逆向-同向流氣浮工藝構(gòu)建與運(yùn)行特性

王永磊，劉寶震，張克峰，李梅，賈瑞寶，宋武昌，李軍

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逆向-同向流氣浮工藝構(gòu)建與運(yùn)行特性

王永磊1,2，劉寶震1,2，張克峰1,2，李梅1,2，賈瑞寶3，宋武昌3，李軍4

（1山東建筑大學(xué)市政與環(huán)境工程學(xué)院，山東濟(jì)南250100；2山東省綠色建筑協(xié)同創(chuàng)新中心，山東濟(jì)南250100；3山東省城市供排水水質(zhì)監(jiān)測(cè)中心，山東濟(jì)南250021；4北京工業(yè)大學(xué)建筑工程學(xué)院北京市水質(zhì)科學(xué)與水環(huán)境恢復(fù)工程重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，北京100124）

針對(duì)傳統(tǒng)溶氣氣?。―AF）工藝中氣泡對(duì)絮體顆粒捕集、黏附效率低，泡絮體黏附不穩(wěn)定等問(wèn)題，基于泡絮碰撞黏附理論，研發(fā)了集逆向流與同向流于一體的DAF工藝（CCDAF）。該工藝溶氣水分兩次投加，接觸室分為碰撞接觸室和黏附接觸室。試驗(yàn)結(jié)果表明，CCDAF工藝顯著提高了泡絮黏附效率和泡絮體穩(wěn)定性，對(duì)濁度、藻類平均去除率達(dá)到96.4%、96.50%，出水顆粒物以2～7 μm粒徑為主。工藝主要去除大分子、疏水性有機(jī)物，CODMn、UV254、DOC平均去除率分別達(dá)到37.6%、46.3%和32.11%，CCDAF比同向流及逆向流DAF除污染效能更加顯著。泡絮黏附機(jī)理分析表明，CCDAF工藝逆向流碰撞區(qū)主導(dǎo)作用機(jī)制為碰撞黏附及共聚作用，同向流接觸區(qū)為碰撞黏附及網(wǎng)捕、包卷和架橋作用。

混凝；浮選；CCDAF；吸附；泡絮碰撞黏附；溶氣氣浮

引 言

在給水處理領(lǐng)域，溶氣氣浮工藝（dissolved air flotation，DAF）已廣泛應(yīng)用于高藻、微污染水及低溫低濁水的處理[1-3]。氣浮接觸區(qū)是微氣泡與絮體顆?；旌?、碰撞、黏附的主要場(chǎng)所，其運(yùn)行效果好壞直接影響著氣浮凈水效果的優(yōu)劣[4-6]。傳統(tǒng)DAF工藝中加壓溶氣水的實(shí)際消耗量遠(yuǎn)遠(yuǎn)高于根據(jù)水中固體顆粒濃度確定的加壓溶氣水的理論消耗量[7-8]。因此，傳統(tǒng)DAF工藝在接觸室構(gòu)造、水流特征、泡絮黏附方式等方面還有很大的優(yōu)化空間，提高泡絮黏附效率[9-11]。根據(jù)溶氣水與原水流向和接觸方式，DAF工藝分為同向流DAF工藝和逆向流DAF工藝（圖1、圖2）。工程上所稱的平流式DAF工藝，實(shí)質(zhì)上為同向流DAF工藝，單設(shè)一級(jí)接觸室，微氣泡與原水同向流動(dòng)，氣泡與絮體接觸機(jī)會(huì)少，氣泡附著效果不理想[12]。為了提高氣泡與顆粒黏附效率，近年來(lái)發(fā)展了逆向流DAF工藝，微氣泡與原水逆向流動(dòng)，泡絮碰撞接觸充分，微氣泡層起到過(guò)濾作用，但逆流氣浮存在抗沖擊負(fù)荷低、泡絮體黏附效率低、出水不穩(wěn)定、池體較深等缺點(diǎn)[13-14]。為了解決DAF工藝對(duì)顆粒黏附效率較低、捕集效果不理想、泡絮體黏附不穩(wěn)定等問(wèn)題，基于微氣泡與絮體顆粒碰撞黏附機(jī)理，對(duì)DAF工藝接觸室進(jìn)行改進(jìn)，結(jié)合同向流與逆向流DAF工藝優(yōu)點(diǎn)，研發(fā)了集逆向流與同向流于一體的DAF工藝（countercurrent- cocurrent dissolved air flotation，CCDAF），并對(duì)CCDAF工藝參數(shù)優(yōu)化和運(yùn)行特性進(jìn)行研究，為CCDAF工藝的推廣應(yīng)用提供技術(shù)支持。

圖1 同向流DAF工藝

圖2 逆向流DAF工藝

1 CCDAF工藝構(gòu)建及試驗(yàn)方法

1.1 CCDAF工藝構(gòu)建

不論是同向流DAF工藝還是逆向流DAF工藝，微氣泡與絮體顆粒在水中黏附過(guò)程及黏附結(jié)合機(jī)理主要遵循碰撞黏附機(jī)理[6]，氣泡與絮體顆粒之間的碰撞黏附過(guò)程分解為碰撞、黏附兩個(gè)子過(guò)程[15]。針對(duì)同向流及逆向流DAF工藝的優(yōu)缺點(diǎn)，集逆流碰撞與同向流黏附工藝于一體而提出一種新型氣浮工藝——CCDAF工藝（圖3）。

圖3 CCDAF氣浮池示意圖

CCDAF工藝氣浮池包括逆流碰撞接觸室、同向流黏附接觸室、氣浮分離室。與傳統(tǒng)DAF工藝不同之處在于：氣浮接觸室分為兩級(jí)，分別為碰撞接觸室和黏附接觸室，微氣泡與原水分別發(fā)生逆向流碰撞和同向流碰撞，溶氣水分為兩次投加。

CCDAF的工藝運(yùn)行過(guò)程如下：原水經(jīng)過(guò)微絮凝反應(yīng)后，首先進(jìn)入碰撞接觸室，在碰撞接觸室，微氣泡與原水逆向流動(dòng)，完成了微氣泡與懸浮物的充分碰撞，由于絮凝過(guò)程為微絮凝方式，因此在氣浮池內(nèi)絮體繼續(xù)進(jìn)行凝聚，微氣泡參與凝聚過(guò)程而和絮粒共聚并大，從而產(chǎn)生共聚作用，形成泡絮共聚體，上浮的少量浮渣通過(guò)接觸室溢流口排走。泡絮共聚體進(jìn)入黏附接觸室，在黏附接觸室，微氣泡與原水同向流動(dòng)接觸，完成有效黏附過(guò)程，形成密度小于水的泡絮體上浮進(jìn)入氣浮分離室，浮渣由機(jī)械排渣系統(tǒng)收集。原水順次流經(jīng)碰撞接觸室和黏附接觸室，延長(zhǎng)了微氣泡與懸浮物的碰撞黏附時(shí)間，顯著提高了微氣泡-顆粒的相互作用，強(qiáng)化了微氣泡的黏附能力，增強(qiáng)了泡絮體的穩(wěn)定性，使微氣泡-顆粒碰撞效率顯著增強(qiáng)，對(duì)原水水質(zhì)變化的適應(yīng)能力顯著增強(qiáng)。

CCDAF工藝可以根據(jù)原水水質(zhì)的變化，通過(guò)選擇開(kāi)啟不同釋放器，實(shí)現(xiàn)同向流氣浮池、逆向流氣浮池和CCDAF工藝氣浮池的靈活切換，具有應(yīng)對(duì)水質(zhì)變化適應(yīng)性強(qiáng)、結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、效率高、運(yùn)行方便等優(yōu)點(diǎn)，便于傳統(tǒng)絮凝/氣浮池的改造與新型氣浮池的新建，應(yīng)用前景廣闊。

1.2 試驗(yàn)裝置

試驗(yàn)裝置（圖4）為0.5 m3·h-1，混凝系統(tǒng)采用混合、二級(jí)絮凝，分設(shè)一級(jí)絮凝池和二級(jí)絮凝池。CCDAF氣浮池長(zhǎng)寬高為0.83 m×0.1 m×1.45 m，接觸室HRT為2 min，碰撞接觸室和黏附接觸室水流速分別為15～25 mm·s-1、5～20 mm·s-1。混凝絮凝劑為PAFC，投藥量5.0 mg·L-1，絮凝采用二級(jí)絮凝，絮凝時(shí)間均為4 min，1=52 s-1，2=25 s-1，回流比12%，1/2取值1/2。

圖4 CCDAF工藝組合裝置

1.3 原水水質(zhì)

原水取自南水北調(diào)山東受水區(qū)濟(jì)寧段京杭運(yùn)河，原水水質(zhì)見(jiàn)表1。

表1 原水水質(zhì)

1.4 分析方法

藻細(xì)胞計(jì)數(shù)采用顯微鏡鏡檢計(jì)數(shù)法，有機(jī)物相對(duì)分子量分布采用杯式超濾法，顆粒計(jì)數(shù)利用顆粒計(jì)數(shù)儀（杭州綠潔GREAN IBR Versa Count）測(cè)定，試驗(yàn)其他指標(biāo)檢測(cè)均采用《水和廢水檢測(cè)分析方法》（第四版增補(bǔ)版）。

2 試驗(yàn)結(jié)果及討論

2.1 濁度及顆粒物去除效能

原水濁度成分主要有細(xì)小黏土、有機(jī)物、浮游生物等懸浮物和膠體物等。氣浮前凝聚預(yù)處理投加PAFC，使水中細(xì)小懸浮物或膠體微?；ハ辔?、脫穩(wěn)結(jié)合而成較大絮體，經(jīng)過(guò)泡絮黏附而上浮去除[16-18]。CCDAF工藝對(duì)濁度去除一直相當(dāng)穩(wěn)定（圖5），氣浮出水濁度在0.48～1.23NTU之間，平均為0.726 NTU，平均去除率達(dá)到96.4%。由于CCDAF混凝前處理采用微絮凝，產(chǎn)生絮體尺寸相對(duì)較小，溶氣水分級(jí)回流，微氣泡直接參與絮體混凝過(guò)程，微氣泡和絮粒共聚并大，增強(qiáng)了凝聚過(guò)程和泡絮體的穩(wěn)定性。

圖5 CCDAF除濁效能

圖6 CCDAF工藝出水顆粒數(shù)特征

圖7 CCDAF工藝出水顆粒數(shù)分布情況

為了考察CCDAF工藝對(duì)不同粒徑顆粒物去除特征，試驗(yàn)設(shè)計(jì)不同水源水質(zhì)下，分別考察出水中顆粒數(shù)分布。由圖6、圖7可知，氣浮出水顆粒物主要以2～7 μm顆粒粒徑為主，占總顆粒數(shù)的90%以上，氣浮出水平均顆粒數(shù)為4323 CNT·ml-1左右。氣浮出水顆粒物粒徑分布表明，氣浮出水中小粒徑顆粒數(shù)量占較大比例，這與原水中顆粒物成分有較大關(guān)系，由于原水為運(yùn)河中上層水源，原水中顆粒物大部分為懸浮或膠體態(tài)的細(xì)小黏土、有機(jī)物及藻類等，不含較大泥砂成分。

2.2 有機(jī)物的去除效能

CCDAF工藝出水CODMn在3.37～4.12 mg·L-1，UV254在0.0751～0.0806 cm-1，DOC在4.21～4.82 mg·L-1之間。CODMn、UV254、DOC的平均去除率分別為37.6%、46.3%和32.4%（圖8）。CCDAF工藝對(duì)有機(jī)物去除效果：UV254＞CODMn＞DOC，原因?yàn)閁V254代表含苯環(huán)或共軛雙鍵的芳香類或者是烴類有機(jī)物，為大分子、疏水性有機(jī)物，在混凝氣浮過(guò)程中，部分大分子芳香族難降解有機(jī)化合物更容易黏附在顆粒、絮體、氣泡表面。另外，對(duì)于被膠體顆粒黏附包裹的大分子有機(jī)物也可以在混凝階段脫穩(wěn)凝聚、聚合，吸附在礬花表面，最終在微氣泡的黏附作用下去除[19-20]，因此去除效果較好。CODMn反映的有機(jī)物包括懸浮態(tài)、膠體態(tài)和 溶解態(tài)有機(jī)物[21]，氣浮工藝的去除對(duì)象主要是懸浮、膠態(tài)物質(zhì)，因此懸浮態(tài)和膠體態(tài)有機(jī)物隨之去除，而對(duì)小分子有機(jī)物去除有限[22]。DOC代表溶解性有機(jī)物，不利于被微氣泡所黏附，因而去除率相對(duì)較低[23]。

圖8 CCDAF工藝對(duì)有機(jī)物去除效能

CCDAF對(duì)有機(jī)物去除率較高的原因可能與原水有機(jī)物成分及特征有關(guān)，為進(jìn)一步探析其去除有機(jī)物特征，試驗(yàn)分析了進(jìn)水中有機(jī)物分子量分布（圖9），原水中分子量3×103～10×103的有機(jī)物約占50%，分子量大于3×103的有機(jī)物約占70%，可見(jiàn)原水中有機(jī)物分子量較大，且占組分較高，由此導(dǎo)致CCDAF對(duì)有機(jī)物去除率較高。由圖10可以看出，CCDAF工藝對(duì)于分子量大于3×103的有機(jī)物具有較好的去除效果，其平均去除率達(dá)到35.4%，其中大于30×103的有機(jī)物去除率達(dá)到72.1%，對(duì)于分子量小于1×103的有機(jī)物，基本沒(méi)有去除效果，去除率不到10%，且CCDAF工藝出水較原水小分子有機(jī)物具有增多趨勢(shì)。

圖10 CCDAF工藝對(duì)不同分子量有機(jī)物去除特性

2.3 除藻效能

試驗(yàn)期間原水藻計(jì)數(shù)為（2350～6750）×104cells·L-1，氣浮出水藻計(jì)數(shù)為（83～210）×104cells·L-1，平均去除率為96.50%（圖11）。銅綠微囊藻細(xì)胞的平均粒徑為3.29 μm[24]。微氣泡粒徑在30～50 μm之間，由于藻帶負(fù)電荷、細(xì)胞膜外存在強(qiáng)烈附著的水層，混凝后減弱帶電性和水化層，形成帶正電的藻絮體[25]，通常微氣泡表面帶負(fù)電，表面電位為-30～-50 mV，吸附水體中帶正電的物質(zhì)[26]。經(jīng)泡絮體碰撞共聚、同向流、逆向流接觸后，藻附著在氣泡或絮體上，共聚并大達(dá)到較高的除藻率。從圖12中可以看出，CCDAF后藻數(shù)量明顯減少。

圖11 CCDAF工藝對(duì)藻類的去除效能

圖12 CCDAF前后藻數(shù)量變化

2.4 CCDAF與同向及逆向流DAF效能對(duì)比

為了考察對(duì)比CCDAF與同向及逆向流DAF工藝的除污染效能，利用CCDAF組合裝置（圖4），在總?cè)軞馑坎蛔兊那闆r下，調(diào)節(jié)回流比，1/2為1/2時(shí)，運(yùn)行CCDAF工藝。1關(guān)閉時(shí)運(yùn)行同向流DAF工藝，2關(guān)閉時(shí)運(yùn)行逆流DAF工藝。

由圖13可知，CCDAF工藝相比同向流及逆向流DAF工藝具有更好的除污染效能，在除濁方面，CCDAF工藝較同向流、逆向流DAF工藝去除率分別提高5.0%、8.8%。對(duì)有機(jī)物去除規(guī)律，與對(duì)濁度基本一致，CCDAF效果最好，同向流次之，逆向流最差。由圖14可知，對(duì)CODMn、UV254、DOC 3個(gè)指標(biāo)，CCDAF較同向流DAF分別提高4.1%、5.0%、0.58%，較逆向流DAF分別提高6.4%、8.1%、2.58%。

近幾年關(guān)于氣浮工藝處理微污染水源的研究中，賈偉建等[27]利用混凝-氣浮工藝處理低濁高藻水庫(kù)水，原水濁度為13～22NTU，對(duì)藻類和濁度的去除率僅為93.7%和95.6%。相比之下CCDAF工藝的處理效果分別提高了2.8%和0.8%。劉善培[28]、王啟山等[29]在強(qiáng)化混凝氣浮工藝處理污染原水的研究中，原水濁度為5.62～5.74NTU，氣浮工藝對(duì)濁度去除率僅為90.1%，可以看出CCDAF工藝明顯優(yōu)于傳統(tǒng)氣浮工藝，凈水效果顯著。

圖13 3種工藝去除濁度對(duì)比

圖14 3種DAF工藝去除CODMn、UV254、DOC對(duì)比

2.5 機(jī)理分析

傳統(tǒng)DAF凈水機(jī)理為原水經(jīng)混凝預(yù)處理之后與通入的微氣泡進(jìn)行碰撞黏附，氣泡與絮粒主要發(fā)生碰撞黏附、網(wǎng)捕、包卷和架橋作用[30]。CCDAF工藝與傳統(tǒng)氣浮凈水工藝不同，由于溶氣水分兩次回流，初級(jí)絮凝時(shí)間短，微氣泡直接參與絮體混凝過(guò)程，微氣泡和絮粒共聚并大，共聚作用產(chǎn)生的絮體氣泡夾在絮粒中間，如圖15所示，微氣泡發(fā)揮了凝聚作用，使微氣泡牢固地鑲嵌在絮體內(nèi)部，泡絮體在上浮的過(guò)程中不易脫附，浮渣穩(wěn)定且不易下沉。在溶氣水初次回流過(guò)程中，微氣泡與顆粒黏附主要機(jī)理為微氣泡與絮體的碰撞黏附和共聚黏附作用，在第二次通入溶氣水后，凈水機(jī)理主要為微氣泡與絮體顆粒的碰撞黏附，以及微氣泡-泡絮體-顆粒物之間的網(wǎng)捕、架橋和包卷作用。

圖15 共聚泡絮體的顯微鏡觀察

(a) microstructure of bubble-flocs; (b) copolymerization bubble-flocs

3 結(jié) 論

（1）針對(duì)傳統(tǒng)DAF工藝對(duì)顆粒黏附效率較低、捕集效果不理想、泡絮體黏附不穩(wěn)定等問(wèn)題，研發(fā)了集逆向流與同向流于一體的氣浮工藝（CCDAF），顯著提高了泡絮黏附效率和泡絮體穩(wěn)定性；CCDAF工藝與傳統(tǒng)DAF工藝不同之處在于：氣浮接觸室分為兩級(jí)，分別為碰撞接觸室和黏附接觸室，溶氣水分為兩次投加。

（2）CCDAF工藝對(duì)濁度、藻類平均去除率為96.4%、96.50%，出水顆粒物以2～7μm顆粒粒徑為主。工藝主要去除大分子、疏水性有機(jī)物，對(duì)CODMn、UV254、DOC平均去除率分別達(dá)到37.6%、46.3%和32.11%。

（3）CCDAF比同向流及逆向流DAF除污染效能更加顯著。對(duì)于濁度、CODMn、UV254、DOC指標(biāo)，CCDAF較同向流DAF分別提高5.0%、4.1%、5.0%、0.58%，較逆向流DAF分別提高8.8%、6.4%、8.1%、2.58%。

（4）CCDAF工藝泡絮黏附主導(dǎo)作用機(jī)制：逆向流碰撞區(qū)為碰撞黏附及共聚作用，同向流接觸區(qū)為碰撞黏附及網(wǎng)捕、包卷和架橋作用。

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Construction and operation characteristics of countercurrent-cocurrent dissolved air flotation

WANG Yonglei1,2, LIU Baozhen1,2, ZHANG Kefeng1,2, LI Mei1,2, JIA Ruibao3, SONG Wuchang3, LI Jun4

(1College of Environmental and Municipal Engineering, Shandong Jianzhu University, Jinan 250100, Shandong, China;2Shandong Province Co-Innovation Center of Green Building, Jinan 250100, Shandong, China;3Shandong Province City Water Supply and Drainage Water Quality Monitoring Center, Jinan 250021, Shandong, China;4Key Laboratory of Beijing for Water Quality Science and Water Environment Recovery Engineering,College of Architecture and Civil Engineering, Beijing University of Technology, Beijing 100124, China)

Conventional dissolved air flotation (DAF) has the problems of low efficiency for microbubble meshing and particle adhesion, and unstability of the adhesion between microbubbles and particles. In this work, a novel countercurrent-cocurrent dissolved air flotation (CCDAF) was developed, of which the contact room was consisted of collision and adhesion contact room, and each room was introduced dissolved air water.The results showed that the CCDAF significantly enhanced the adhesion efficiency of microbubbles-floc. The average removal efficiency of turbidity and algae were 96.4% and 96.50%, respectively. The diameter of particles for effluent was mainly ranged in 2—7 μm. Most of the removed substance was macromolecules and hydrophobic organic compounds. CODMn, UV254, DOC had achieved 37.6%, 46.3% and 32.11%, respectively, indicating the significantly higher removal efficiency of CCDAF than the traditional DAF. The analysis of the removal mechanism between microbubbles and particles showed that the collision, adhesion and copolymerization in countercurrent room and collision, adhesion, wrapped, meshing and adsorption-bridging in cocurrent-contact room were probably the reasons to enhance the removal efficiency of this CCDAF.

coagulation; flotation; CCDAF; adsorption; microbubbles-floc collision and adhesion;DAF process

date: 2016-07-04.

Prof.WANG Yonglei, wyl1016@sina.com

10.11949/j.issn.0438-1157.20160917

TU 991

A

0438—1157（2016）12—5252—07

山東省科技發(fā)展計(jì)劃項(xiàng)目（2014GSF120003）；住房和城鄉(xiāng)建設(shè)部科學(xué)技術(shù)項(xiàng)目計(jì)劃項(xiàng)目（2014-K5-026）；山東省自然科學(xué)基金項(xiàng)目（ZR2016EEM32）；山東建筑大學(xué)博士基金項(xiàng)目（XNBS1511）。

supported by the Shandong Province Science and Technology Development Projects(2014GSF120003), Ministry of Housing and Urban-Rural Development Technology Projects (2014-K5-026), the Natural Science Foundation of Shandong Province (ZR2016EEM32) the Doctoral Fund of Shandong Jianzhu University in 2015(XNBS1511).

2016-07-04收到初稿，2016-08-28收到修改稿。

聯(lián)系人及第一作者：王永磊（1977—），男，博士，副教授。