郭瑾瓏1， 王毅力2， 李大鵬3， 湯鴻霄1
（1.中國科學院生態環境研究中心環境水化學國家重點實驗室， 北京100085;
2.北京林業大學資源與環境學院， 北京 100083; 3.北京航空航天大學環境工程學院，北京?100083 )

　　摘　要： 逆流共聚氣浮水處理工藝相對于傳統的氣浮、沉淀處理工藝有很大的優越性，一方面絮凝過程在逆流共聚氣浮反應柱中進行，溶氣回流水釋放的微氣泡參與到懸浮顆粒物的絮凝反應中而有助于形成體積質量小而結構牢固的絮體；另一方面反應柱中的微絮體在氣泡的生成過程中充當了“核”的作用，有助于溶氣水中氣泡的迅速形成并提高氣泡與絮體的碰撞粘附效率，同時反應柱中可形成穩定的氣泡—絮體共聚懸浮層，有利于攔截隨水流下行的絮體與上升的微氣泡，提高了處理效率。
　　關鍵詞：氣浮；逆流共聚； 除濁
　　中圖分類號： TU992
　　文獻標識碼： A
　　文章編號：1000-4602(2002)07-0012-05

Counter Current Co-Flocculation Flotation-New Water Treatment Method
GUO Jin?long1, WANG Yi?li2, LI Da?peng3, TANG Hong xiao1
(1.SKLEAC,Research Center for Eco-environmental Science,Chinese Academy of Scien ce,?Beijing 100085,China; 2.College of Natural Resource and Environment, Beijing Forest ?University,Beijing 100083,China; 3.School of Environment al Engineering,Beijing University of Aeronautics and Astronautics,Beijin g 100083,China)

　　Abstract：Counter current co-flocculation flotation (CCC-FF) for treatment of drinking wat er has quite a few advantages over the conventional air-flotation/sedimentation process.On one hand,the flocculation proceeds in CCC-FF tank,and then the micro- bubbles released from recycle water will take part in the flocculation of suspen ded particles,which contributes to the formation of low density but highly stabl e flocs.On the other hand,the micro-flocs function as “nucleus” during the bub ble formation from the recycle water,resulting in the formation of bubble in wat er and enhancement of the collision and adhesion rate between bubble and floc.Mo reover,bubble-floc aggregate will form blanket in certain part of the CCC-FF tan k,which will intercept efficiently the downward-flowing flocs and upward-flowing bubbles.?
　　Keywords:air-flotation; counter current co-flocculation flotation; turbidity removal

　　自從礦物浮選工藝被引入水處理工程以后，溶氣氣浮(DAF)也由最初的大容積、低負荷池型逐漸向集成、緊湊型發展，近年來不少研究者提出了紊流氣浮的新概念，并進行了研究開 發與應用^［1］。結合紊流氣浮的理論與應用，設計了一種逆流共聚氣浮水處理工藝，并對其運行情況進行了研究。

1 試驗材料與方法

1.1 設備與材料
　　用自來水(北京市第九水廠)與高嶺土(北京朝陽旭東化工廠)混合配制成一定濁度的原水，水溫為7～15℃，選用液體聚合鋁(Al含量為2.57mmol/L，堿化度為70.90%)作絮凝劑，另有提升泵、投藥泵、配水泵、在線濁度儀、非在線濁度儀、流動電流儀。　溶氣回流水由壓力溶氣系統提供，并由溶氣系統用空壓機、離心泵將空氣與自來水一起壓入溶氣罐，然后由管道輸送至釋放器減壓釋放，溶氣罐的壓力維持在380kPa。
　　流共聚氣浮反應柱內徑為184mm，有效高度為200cm，反應柱上每隔20cm打孔徑為5cm 的圓孔，用活接頭連接作為原水與回流水進水口和采樣孔，溢渣槽內徑為304cm，溶氣回流水進口距反應柱底部為30cm。
1.2 工藝流程
　　逆流共聚氣浮反應工藝流程如圖1所示。

　　先配制一定濁度的原水，經提升泵進入逆流共聚氣浮反應柱上方，將絮凝劑在提升泵的吸水口加入，溶氣回流水在反應柱的底部通入，使兩者逆向流動，水體中的懸浮顆粒物與氣泡相互碰撞、絮凝長大并利用氣泡的浮力上升到反應柱頂部，通過調節出水管的閥門可使生成的浮渣由溢渣槽排出，氣浮反應柱中的氣泡、顆粒物在原水與回流水的共同沖擊下形成穩定的懸浮層并處于紊動狀態，可有效攔截向上浮升的氣泡與隨水流下行的懸浮顆粒物，處理過的經流動電流儀、在線濁度儀檢測后進入下一處理單元。

2 結果與討論

2.1 理論分析
　　圖2簡要給出了逆流共聚氣浮反應柱中不同部分所起的作用。

　　在整個反應柱內的氣泡擾動增加了絮體之間的相互碰撞，同時氣泡本身也充當了架橋作用。氣泡—絮體共聚懸浮層攔截隨水流下行的絮體顆粒，同時上升的氣泡與懸浮層中的共聚體發生粘附，共聚體體積質量隨粘附氣泡數量的增加而降低，最終上浮到反應柱頂部被去除；穿透懸浮層的微小顆粒物隨水流下行，與溶氣回流水相遇后在氣泡的形成中起到凝結核的作用，并隨氣泡上升到懸浮層中，這樣就可使懸浮層不斷更新。?
　　如上所述，氣泡與絮體相互包裹長大生成的共聚體因體積質量較小而利于上浮，懸浮層中的絮體能夠接觸更多的氣泡，同時對水質有一定緩沖作用，隨著處理水量的增加，懸浮層向下移動直到出水水質超標。?
2.2 反應柱內濁度變化規律
　　距原水進水口的遠近與反應柱內濁度變化的關系見圖3(溫度：14℃、回流比：15%、投藥量：0.24mmol/L、水量：350L/h)。?
　　由圖3可知，在柱內距原水進水口40～100cm段形成了氣泡—絮體共聚懸浮層，此處濁度較高，絮體與氣泡在此處進行充分的碰撞、粘附并長大。當距原水進水口超過100cm時柱內 濁度降低得很快，證明該段絮體含量已經很少，大部分絮體都被氣泡—絮體共聚懸浮層截留 。?

　　反應柱中距原水進水口較近處的濁度有時超過原水的濁度，這主要是由于整個反應柱中的濁度物質都需經過上浮聚集在柱上部再溢流排出，故越靠近反應柱上部水中的濁度也越高，這樣可使浮渣層大量攔截原水中的懸浮顆粒物，真正起到接觸絮凝及攔截上浮物的作用。?
　　最低采樣口在溶氣回流水進口上部20cm處，水樣濁度遠高于出水濁度(出水濁度為4.65、2.82NTU，水樣濁度為5.73、6.45 NTU)，說明溶氣回流水釋放處即氣泡形成、長大部分還能對絮體進行很好的攔截。穿過懸浮層的微小顆粒隨水流向下運動，在溶氣釋放器處充當了微小氣泡形成過程中的“核”作用^［2、3］，溶氣回流水中的溶解性氣體以微小顆粒物為核長大、生成氣泡后一起上升到懸浮層，最終上升到柱頂部被去除。?
2.3 絮凝劑投量對處理效果的影響
　　投藥量與濁度去除率的關系見圖4(溫度：8℃、回流比：15%、水量：350L/h)。

　　由圖4可以看出，當投藥量為0.1mmol/L時濁度去除率基本穩定，隨著投藥量的增加去除率也有所提高，但是增幅不大，而且當投藥量＜0.12mmol/L時處理出水水質惡化，當投藥量＞1.57mmol/L時有較多的絮狀沉淀物殘留在出水中而增大了出水濁度。絮凝劑的加入能夠壓縮水中顆粒表面的雙電層，使顆粒物發生有效碰撞并長大，而后與氣泡相互粘附上浮去除，同時絮凝劑也能夠起到架橋的作用，使顆粒物之間形成更快、更好的粘結，絮凝劑的水解產物還能夠粘附、連接氣泡及微絮體，使其生成相互包裹的共聚體而利于氣浮。隨著投藥量的增加，絮凝劑的水解產物也增加并生成無定形氫氧化鋁沉淀，在隨粘附氣泡上升的過程中發揮了卷掃網捕作用，有效地去除了水中的顆粒物質，因此在較大的投藥量范圍內都能夠對水中的濁度進行很好的去除。當投藥量過低時絮凝劑不能有效地壓縮顆粒物雙電層和影響顆粒物的長大過程，從而不能與氣泡很好地粘附去除；而當投藥量過高時大量的無定形氫氧化鋁沉淀將會滯留在水溶液中導致出水濁度升高。?
　　盡管原水濁度不同，但流動電流值隨投藥量的變化趨勢比較相似，這可能緣于顆粒物的部分表面位能優先與絮凝劑相互作用并因此影響顆粒物之間的碰撞效率，同時顆粒物與流動電流儀的測量探頭發生作用時起主要作用的也是這些表面位電荷，即使原水濁度不同，流動電流隨投藥量的變化趨勢也比較相似。?
2.4 回流水與原水口間距對除濁的影響
　　圖5給出了兩進水口間距對濁度去除的效果(溫度：8℃、回流比：15%、原水濁度：26.64 NTU、水量：350L/h)。?

　　圖5表明，兩進水口間距對濁度去除有較大影響。在整個試驗范圍內隨著兩者間距的增加濁度去除率升高，這主要是由于氣泡與微絮體相互結合形成共聚體，共聚體在兩個進水口間形成懸浮層，該懸浮層對向上浮升的氣泡與向下流動的懸浮顆粒有攔截作用。隨著兩個進水口間距的增加，氣泡與絮體相互作用的距離也增加，即氣泡—絮體共聚懸浮層的厚度增加，這樣就能夠更好地對向下流動的微絮體進行攔截，同時對做上升運動的氣泡進行最大程度的利用。?
　　如果兩個進水口間距很小則懸浮層不能很好地形成并保持穩定。首先，由于原水有一定的流速，對懸浮層有一定的沖擊破壞作用；其次，由于懸浮層厚度較薄，即使氣泡能夠與脫穩顆粒物相互絮凝生成共聚體，共聚體也會很快浮升到反應柱頂部，從而影響懸浮層的穩定；再次，一部分脫穩顆粒物來不及與氣泡作用就隨水流走，不能夠有效上浮，從而影響去除效果。?
　　濁度去除效果隨兩進水口間距的變化也可以從流動電流的變化中反映出來。隨著兩者間距的增加流動電流值升高，當兩進水口間距＞80cm時流動電流值較穩定，證明在此范圍內懸浮顆粒物與絮凝劑能夠得到很好的混合并生成一定尺度的較為穩定的絮體，有利于氣浮去除。 ?
2.5 處理水量對濁度去除的影響
　　 圖6是處理水量與濁度去除效果的關系(溫度：7℃、回流比：10%、投藥量：0.16mmol/L) 。?

　　由圖6可以看出，隨著處理水量的增加濁度去除率一直降低，尤其是當處理水量達到500L/h 時，去除效率更是急劇下降。通過與平流式氣浮池的對比可知［4］，逆流共聚氣浮水處理工藝的進水量在200～400L/h范圍都是可行的(除濁率為75%～85%)。當處理水量過大時向下的水流會擾動、破壞共聚體懸浮層，而且會由于大量的微氣泡隨水流向下流出反應柱而不能發揮其粘附顆粒物的功能，所以除濁效果將受到很大影響。?
2.6 回流比對濁度去除的影響
　　回流比對除濁效果的影響見圖7(溫度：12℃、投藥量：0.16mmol/L、水量：350L/h)。?

　　由圖7可以看出，當回流比為8%時即可達到較為穩定的除濁效果。隨著回流比的降低，處理水水質急劇變差，當回流比達到5%時柱內水質嚴重惡化，柱底部有大顆粒絮體沉降，其主要原因是當回流比過小時氣泡不足以粘附生成的絮體上升，氣泡—微絮體生成的共聚懸浮層遭到破壞，而且由于絮體已經長大，其本身也不容易通過上浮去除，所以會隨著水流流向柱底部，導致處理水水質惡化。

3 結論

　　逆流共聚氣浮工藝的絮凝—氣浮單元的停留時間為6～11min，該工藝的處理水量為9～16m³/(m²·h)，處理效果穩定時的回流比為8%～15%，溶氣回流水與原水進口間距≥120cm，對應不同原水濁度聚合鋁投量為5～15mg/L(以Al₂O₃計)就可達到較穩定的去 除效果，相對于傳統的氣浮或者沉淀工藝，其主要優點如下：?
　　① 逆流共聚氣浮水處理工藝中絮凝劑與原水在輸水管線中混合，絮凝過程在逆流共聚氣浮反應柱中進行，回流水釋放的微氣泡參與到了懸浮顆粒物的絮凝反應中有助于形成體積質量較小、結構較牢固的絮體；另外，反應柱中的微絮體在氣泡的生成過程中充當了“核”的作用，有助于溶氣水中氣泡的形成，并提高了氣泡與絮體的粘附、碰撞效率。?
　　② 在逆流共聚氣浮反應柱中形成了氣泡—絮體共聚懸浮層，隨著進水的沖擊、共聚體的上浮去除，該懸浮層得到不斷的更新并維持穩定，懸浮層的形成有助于攔截隨水流下行的絮體與上升的微氣泡，可獲得最優的去除效果與利用效率。?
　　③ 絮凝、氣浮兩個單元操作都在逆流共聚氣浮反應柱中完成，節省了占地面積、基建費用，縮短了水力停留時間。?
　　④ 氣泡絮體共聚懸浮層位于原水進水口下方40cm處，懸浮層及處理效率的穩定需要約15min的時間，工藝系統啟動、穩定較快，同時由于水力停留時間較短，流動電流對濁度變化的響應更快，從而有利于實現系統的自動化控制。

參考文獻：

　　［1］ Kiuru H J.Development of dissolved air flotation technology from the first generation to the newest (third) one (DAF in turbulent flow conditions)［J］.Water Science and Technology，2001,43(8):1-7.
　　［2］ Jones S F,Evans G M,Galvin K P.The cycle of bubble production from a gas cavity in a supersaturated solution［J］.Advances in Colloid and Interface Science，1999,80:51-84.
　　［3］Jones S F,Evans G M,Galvin K P.The cycle of bubble production from a gas cavity in a supersaturated solution［J］.Advances in Colloid and Interface Science，1999,80:27-50.
　　［4］許保玖，安鼎年.給水處理理論與設計［M］.北京:中國建筑工業出版社，1992.

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　　作者簡介： 郭瑾瓏(1976- ), 男, 河北石家莊人，博士研究生, 研究方向為水質凈化技術與科學。
　　電　　話：(010)62849144 82682352 13681159369
　　E-mail:jlguo15@hotmail.com
　　收稿日期：2002-03-13