摘要：我國水質性缺水現象十分嚴峻，河流湖泊水受污染現象普遍，并且河道水中懸浮物顆粒粒徑無法滿足微灌工程的要求，水質問題已嚴重影響到農業日常生產活動，因此研究適用于設施菜地灌溉系統的河水處理技術及其相應的處理裝置迫在眉睫。本文旨在介紹加壓溶氣氣浮法在農業灌溉水源處理中的應用，探索相關技術應用的原理、結構、工藝，設計相應的裝備，結合實際應用過程中發現的問題，探尋改進和完善的途徑，并探討氣浮凈水技術、設備在農業灌溉領域的研究方向。

　　關鍵字：河水處理，溶氣，氣浮，凝絮

　　0、引言

      我國設施農業灌溉以直接取用河道水為主，但隨著經濟的快速發展，河湖水受污程度不斷增加、富營養化狀況日益嚴重，使用受污染的水源進行農業灌溉會影響作物的生長，并直接影響人們的身體健康。同時，水資源短缺已經成為制約農業可持續發展的重要限制因素，發展節水灌溉勢在必行。微灌較其他灌溉技術而言，更節水高效，但微灌灌水器普遍易堵塞，對水質要求較高。因此，研究適宜灌溉用的河水處理技術，設計相應的裝備集成具有重要的現實意義。

      現階段，灌溉水處理主要采用物理過濾、生物凈化等方法，存在投資大、管理要求高等局限性。溶氣氣浮結合混凝處理的高效固液分離水處理技術可用來凈化水質較差、懸浮物較多的河道水，操作便捷、環保低耗，適合用于設施農業灌溉系統首部。

　　1、水處理技術及裝備

　　1.1、概述

      氣浮法也稱浮選法，技術產生于20世紀40年代。主要用于去除密度與水相近、無法自然沉降又難于自然上浮的雜質，具有分離效率高、設備簡單等優點。^[1]可分為布氣氣浮法、電氣浮法、生物及化學氣浮法、溶氣氣浮法。其中，加壓溶氣氣浮法在國內外應用*為廣泛，本研究采用此法。

      加壓溶氣氣浮水質處理的空氣溶解度大，細微氣泡集群上浮過程穩定，對水的擾動較小，確保了良好氣浮效果；工藝過程及設備比較簡單，管理維修方便；占地面積??；對低濁、含藻類水處理效率高。

　　1.2、原理

      氣浮法的實質是氣泡和粒子間進行物理吸附，并形成浮渣體上浮分離。理論基礎是亨利定律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，隨溫度變化，在常溫下為常數。^[2]加壓溶氣氣浮利用空氣在水中的溶解度達到平衡時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到飽和（壓力一般為0.2~0.6MPa），溶氣水流驟然減至常壓進入氣浮池時即釋出大量尺寸微細、粒度均勻、密集穩定的微氣泡（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，穩定上浮到水面，通過收集泡沫或浮渣達到分離雜質、凈化水質的目的。

　　1.3、水處理裝置設計

      選取青浦區商榻鎮星源實驗農場設施菜地作為本研究的試驗區，試驗區規劃布置平面圖詳見圖1。水質處理裝置設置在試驗區在靠近河道水源處的6m薄膜單棚內，裝置在棚內的布置示意圖見圖2。處理后的水存儲于單棚內的蓄水池中，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玻璃鋼制多級沉淀污泥池。將水質處理裝置的排污管接至該污泥池進水口，污水經污泥池沉淀、過濾后的排入河道。試驗區取水首部泵站內的水泵進水管上加設閥門及旁通連接至蓄水池取水管口，以便根據生產實際切換選擇河道取水或蓄水池取水。

      根據待處理河水的水質情況、處理后的水質要求、凈水工藝與前后處理構筑物（蓄水池、污泥池、水泵房）的銜接、周圍地形和構筑物的協調、施工難易程度及造價等因素綜合，確定了設備參數?？紤]到控制成本下的一定的出水量需求及簡單化管理的要求，采用結合溶氣氣浮、加混凝（絮凝）劑除污、紫外殺菌的自動化水處理設備集成。設施內滴灌工程用河水凈化裝置，一元化優化集成溶氣系統、釋氣系統、水力溢渣系統、混凝加藥系統、過濾系統、消毒系統、廢液處理系統，配套設置設施內可移動PE復合土工膜鋼架蓄水池，滿足可拆移、少占地、無人值守、不硬化土地等各種要求，主要相關設備的技術參數見下表1，水處理裝置示意圖、立面圖、俯視圖見圖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。親水性顆粒用適當的化學藥品處理后可以轉為憎水性。

      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成為絮體，絮體具有網絡結構，容易截留氣泡，加速顆粒上浮，從而提高氣浮效率。主要通過吸附橋聯機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，并達到過飽和狀態，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，進行氣浮。溶氣氣浮形成的氣泡細小，其初粒度為80um甚至更細；經加藥反應形成絮體后的原水進入氣浮罐內，與氣浮罐內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，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過濾器過濾，再經紫外殺菌器殺菌后成為灌溉用凈水排至蓄水池。灌溉時，原泵房內首部的水泵從蓄水池中抽水，經原泵房內首部過濾器再過濾后送至田間，供設施內農作物灌溉使用。

　　2、處理效果

      經實測，設施內灌溉首部河水處理裝置蓄水量120m³，出水水量達到5m³/h，可滿足日常灌溉需求。

      將試驗地河道原水與經過水質處理裝置處理后的灌溉水交由第三方檢測機構進行檢測，檢測結果對比見下表2（表中標準值指國標“GB5084-2005農田灌溉水質標準”中規定的蔬菜灌溉用水水質標準值）。

　　從表2可見，經水質處理裝置處理后的水質完全符合農田灌溉水質的國家標準，其中“五日生化需氧量”、“化學需氧量”、“懸浮物”、“濁度”、“色度”這五項指標有明顯的降低，特別是經過處理，懸浮物基本完全去除，濁度急劇下降。試驗證明，加壓溶氣氣浮裝置處理效果顯著、穩定，能基本去除水中懸浮物，并使濁度、色度等感官指標有很大的提升，出水能夠完全滿足農田灌溉水質標準。

　　3、存在問題及應對措施

　　1、試驗區域的河道水源與淀山湖水相通，水質本身較好，處理后的效果無法得到顯著體現。

　　2、河道取水口易被浮萍、雜質等堵塞，影響抽水效果。

　　本研究中，對取水口進行初級過濾，在河道取水口底部，用挖掘機清淤開挖取水桶埋設坑，將頂部四周開有進水小孔的取水桶半埋入坑中，在桶周圍河底打入若干根鋼管或松木樁將桶身固定，從桶頂敞口中放入原水潛水泵，將桶頂用大目數的防蟲網扎蓋。在取水口設置棧橋，并將原水潛水泵在取水桶內吊掛妥當。

      在實際應用中，設置磚砌原水取水口、攔污用防護網、水面污物攔截用穿繩浮筒漂排或充氣攔污管等，結合加強取水口清污工作的管理，可有效降低原水取水失效故障率，保證裝置的長效運行使用。

　　3、試驗初期，采用離心泵為原水加壓后送入溶氣罐，在罐內使空氣充分溶于水中的傳統工藝。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，水泵工作很不穩定，會產生氣蝕現象。調試過程中，發現離心泵的出水壓力難控，空氣壓縮機供氣時，氣浮罐內難以形成氣泡。

      改進后，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壓作用吸入空氣，再通過高速旋轉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、細微氣泡粒徑小，省略了加壓泵、空氣壓縮機、射流器、加壓溶氣罐等復雜裝置，可以解決傳統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題，制出的溶氣水中的微細氣泡含量大，甚至可形成乳白色溶氣水，混合效率高，操作維護簡單，水處理效果好。

      改進前和改進后的溶氣工藝示意圖見圖7、8。

      4、加壓溶氣氣浮技術是一個物化處理過程，無法對有機物、氮磷等污染物質進行高效降解。應加強其工藝的生化作用，可將加壓曝氣生化技術耦合于加壓溶氣氣浮工藝當中，彌補溶氣氣浮工藝生化性能差的特點。^[4]

      5、處理原水中輕飄易浮的雜質宜采用氣浮法，對于密實沉重的雜質則宜采用沉淀法。^[5]可以考慮將氣浮法與沉淀法兩者結合起來，發揮各自的處理優勢，在提升處理效果的同時節省了投資和操作費用。

　　4進一步研究的建議

      1、我國532條河流中82%已受到不同程度的污染，流經全國42個大中城市的44條河流中93%被污染，其中嚴重污染的占79%。^[5]大力發展水處理技術是應對種種水問題的根本出路，應繼續加大人員、經費的投入，完善、應用適宜的水處理技術和裝備集成，應對食品安全、生態農業對水資源的需求。

      2、研究在線監測調控濁度等相關指標，按河水水質情況，實時調整、自動控制混凝劑投藥量來達到更好的處理效果，并可實時獲取數據，了解裝置整體運行情況，實現遠程操控，真正實現全自動無人值守。

      3、進一步簡化氣浮系統，降低設備投資，減少設備的占地面積，簡化流程及操作要求，提升整個系統的適用性和實用性。

      4、混凝反應對溶氣氣浮的效果有很大影響，要達到較好的氣浮效果，混凝反應必須完全。^[6]需反復試驗，搜集相關數據，確定不同原水水質條件下，混凝劑、絮凝劑適宜的種類和用量，從而增強氣浮效果。

      5、可進一步研究原水水質差、成分復雜、含有機雜質、污染物濃度高的水源水質處理成套技術，實現廢水、污水灌溉，拓寬農業灌溉水來源，更好地實現水資源的綜合利用。

　　參考文獻

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