摘要：我國(guó)水質(zhì)性缺水現(xiàn)象十分嚴(yán)峻，河流湖泊水受污染現(xiàn)象普遍，并且河道水中懸浮物顆粒粒徑無(wú)法滿(mǎn)足微灌工程的要求，水質(zhì)問(wèn)題已嚴(yán)重影響到農(nóng)業(yè)日常生產(chǎn)活動(dòng)，因此研究適用于設(shè)施菜地灌溉系統(tǒng)的河水處理技術(shù)及其相應(yīng)的處理裝置迫在眉睫。本文旨在介紹加壓溶氣氣浮法在農(nóng)業(yè)灌溉水源處理中的應(yīng)用，探索相關(guān)技術(shù)應(yīng)用的原理、結(jié)構(gòu)、工藝，設(shè)計(jì)相應(yīng)的裝備，結(jié)合實(shí)際應(yīng)用過(guò)程中發(fā)現(xiàn)的問(wèn)題，探尋改進(jìn)和完善的途徑，并探討氣浮凈水技術(shù)、設(shè)備在農(nóng)業(yè)灌溉領(lǐng)域的研究方向。

　　關(guān)鍵字：河水處理，溶氣，氣浮，凝絮

　　0、引言

      我國(guó)設(shè)施農(nóng)業(yè)灌溉以直接取用河道水為主，但隨著經(jīng)濟(jì)的快速發(fā)展，河湖水受污程度不斷增加、富營(yíng)養(yǎng)化狀況日益嚴(yán)重，使用受污染的水源進(jìn)行農(nóng)業(yè)灌溉會(huì)影響作物的生長(zhǎng)，并直接影響人們的身體健康。同時(shí)，水資源短缺已經(jīng)成為制約農(nóng)業(yè)可持續(xù)發(fā)展的重要限制因素，發(fā)展節(jié)水灌溉勢(shì)在必行。微灌較其他灌溉技術(shù)而言，更節(jié)水高效，但微灌灌水器普遍易堵塞，對(duì)水質(zhì)要求較高。因此，研究適宜灌溉用的河水處理技術(shù)，設(shè)計(jì)相應(yīng)的裝備集成具有重要的現(xiàn)實(shí)意義。

      現(xiàn)階段，灌溉水處理主要采用物理過(guò)濾、生物凈化等方法，存在投資大、管理要求高等局限性。溶氣氣浮結(jié)合混凝處理的高效固液分離水處理技術(shù)可用來(lái)凈化水質(zhì)較差、懸浮物較多的河道水，操作便捷、環(huán)保低耗，適合用于設(shè)施農(nóng)業(yè)灌溉系統(tǒng)首部。

　　1、水處理技術(shù)及裝備

　　1.1、概述

      氣浮法也稱(chēng)浮選法，技術(shù)產(chǎn)生于20世紀(jì)40年代。主要用于去除密度與水相近、無(wú)法自然沉降又難于自然上浮的雜質(zhì)，具有分離效率高、設(shè)備簡(jiǎn)單等優(yōu)點(diǎn)。^[1]可分為布?xì)鈿飧》?、電氣浮法、生物及化學(xué)氣浮法、溶氣氣浮法。其中，加壓溶氣氣浮法在國(guó)內(nèi)外應(yīng)用*為廣泛，本研究采用此法。

      加壓溶氣氣浮水質(zhì)處理的空氣溶解度大，細(xì)微氣泡集群上浮過(guò)程穩(wěn)定，對(duì)水的擾動(dòng)較小，確保了良好氣浮效果；工藝過(guò)程及設(shè)備比較簡(jiǎn)單，管理維修方便；占地面積?。粚?duì)低濁、含藻類(lèi)水處理效率高。

　　1.2、原理

      氣浮法的實(shí)質(zhì)是氣泡和粒子間進(jìn)行物理吸附，并形成浮渣體上浮分離。理論基礎(chǔ)是亨利定律V=K_TP，其中V為空氣在水中的溶解度(mg/L) ；P為氣壓；K_T為亨利系數(shù)，隨溫度變化，在常溫下為常數(shù)。^[2]加壓溶氣氣浮利用空氣在水中的溶解度達(dá)到平衡時(shí)隨壓力增高而增大的原理，將空氣加壓溶入待處理水體中達(dá)到飽和（壓力一般為0.2~0.6MPa），溶氣水流驟然減至常壓進(jìn)入氣浮池時(shí)即釋出大量尺寸微細(xì)、粒度均勻、密集穩(wěn)定的微氣泡（氣泡直徑一般為20~100μm）。^[1]微氣泡集群在界面張力、氣泡上升浮力和靜水壓力差等多種力的共同作用下，穩(wěn)定上浮到水面，通過(guò)收集泡沫或浮渣達(dá)到分離雜質(zhì)、凈化水質(zhì)的目的。

　　1.3、水處理裝置設(shè)計(jì)

      選取青浦區(qū)商榻鎮(zhèn)星源實(shí)驗(yàn)農(nóng)場(chǎng)設(shè)施菜地作為本研究的試驗(yàn)區(qū)，試驗(yàn)區(qū)規(guī)劃布置平面圖詳見(jiàn)圖1。水質(zhì)處理裝置設(shè)置在試驗(yàn)區(qū)在靠近河道水源處的6m薄膜單棚內(nèi)，裝置在棚內(nèi)的布置示意圖見(jiàn)圖2。處理后的水存儲(chǔ)于單棚內(nèi)的蓄水池中，作為蔬菜種植單棚的日常灌溉用水。水處理裝置所在單棚外的空地上埋設(shè)玻璃鋼制多級(jí)沉淀污泥池。將水質(zhì)處理裝置的排污管接至該污泥池進(jìn)水口，污水經(jīng)污泥池沉淀、過(guò)濾后的排入河道。試驗(yàn)區(qū)取水首部泵站內(nèi)的水泵進(jìn)水管上加設(shè)閥門(mén)及旁通連接至蓄水池取水管口，以便根據(jù)生產(chǎn)實(shí)際切換選擇河道取水或蓄水池取水。

      根據(jù)待處理河水的水質(zhì)情況、處理后的水質(zhì)要求、凈水工藝與前后處理構(gòu)筑物（蓄水池、污泥池、水泵房）的銜接、周?chē)匦魏蜆?gòu)筑物的協(xié)調(diào)、施工難易程度及造價(jià)等因素綜合，確定了設(shè)備參數(shù)?？紤]到控制成本下的一定的出水量需求及簡(jiǎn)單化管理的要求，采用結(jié)合溶氣氣浮、加混凝（絮凝）劑除污、紫外殺菌的自動(dòng)化水處理設(shè)備集成。設(shè)施內(nèi)滴灌工程用河水凈化裝置，一元化優(yōu)化集成溶氣系統(tǒng)、釋氣系統(tǒng)、水力溢渣系統(tǒng)、混凝加藥系統(tǒng)、過(guò)濾系統(tǒng)、消毒系統(tǒng)、廢液處理系統(tǒng)，配套設(shè)置設(shè)施內(nèi)可移動(dòng)PE復(fù)合土工膜鋼架蓄水池，滿(mǎn)足可拆移、少占地、無(wú)人值守、不硬化土地等各種要求，主要相關(guān)設(shè)備的技術(shù)參數(shù)見(jiàn)下表1，水處理裝置示意圖、立面圖、俯視圖見(jiàn)圖3、4、5。

　　1.4、水處理藥劑選用

      懸浮物表面有親水和憎水之分，憎水性顆粒表面容易附著氣泡，因而可用氣浮法。親水性顆粒用適當(dāng)?shù)幕瘜W(xué)藥品處理后可以轉(zhuǎn)為憎水性。

      混凝劑可以改變污水中懸浮顆粒的親水性能，氣浮法常用混凝劑使膠體顆粒結(jié)成為絮體，絮體具有網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)，容易截留氣泡，加速顆粒上浮，從而提高氣浮效率。主要通過(guò)吸附橋聯(lián)機(jī)理起作用的高分子藥劑成為絮凝劑。絮凝劑可以提高懸浮顆粒表面的水密性，以提高顆粒的可浮性。^[3]本研究中，混凝劑采用聚氯化鋁（氯化鋁含量30%），絮凝劑采用聚丙烯酰胺。

　　1.5、工藝

      使空氣在一定的壓力作用下，溶解于水中，并達(dá)到過(guò)飽和狀態(tài)，然后溶氣水在常壓下將空氣以微小氣泡的形式從水中逸出，進(jìn)行氣浮。溶氣氣浮形成的氣泡細(xì)小，其初粒度為80um甚至更細(xì)；經(jīng)加藥反應(yīng)形成絮體后的原水進(jìn)入氣浮罐內(nèi)，與氣浮罐內(nèi)的溶氣水充分混合接觸，使水中絮體吸收粘附溶氣水中的微小氣泡，絮體在氣泡浮力的作用下浮向凈水罐頂部水面的氣浮分離區(qū)，形成浮渣層。浮渣被水帶至凈水罐頂部的排污槽從排污口通過(guò)管道自流排至污泥池。凈水罐下層的清水一部分供回流（溶氣泵吸水）制備溶氣水使用，另一部分由中間水泵吸走至多介質(zhì)過(guò)濾器過(guò)濾，再經(jīng)紫外殺菌器殺菌后成為灌溉用凈水排至蓄水池。灌溉時(shí)，原泵房?jī)?nèi)首部的水泵從蓄水池中抽水，經(jīng)原泵房?jī)?nèi)首部過(guò)濾器再過(guò)濾后送至田間，供設(shè)施內(nèi)農(nóng)作物灌溉使用。

　　2、處理效果

      經(jīng)實(shí)測(cè)，設(shè)施內(nèi)灌溉首部河水處理裝置蓄水量120m³，出水水量達(dá)到5m³/h，可滿(mǎn)足日常灌溉需求。

      將試驗(yàn)地河道原水與經(jīng)過(guò)水質(zhì)處理裝置處理后的灌溉水交由第三方檢測(cè)機(jī)構(gòu)進(jìn)行檢測(cè)，檢測(cè)結(jié)果對(duì)比見(jiàn)下表2（表中標(biāo)準(zhǔn)值指國(guó)標(biāo)“GB5084-2005農(nóng)田灌溉水質(zhì)標(biāo)準(zhǔn)”中規(guī)定的蔬菜灌溉用水水質(zhì)標(biāo)準(zhǔn)值）。

　　從表2可見(jiàn)，經(jīng)水質(zhì)處理裝置處理后的水質(zhì)完全符合農(nóng)田灌溉水質(zhì)的國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)，其中“五日生化需氧量”、“化學(xué)需氧量”、“懸浮物”、“濁度”、“色度”這五項(xiàng)指標(biāo)有明顯的降低，特別是經(jīng)過(guò)處理，懸浮物基本完全去除，濁度急劇下降。試驗(yàn)證明，加壓溶氣氣浮裝置處理效果顯著、穩(wěn)定，能基本去除水中懸浮物，并使?jié)岫取⑸鹊雀泄僦笜?biāo)有很大的提升，出水能夠完全滿(mǎn)足農(nóng)田灌溉水質(zhì)標(biāo)準(zhǔn)。

　　3、存在問(wèn)題及應(yīng)對(duì)措施

　　1、試驗(yàn)區(qū)域的河道水源與淀山湖水相通，水質(zhì)本身較好，處理后的效果無(wú)法得到顯著體現(xiàn)。

　　2、河道取水口易被浮萍、雜質(zhì)等堵塞，影響抽水效果。

　　本研究中，對(duì)取水口進(jìn)行初級(jí)過(guò)濾，在河道取水口底部，用挖掘機(jī)清淤開(kāi)挖取水桶埋設(shè)坑，將頂部四周開(kāi)有進(jìn)水小孔的取水桶半埋入坑中，在桶周?chē)拥状蛉肴舾筛摴芑蛩赡緲秾⑼吧砉潭?，從桶頂敞口中放入原水潛水泵，將桶頂用大目?shù)的防蟲(chóng)網(wǎng)扎蓋。在取水口設(shè)置棧橋，并將原水潛水泵在取水桶內(nèi)吊掛妥當(dāng)。

      在實(shí)際應(yīng)用中，設(shè)置磚砌原水取水口、攔污用防護(hù)網(wǎng)、水面污物攔截用穿繩浮筒漂排或充氣攔污管等，結(jié)合加強(qiáng)取水口清污工作的管理，可有效降低原水取水失效故障率，保證裝置的長(zhǎng)效運(yùn)行使用。

　　3、試驗(yàn)初期，采用離心泵為原水加壓后送入溶氣罐，在罐內(nèi)使空氣充分溶于水中的傳統(tǒng)工藝。此工藝要求水泵必須保持1m以上的水頭，且*吸氣量不能大于水泵吸水量的10％，否則，水泵工作很不穩(wěn)定，會(huì)產(chǎn)生氣蝕現(xiàn)象。調(diào)試過(guò)程中，發(fā)現(xiàn)離心泵的出水壓力難控，空氣壓縮機(jī)供氣時(shí)，氣浮罐內(nèi)難以形成氣泡。

      改進(jìn)后，采用氣液混合渦流泵為原水加壓的新工藝，氣液混合渦流泵吸入口可以利用負(fù)壓作用吸入空氣，再通過(guò)高速旋轉(zhuǎn)的泵葉輪將液體與氣體混合攪拌，使得空氣在水中的溶解率高、細(xì)微氣泡粒徑小，省略了加壓泵、空氣壓縮機(jī)、射流器、加壓溶氣罐等復(fù)雜裝置，可以解決傳統(tǒng)工藝不可避免的釋放器堵塞、大氣泡翻騰及加壓泵故障等問(wèn)題，制出的溶氣水中的微細(xì)氣泡含量大，甚至可形成乳白色溶氣水，混合效率高，操作維護(hù)簡(jiǎn)單，水處理效果好。

      改進(jìn)前和改進(jìn)后的溶氣工藝示意圖見(jiàn)圖7、8。

      4、加壓溶氣氣浮技術(shù)是一個(gè)物化處理過(guò)程，無(wú)法對(duì)有機(jī)物、氮磷等污染物質(zhì)進(jìn)行高效降解。應(yīng)加強(qiáng)其工藝的生化作用，可將加壓曝氣生化技術(shù)耦合于加壓溶氣氣浮工藝當(dāng)中，彌補(bǔ)溶氣氣浮工藝生化性能差的特點(diǎn)。^[4]

      5、處理原水中輕飄易浮的雜質(zhì)宜采用氣浮法，對(duì)于密實(shí)沉重的雜質(zhì)則宜采用沉淀法。^[5]可以考慮將氣浮法與沉淀法兩者結(jié)合起來(lái)，發(fā)揮各自的處理優(yōu)勢(shì)，在提升處理效果的同時(shí)節(jié)省了投資和操作費(fèi)用。

　　4進(jìn)一步研究的建議

      1、我國(guó)532條河流中82%已受到不同程度的污染，流經(jīng)全國(guó)42個(gè)大中城市的44條河流中93%被污染，其中嚴(yán)重污染的占79%。^[5]大力發(fā)展水處理技術(shù)是應(yīng)對(duì)種種水問(wèn)題的根本出路，應(yīng)繼續(xù)加大人員、經(jīng)費(fèi)的投入，完善、應(yīng)用適宜的水處理技術(shù)和裝備集成，應(yīng)對(duì)食品安全、生態(tài)農(nóng)業(yè)對(duì)水資源的需求。

      2、研究在線(xiàn)監(jiān)測(cè)調(diào)控濁度等相關(guān)指標(biāo)，按河水水質(zhì)情況，實(shí)時(shí)調(diào)整、自動(dòng)控制混凝劑投藥量來(lái)達(dá)到更好的處理效果，并可實(shí)時(shí)獲取數(shù)據(jù)，了解裝置整體運(yùn)行情況，實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程操控，真正實(shí)現(xiàn)全自動(dòng)無(wú)人值守。

      3、進(jìn)一步簡(jiǎn)化氣浮系統(tǒng)，降低設(shè)備投資，減少設(shè)備的占地面積，簡(jiǎn)化流程及操作要求，提升整個(gè)系統(tǒng)的適用性和實(shí)用性。

      4、混凝反應(yīng)對(duì)溶氣氣浮的效果有很大影響，要達(dá)到較好的氣浮效果，混凝反應(yīng)必須完全。^[6]需反復(fù)試驗(yàn)，搜集相關(guān)數(shù)據(jù)，確定不同原水水質(zhì)條件下，混凝劑、絮凝劑適宜的種類(lèi)和用量，從而增強(qiáng)氣浮效果。

      5、可進(jìn)一步研究原水水質(zhì)差、成分復(fù)雜、含有機(jī)雜質(zhì)、污染物濃度高的水源水質(zhì)處理成套技術(shù)，實(shí)現(xiàn)廢水、污水灌溉，拓寬農(nóng)業(yè)灌溉水來(lái)源，更好地實(shí)現(xiàn)水資源的綜合利用。

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