城镇供水气浮设备应用现状及存在问题分析

王永磊 鞠玲 田立平 宋武昌 贾瑞宝

（1山东建筑大学市政与环境工程学院 山东济南 250100 2潍坊市市政公用事业服务中心 山东潍坊 261041 3山东省城市供排水水质监测中心 山东济南 250100）

随着我国城镇化进程的不断发展，城镇居民对高质量饮用水的稳定供应也提出了越来越高的要求，对供水关键材料设备的需求也日益增大。气浮作为供水关键设备，可以向水中通入大量微小气泡，实现固、液分离，具有自动化程度高、占地面积小、除藻效率高等特点［1］。为了高效节能无污染的净化饮用水水质，在处理工艺中开始逐渐将气浮引入其中。我国最早将气浮技术引入给水处理工艺中的是武汉东湖水厂，用气浮代替沉淀，有效缓解了高藻时期藻类难处理的问题，使藻类的去除率达80%以上，成为我国用气浮处理含藻水典型的工程实例［2］。随后，国内其他地区又相继将气浮技术应用在净水工程中，潍坊白浪河水厂、珠海三灶水厂、中山市南头一水厂、济南玉清水厂、济南南郊水厂等都取得了比较好的处理效果［3-5］。

尽管气浮在水处理中得到了较广泛的应用，但目前国内的气浮设备产品规格参差不齐，缺少统一的行业标准，尤其针对给水气浮的标准更是稀少。为实现气浮设备标准化、模块化、国产化、智能化，对国内部分气浮设备的使用及生产进行调研，总结我国国内气浮设备产品生产及使用现状，分析目前存在的问题及解决对策，对气浮设备材料未来的发展趋势进行引导，加强企业对薄弱性能环节的提升，为产品生产及应用标准化奠定基础。

1 气浮设备发展现状

气浮净水起初是应用在矿选业，采用加压溶气气浮方法，随着气浮技术应用的领域越来越广泛，气浮设备类型也逐渐丰富，主要分为溶气气浮设备［6］、散气气浮设备［7］、离子气浮设备［8］、浅层气浮设备［9］、电解气浮设备［10］等。 目前在国内外给水气浮中应用最广泛的是加压溶气气浮［11-12］。溶气气浮设备能够产生数量较多、气泡微细、粒度均匀、密集度大、上浮稳定的微气泡［13］，气泡粒径微小，对液体的流动状态影响较小、除浊除藻效能明显，设备操作简单，易于维护和管理。作为典型的气浮处理设备，我国的天津芥园水厂采用溶气气浮工艺除藻，进水量50万m3/d，叶绿素去除率达90%，浊度小于0.4 NTU，出水水质良好，成为使用国内气浮技术的大型给水厂中的典型示范［14］；资阳市二水厂应用溶气气浮除藻工艺进行改造，藻类平均去除率达到92.5%［15］；深圳宝安区的长流陂水厂采用浅层气浮工艺进行除藻工作，藻类去除率达80%以上，排渣含水率高达99.3%，处理效果明显，可以代替传统的混凝沉淀工艺［16］。

1.1 气浮设备生产应用现状

常规的加压溶气气浮设备是由加压溶气装置、溶气释气装置和固液分离装置三部分组合而成。加压溶气装置也称为加压空气饱和装置，包括溶气泵、空气压缩机（或射流器）、压力溶气罐以及其他附属设备；溶气释放装置是由溶气释放器和溶气水管路组成；气浮池是进行固液分离过程的池体，是将气泡与水中的悬浮物、胶体、大部分有机物等分离的场所。通过对各类组合设备的生产企业进行调研，发现我国各类气浮设备生产企业在山东、江苏、上海及浙江等省市分布较多。结合对各企业产品参数的调研结果，分析气浮设备在给水厂适用的工况条件，并总结分析各产品的基本状况。

（1）加压溶气装置。在实际工艺运行过程中，利用溶气泵高速旋转的叶轮将回流水和气体充分混合搅拌后与利用空气压缩机加压的空气一同以一定的压力送至溶气罐，溶气泵和空压机的工作压力与溶气罐的工作压力相联系。通过对国内运行比较良好的水厂进行调研发现，大多数水厂的溶气压力维持在 0.3～0.4 MPa［15，17-18］，Yong 等也通过实验发现当溶气罐压力从330 kPa升至550 kPa时，溶气效率从83%升至91%［19］。溶气罐有多种形式，但是目前应用最多的是喷淋式填料溶气罐，这种溶气罐的溶气效率与无填料的相比高出约30%［20-21］。王广丰等通过实验发现，在溶气过程中设法保证溶气罐中新鲜气体的含量，不仅能使溶气系数提高10%，而且还能减少约10%的能耗［22］。因此，填料溶气罐借助其能耗低、溶气效率高的优势在气浮水厂中得到了广泛应用。

（2）溶气释放装置。释放器的作用是对溶气罐内的溶气水减压，使溶气水中的气体以微气泡的形式释放出来，能够快速、均匀地附着在水中颗粒物质的表面。对于溶气释放器，目前采用较多的来自东湖水厂和同济大学生产的产品，即TS型、TJ型及TV型溶气释放器，其中TS型除用于试验性装置外，在生产上已很少采用［21］。释放器喷嘴的尺寸对微气泡的直径大小的影响远大于溶气压力对气泡直径的影响，王晨等对TS型释放器进行研究，在圆盘缝隙尺寸为3 mm时生成的粒径小于50 μm的气泡较稳定［23］；Kim等通过实验研究发现，在压力值一定的情况下，使用喷嘴尺寸为0.6 mm的释放器时，处理效率最高，且在喷嘴尺寸为0.6 mm及以下时，微气泡尺寸和流速随喷嘴尺寸的减小而减小［24］。这些试验研究在实际工程应用中对释放器类型和尺寸的选择有较大的参考意义。

（3）固液分离装置。气浮池是由絮凝室、气泡接触室、分离室三部分组成。早期的气浮池属于浅池形式，表面负荷较低，且要求进水流速尽量稳定；到了二三代的气浮池，表面负荷量逐渐增加，加大了池深，减小了占地面积，气浮池底部设有穿孔集水管，便于收集和排出水中的沉淀物质。溶气气浮机是采用新型高效的溶气设备代替传统的引起设备向水中溶气，包括箱体、刮渣机、螺旋出料机等，共同组成一个完整的气浮净水装置。根据长期的水厂工艺运行经验发现，传统的分离室内部布水不均匀，导致出水仅靠近池边出口附近的集水管，使得这部分穿孔集水管易堵塞。为解决这一问题，法国的得利满公司设计出一种AquaDAF高速气浮池（见图1），在分离室内设置预制集水板，底部设有三层穿孔集水板，能够避免短流，更好地实现流量分配，呈现更一致的垂直流，使出水更均匀，固液分离效率更高；省去集水管，减少了因管道堵塞造成出水水质不佳的情况［25］。这一设计在我国贵州清镇东郊水厂、澳门陆环水厂及澳门MSR水厂等都已应用，并取得了很好的处理效果。

在实际应用过程中，气浮通过与沉淀池相结合形成浮沉池［26］、与过滤相结合形成浮滤池［27］等多种形式，在充分发挥气浮工艺高效分离作用的同时与其他工艺构筑物进行合建，不仅减少了基建投资和运行成本，而且充分发挥各工艺的优势，出水水质较好。目前我国城镇给水中应用气浮设备的部分用户分布情况及信息见图2。

由图2可见，我国应用气浮设备的给水厂大多分布在沿海沿河流域，其中以黄河流域居多，占全国总比例的40%，长江流域约占32%，海河流域约占13%，淮河流域约占7%，珠江流域约占7%，其他流域约占1%，这也表示出在低温低浊高藻流域，气浮的应用更为广泛［28］。

1.2 产品发展趋势

由于传统的溶气气浮（DAF）工艺中气泡对水中细小悬浮物的附着捕捉效率不高，夹气絮体不稳定等问题常有发生，鉴于传统溶气气浮装置还有很大的优化空间，许多专家学者在考虑实际运行功效的前提下对溶气气浮工艺进行改进优化。Wang等研发一种将逆向流与同向流集成一体进行工作的气浮工艺，显著改善了传统DAF工艺黏附效率低，絮体不稳定等问题［29］；陈为民等使用旋涡气液混合泵代替空气压缩机、溶气罐、释放器和溶气泵，不但减少了占地面积和能源消耗，还利用发散渐扩式的释放口出水，使溶气水消能减压分配均匀，并解决了释放器易堵塞等问题［30］；江华水处理设备公司引进的多相流泵可以直接溶解空气，省去了空气压缩机、溶气罐等设备，气泡在池内更均匀地分布，同时也减少了能耗损失［31］。麦斯特公司生产的CQJ型浅层离子气浮设备是将浅层气浮与离子气浮相结合，产生的微气泡直径极小，密度极大，而且不需要凝聚成很大的矾花，故可以大大降低絮凝剂的投加量，一些情况下甚至可以不施加，从而降低药物的消耗。加压溶气设备作为环保型产品，未来应该朝着高自动化控制、低能耗损失、集成简约高效的方向发展，提高出水水质。

1.3 产业效能分析

从国内的气浮设备生产企业中进行调研，得到部分厂家信息，见图3。从调研结果我们可以看出，各企业规模的大小与职工人数、生产规模有着很大联系，企业规模越大，职工人数越多，生产规模也越大；各设备企业生产规模也以中小型的居多，且大部分是以国内销售为主，出口销售为辅，这从侧面说明我国的气浮设备生产厂商在国际上也占有一席之地；产品价格整体较为适中。整个企业的分布也是处于我国东部沿海地区，该地区交通便利，经济较为发达，也有利于各企业扩大生产规模，增强企业国际影响力，更好的发挥品牌效益。

2 目前存在的问题

通过对当前气浮生产及应用市场进行调查，收集了大量气浮设备产品的设备参数信息及用户体验情况，了解到目前的应用市场存在以下4方面的问题。

2.1 生产企业实力弱

从图3可以看出，国内的气浮设备生产企业规模大小不一，且以中小型为主，规模较小，企业对市场的抗风险能力偏弱，对产品的创新能力偏弱，进而品牌竞争力相对较弱；产品价格也不稳定，企业门槛偏低，任何具备一定能力的厂家均可生产，虽然产品出厂均需符合各种标准规范的要求，但是产品质量不稳定，导致设备使用年限及条件也不同，难以管理；产品价格可低至千元，市场出现盲目低价竞争、忽视产品质量的现象。

2.2 用户运行维护质量差

由于气浮产品质量参差不齐，水厂前期设计没有考虑周到，运行经验不足，导致水厂运行效果不佳；水厂的进水负荷波动较大，设备运行缓冲力度不够，以及释放器堵塞和回流水管道不及时清理，对后续设备影响较大，设备的故障率和老化率升高；气浮系统运行时电耗约为0.026元/m3，药耗约为0.025元/m3，总运行费用约为0.05元/m3，气浮工艺相对于沉淀工艺，电耗高 17%～21%，总能耗高 7%～8%［32］，所以气浮工艺整体运行成本较高，对用户来说经济性不强。

2.3 标准化体系不完善

通过对现有规范进行搜集整理，发现用于气浮技术的规范和标准并不多，仅有的气浮规范也多是专注于环保和污水气浮处理领域，专门针对给水气浮技术的规范更是匮乏，且各类标准并不系统，缺少统一的标准规定。

2.4 设备整体技术水平较低

释放器易堵塞，TS型溶气释放器的压力释放机构是固定或半固定的，间隙很小，而且在气浮池运行初期，水质杂质较多，管道锈蚀等均易造成释放器堵塞；各季节进水量不同导致工艺回流量不稳定，起伏较大，影响气泡的尺寸和处理效果；气浮系统闲置期保护不当，溶气罐和管道内壁易腐蚀；空压机启闭频繁易损坏等。

3 总结

（1）气浮设备生产企业主要分布在华东地区，约占70%；华南地区，约占12%，华北地区约占8%；西南等其他地区约占10%；山东诸城和江苏无锡、宜兴等地的气浮设备生产企业数量最多。大部分企业以国内销售为主、出口销售为辅。

（2）通过对气浮水厂调研，大部分水厂采用溶气压力为0.3～0.4 MPa，回流比为10%的参数值，根据《室外给水设计标准》（GB 50013—2018）中规定，应根据原水气浮试验情况或参照相似条件下的运行经验确定，溶气压力可采用0.2～0.4 MPa，回流比一般宜为5%～10%，所以从上表看来大部分水厂还是满足国家设计标准的要求。

（3）由于调查范围有限，样本量较小，不具有典型代表性。在今后的研究中，应该细化气浮处理的水质条件，对各种气浮技术的应用进行更加详细的调查和总结。