劉洋，張聲，張曉健
(清華大學 環境科學與工程系，北京 100084)

　　摘　要：對密云水庫水采用溶氣氣浮(DAF)工藝進行處理，發現DAF工藝處理密云水庫水效果顯著。在高藻期，DAF工藝對藻類的去除效果明顯，在原水溫度t=13.8～20.1℃，pH=6.6，ρ(Al³⁺)=2.0mg/L的最優混凝條件下，進水濁度為2.62～5.93NTU，出水濁度為0.29～0.44NTU，色度去除率為81.8％，嗅閾值去除率達75.0％，藻總數去除率達92.6％。
　　關鍵詞：溶氣氣浮；高藻水；低溫低濁水
　　中圖分類號：TU991.27　　文獻標識碼：A　　文章編號：1009—2455(2004)06—0017—04

A Study of Treatment of Water from Miyun Reservoir by Dissolved Air Floatation Process
Liu Yang，ZHANG Sheng，ZHANG Xiao-jian
(Department of Environmental Science and Technology, Tsinghua University, Beijing 100084，China)

　　AbStract：It was found in the treatment of the water from Miyun reservoir by Dissolved Air Floatation(DAF) process that the result of the treatment of the said water by the said process was significant.During algaeladen period，the result of removal of algae by DAF process was obvious.When the raw water was under the optimum coagulating conditions，i.e.，t=13.8～20.1℃，pH=6.6 and ρ(Al³⁺)=2.0mg/L，and when the turbidity of the inlet water was 2.62～5.93 NTU，the turbity of the outlet water was 0.29～0.44 NTU，the removal rate of colour was 81.8％，the removal rate of olfactory threshold value reached 75.0％ and that of total algae number reached 92.6％.
　　Key words：dissolved air floatation；algae-laden water；low-temperature and low-turbidity water

　　近年來調查表明，密云水庫水質為中營養型，庫區水體向富營養化發展的趨勢比較明顯，每年有近6個月的高藻期；而且庫區水體濁度較低，特別是冬季原水濁度一般在2 NTU以下，另外由于北京的氣候特征，冬季氣溫較低，因此庫區水體在冬季要經歷較長時間的低溫低濁期。根據密云水庫的特征，本文對溶氣氣浮(DAF)工藝處理密云水庫原水進行了中試試驗研究。

1 材料與方法

1.1 試驗裝置
　　試驗裝置如圖1所示，包括混凝劑投加、硫酸投加以調節pH值、兩級絮凝池、氣浮池。絮凝池和氣浮池合建在一起，絮凝池采用機械攪拌，G值均為70 s^-1。絮凝池長，寬，高分別為1.50，0.60，2.50 m；氣浮池長，寬，高分別為1.60，0.60，2.50 m。

　　試驗期間，原水流量為12m³/h，氣浮池溶氣水回流比為10％，溶氣罐壓力為0.52 MPa，混凝劑為聚合氯化鋁溶液，Al₂O₃的質量分數為10.31％，投加量以Al³⁺計。
1.2 分析項目、測定方法及主要儀器
　　分析項目有：濁度，藻計數，葉綠素-a，UV₂₅₄，COD_Mn，色度，殘余鋁，嗅，DOC，BDOC(生物可降解溶解性有機碳)，AOC(生物可同化有機碳)，顆粒粒徑分布。
　　葉綠素-a，UV₂₅₄，色度，殘余鋁的測定均借助于Hach公司的DR/4000 U分光光度計。采用標準方法2150^[1]進行嗅的測定。測定UV₂₅₄和DOC之前用玻璃纖維膜(Whatman，GF/C)過濾水樣。DOC的測定借助于日本島津公司的TOC-Vwp，其值為水樣經0.45μm濾膜過濾后測定的TOC。
　　BDOC測定方法是，向0.45μm過濾的待測水樣中加入接種液，在20±1℃下恒溫培養28 d，測定培養前后的DOC，兩者的差值即為BDOC。
　　AOC的測定方法是由van der Kooij博士首先提出^[2]的，這種方法以飲用水中普遍存在的熒光假單胞菌P17和一種螺旋菌NOX為測試菌，以乙酸鈉為標準基質，根據待測水樣中接種的P17和NOX生長菌落數和生長因子求出AOC濃度。水中顆粒粒徑分布采用IBR公司的VersaCount粒度儀進行測定。

2 結果與討論

　　DAF工藝處理密云水庫水的研究包括：高藻條件下處理效果的考察，低溫低濁條件下處理效果的考察。
2.1 DAF工藝處理密云高藻水源水
　　試驗期間原水水溫13.8～20.1℃，pH值7.96～8.28。通過改變投藥量和調節pH值的強化混凝試驗確定混凝條件。混凝劑投加量為2.0mg/L，投加H₂S0₄(質量分數為29％)維持絮凝池中水的pH值為6.60時，出水濁度，UV₂₅₄，COD_Mn和藻總數的去除效果較好，且投藥量和投酸量較為經濟，因此確定在高藻條件下，DAF工藝的最優混凝條件是投藥量2.0mg/L，調節pH值為6.60。
2.1.1 高藻期DAF工藝整體處理效果考察
　　DAF工藝處理高藻水源水的整體處理效果，考察指標為濁度、色度、嗅、藻計數、葉綠素-a、殘余鋁、顆粒物粒度分布。各指標如表l所示。

表1 高藻條件下DAF工藝對各種水質指標的去除

項目 藻計數/（個·L^-1） 葉綠素-a/（μg·L^-1） 色度/度 嗅閾值 殘余鋁/（mg·L^-1） 原水均值 3.24×10⁷ 11.33 22 24 DAF出水均值 2.39×10⁶ 1.20 4 6 0.114 平均去除率/% 92.6 89.4 81.8 75.0

　　試驗原水濁度為2.62～5.93 NTU，DAF出水濁度降為0.29～0.44NTU，平均為0.32 NTU，如圖2所示。試驗結果表明，本工藝對于低濁水具有良好的濁度去除效果，DAF工藝的出水濁度已經達到中國飲用水水質標準。

　　試驗顯示，DAF工藝對葉綠素-a有良好的去除效果，但略小于對藻總數的去除，這是因為，藻的總數包括死藻和活藻，葉綠素-a則是間接表征水中活藻的含量，由于活藻的機動性，使得其不容易為微絮體和微氣泡所捕捉。
　　水中形成色度的物質主要是膠體有機物和相對分子質量大于1000的有機物，由于DAF的高效性，使得水中膠體有機物的去除率較高，這與DAF工藝對色度的高效去除是相符的，而且這也反映了水源水中的主體致色物質是膠體有機物。
　　水處理中通常使用嗅閾值(TON)作為評價水嗅的指標，一般水的嗅閾值應小于5才能使飲水者滿意。結果顯示，DAF工藝比較有效地去除了原水中的致嗅物質，DAF工藝出水的嗅味接近飲水者要求，這主要是因為在強化混凝條件下，DAF工藝有較好的除藻和去除有機物的效果。
　　我國飲用水水質標準中規定，飲用水中殘余鋁的質量濃度不得超過0.2mg/L，試驗結果顯示，DAF出水中殘余鋁的質量濃度為0.114mg/L，已滿足飲用水水質標準。
　　試驗對原水和DAF出水中2～30 μm的顆粒物進行了考察，見表2。結果顯示，原水中絕大部分的顆粒處在2～10μm，且2～5μm的顆粒數目最多，并且DAF出水中絕大部分的顆粒仍處在2～10μm，且2～5μm的顆粒數目也最多。由試驗結果可見，DAF工藝對水中各種尺寸的顆粒去除作用十分明顯，大部分顆粒都被去除，如果經過后續過濾單元的處理，出水顆粒將進一步減少。

表2 DAF工藝對水中顆粒物的去除

項目 顆粒物粒徑/μm ＞2 2～5 5～10 10～15 15～30 ＞30 原水/（個·mL^-1） 14763 10453 3501 577 222 10 DAF出水/（個·mL^-1） 457 368 61 18 9 1 去除率/% 96.9 96.5 98.3 96.9 95.9 90.0

　　通過以上各項水質指標的分析，可以看出DAF工藝處理高藻期密云水庫水是十分有效的：出水藻總數為2.39×10⁶個/L，總去除率為92.6％；出水ρ(葉綠素-a)為1.20μg/L，總去除率為89.4％；出水濁度為0.29～0.44 NTU；出水基本沒有嗅味；出水色度為4度，總去除率為81.8％；出水殘余鋁的質量濃度為0.114mg/L；出水顆粒物得到較好的去除，去除率達到96.9％。
2.1.2 高藻期DAF工藝對水中有機物的去除
　　有關文獻指出，DAF工藝對水中有機物能發揮很好的去除作用^[3]，本試驗有機物考察指標如下：UV₂₅₄，DOC，SUVA(比紫外吸收值)，BDOC，AOC。其去除結果如表3所示。

表3 DAF工藝對有機物的去除

項目 UV₂₅₄/ cm^-1 ρ(COD_Mn)/ （mg·L^-1） ρ(DOC)/（mg·L^-1） ρ(BDOC)/（mg·L^-1） ρ(AOC-P17)/（μg·L^-1） ρ(AOC-NOX)/（μg·L^-1） ρ(AOC)/（μg·L^-1） 原水均值 0.037 1.95 2.283 0.209 157 30 187 DAF出水均值 0.024 1.08 1.905 0.180 126 19 145 >平均去除率/% 34.4 44.2 16.6 13.9 19.7 36.7 22.5

　　試驗中投加H₂SO₄改變原水pH值使絮凝池中水的pH值為6.60，混凝劑投加量為2.0mg/L，在此條件下，有機物與混凝劑一起形成不溶性的絡合物(鋁的腐殖酸鹽和富里酸鹽)，然后與微氣泡粘附實現固液分離，另外混凝劑生成氫氧化物絮體對天然有機物吸附而將其去除，所以DAF工藝對UV₂₅₄的去除效果較好，平均去除率為34.4％。DAF工藝對COD_Mn的平均去除率為44.2％，其去除效果優于對UV₂₅₄的去除，這是因為COD_Mn，反映的有機物包括懸浮、膠態部分和溶解性有機物，UV₂₅₄反映的有機物是溶解性的，而DAF工藝對懸浮、膠態物質去除效果良好(通過濁度反映)，所以DAF丁藝對COD_Mn的去除效果要明顯優于對UV₂₅₄的去除。
　　比紫外吸收值(SUVA)是指單位濃度DOC的紫外吸收值，即UV₂₅₄/DOC，它反映了水中有機物的芳香構造化程度。原水SUVA為1.53，說明原水DOC中大部分是非腐殖質，所以DAF工藝對DOC的去除率不高，僅為16.6％。BDOC反映的是DOC中相對分子質量較小、親水性較高的——部分有機物，所以與DOC相比，DAF工藝對BDOC的占除率更低，為13.9％。
　　原水ρ(AOC)為187μg/L，其中ρ(AOC-P17)為157μg/L，ρ(AOC-NOX)為301μg/L，AOC-P17比例較高，占84.0％。試驗表明DAF工藝對AOC-NOX的去除效果要顯著優于對AOC-P17的去除，AOC-NOX的去除率為36.7％，AOC-P17的去除率為19.7％。總的來說，經DAF工藝處理后ρ(AOC)降為145μg/L，去除率為22.5％。
　　DAF工藝對密云高藻原水中的有機物表現出了一定的去除效果：UV₂₅₄的平均去除率為34.4％，出水UV₂₅₄為0.024cm^-1；COD_Mn的平均去除率為44.2％，出水ρ(COD_Mn)為1.08mg/L；DOC的去除率為16.6％，出水ρ(DOC)為1.905mg/L；BDOC的去除率為13.9％，出水ρ(BDOC)為0.180mg/L：AOC的去除率為22.2％，出水P(AOC)為145μg/L。
2.2 DAF工藝對密云低溫低濁水的處理
　　在低溫時由于水的粘度較大，顆粒周圍的水化膜較厚，顆粒的親水性加強，從而使得顆粒能夠在水中穩定地存在。尤其在低濁度時，由于水中膠體顆粒物數量較少，因而與混凝劑有效碰撞脫穩的機會也少，在實際生產中往往不得不采用加大投藥量的方法來提高處理效果^[4]。采用DAF工藝時，由于通入空氣，產生大量微氣泡，氣泡和顆粒相互碰撞粘附幾率增大，使顆粒的密度變小而更容易浮至水面被去除。
　　密云水庫水冬季經歷較長時間的低溫低濁期，試驗期間，水溫為2.8～5.0℃，pH值為8.31～8.37。通過不同投藥量的對比試驗確定混凝條件，混凝劑投加量為2.0mg/L，無pH值調節。
　　DAF工藝處理低溫低濁水的考察指標包括：濁度、色度、嗅、殘余鋁、UV₂₅₄和COD_Mn。各指標如表4所示。

表4 低溫低濁條件下DAF工藝對各種水質指標的去除

項目 色度/度 嗅閾值 ρ(殘余鋁)/（mg·L^-1） UV₂₅₄/ cm^-1 ρ(COD_Mn)/ （mg·L^-1） 原水均值 7 9 0.032 2.03 DAF出水均值 3 4 0.169 0.026 1.59 >平均去除率/% 57.1 55.6 19.7 21.4

　　原水濁度0.64～1.06NTU，DAF出水濁度為0.22～0.27NTU，平均為0.24NTU。如圖3所示。

　　試驗結果顯示，本工藝對于低溫低濁水的濁度去除效果顯著，DAF工藝的出水濁度遠低于中國飲用水水質標準。
　　由試驗結果可見，在低溫低濁條件下，原水中致色、致嗅物質相對較少，在DAF處理后，色度和嗅閾值都達到了中國飲用水水質標準要求。DAF出水殘余鋁的質量濃度為0.169mg/L，滿足飲用水水質標準。
　　低溫低濁條件下，由于原水中顆粒物較少，且水的粘度較大，極大地影響了混凝效果。盡管由于DAF工藝本身的優勢，在水中產生大量氣泡，增大了氣泡和顆粒相互撞擊粘附幾率，取得了較好的濁度去除效果，但是，水中產生的絮凝顆粒總量仍然相對較低，而且顆粒周圍的水化膜較厚，顆粒的親水性強，很大程度上影響了絮體對水中有機物的吸附，因此DAF對有機物的去除效果相對較差，UV₂₅₄的平均去除率為19.7％，COD_Mn的平均去除率為21.4％。由于原水中懸浮、膠態物質較少，因此UV₂₅₄和COD_Mn的去除率差異不明顯。

3 結論

　　①根據密云水庫水的特征，采用DAF工藝處理密云水庫原水是十分有效的。氣浮池水力負荷13.8m³/(m²·h)，溶氣水回流比為10％，溶氣罐壓力0.52 MPa。絮凝時間和氣浮池水力停留時間均為10min。
　　②DAF工藝對密云水庫高藻原水具有顯著的處理效果，出水濁度為0.29～0.44NTU，藻總數去除率達到92.6％，葉綠素-a去除率為89.4％，DAF工藝對致色、致嗅物質去除效果良好，出水色度為4，去除率為81.8％，嗅閾值為6，去除率為75.0％。
　　③DAF工藝適合處理密云水庫低溫低濁水，在不增大投藥量的條件下，出水濁度為0.22～0.27 NTU，色度為3度，嗅閾值為4，均滿足中國飲用水水質標準。
　　④在強化混凝條件下，DAF工藝對有機物具有很好的去除效果，通常條件下UV₂₅₄的去除率為34.4％，COD_Mn的去除率為44.2％；在低溫低濁條件下，UV₂₅₄和COD_Mn的去除率也可達到20％左右。

參考文獻：
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作者簡介：劉洋(1978—)，男，遼寧鞍山人，清華大學碩士研究生，主要從事水質凈化技術與科學研究，電話(010)62781779，liu_y01@mails.tsinghua.edu.cn。