王永磊 鞠玲 田立平 宋武昌 賈瑞寶

（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濰坊市市政公用事業(yè)服務(wù)中心 山東濰坊 261041 3山東省城市供排水水質(zhì)監(jiān)測中心 山東濟(jì)南 250100）

隨著我國城鎮(zhèn)化進(jìn)程的不斷發(fā)展，城鎮(zhèn)居民對高質(zhì)量飲用水的穩(wěn)定供應(yīng)也提出了越來越高的要求，對供水關(guān)鍵材料設(shè)備的需求也日益增大。氣浮作為供水關(guān)鍵設(shè)備，可以向水中通入大量微小氣泡，實(shí)現(xiàn)固、液分離，具有自動化程度高、占地面積小、除藻效率高等特點(diǎn)［1］。為了高效節(jié)能無污染的凈化飲用水水質(zhì)，在處理工藝中開始逐漸將氣浮引入其中。我國最早將氣浮技術(shù)引入給水處理工藝中的是武漢東湖水廠，用氣浮代替沉淀，有效緩解了高藻時(shí)期藻類難處理的問題，使藻類的去除率達(dá)80%以上，成為我國用氣浮處理含藻水典型的工程實(shí)例［2］。隨后，國內(nèi)其他地區(qū)又相繼將氣浮技術(shù)應(yīng)用在凈水工程中，濰坊白浪河水廠、珠海三灶水廠、中山市南頭一水廠、濟(jì)南玉清水廠、濟(jì)南南郊水廠等都取得了比較好的處理效果［3-5］。

盡管氣浮在水處理中得到了較廣泛的應(yīng)用，但目前國內(nèi)的氣浮設(shè)備產(chǎn)品規(guī)格參差不齊，缺少統(tǒng)一的行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)，尤其針對給水氣浮的標(biāo)準(zhǔn)更是稀少。為實(shí)現(xiàn)氣浮設(shè)備標(biāo)準(zhǔn)化、模塊化、國產(chǎn)化、智能化，對國內(nèi)部分氣浮設(shè)備的使用及生產(chǎn)進(jìn)行調(diào)研，總結(jié)我國國內(nèi)氣浮設(shè)備產(chǎn)品生產(chǎn)及使用現(xiàn)狀，分析目前存在的問題及解決對策，對氣浮設(shè)備材料未來的發(fā)展趨勢進(jìn)行引導(dǎo)，加強(qiáng)企業(yè)對薄弱性能環(huán)節(jié)的提升，為產(chǎn)品生產(chǎn)及應(yīng)用標(biāo)準(zhǔn)化奠定基礎(chǔ)。

1 氣浮設(shè)備發(fā)展現(xiàn)狀

氣浮凈水起初是應(yīng)用在礦選業(yè)，采用加壓溶氣氣浮方法，隨著氣浮技術(shù)應(yīng)用的領(lǐng)域越來越廣泛，氣浮設(shè)備類型也逐漸豐富，主要分為溶氣氣浮設(shè)備［6］、散氣氣浮設(shè)備［7］、離子氣浮設(shè)備［8］、淺層氣浮設(shè)備［9］、電解氣浮設(shè)備［10］等。 目前在國內(nèi)外給水氣浮中應(yīng)用最廣泛的是加壓溶氣氣?。?1-12］。溶氣氣浮設(shè)備能夠產(chǎn)生數(shù)量較多、氣泡微細(xì)、粒度均勻、密集度大、上浮穩(wěn)定的微氣泡［13］，氣泡粒徑微小，對液體的流動狀態(tài)影響較小、除濁除藻效能明顯，設(shè)備操作簡單，易于維護(hù)和管理。作為典型的氣浮處理設(shè)備，我國的天津芥園水廠采用溶氣氣浮工藝除藻，進(jìn)水量50萬m3/d，葉綠素去除率達(dá)90%，濁度小于0.4 NTU，出水水質(zhì)良好，成為使用國內(nèi)氣浮技術(shù)的大型給水廠中的典型示范［14］；資陽市二水廠應(yīng)用溶氣氣浮除藻工藝進(jìn)行改造，藻類平均去除率達(dá)到92.5%［15］；深圳寶安區(qū)的長流陂水廠采用淺層氣浮工藝進(jìn)行除藻工作，藻類去除率達(dá)80%以上，排渣含水率高達(dá)99.3%，處理效果明顯，可以代替?zhèn)鹘y(tǒng)的混凝沉淀工藝［16］。

1.1 氣浮設(shè)備生產(chǎn)應(yīng)用現(xiàn)狀

常規(guī)的加壓溶氣氣浮設(shè)備是由加壓溶氣裝置、溶氣釋氣裝置和固液分離裝置三部分組合而成。加壓溶氣裝置也稱為加壓空氣飽和裝置，包括溶氣泵、空氣壓縮機(jī)（或射流器）、壓力溶氣罐以及其他附屬設(shè)備；溶氣釋放裝置是由溶氣釋放器和溶氣水管路組成；氣浮池是進(jìn)行固液分離過程的池體，是將氣泡與水中的懸浮物、膠體、大部分有機(jī)物等分離的場所。通過對各類組合設(shè)備的生產(chǎn)企業(yè)進(jìn)行調(diào)研，發(fā)現(xiàn)我國各類氣浮設(shè)備生產(chǎn)企業(yè)在山東、江蘇、上海及浙江等省市分布較多。結(jié)合對各企業(yè)產(chǎn)品參數(shù)的調(diào)研結(jié)果，分析氣浮設(shè)備在給水廠適用的工況條件，并總結(jié)分析各產(chǎn)品的基本狀況。

（1）加壓溶氣裝置。在實(shí)際工藝運(yùn)行過程中，利用溶氣泵高速旋轉(zhuǎn)的葉輪將回流水和氣體充分混合攪拌后與利用空氣壓縮機(jī)加壓的空氣一同以一定的壓力送至溶氣罐，溶氣泵和空壓機(jī)的工作壓力與溶氣罐的工作壓力相聯(lián)系。通過對國內(nèi)運(yùn)行比較良好的水廠進(jìn)行調(diào)研發(fā)現(xiàn)，大多數(shù)水廠的溶氣壓力維持在 0.3～0.4 MPa［15，17-18］，Yong 等也通過實(shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn)當(dāng)溶氣罐壓力從330 kPa升至550 kPa時(shí)，溶氣效率從83%升至91%［19］。溶氣罐有多種形式，但是目前應(yīng)用最多的是噴淋式填料溶氣罐，這種溶氣罐的溶氣效率與無填料的相比高出約30%［20-21］。王廣豐等通過實(shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn)，在溶氣過程中設(shè)法保證溶氣罐中新鮮氣體的含量，不僅能使溶氣系數(shù)提高10%，而且還能減少約10%的能耗［22］。因此，填料溶氣罐借助其能耗低、溶氣效率高的優(yōu)勢在氣浮水廠中得到了廣泛應(yīng)用。

（2）溶氣釋放裝置。釋放器的作用是對溶氣罐內(nèi)的溶氣水減壓，使溶氣水中的氣體以微氣泡的形式釋放出來，能夠快速、均勻地附著在水中顆粒物質(zhì)的表面。對于溶氣釋放器，目前采用較多的來自東湖水廠和同濟(jì)大學(xué)生產(chǎn)的產(chǎn)品，即TS型、TJ型及TV型溶氣釋放器，其中TS型除用于試驗(yàn)性裝置外，在生產(chǎn)上已很少采用［21］。釋放器噴嘴的尺寸對微氣泡的直徑大小的影響遠(yuǎn)大于溶氣壓力對氣泡直徑的影響，王晨等對TS型釋放器進(jìn)行研究，在圓盤縫隙尺寸為3 mm時(shí)生成的粒徑小于50 μm的氣泡較穩(wěn)定［23］；Kim等通過實(shí)驗(yàn)研究發(fā)現(xiàn)，在壓力值一定的情況下，使用噴嘴尺寸為0.6 mm的釋放器時(shí)，處理效率最高，且在噴嘴尺寸為0.6 mm及以下時(shí)，微氣泡尺寸和流速隨噴嘴尺寸的減小而減小［24］。這些試驗(yàn)研究在實(shí)際工程應(yīng)用中對釋放器類型和尺寸的選擇有較大的參考意義。

（3）固液分離裝置。氣浮池是由絮凝室、氣泡接觸室、分離室三部分組成。早期的氣浮池屬于淺池形式，表面負(fù)荷較低，且要求進(jìn)水流速盡量穩(wěn)定；到了二三代的氣浮池，表面負(fù)荷量逐漸增加，加大了池深，減小了占地面積，氣浮池底部設(shè)有穿孔集水管，便于收集和排出水中的沉淀物質(zhì)。溶氣氣浮機(jī)是采用新型高效的溶氣設(shè)備代替?zhèn)鹘y(tǒng)的引起設(shè)備向水中溶氣，包括箱體、刮渣機(jī)、螺旋出料機(jī)等，共同組成一個(gè)完整的氣浮凈水裝置。根據(jù)長期的水廠工藝運(yùn)行經(jīng)驗(yàn)發(fā)現(xiàn)，傳統(tǒng)的分離室內(nèi)部布水不均勻，導(dǎo)致出水僅靠近池邊出口附近的集水管，使得這部分穿孔集水管易堵塞。為解決這一問題，法國的得利滿公司設(shè)計(jì)出一種AquaDAF高速氣浮池（見圖1），在分離室內(nèi)設(shè)置預(yù)制集水板，底部設(shè)有三層穿孔集水板，能夠避免短流，更好地實(shí)現(xiàn)流量分配，呈現(xiàn)更一致的垂直流，使出水更均勻，固液分離效率更高；省去集水管，減少了因管道堵塞造成出水水質(zhì)不佳的情況［25］。這一設(shè)計(jì)在我國貴州清鎮(zhèn)東郊水廠、澳門陸環(huán)水廠及澳門MSR水廠等都已應(yīng)用，并取得了很好的處理效果。

在實(shí)際應(yīng)用過程中，氣浮通過與沉淀池相結(jié)合形成浮沉池［26］、與過濾相結(jié)合形成浮濾池［27］等多種形式，在充分發(fā)揮氣浮工藝高效分離作用的同時(shí)與其他工藝構(gòu)筑物進(jìn)行合建，不僅減少了基建投資和運(yùn)行成本，而且充分發(fā)揮各工藝的優(yōu)勢，出水水質(zhì)較好。目前我國城鎮(zhèn)給水中應(yīng)用氣浮設(shè)備的部分用戶分布情況及信息見圖2。

由圖2可見，我國應(yīng)用氣浮設(shè)備的給水廠大多分布在沿海沿河流域，其中以黃河流域居多，占全國總比例的40%，長江流域約占32%，海河流域約占13%，淮河流域約占7%，珠江流域約占7%，其他流域約占1%，這也表示出在低溫低濁高藻流域，氣浮的應(yīng)用更為廣泛［28］。

1.2 產(chǎn)品發(fā)展趨勢

由于傳統(tǒng)的溶氣氣浮（DAF）工藝中氣泡對水中細(xì)小懸浮物的附著捕捉效率不高，夾氣絮體不穩(wěn)定等問題常有發(fā)生，鑒于傳統(tǒng)溶氣氣浮裝置還有很大的優(yōu)化空間，許多專家學(xué)者在考慮實(shí)際運(yùn)行功效的前提下對溶氣氣浮工藝進(jìn)行改進(jìn)優(yōu)化。Wang等研發(fā)一種將逆向流與同向流集成一體進(jìn)行工作的氣浮工藝，顯著改善了傳統(tǒng)DAF工藝黏附效率低，絮體不穩(wěn)定等問題［29］；陳為民等使用旋渦氣液混合泵代替空氣壓縮機(jī)、溶氣罐、釋放器和溶氣泵，不但減少了占地面積和能源消耗，還利用發(fā)散漸擴(kuò)式的釋放口出水，使溶氣水消能減壓分配均勻，并解決了釋放器易堵塞等問題［30］；江華水處理設(shè)備公司引進(jìn)的多相流泵可以直接溶解空氣，省去了空氣壓縮機(jī)、溶氣罐等設(shè)備，氣泡在池內(nèi)更均勻地分布，同時(shí)也減少了能耗損失［31］。麥斯特公司生產(chǎn)的CQJ型淺層離子氣浮設(shè)備是將淺層氣浮與離子氣浮相結(jié)合，產(chǎn)生的微氣泡直徑極小，密度極大，而且不需要凝聚成很大的礬花，故可以大大降低絮凝劑的投加量，一些情況下甚至可以不施加，從而降低藥物的消耗。加壓溶氣設(shè)備作為環(huán)保型產(chǎn)品，未來應(yīng)該朝著高自動化控制、低能耗損失、集成簡約高效的方向發(fā)展，提高出水水質(zhì)。

1.3 產(chǎn)業(yè)效能分析

從國內(nèi)的氣浮設(shè)備生產(chǎn)企業(yè)中進(jìn)行調(diào)研，得到部分廠家信息，見圖3。從調(diào)研結(jié)果我們可以看出，各企業(yè)規(guī)模的大小與職工人數(shù)、生產(chǎn)規(guī)模有著很大聯(lián)系，企業(yè)規(guī)模越大，職工人數(shù)越多，生產(chǎn)規(guī)模也越大；各設(shè)備企業(yè)生產(chǎn)規(guī)模也以中小型的居多，且大部分是以國內(nèi)銷售為主，出口銷售為輔，這從側(cè)面說明我國的氣浮設(shè)備生產(chǎn)廠商在國際上也占有一席之地；產(chǎn)品價(jià)格整體較為適中。整個(gè)企業(yè)的分布也是處于我國東部沿海地區(qū)，該地區(qū)交通便利，經(jīng)濟(jì)較為發(fā)達(dá)，也有利于各企業(yè)擴(kuò)大生產(chǎn)規(guī)模，增強(qiáng)企業(yè)國際影響力，更好的發(fā)揮品牌效益。

2 目前存在的問題

通過對當(dāng)前氣浮生產(chǎn)及應(yīng)用市場進(jìn)行調(diào)查，收集了大量氣浮設(shè)備產(chǎn)品的設(shè)備參數(shù)信息及用戶體驗(yàn)情況，了解到目前的應(yīng)用市場存在以下4方面的問題。

2.1 生產(chǎn)企業(yè)實(shí)力弱

從圖3可以看出，國內(nèi)的氣浮設(shè)備生產(chǎn)企業(yè)規(guī)模大小不一，且以中小型為主，規(guī)模較小，企業(yè)對市場的抗風(fēng)險(xiǎn)能力偏弱，對產(chǎn)品的創(chuàng)新能力偏弱，進(jìn)而品牌競爭力相對較弱；產(chǎn)品價(jià)格也不穩(wěn)定，企業(yè)門檻偏低，任何具備一定能力的廠家均可生產(chǎn)，雖然產(chǎn)品出廠均需符合各種標(biāo)準(zhǔn)規(guī)范的要求，但是產(chǎn)品質(zhì)量不穩(wěn)定，導(dǎo)致設(shè)備使用年限及條件也不同，難以管理；產(chǎn)品價(jià)格可低至千元，市場出現(xiàn)盲目低價(jià)競爭、忽視產(chǎn)品質(zhì)量的現(xiàn)象。

2.2 用戶運(yùn)行維護(hù)質(zhì)量差

由于氣浮產(chǎn)品質(zhì)量參差不齊，水廠前期設(shè)計(jì)沒有考慮周到，運(yùn)行經(jīng)驗(yàn)不足，導(dǎo)致水廠運(yùn)行效果不佳；水廠的進(jìn)水負(fù)荷波動較大，設(shè)備運(yùn)行緩沖力度不夠，以及釋放器堵塞和回流水管道不及時(shí)清理，對后續(xù)設(shè)備影響較大，設(shè)備的故障率和老化率升高；氣浮系統(tǒng)運(yùn)行時(shí)電耗約為0.026元/m3，藥耗約為0.025元/m3，總運(yùn)行費(fèi)用約為0.05元/m3，氣浮工藝相對于沉淀工藝，電耗高 17%～21%，總能耗高 7%～8%［32］，所以氣浮工藝整體運(yùn)行成本較高，對用戶來說經(jīng)濟(jì)性不強(qiáng)。

2.3 標(biāo)準(zhǔn)化體系不完善

通過對現(xiàn)有規(guī)范進(jìn)行搜集整理，發(fā)現(xiàn)用于氣浮技術(shù)的規(guī)范和標(biāo)準(zhǔn)并不多，僅有的氣浮規(guī)范也多是專注于環(huán)保和污水氣浮處理領(lǐng)域，專門針對給水氣浮技術(shù)的規(guī)范更是匱乏，且各類標(biāo)準(zhǔn)并不系統(tǒng)，缺少統(tǒng)一的標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定。

2.4 設(shè)備整體技術(shù)水平較低

釋放器易堵塞，TS型溶氣釋放器的壓力釋放機(jī)構(gòu)是固定或半固定的，間隙很小，而且在氣浮池運(yùn)行初期，水質(zhì)雜質(zhì)較多，管道銹蝕等均易造成釋放器堵塞；各季節(jié)進(jìn)水量不同導(dǎo)致工藝回流量不穩(wěn)定，起伏較大，影響氣泡的尺寸和處理效果；氣浮系統(tǒng)閑置期保護(hù)不當(dāng)，溶氣罐和管道內(nèi)壁易腐蝕；空壓機(jī)啟閉頻繁易損壞等。

3 總結(jié)

（1）氣浮設(shè)備生產(chǎn)企業(yè)主要分布在華東地區(qū)，約占70%；華南地區(qū)，約占12%，華北地區(qū)約占8%；西南等其他地區(qū)約占10%；山東諸城和江蘇無錫、宜興等地的氣浮設(shè)備生產(chǎn)企業(yè)數(shù)量最多。大部分企業(yè)以國內(nèi)銷售為主、出口銷售為輔。

（2）通過對氣浮水廠調(diào)研，大部分水廠采用溶氣壓力為0.3～0.4 MPa，回流比為10%的參數(shù)值，根據(jù)《室外給水設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)》（GB 50013—2018）中規(guī)定，應(yīng)根據(jù)原水氣浮試驗(yàn)情況或參照相似條件下的運(yùn)行經(jīng)驗(yàn)確定，溶氣壓力可采用0.2～0.4 MPa，回流比一般宜為5%～10%，所以從上表看來大部分水廠還是滿足國家設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)的要求。

（3）由于調(diào)查范圍有限，樣本量較小，不具有典型代表性。在今后的研究中，應(yīng)該細(xì)化氣浮處理的水質(zhì)條件，對各種氣浮技術(shù)的應(yīng)用進(jìn)行更加詳細(xì)的調(diào)查和總結(jié)。