，对“两虫”的去除率可达九成以上。此外，该工艺对含氮、碳消毒副产物的去除效果也较优。由此可见，DAF工艺处理低密度污染物的能力较强。这主要是因为该类物质由于自身低密度的特性，与微气泡结合后的聚合物密度更低，更易于上浮去除。

4、最新研究进展

4.1 高速DAF工艺

21世纪初，高速DAF工艺在全球范围内得到研究与发展，其水力负荷较常规工艺大两倍以上，所需絮凝时间可降低至5分钟，占地面积更小，投资成本更低。两者设计参数相似，主要区别在于高速DAF工艺由于极高的水力负荷，微气泡易被水流带至底部出水管，影响出水水质，需要加设气泡去除设备。在分离区底部设置特制的集水装置（穿孔板），可有效控制出流水中微气泡的数量。

4.2 正电荷DAF工艺

改变气泡性质的起泡剂被广泛应用于矿物浮选和污水处理领域。给水处理中通过投加起泡剂改变微气泡的表面电荷，可减少混凝剂药量甚至无需投加混凝剂。研究发现，在不投加混凝剂的情况下，正电荷DAF工艺对藻类的去除率依然可达八成以上。此外，在一定的铝离子浓度和pH条件下，通过电凝聚也可直接产生正电荷微气泡，提供了不加药剂产生正电荷微气泡的可能。

4.3 DAF-膜组合处理工艺

由于DAF工艺独特的运作机理和强大的去污能力，与膜的组合处理工艺成为近几年给水处理的研究热点。DAF工艺可以高效去除原水中的有机物，降低后置超滤膜结垢的风险；作为海水淡化RO膜系统的前处理系统，可去除藻类、油类等物质，防止RO膜污染。此外，河流治理领域中的DAF-膜一体化设备为这两种工艺的组合提供了新的思路。该设备中，微滤膜被放置在分离区的底部，水流可直接进入膜系统，大大减少了全系统的体积。

5 结语

DAF工艺应用于给水处理领域已长达数十年，特别适用于处理富营养化以及低温低浊水。DAF池占地面积小，所需药量少，符合我国可持续发展的要求。根据各地区特殊的原水水质状况对工艺进行合理的调整与优化，是我国现阶段发展DAF工艺需要克服的难题。此外，新型的DAF工艺以及与膜的组合处理工艺将获得更广泛的研究与应用。