含气水流对混凝沉淀的影响及对策

徐立群¹，史东明²，胡秀顶³，蔡文宁⁴，黄臣向⁴
(1.哈尔滨工业大学市政环境工程学院，黑龙江哈尔滨150090；
2.中国北辰化工集团公司黑龙江分公司，黑龙江哈尔滨150032；
3.淮南市自来水公司，安徽淮南232007；
4.海口市米铺水厂，海南海口570203)

　　摘　要：分析了水处理工程中含气水流产生的原因，指出水泵掺气可能是含气水流产生的重要原因，并提出了解决该问题的工程办法和工艺方案。
　　关键词：混凝沉淀；气体；水泵掺气
　　中图分类号：TU991.22
　　文献标识码：C
　　文章编号：1000-4602(2001)07-0049-03

　　水中含有气体是很普遍的现象，水中气体按存在形态可分为溶解性气体和非溶解性气体。在混凝沉淀过程中，自然状态下的溶解性气体对水处理基本没有影响，少量的非溶解性气体的影响也可以忽略不计。但是在工程上，非自然状态的少量气体进入水处理工艺流程，就会对混凝沉淀产生很坏的影响。

1 工程现象

　　昆山水司玉峰山水厂的工艺流程见图1。

　　该厂原处理水量为2.5×10⁴m³/d，建于20世纪80年代初期，供水能力已不能满足城市发展的需要。同时，由于化肥和杀虫剂的大量使用，原水水质恶化，每年夏季都出现藻类爆发现象，水厂出水水质也不能保证。因此，在1998年4月—1999年9月采用“涡旋混凝低脉动沉淀给水处理技术”进行了工艺改造，改造目标是使水厂处理能力提高至5×10⁴m³/d，沉后水浊度＜3NTU。水厂改造完成后，在调试期间发现极少量的气体以微气泡的形态存在于水中，对混凝沉淀产生的影响主要表现为大量细碎的矾花颗粒在沉淀池上浮，间有大块矾花团上浮，在沉淀池上部形成悬浮矾花层，呈黄绿色，类似气浮池上部的浮渣层，部分带有气泡的矾花颗粒随出水流出沉淀池，使沉淀池出水水质恶化；同时，大量的夹气矾花悬浮在普快滤池上部和沙层表面，使滤池反冲洗次数随之增加，滤池表面需频繁清理。发生上述问题的时间为春季和夏季，水温为20℃，pH值为6.9，藻类含量为(0.8～3)×10⁷个/L。

2　原因分析

　　在沉淀池上部悬浮矾花层取样，肉眼观察，矾花上粘附有大量的白点，用放大镜或显微镜观察，看到大量的气泡附着在矾花上，气泡的粒径在0.01～1mm之间，多数气泡的粒径接近0.1mm。气泡在矾花上的附着很稳定，很少有气泡的合并和破裂现象发生。对1 L烧杯中的悬浮矾花层进行搅拌处理，强烈搅拌1min后，上浮的矾花有所减少，证明搅拌可以使部分气泡析出，但短时间搅拌不能完全去除气泡。笔者曾经在反应池末端用1L烧杯取样，进行30min静沉试验，发现矾花颗粒轻，多呈悬浮状态，不易沉降去除，20min后，悬浮矾花开始上浮，部分已沉降至烧杯底部的矾花也会上浮。上浮的矾花表面粘附大量的气泡，并可观察到气泡长大并吸附在矾花表面的全过程。将试样静置1d后，烧杯上部的浮渣未见减少。生产实际产生的上浮渣集中在反应区的末段和沉淀池的上部，用高压水枪冲也不易去除。
　　玉峰山水厂的沉淀面积为10m×10m，处理能力为2×10⁴m³/d，将池面浮渣清理干净，一天后新产生的浮渣层厚度可达20cm。根据前面的静置试验，假设无气体逸出，浮渣层全部由气体组成，则气体体积为20m3，即气量仅占进水量的0.1%。由此可得出结论：气量与构筑物的处理水量相比很小，但对混凝沉淀过程影响极坏。
　　 如此少量的气体源于何处呢?分析认为可能有以下几种来源：①水体所含水生生物产气；②水泵及泵前掺气；③泵后输水管路及混合器掺气。首先考虑的应是原水中的藻类。水厂的原水取自一条小河，水体中藻类含量较高，发生这一现象时，藻类含量为9×10⁶个/L。如果水体中藻类呼吸作用强烈，可观测到产气的现象，但在取水头部取样进行烧杯试验，没有矾花上浮现象发生，这个原因可以排除，确定问题出在取水至混合器前端的工艺过程中。在混合器前端设有开口的稳压井，水流在其中紊动强烈，一开始怀疑是稳压井掺气，封 闭稳压井上部的开口空间后，问题仍然存在。水泵至混合器部分的管路处于正压状态，基本没有可能进气，因此推断是水泵及泵前真空部分密封不严，可能的进气原因可分为三个：①水泵吸入口水面与吸入口距离太小；②泵吸水管路漏气；③泵体本身漏气。以上三点均是由于水泵泵前负压吸入气体引起的，可归结为水泵掺气。
　　 在混合器前端设有开口部分，反应池中也有足够的时间使气体释放出来，气体仍然能够进入沉淀池，说明原水中有使气体稳定存在的内在因素。笔者认为可能有以下几点：①溶气释放机制。在处理工艺流程中，原水经一级泵站提升，水泵出口压力较大，气体在水中溶解度高，在反应器前端，压力突然减小，气体溶解度降低，不能在水中继续稳定存在而释放出来，形成大量小尺度的气泡，其原理和溶气气浮相同。这样形成的气泡颗粒粒度小且均匀，与观察到的气泡在形态和形成条件上一致。由于此时正处于絮凝剂在水中形成矾花及矾花长大的过程，气泡粘附在矾花表面，使矾花上浮。②粘度影响气泡，使气泡稳定存在。观察气泡的形态和存在状态，小气泡极为稳定，其中的气体不易通过气泡破裂而释放出来。水的粘度是影响气泡稳定存在的重要因素，粘度越大，气泡存在越稳定。该厂原水中含有较多种类的农药及化学物质，水的粘度较大，这可能是重要的影响因素之一。③原水中含有较多的藻类等 水生生物，它们本身及其分泌物可能对气泡的产生和存在产生影响。

3　解决方案

　　 由于找到了工程问题的症结是水泵掺气，因此，解决问题的途径可以归结为两点：①从根源上去除掺气机制；②从工艺流程上解决问题，使气体不能进入反应沉淀池而在其前端释放出来。由于水泵掺气的气量较少，寻找水泵及吸水管路系统漏气点非常困难。曾经两次检修水泵，第一次没有找到漏气点，第二次检修水泵及管路系统，发现水泵密封圈封闭不好，换用新密封圈并加油后，沉淀池内不再有矾花上浮，似乎问题已经解决。但几天后，沉淀池上部出现少量浮渣，问题又开始轻微出现，并逐渐加重，10d后又恢复至原有状态，可见单纯靠检修水泵难以解决问题。遂又提出了利用曝气吹脱方法，释放由于水泵掺气裹挟的气体，从工艺上根本解决这一问题，并进行了试验，试验情况如下：
　　 取混合器前端未加混凝剂的原水，分置于6个1L烧杯内，对烧杯内的水样用不同方法处理，如静置、搅拌、模拟曝气(将两个烧杯杯口相距10cm，对折其中的水样)。然后对经过不同 处理的原水水样进行烧杯搅拌试验，烧杯搅拌程序见表1，试验结果见表2。

表1　烧杯试验程序 项目 混合搅拌 第一级 第二级 第三级 转速(r/min) 220～240 140～160 60～80 15～30 时间(min) 1 2 2 4

表2　　烧杯试验结果 前处理方法 静置1 d 原水水样 搅拌2 min(200 r/min) 对折1次 对折5次 对折10次 静置沉淀结果 约1/2矾花上浮 几乎全部矾花上浮 约1/2矾花上浮 约3/4矾花上浮 约1/3矾花上浮 基本无矾花上浮 注：矾花上浮的比例为估算体积比。

　　 试验表明，曝气可以有效去除原水中由于水泵掺气或其他原因混入的气体，避免气体对混凝沉淀产生不利影响。因此，在加药点前设置曝气工艺吹脱原水中气体的效果是比较理想的，但这会增加基建投资。另一个可行的办法是结合混合过程，采用跌水混合的工艺形式，利用一泵站的剩余水头，在处理工艺前部设置喷泉混合。昆山水司的二水厂和玉峰山水厂均使用同一泵站输送原水，但二水厂经混合后的水进入反应池时有跌水措施，不存在这个问题，说明这一办法也是可行的。

4　结语

　　①含气水流中气体对混凝沉淀的影响程度可能与原水的性质及组分有关，粘度大的水产生影响的可能性较大。
　　②水处理中，导致含气水流的直接原因可能是水泵掺气。它与一泵站的泵出口压力有关，泵压越大，发生这一现象的可能性也随之增大。
　　③发生泵掺气问题应首先考虑检查水泵吸水口水位、水泵吸水管路和水泵密封情况，通过检修这些设备可方便快捷地解决问题。
　　④检修设备后还找不到原因的，可通过采用跌水混合及曝气吹脱的方式释放水流中的气体，以改善混凝效果。

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　　收稿日期：2001-01-13