——ITT Clari-DAF系統應用于美國某水廠的實例分析
摘 要：美國Evitts Creek水廠在經歷藻類及溶解性錳的困擾后最終選擇Clari-DAF工藝有效解決了此問題。試驗表明，Clari-DAF工藝對于低密度固體的去除效果顯著，有效降低濁度、色度及不溶性鐵、錳化合物。該工藝占地面積小，運行維護簡單方便，在目前越來越多的以微污染水作為水源水的大環境下，Clari-DAF工藝具有廣闊的發展前景。
關鍵詞：溶氣氣浮；藻；錳；給水廠
引言
Evitts Creek 水廠位于賓夕法尼亞州邊界地區，靠近馬里蘭州，由馬里蘭州坎伯蘭市所有并負責經營。該廠為坎伯蘭市及其它位于馬里蘭州、西維吉尼亞和賓夕法尼亞州周邊的社區提供飲用水，并由馬里蘭州和賓夕法尼亞州共同負責監管。該水廠的水源地Koon 湖的容量為22 億加侖（約1001萬 m3），可為取水口所在的Gordon 湖水庫提供13 億加侖(約592萬m3)的原水。
水廠現狀
該水廠初始設計流量為1200 萬加侖（5.46萬m3），處理工藝包括快速混合、上流澄清池、濾池、清水池、接觸池以及污泥脫水用的真空干化床。水廠平均流量為900 萬加侖（4.10萬m3），峰值達1300 萬加侖（5.92萬m3）。進水濁度平均為3 NTU，水中可溶錳濃度平均為0.1 mg/L ，峰值為0.172 mg/L 。在進水口定期投加高錳酸鉀(KMnO4)來控制嗅味，并將可溶性的錳氧化并在水處理工藝的澄清階段去除。同時，水廠需投加澄清所需的無機絮凝劑和聚合物、控制腐蝕的苛性堿，用于消毒的氟化物、氯以及用來生成氯胺的氨水，以保證整個大型配水管網系統水中的剩余消毒劑余量。
1998年，除出現可溶錳問題外，周圍森林覆蓋率的減少和農業涇流的不斷增加，導致夏季幾個月水中的藻類爆發，水出現異味和惡臭，濾池運行時間縮短，并由于錳問題，到用戶家中的配水系統的水發生變色和污染。
通過調查研究各種替代性澄清技術后，該市的顧問工程師推薦安裝一臺壓力溶氣氣浮(DAF) 澄清系統來替換5個濾池，一方面解決藻類增加問題，另一方面提高對錳的去除能力。
Clari-DAF系統工作原理
在DAF工藝中，原水中的顆粒物發生絮凝，并通過氣浮上升到水體表面而從水中分離，而非將之沉淀到池底。該工藝通過接觸反應池底部的曝氣頭釋放微小氣泡使絮狀物浮上來。通過池子的部分出流水已經充有空氣并呈飽和狀態，氣泡就是通過這部分水的循環而產生，然后降至環境氣壓以產生加壓水流。池頂浮泥通過機械或水力的方法去除，而澄清好的水則通過池底兩側被排出。
DAF 技術對去除低密度固體特別有效，如濁度、色度、藻類和沉淀鐵及/或錳。這些污染物都不會完全沉淀，容易上浮或停留在水中。由于微粒通過氣浮而非沉淀來去除，絮凝和澄清的停留時間比傳統處理更少。通過氣浮去除的微粒可小至幾十微米，而非沉淀所需的幾百微米的最小微粒尺寸。此外，DAF技術還可應對絮凝化學優化后溫度和水質的迅速變化。
水廠改造前后效果對比
1999年夏天，該廠引入了一臺先進的Leopold DAF 移動試驗設備，用于確定工藝有效性并開發設計標準。通過6 周的試驗性研究，無機絮凝劑劑量優化為15～20 mg/L，可以達到7 gpm/ft2（4.75 L/sec•m2） 的運行負荷，有效循環流量為7.8%。這次DAF 試驗表明，DAF 系統可有效去除藻類和錳，同時生成的適應濾池負荷的穩定水質，從而最大化反沖洗之間的濾池運行時間。系統還將產生2%-5%的浮泥，減少需處理的污泥產量以及進一步的處理工藝如污泥顆粒的脫水外運的成本。此外，由于更小的占地面積，因此同等水處理設施預計可提高36%的處理能力，相當于該新型設備在同樣大小的區域最終能夠處理1500 萬加侖（6.83萬m3）的水。
在對這一成功的試驗研究進行評估并參觀了當前安裝的幾個壓力溶氣氣浮系統后，坎伯蘭的官員們確信，壓力溶氣氣浮系統是Evitts Creek 水廠處理方案的最佳選擇。2002年6月，一支由設備供應商、當地的承包商及工程公司組成的該市的設計/建設隊伍完成了最終的設計和安裝。工程提前完成，費用也控制在預算以內。該工程包括三套DAF 系統(每套按5 百萬加侖設計)，每個都帶有兩個絮凝池，池體尺寸為32’×22’×10’（9.76m×6.71m×3.05m）（長×寬×深），并安裝了全部所需的泵，飽和罐及控制裝置。此外，還將現有的濾池替換為Type S®濾磚 、I.M.S. ® (整體濾料支撐) 濾帽 、反沖洗槽、砂和無煙煤濾料及三濾料控制柜來提供濾池操作和反沖洗順序自動控制和監控。同時，新的過濾系統還增加了空氣反沖洗的程序。
系統啟動前，公用設施部門為蓄水池增加了曝氣系統，幫助錳氧化，以便錳沉淀后在DAF 工藝中輕松去除。曝氣減少了KMnO4 的添加，從每年9 個月減至每年夏季的短短幾周。無機絮凝劑的劑量也已降至8 ～15 mg/L 。當然，這個削減既歸功于操作人員技術經驗的不斷增加，同時，也是由于DAF 通過氣浮去除小直徑微粒比澄清池的沉淀更有效。
DAF 出水的濁度保持在0.2 NTU 以下，并且濾池運行時間比賓夕法尼亞州最多72 小時的建議時間更長。此前使用上流澄清池時，反沖洗周期之間的濾池運行時間為24 小時。臭味問題已經解決，最終出水中可溶性錳的含量低于0.02 mg/L 。這一工藝至少可去除進入水中的85%的藻類。
使用目前水廠的設計及900 萬加侖（4.10萬m3）的平均流量，DAF 單元的負荷率為3.6 gpm/ft2（2.44 L/sec•m2），加壓回流量為10%，同時仍可保持去除濁度、藻類和顆粒錳。
采用DAF 的巨大好處之一是懸浮污泥中的固體含量較高。隨著固體離開DAF 單元的頂部，為了便于泵送，污泥被稀釋到了2%的濃度，然后被送到替代了真空干化床的帶式壓濾機上。采用陰離子聚合物作為污泥添加劑的帶式壓濾機可生成含固量達16% 至22% 的泥餅。這要比只生成5%的污泥塊并需要使用鋸屑填充并將之運至垃圾填埋廠進行處理的干化床更好。而且，帶式壓濾機可在10～14小時•人內處理堆積一周的污泥，之前的干化床則需要48～60小時•人。這將降低總體的污泥處理處置成本高達60% 以上。
下表比較了Evitts Creek 水廠兩種澄清工藝的實際效果。
表1 Evitts Creek 水廠兩種澄清工藝的實際效果比較
Tab 1 Comparison of the actual performance that has been achieved with the two clarification processes at the Evitts Creek Treatment plant
|
參數 |
上流單元 |
DAF |
|
原水濁度 |
2.0 - 5.0 NTU |
2.0 - 5.0 NTU |
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原水中的錳含量 |
0.1 - 0.17 mg/L |
0.1 - 0.17 mg/L |
|
出水濁度 |
1.0 NTU |
0.2 NTU |
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出水錳含量 |
0.05 mg/L |
0.02 mg/L |
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濾池運行時間 |
24 小時 |
72 小時 |
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濾池出水濁度 |
0.1 NTU |
0.04 NTU |
|
濾池出水中的錳含量 |
0.05 mg/L |
0.02 mg/L |
現在，DAF 系統的出水水質和濾池的運行時間均超過預期水平。且無需進行過多的DAF單元維護，運行要求也不高，這樣，工廠操作人員有額外的時間完成更多任務。
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