气浮设计优化研究-以阿联酋某气浮预处理项目为例

刘田雨

（上海巴安水务股份有限公司，上海 201700）

气浮法（DissolvedAirFlotation，简称DAF），是一种从废水中分离SS和油脂的有效方法。通过空气与颗粒物吸附或合并在一起，使附着在气泡上的颗粒可以从液相中漂浮出来。气浮法最开始在矿石选矿中应用多年，它在废水处理领域的首次应用是在悬浮固体（SS）、纤维和其他低密度固体的浮选中。浮选也用于污泥浓缩和海水淡化工艺中与滤池工艺结合进行预处理。近年来，空气浮选法是一种实用、可靠、高效的处理工艺，已被应用于去除废水中的油脂[1]，在处理造纸废水（whitewater）、炼油厂中含油废水中得到广泛应用[1]。

1 气浮法简介

在水处理的应用中，气浮浮选法主要用于固—液分离和液—液分离。在城镇给水工艺流程中，浮选工艺与沉淀工艺通常都属于沉淀/澄清工艺范畴，功能相似，但气浮相较于沉淀的不同是该工艺是将液相内密度小于所在承载液体的颗粒通过前置混凝絮凝工艺凝聚后，最终将这些上浮至表面的聚结物以表面浮渣（即气浮表面污泥）的形式收集并去除的一种处理方法。

目前在工业上应用较为广泛的两种主要气浮产品为：（1）分散或诱导气体（普通空气）浮选（IAF），该类产品的原理大致为通过高速旋转叶轮或文丘里喷嘴将气泡机械性地注入至气浮池，喷嘴口处会形成绵密气泡；（2）溶解气体（加压空气）浮选（DAF），利用水在不同压力下溶解度不同的特性，将空气溶解在废水中，通过压力释放而形成非常小的气泡，并上升到表面与油和SS 附着[1]。

在气浮系统中，提升气泡/固体或气泡/油团聚体的上升速率的关键是有效降低油（或固体）颗粒（或聚结体）的密度，这是通过将气泡附着或封装到絮凝体、气泡或固体颗粒上实现的。在本文中主要讨论的气浮类型为加压溶气气浮，加压溶气气浮的原理主要是将气浮系统中的出水澄清水通过水泵运送至压力容器中，同时会将压缩空气打入压力容器（即加压溶气罐）中。根据亨利定律（Henry’s law），在不同温度和不同压力下，空气在水中的溶解度不同，在加压溶气气浮系统中，也是利用了亨利定律，当压缩空气与气浮澄清回流水部分溶解于压力容器后，通过加压溶气水释放装置释放，在压力释放的同时形成了微气泡，微气泡便附着水体内的聚结体上浮。压力释放装置的设备形式对气泡的大小和均匀性有着决 定性的影响。

气浮系统内的加压溶气罐也分为两种类型，一种是填料式加压溶气罐，另一种是非填料式加压溶气罐。填料式加压溶气罐具有更高的空气溶解率，但在长期运行中罐体内填料容易结垢以及 生长出微生物。

目前，影响气浮效果的主要因素有以下几个方面：（1）压缩空气压力及流速；（2）微气泡的大小和微气泡分散程度；（3）气浮进水中悬浮颗粒的表面性质；（4）气浮池的水力设计；（5）微气泡的浓度；（6）加药量；（7）温度；（8）回流比；（9）pH值。

2 项目概况

该项目位于阿联酋阿布扎比某港，出水分为饮用水和高纯水，标准遵循阿联酋当地饮用水标准。当地最高温度为50 ℃，在7 ℃时的相对湿度为100%，设计风速为45 m/s，1至3月及8至10月会有沙尘暴。

该项目采用加压溶气气浮，工艺流程如图2-1所示：

原水进入混凝池后，通过水力机械搅拌发生混凝反应，混凝剂采用三氯化铁FeCl3。混凝后的水进入絮凝区，发生絮凝反应。该絮凝区配备了搅拌机，同样采用机械搅拌。絮凝剂采用PAC聚合物。

絮凝后的水通过进水泵进入混合区，在混合区内加压溶解水和进水混合，混合后的水通过溶气释放系统压力释放进入气浮池。这里的絮凝物上升到水面，通过刮泥机刮取表面污泥排至污泥渠。澄清水通过气浮池底部的淹没式穿孔排水管进入出水区，淹没式排水管按一定规律沿气浮池底部分布。

其中，气浮设备的出水水位由气浮池出水部分的可手动调节的出水堰板控制，溶气水采用气浮出水回用水。该项目气浮设计基本参数如下：

设计水量：4 811 m3/h

DAF运行数量：2套

每台DAF进水：2 402 m3/h

加压溶气水量：360 m3/h

每台DAF总进水量：2 762 m3/h

回流比：～14.98%

水力负荷：25.11 m/h

3 现场问题

3.1 加药设计问题

传统的饮用水处理中，包括混凝、絮凝、沉淀和过滤，这些工艺都需要形成大的、致密的絮体。混凝絮凝步骤旨在形成所谓的“针絮”，与较大的絮状物相比，“针絮”已被证明适用于更长的过滤周期和能够有更好的去除浊度的效果，较大的絮凝物在后续过滤工艺过程中容易发生絮体断裂并导致浊度增加。

在以往的运行实践中，是将三氯化铁或任何其他混凝剂进行稀释后，再加入待处理的水中。这一步是指将未稀释的三氯化铁混凝剂以40%浓度稀释后加入待处理的水中。稀释后的混凝剂可以确保混凝剂与胶体更好地接触从而更快地混凝。在载水中加入氯化铁也是相对正确的水处理解决方案，通过许多混凝/絮凝装置的运行证实，加入稀释的混凝剂可以优化工艺，降低加药率。

但是，在该项目中，混凝剂三氯化铁是以未经稀释的形态加入至混凝池中，且目前用于调节pH值的硫酸是直接在混凝池的顶部滴到水面上。此时在混凝剂的作用下混凝过程基本已经完成，这时才调整pH值，明显顺序是有一定问题的。此外，该顺序也不能保证原水与药剂能进行适当的混合。

此外，在很多气浮现场中都存在的一个共有的问题，即加药量如何随着水质变化而进行调整。同样的问题也存在于该阿联酋气浮预处理项目中。在设计初期，根据对原水水质成分的分析，推荐的加药量为3.0 mg/L至18.0 mg/L，坦白说这是一个非常宽泛的范围，于实际水厂运营而言并不能产生有效的帮助。同时也由于气浮下游工艺中有反渗透膜，为防止反渗透元件的损坏，反渗透膜对于过膜的水质有着相对较高的要求。即便反渗透膜是在短时间内暴露于较差的过膜水质中，也可能会导致反渗透元素的污染，且影响是不可逆的。

非常重要的是，如果混凝剂的剂量没有正确调整，形成的氯化铁絮凝体会很重，而且大部分絮凝体不会漂浮在表面。它们部分沉积在混凝池和絮凝池中，然后在系统的浮选部分沉积，并在气浮池底部产生具有一定质量和浓度的沉积物。根据以往的工程经验，大部分形成的絮体在出水中过程中进入重力双介质过滤系统中，很有可能增加气浮出水的浊度。

综上所述，该项目中加药方法和混凝加药量的设计应用性较差。较为可行的优化方案是：第一，增加药剂制备设备，传统的混凝加药系统分为湿式投加法和干式投加法，大部分水厂除石灰石之外都使用湿式投加法。系统主要包括药剂搬运、调制溶解、转液泵提升，储罐储液以及带有流量指示的计量泵。对于本文所述的现场气浮加药问题，可以在加药系统内增加可远程控制的调节阀门，用以对流量进行调节。针对湿式投加法弥补了当加药量突然改变时投加量调整较慢的这一缺点，可以在设计混凝剂储罐时增加药剂储存天数，从而应对加药量突然增加的情况；第二，站在增加反渗透膜的使用寿命的角度，可在反渗透膜前的预处理工艺中增加水质监测设备，例如检测浊度、SVI及pH值等。由监测设备向现场总控传输信号，联动加药系统内的调节阀门，从而对加药量进行调整。从长远的运营角度来看，现场、运营、业主公司内部，可以根据对现场原水进行气浮小试，例如，每组三个样本，每个样本的加药量不同，加药后通入溶气水模拟气浮流程，选取浮选效果最佳的一组，记录下此时的加药量，并根据以往运营经验设计一个加药量计算表格或电子方程。这个程序可以在每一个现场轮班运行一次，并对加药量进行调整。如果在严重的情况下，必要时需要现场操作人员进行手动调整。此外，由于铁基混凝剂的质量相对较重，只有部分絮体能够漂浮至表面，因此慎重减少加药量也是提高气浮运行效果的方法之一；第三，如前文所述，加药点的位置需要重新安排。较为可行的方案是将混凝剂加药点安排在进水槽处，且处于搅拌器下方或DN900进水管的末端，将硫酸的加药点安排在气浮进水槽之前，在这样的安排下可以保证在混合搅拌后不会对pH产生影响。

3.2 布水均匀性问题

该项目中，混凝池与絮凝池的位置如3-1图所示：

图3-1 混凝絮凝平面布置图

从图中可以明显看出，混凝池的位置并没有位于两个絮凝池中间，因此会有两个絮凝池布水不均匀的情况。气浮池之间的布水不均匀会增加气浮系统内回流量困难，从而难以保障气浮出水的稳定性。

对于这个问题，可行的优化方案是在絮凝池入口增加一个堰板，例如在工程中得到广泛应用的三角堰板，在控制液位的同时还可以对流量进行计量。

3.3 溶气释放多孔板堵塞问题

在现场运行中出现了回流泵流量达不到设计流量，但加压溶气罐中的压力仍然处于正常运行压力下的情况，排查后发现问题可能出在压力容器释放处。同样，如前文所述，三氯化铁有着较重的质量，且在现场运行中混凝部分出现了加药过量的情况，这也导致了回流泵管线中有着较为大量的被水泵叶轮打散的絮体，而这也是造成溶气释放板堵塞的原因。如果这样的系统长期运行且在容易堵塞的情况下，溶气释放设备就需要定期清洗和维护。而清洗需要将气浮池停止运行，再将池内水排空，然后才能拆卸溶气释放器进行清洗，这显然增加了运维成本。并且，如果在水量突然增大的情况下出现了堵塞，很有可能会导致后续工艺的崩溃。此外，释放板的堵塞会对气浮系统的水力和表面污泥的形成造成很大的负面影响，也会对加压溶气罐中产生的微气泡造成影响。

在未来的设计中，可以考虑在泵前或泵后增加过滤装置。除了可以有效防止释放板的频繁堵塞外，还可以减少进入加压溶气罐内的杂质，以防溶气罐内微生物的生长。尤其可以降低填料式加压溶气罐罐体内结垢的风险。如果在泵前增加，还可以有效防止水中杂质对水泵的叶轮造成破坏。在设备调试过程中，可以在加压溶气罐出口处安装一个暂时性的过滤器，防止在调试运行过程中由于加压溶气罐运输或包装导致罐体内产生杂质造成释放板堵塞。

3.4 刮泥机淤泥问题

在气浮系统中，刮泥机的形式有多种，最常见的有桥架式刮泥机、行车式刮泥机及链板式刮泥机。对于气浮系统而言，无论是何种类型的刮泥机在实际运行过程中都会出现在气浮池末端或表面浮泥收集槽内有无法排干净的淤泥。并且由于气浮产出的表面污泥的含固率在2%左右，会有部分污泥在被刮泥机刮至气浮池末端后又倒流进气浮池内。同时，在气浮池排泥槽内也会有无法排除干净的污泥。在这种情况下，就需要增加一个喷淋系统对污泥进行冲洗，否则经过较长时间污泥凝固后会更加难以清洗。设计时，可以将刮泥机的轨道也纳入喷淋范围内。所需的喷射水可以保持在最低限度，并相应选择喷淋喷头的设计和位置。冲洗的持续时间和频率应设置为可调，对于对自动化要求高的水厂，可以设计增加一个可远程控制的调节阀门，同时，可以考虑提安装手动调节冲洗水流量的阀门。

3.5 材质选择问题

迪拜是亚热带气候，只有夏冬两季，最高温度能够高达50 ℃，在太阳的暴晒下，设备表面的温度可能不止50 ℃。这也是在本项目设计时未能考虑到的问题。本项目中加压溶气罐上的阀门选择的材质为UPVC，UPVC材质 具有较差的耐热性[2]，由于所有设备的安装都在室外，没有任何防晒措施，钢制空气管支撑不良，会对UPVC阀门产生压力，在长时间的阳光照射下会变得脆弱。在现场的UPVC阀门已经出现了问题。目前可供的解决方法是更换阀门更换材质。

4 结论

通过对现场出现的问题进行分析后，得出如下几条优化思路：

（1）一个完整的水处理工艺是由多个处理过程串联组成的，这些过程都是一环套一环的，上游的失误会导致下游的问题。因此对于水厂而言，有一套良好且完整的自控连锁系统是非常重要的。在必要时，可以多增加水质监测点位。

（2）絮凝池的进水口最好增设三角堰板或流量监测设备，用以保证气浮池内配水的均匀性。

（3）混凝剂和pH调节药剂应在稀释后再加入工艺系统中。

（4）工程师在工艺设计时，应充分考虑到当地的气候条件，尤其涉及室外安装环境。

（5）应在回流-加压溶气罐管线中增设过滤设备，保证系统长期稳定运行。

（6）从长远角度来看，水厂应制定应急预案，配合水质及系统远程监测，可以保证在突发事件发生时可以及时采取应急措施。