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气浮工艺技术汇总

发布人:admin 发布时间:2018-11-21 09:18

气浮处理法就是向废水中通人空气,并以微小气泡形式从水中析出成为载体,使废水中的乳化油、微小悬浮颗粒等污染物质粘附在气泡上,随气泡一起上浮到水面,形成泡沫一气、水、颗粒(油)三相混合体,通过收集泡沫或浮渣达到分离杂质、净化废水的目的。浮选法主要用来处理废水中靠自然沉降或上浮难以去除的乳化油或相对密度近于1的微小悬浮颗粒。
     气浮法广泛应用于含油废水处理。含油废水经隔油池处理,只能去除颗粒大于30~50微米的油珠。小于这个粒径的油珠具有很大的稳定性,不易合并变大迅速上浮,称为乳化油。乳化油易粘附于气泡,增加其上浮速度,例如粒径为1.5微米的油珠,上浮速度不大于0. 001mm/s,粘附在气泡上后,上浮速度可达0.9mm/s即上浮速度增加900倍。因此,在含油废水处理中常把浮选处理置于隔油池的后面,作为进一步去除乳化油的措施。 
      (一)基本概念
    气浮是当分离水中的油类、纤维、藻类以及一些比重接近1的悬浮物,或提取水中有用物质,而传统的重力沉淀法达不到分离这些物质目的。所谓气浮是将水、悬浮物和气泡这样一个多相体系中含有的疏水性污染粒子,或者附有表面活性物的亲水性污染粒子,有选择地从废水中吸附到气泡上,以泡沫形式从水中分离除去的一种操作过程。其实质是气泡和粒子间进行的物理吸附,并形成气浮体上浮分离。这也称为起泡气浮。起泡气浮的机理如图所示。
    利用气浮技术去除水中某些溶解污染物(溶解油)或呈胶体状的物质(乳化油);此时污染物在水中呈均相系。但是以分子态或离子态混溶于水中的污染物在气浮前必须经过化学处理,将其转化为不溶性固体物或可沉淀(上浮)胶团物,成为微细颗粒,然后再进行气粒结合,予以分离。
综上,水的气浮处理实质上是一个气粒吸附与浮渣分离的过程。它首先是将空气泡通人有污染杂质的污水中,形成水一气一粒三相混合系,微小气泡成为载体,气泡从水中析出过程时粘附水中的污染物质,形成气一粒结合的气浮体,以泡沫形式浮升到水面,从而使污染杂质从污水中分离出去。
(二)气浮的基本原理
  1、带气絮粒的上浮速度
   粘附气泡的絮粒在水中上浮时,在宏观上将受到重力F重浮力F浮阻力F阻等外力的影响。带气絮粒上浮时的速度由牛顿第二定律可导出     
    由上述诸式可看出v取决于水和带气絮粒的密度差,带气絮粒的直径(或特征直径)以及水的温度、流态。如果带带气絮粒中气泡所占比例越大则带气絮粒的密度就越小;而其特征直径则相应增大,两者的这种变化可使上浮速度大大提高。
   然而实际水流中;带气絮粒大小不一,而引起的阻力也不断变化,同时在气浮中外力还发生变化,从而气泡形成体和上浮速度也在不断变化。
    2、水中絮粒向气泡粘附  
  如前所述,气浮处理法对水中污染物的主要分离对象,大体有两种类型即混凝反应的絮凝体和颗粒单体。气浮过程中气泡对混凝絮体和颗粒单体的结合可以有三种方式,即气泡顶托,气泡裹携和气粒吸附。显然,它们之间的裹携和粘附力的强弱,即气、粒(包括絮废体)结合的牢固程度与否,不仅与颗粒、絮凝体的形状有关,更重要的受水、气、粒三相界面性质的影响。
气浮操作中气粒结合的三种方式
(1)界面张力、接触角和体系界面自由能
   气浮的过程中,存在气、水里、粒三相混合体系。混合系中不同介质的相表面上都因受力不均衡。一旦气泡与颗粒接触,由于界面张力作用就会产生表面吸附作用。三相的吸附界面构成的交界线,为润湿周边。在相界面交界线处,通过润湿周边(即相界面交界线)所作的水、粒界面张力作用线与水、气界面张力作用线的交角,为润湿接触角(θ)。三相界面张力作用平衡时决定了润湿周边的位置,同时也决定了接触角(θ)的大小。存在于水中的不同表面性质的颗粒,其润湿接触角大小亦异。通常将θ>90°的称为疏水表面,易于为气泡粘附,而θ<90°的称为亲水表面,不易为气泡所粘附。
      水、气泡和水中颗粒杂质构成的多相混合液中存在着体系界面自由能(w),体系自由能(w)本能地存在着有力图减至最小的趋势,从而导致多相混合系中的分散相间蕴藏着自然并合的能量、使分散相总表面积减小。
      已知,界面能(w)等于,
            w=ơ╳S                                                   
      式中:S--界面面积(cm2)。
      当颗粒尚未与气泡粘附之前,在颗粒和气泡的单位面积(S=1)上的界面能分别为ƠLsx1及ƠLgx1,这时单位面积上的界面能之和为:
          W1=ƠLs+ ƠLg(N/m)
   在颗粒与气泡粘附后、界面能减少了。此时粘附面的单位面积上的界面能为。
         W2=ƠLs(N/m)                            
      因此,界面能的减少值(ΔW为:
           ΔW =W1-W2=ƠLs+ ƠLg-Ơgs
      可见,在气浮过程气粒吸附的前后,为了克服颗粒表面水化膜,完成气粒结合生成气浮体,在体系中所储备的推动力即多相混合系中能量发生变化。  ΔW值越大,吸附推动力越大,易于气浮处理;反之,则不易于气浮处理。
      (2)气一粒结合体的亲水吸附和疏水吸附
      由于水中颗粒表面性质的不同,所构成的气一粒结合体的粘附情况也不同。亲水性颗粒润湿接触角(θ)小,气粒两相接触面积小,气浮体结合不牢,易脱落,此为亲水吸附。疏水性颗粒的接触角(θ)大,气浮体结合牢固,为疏水吸附。其结合力的大小,可通过下式表述。当三相界面间润湿接触角处于相对平衡状态时,三相界面张力的平衡关系式是:                 
      ƠLs =ƠLgxcos(180°-θ)+Ơgs 
     将上式代人式ΔW =W1-W2=ƠLs+ ƠLg-Ơgs加以整理后可得
     ΔW =ƠLg(1-coaθ)                                    
     从式中可知当θ→0,cosθ→1,则(1-cosθ)→0,此时这种物质不易与气泡粘附,不能用气浮法去除。当θ→0,cosθ→1,则(1-cosθ)→2此时这种物质易于与气泡粘附,宜于用气浮法去除。                                   
     在接触角0<90°的条件下,式 ƠLs =ƠLgxcos(180°-θ)+Ơgs  则为:
     ƠLgxcosθ =Ơgs - ƠLs
     上式表明,水中颗粒的润湿接触角θ随水的表面张力ƠLg 的不同而变化的。增大水的表面张力ƠLg ,可以使接触角增加,有利于气粒结合。反之,则有碍于气粒结合,不能形成牢固结合的气粒气浮体,水中杂质颗粒在泡沫中的富集浓度降低,处理效果变差。由此可知,通过调整增大废水的表面张力ƠLg 值,用以强化气一粒固着性,以提高悬浮粒子对气泡载体的粘附能力。同时若水中含有能使水的表面张力减小的表面活性物质将是不利的,特别是过多的表面活性物质将导致气浮失败。
3.水中气泡的形成及其特性
    气泡形成的大小和强度取决于空气释放时各种用途条件和水的表面张力大小。表面张力是大小相等方向相反,分别作用在表面层相互接触部分的一对力,它的作用方向总是与液面相切, 表面张力T的大小正比于表面层的长度L           
       T=α·L。                  
       α— 表面张力系数(dny/cm)     
       T— 表面张力(dny)
       L— 表面层长度(cm)       
     未溶解空气在水中受到水分子引力作用在二相界面处产生表面张力。产生的表面张力这一薄层水分子,构成了气泡的膜。膜呈曲面,这是由于表面张力对泡内空气产生附加压强Ps所致。为此P=Po+Ps                      
      P—泡内压强  Po—泡外历强  Ps—附加压强  Ps=2α/r(dyn?cm2)    
     这种附加压强是在气泡形成后产生的,它不等于水中溶解空气释放时所需的推动力。从上式可以看出:
    (1)气泡半径越小,泡内所受附加压强越大,泡内空气分子对气泡膜的碰撞机率也越多、越剧烈。因此要获得稳定的微细泡,气泡膜强度要保证;
    (2)气泡小,浮速快,对水体的扰动小,不会撞碎絮粒。并且可增大,气泡和絮粒碰撞机率大。但并非气泡越细越好,气泡过细影响上浮。此外投加一定量的表面活性剂,可经降低水的表面张力系数,加强气泡膜牢度,r也变小;
    (3)向水中投加高溶解性元机盐,可使θ提高,若r不变,则已增大,气泡膜牢度削弱,而使气泡容易破裂或并大。
4、表面活性剂和混凝剂在气浮分离中的作用和影响
    (1)表面活性物质的投加
    如水中缺少表面活性物质时,小气泡总有突破泡壁与大泡并合的趋势,从而破坏气浮体稳定。此时就需要向水中投加起泡剂,以保证气浮操作中泡沫的稳定。所谓起泡剂,大多数是由极性一非极性分子组成的表面活性剂,表面活性剂的分子结构符号一般用0表示,圆头端表示极性基,易溶于水,伸向水中(因为水是强极性分子);尾端表示非极性基,为疏水基,伸人气泡。由于同号电荷的相斥作用,从而防止气泡的兼并和破灭,增强了泡沫稳定性,因而多数表面活性剂也是起泡剂。
    对有机污染物含量不多的废水进行气浮法处理时,气泡的分散度和泡沫的稳定性可能成为影响气浮效果的主要因素。在这种情况下,水中存在适量的表面活性物质是适宜的,有时是必须的(例如饮用水的气浮过滤)。但是当其浓度超过一定限度后由于表面活性物质增多,使水的表面张力减小,水中污染粒子严重乳化,表面电位增高,此时水中含有与污染粒子相同荷电性的表面活性物的作用则转向反面,这时尽管起泡现象强烈,泡沫形成稳定;但气一粒粘附不好,气浮效果变低。因此,如何掌握好水中表面活性物质的最佳含量,便成为气浮处理需要探讨的重要课题之一。
    (2)混凝剂投加产生的带电絮粒脱稳以及界面电现象
    废水中污染粒子的疏水性,在许多情况下并不很好。这是由于受到水中各种离子或两亲分子的作用,产生吸附现象,从而使粒子表面带有电荷,以乳化油为例,按其表面性质应是完全疏水的,而且比重小于水,是应该能够互相附聚兼并成较大油珠,并且其比重差自行上浮到水面。但由于水中含有由两亲分子组成的表面活性物质的非极性端吸附在油粒内,极性端则伸向水中,在水中极性端进一步电离,从而导致油珠界面被包围了一层负电荷。此外在水中与油珠结合的皂类和酚类物质,它们的极性端羧基COOH和羟基OH伸人水中电离,由此产生双电层现象,提高了胶体粒子的表位电位。增大的电位值不仅阻碍着细小油珠的相互兼并,而且影响了油珠向气泡表面附着,使乳化油水成为稳定体系。废水中含有的亲水性固体粉未,如粉砂、粘土等,其润湿角θ<900,因此它表面的一小部分为油所粘附,大部分为水润湿,油珠为这些固体粉未所包围覆盖,从而阻碍其兼并,形成稳定的乳化油体系。这种固体粉未称为固化乳化剂。
     从废水处理角度看,水中细分散杂质的电位偏高是不利的,它不仅促进乳化,而且影响了气一粒结合体(气浮体)的形成。为此,水中荷电污染粒子在气浮前最好采取脱稳、破乳措施。有效的方法是投加混凝剂使水中增加相反电荷胶体,以压缩双电层,降低电位值,使其达到电中和。例如投加硫酸铝、三氯化铁等(废水中硫化物含量多时,不宜采用铁盐,否则生成稳定的硫化铁胶体);即可压缩油珠的双电层,又能够吸附废水中的固体粉末,使其凝聚。
     对含有细分散亲水性颗粒杂质(例如纸浆、煤泥等)的工业废水,采用气浮法处理时,除应用前述的投加电解质混凝剂进行表面电中和方法外,还可向水中投加(或水中存在)浮选剂,也可使颗粒的亲水性表面改变为疏水性,并能够与气泡粘附。当浮选剂(亦属二亲分子组成的表面活性物)的极性端被吸附在亲水性颗粒表面后,其非极性端则朝向水中,这样具有亲水性表面的物质即转变为疏水性,从而能够与气泡粘附,并随其上浮到水面。
    浮选剂的种类很多,使用时能否起作用,首先在于它的极性端能否附着在亲水性污染物质表面,而其与气泡结合力的强弱,则又取决于其非极性端链的长短。
    如分离洗煤废水中煤粉时所采用的浮选剂为脱酚轻油、中油、柴油、煤油或松油等。
二、气浮工艺的形式 
气浮净水上艺已开发出多种形式。按其产生气泡方式可分为:布气法气浮(包括转子碎气法、微孔布气法,叶轮散气浮选法等)电解气浮法;生化气浮法(包括生物产气浮法,化学产气气浮);溶解空气气浮(包括真空气浮法,压力气浮法的全溶气式、部分溶气式及部分回流溶气式)。 
(一)布气气浮 
布气气浮是利用机械剪切力,将混合于水中的空气碎成细小的气泡,以进行气浮的方法。按粉碎气泡方法的不同,布气气浮又分为:水泵吸水管吸气浮、射流气浮、扩散板曝气浮选以及叶轮气浮等四种。 
1、水泵吸水管吸人空气气浮 
这是最简单的一种气浮方法。由于水泵工作特性的限制,吸人的空气量不宜过多,一般不大于吸水量的10%(按体积计),否则将破坏水泵吸水管的负压工作。另外,气泡在水泵内被破碎的不够完全,粒度大,气浮效果不好,这种方法用于处理通过除油池后的含油废水,除油效率一般为50%~65%。 
2、射流气浮 
采用以水带气射流器向废水中混入空气进行气浮的方法。射流器由喷嘴射出的高速水流使吸人室形成负压,并从吸气管吸人空气,在水气混合体进入喉管段后进行激烈的能量交换,空气被粉碎成微小气泡,然后直人扩散段,动能转化为势能,进一步压缩气泡、增大了空气在水中的溶解度,最终进入气浮池中进行气水分离。射流器各部位的尺寸及有关参数,一般都是通过试验来确定其最佳尺寸的。
如果射流器进口水压为3~5kg/cm2,那么喉管直径与喷嘴直径的最佳比值为 3、扩散板曝气浮 
这种布气浮比较传统,压缩空气通过具有微细孔隙的扩散板或扩散管,使空气以细小气泡的形式进入水中,但由于扩散装置的微孔过小易于堵塞。若微孔板孔径过大,必须投加表面活性剂,方可形成可利用的微小气泡,从而导致该种方法使用受到限制。但近年研制、开发的弹性膜微孔曝气器,克服了扩散装置微孔易堵或孔径大等缺点,用微孔弹性材料制成的微孔盘起到扩张、关闭作用。 
4、叶轮气浮 
叶轮在电机的驱动下高速旋转,在盖板下形成负压吸入空气,废水由盖板上的小孔进入,在叶轮的搅动下,空气被粉碎成细小的气泡,并与水充分混合成水气混合体经整流板稳流后,在池体内平稳地垂直上升,进行气浮。形成的泡沫不断地被缓慢转动的刮板刮出槽外。 
叶轮直径一般多为200~400mm,最大不超过600~700mm。叶轮的转速多采用900~1500r/min,圆周线速度则为10~15m/s。气浮池充水深度与吸气量有关一般为1.5~2.0m但不超过3m。叶轮与导向叶片间的间距也能够影响吸气量的大小,实践证明,此间距超过8mm将使进气量大大降低。 
这种气浮设备适用于处理水量小,而污染物质浓度高的废水。除油效果一般可达80%左右。 
布气浮的优点是设备简单,易于实现。但其主要的缺点是空气被粉碎的不够充分,形成的气泡粒度较大,一般都不小于0.1mm。这样,在供气量一定的条件下,气泡的表面积小,而且由于气泡直径大,运动速度快,气泡与被去除污染物质的接触时间短促,这些因素都使布气浮达不到高效的去除效果。
(二)溶气气浮 
根据废水中所含悬浮物的种类、性质、处理水净化程度和加压方式的不同,基本流程有以下三种。 
(1)全流程溶气气浮法 
全流程溶气气浮法是将全部废水用水泵加压,在泵前或泵后注入空气。在溶气罐内,空气溶解于废水中,然后通过减压阀将废水送人气浮池。废水中形成许多小气泡粘附废水中的乳化油或悬浮物而逸出水面,在水面上形成浮渣。用刮板将浮渣连排入浮渣槽,经浮渣管排出池外,处理后的废水通过溢流堰和出水管排出。 
全流程溶气气浮法的优点:①溶气量大,增加了油粒或悬浮颗粒与气泡的接触机会;②在处理水量相同的条件下,它较部分回流溶气气浮法所需的气浮池小,从而减少了基建投资。但由于全部废水经过压力泵,所以增加了含油废水的乳化程度,而且所需的压力泵和溶气罐均较其他两种流程大,因此投资和运转动力消耗较大。 
(2)部分溶气气浮法 
部分溶气气浮法是取部分废水加压和溶气,其余废水直接进入气浮池并在气浮池中与溶气废水混合。其特点为:①较全流程溶气气浮法所需的压力泵小,故动力消耗低;②压力泵所造成的乳化油量较全流程溶气气浮法低:③气浮池的大小与全流程溶气气浮法相同,但较部分回流溶气气浮法小。
(3)部分回流溶气气浮法 
部分回流溶气气浮法是取一部分除油后出水回流进行加压和溶气,减压后直接进入气浮池,与来自絮凝池的含油废水混合和气浮。回流量一般为含油废水的25%~50%。其特点为:①加压的水量少,动力消耗省;②气浮过程中不促进乳化;③矾花形成好,后絮凝也少;④气浮池的容积较前两种流程大。 为了提高气浮的处理效果,往往向废水中加入混凝剂或气浮剂,投力口量因水质不同而异,一般由试验确定。 (二)溶气真空气浮法 溶气真空气浮法的主要特点是,其气浮池是在负压(真空)状态下运行的,至于空气的溶解,可在常压下进行,也可在加压下进行。 由于是负压(真空)条件下运行,因此,溶解在水中的空气,易于呈现过饱和状态,从而大量的以气泡形式从水中析出,进行气浮。至于析出的空气量,取决于水中的溶解空气量和真空度。 溶气真空气浮池,平面多为圆形,池面压力为30~40kPa,废水在池内停留时间为5~20min。 溶气真空气浮的主要优点是:空气溶解所需压力比压力溶气为低,动力设备和电能消耗较少。但这种气浮方法的最大缺点是:气浮在负压下进行,一切设备部件,如除泡沫的设备,都要密封在气浮池内,因此,气浮池的构造复杂,给运行与维护都带来很大困难。此外,这种方法只适用于处理污染物浓度不高的废水(不高于300mg/l),因此实际应用不多。 (三)加压溶气气浮法的主要设备。 1.进气方式 加压溶气法有两种进气方式,即泵前进气和泵后进气。 泵前进气,这是由水泵压水管引出一支管返回吸水管,在支管上安装水力喷射器,省去了空压机。废水经过水力喷射器时造成负压,将空气吸人与废水混合后,经吸水管、水泵送人溶气罐。此法比较简便,水气混合均匀,但水泵必须采用自吸式进水,而且要保持1m以上的水头。此外,其最大吸气量不能大于水泵吸水量的10%,否则,水泵工作不稳定,会产生气蚀现象。 泵后进气,一般是在压水管上通人压缩空气。这种方法使水泵工作稳定,而且不必要求在正压下工作,但需要由空气压缩机供给空气。为了保证良好的溶气效果,溶气罐的容积也比较大,一般需采用较复杂的填充式溶气罐。 
溶气气浮是使空气在一定压力的作用下,溶解于水中并达到过饱和的状态,然后再突然使水减到常压,这时溶解在水中的空气,便以微小气泡的形式从水中逸出,以完成气浮过程的方法。溶气气浮形成的气泡,粒度很小,其初粒度约在80微米左右。气泡与水的接触时间,可根据需要加以控制。因此,溶气浮的净化效率较高,在水处理领域,特别是对含油废水、纤维板废水的处理,取得了广泛应用。根据气泡从水中析出时所处压力的不同,溶气气浮又可分为:加压溶气气浮和溶气真空气浮两种类型。前者是空气在加压条件下溶入水中,而在常压下析出;后者是空气在常压或加压条件下溶入水中,而在负压条件下析出。目前加压溶气气浮是国内外最常用的气浮方法。 
评价溶气系统的技术性能指标主要有两个即溶气效率和单位能耗。到目前为止双膜理论解释气体传质于液体还是比较接近于实际的。根据双膜理论,对于难溶气体决定传质过程的主要阻力来自液膜,而气膜中的传质阻力与之相比,可以忽略而不计。即要强化溶气过程,除应有足够的传质推动力外,关键在于扩大液相界面或减薄液膜厚度。但实际上在紊流剧烈的自由界面上是难以存在稳定的层流膜。因此便出现了随机表面更新理论,这种理论增加了表面更新速率,即在考虑气液接触界面传质时,引人了气相、液相在单位时间内因涡流扩散而流入气、液更新界面的传质因素,从而使理论和实际更为接近。 
这种理论可在鼓泡罐(空罐)和填料罐相互比较时得到验证。鼓泡罐的构造以气相分散在液态连续相中为出发点,实践证明其溶气效率较低。这是因为气泡间的液层很厚,单靠气泡浮升时产生的涡流很难带动其两侧液层中的大多数液体分子来更新相界面,而达到快速扩散传质的要求,此时扩散传质主要阻力来自液层,填料罐则不同,液体在罐中流动时,被分散性很高的填料切割得很薄,此时连续流的气相很快被剧烈涡流的液膜所扰动而卷人新的相界面,进行着传质溶解,因此其溶气效率很高。

1加压溶气气浮 
  加压溶气气浮法在国内外应用最为广泛。炼油厂几乎都采用这种方法来处理废水中的乳化油、并获得较好的处理效果。出水含油量可在10~25mg/L以下,一般生化处理油量要在25mg/L以下。 
水泵自调节池将原水提升到反应池。絮凝剂在吸水管上(泵前)投入,并经叶轮混合于反应池中进行絮凝,反应后的絮凝水通过穿孔墙进入气浮池的接触区,与来自溶气释放器释出的溶气水相混合,此时水中的絮粒和微气泡相互碰撞粘附,形成带气絮粒而上浮,并在分离区进行固液分离,浮至水面的泥渣由刮渣机刮至排渣槽排出。清水则由穿孔集水管汇集至集水槽后出流。部分清水经由回流水泵加压后进入溶气罐,在罐内与来自空压机的压缩空气相互接触溶解,饱和溶气水从罐底通过管道输向释放器。 
空气通人的方式有两种 
第一种是当空气吸人量小于空气在该温度下水中的饱和度时;在泵前用水射器吸人。这种方式气水混合效果好,但水泵必须采用自引方式进水,而且要保持lm以上的水头,其最大吸气量不能大于水泵吸水量的10%,以免破坏水泵应当具有的真空度。 
第二种是当空气吸人量大于空气在该温度下水中的饱和度时,空气通过空压机在水泵的出水管压人,但也不宜大于水泵吸水量的25% 
1-调节池(或吸水井) 2-源水泵 3-反应池 4-溶气释放器 5-气浮池 
6-出水槽 7-排渣槽 8-回流水泵 9-压力溶气罐 10-空压机 
压力溶气气浮法工艺流程 
水在溶气罐内的停留时间大约为30~60s,多余的空气必须通过排气阀放出,否则由于游离气泡的搅动,会影响气浮池内的气浮效果。减压阀的作用在于保持溶气罐出口处的压力恒定,从而可以控制出罐后气泡的粒度和数量,也可用低压溶气释放器代替减压阀。 
压力溶气气浮法部分回流式工艺流程见图所示 
1-废水吸水口 2-凝聚剂投加设备 3-水泵 4-絮凝池 5-气浮池接触室 6-气浮池分离室 7-排液槽 8-集水管 9-回流水泵 10-压力溶气罐 10-空气压缩机 12-溶气水管 13-溶气释放器 
部分回流式气浮工艺流程示意图
压力溶气气浮法工艺主要由三部分组成,即压力溶气系统、溶气释放系统及气浮分离系统。 
(1)压力溶气系统。它包括水泵、空压机、压力溶气罐及其它附属设备。其中压力溶气罐是影响溶气效果的关键设备。 
    采用空压机供气方式的溶气系统是目前应用最广泛的压力溶气系统。气浮法所需空气量较少,可选用功率小的空压机,并采取间歇运行方式。此外空压机供气还可以保证水泵的压力不致有大的损朱。一般水泵至溶气罐的压力约0.5MPa,因此可以节省能耗。为了提高溶气效率,大都采用喷淋填料压力溶气罐。 
    影响喷淋填料压力溶气罐效率的因素很多,其中主要有:填料特征/、填料层高度、罐内液位高、液流分布形式、气液流向以及温度等。 
    目前对填料压力溶气罐采用的主要工艺参数有: 
    过流密度: 3000~5000m3/(m2 d) 
    填料层高度:0.8~1.3m 
    液位控制高:0.6~1.0m(从罐底计) 
    溶气罐承压能力:0.6MPa以上。 
(2)溶气释放系统。它一般是由释放器(或穿孔管、减压阀)及溶气水管路所组成。溶气释放器的功能是将压力溶气水通过消能、减压,使溶入水中的气体以微气泡的形式释放出来,并能迅速而均匀地与水中杂质相粘附。 
    对溶气释放器的具体要求是: 
    ①充分地减压消能,保证溶人水中的气体能充分地全部释放出来; 
    ②消能要符合气体释出的规律,保证气泡的微细度,增加气泡的个数,增大与杂质粘附的表面积,防止微气泡之间的相互碰撞而使气泡扩大; 
    ③创造释气水与待处理水中絮凝体良好的粘附条件,避免水流冲击,确保气泡能迅速均匀地与待处理水混合,提高"捕捉"机率; 
  ④为了迅速地消能,必须缩小水流通道,故必须要有防止水流通道堵塞的措施; 
    ⑤构造力求简单,材质要坚固、耐腐蚀,同时要便于加工、制造与拆装,尽量减少可动部件,确保运行稳定、可靠; 
    ⑤溶气释放器的主要工艺参数为:释放器前管道流速:1m/s以下,释放器的出口流速以0.4~0.5m/s为宜;冲洗时狭窄缝隙的张开度为5mm;每个释放器的作用范围30~100cm。 
(3)气浮分离系统。它一般可分为三种类型即平流式、竖流式及综合式。其功能是确保一定的容积与池的表面积,使微气泡群与水中絮凝体充分混合、接触、粘附,以保证带气絮凝体与清水分离。
下面以平流式气浮池为例分析带气絮凝体上浮分离过程的运动状态。 
带气絮粒在接触室内通过浮力、重力与水流阻力的平衡作用后,取得了向上的升速U上。进入分离区后,又受到两个力的作用:一是水流扩散后由水平推力所产生的水平向流速U推;二是由于底部出流所产生的向下流速U下。这两种流速的合速度大小及方向决定了带气絮凝体或是上浮去除,或是随水流挟出。至于其中上升或下降的速度则视合成速度U合在纵轴上投影的大小。 
因此①要使上浮效果好,必须尽量降低U下。它可用扩大底部出流面积或提高出水的均匀度实现;②随着底部的均匀集流、出流,水流到池未端U平约为零,这有利于上浮力较小的带气絮凝体的分离;③如要提前实现上浮去除,应尽量降低u平,这可用扩大气浮池横断面的方式来实现。 
竖流式气浮池分离区中颗粒的运动状态与平流式相似。但其水平向分速要小得多、而且随径向距离的增加,断面迅速扩展,u平迅速变小。特别是竖流式的流速方向改政变不大,絮凝体主要受到向上水流推动力的惯性作用,颗粒的向上分速增大,使得带气絮凝体与水体的分离条件比平流式要优越得多。不过究竟采用什么形式还需要对各方面的条件进行综合评价后才能确定。
三)电解气浮 
电解气浮法对废水进行电解,这时在阴极产生大量的氢气泡,氢气泡的直径很小,仅有20~100微米,它们起着气浮剂的作用。废水中的悬浮颗粒粘附在氢气泡上,随其上浮,从而达到了净化废水的目的。与此同时,在阳极上电离形成的氢氧化物起着混凝剂的作用,有助于废水中的污泥物上浮或下沉。 
电解气浮法的优点是:能产生大量小气泡;在利用可溶性阳极时,气浮过程和混凝过程结合进行;装置构造简单,是一种新的废水净化方法。 
这是最近几年在水处理领域才出现的二种工艺,由于这种方法具有设备简单;管理方便;运行条件易于控制、装置紧凑、效果良好,因而发展很快。 
电气浮的实质是将含有电解质的废水作为可电解的介质,通过正负,电极导以电流进行电解,其结果;可同时或分别产生下述三种效应。 
(1)包解氧化或还原 
(2)电解凝聚 
(3)电气浮 
因电极(主要是阴极)材料不同而产生的效应也不同。例如当铝、铁这种可氧化的可溶性物质作为阳极板时,上述三种效应会同时出现,若以不溶解的惰性材料如石墨、不锈钢等作阳极时,只可获得电气浮效果。 
电气浮是能够有效地利用电解液中的氧化还原效应,以及由此产生的初生态微小气泡的上浮作用来处理废水的。这种方法不仅能使废水中的微细悬浮颗粒和乳化油与气泡粘附而浮出,而且对水中一些金属离于和某些溶解性有机物也具有净化效果。如北京某炼油厂曾对通过除油池处理后的废水,进行"碳一碳'、极板的电气浮处理实验,其结果使原废水含乳化油150~300mg/l投加聚合铝13mg/l电压10V,气浮时间10~15min,除油效果达到98.7%~99.7%,即使不投加混凝剂时,除油率仍可达96%~97%。
四)泡沫分离 
泡沫气浮是气浮法的另一种形式。它的实质是如果真溶液或均匀混合物的一种或几种组分是表面活性物质,那么这些物质在相同的界面上建立的浓度与溶液内部的浓度完全不同。当惰性气体通人此溶液时,表面活性物质则会聚集在气体或液体的界面上。如果将表层泡沫除去即可除去表面活性物质。因而该方法可分离和浓缩某些溶解物质。 
一种良好的泡沫分离药剂首先应能与欲分离的离子形成表面活性离子。这此络离子的稳定性常数应当高于同溶液其它离子的稳定性常数。去除物质利用泡沫药剂的这一特性普遍地利用。 
但在气浮中不能使用如EDTA这样的络合形成剂。因它形成的是非极性对称络合物,这种络合物不能表现出表面活性性质,但可使用某些类似物。如为了提取锡,可使用十二烷苯二乙烯三氯基四醋酸,它具有表面活性性质,并能形成牢固的络合物。砒外烷基胺磺酸盐和聚烯属烃氧化物都是良好的泡沫形成剂。
下图为连续式泡沫处理对流装置。将去离子的原水溶液,在混合糟内与泡沫形成剂进行搅拌混合,混合液自上部送人,而将含有一定量泡沫形成剂的空气从底部送入;形成气泡,泡沫与溶液进行对流运动。随着溶液的向下流动,表面活性络合离子被吸附在空气泡的表层内,于是元素的络合物自溶液中分离出来,饱和泡沫转入经消泡器并在不大的体积内继续进行元素的浓缩。浓缩液进一步纯化回收,去除的元素净化液不断地自下部排出。 
泡沫处理装置 
对于含盐量少的溶液净化,采用泡沫分离法特别方便。例如美国"拉吉艾伊申,阿普利屯姆斯"公司用五塔进行连续泡沫气浮时,曾获得去除Sr90,净化系数为10(泡沫Sr90的浓度与溶液中残余液浓度比值)。对于净化大量的放射性溶液,该法已引起人们极大兴趣,因为活性泡沫的体积在破坏后仅为所净化溶液原始体积的0.1~0.01%。由此可以看出,泡沫气浮法对去除放射性物质废水具有以下特点: 
(1)使分离出来的放射性核素或重金属离子浓缩在泡沫破坏时产生体积较小的溶液内; 
(2)气浮时可有选择地提取个别的放射性同位素或金属; 
(3)该方法工艺简单、容易实现; 
(4)从工艺流程的确定上、该法可以和其它净化法组合在一个净化系统中
三、溶气浮法的设计与计算 
目前压力气气浮法应用最为广泛。与其他方法相比,它具有以下优点: 
(1)在加压条件下,空气的溶解度大,供气浮用的气泡数量多,能够确保气浮效果; 
(2)溶入的气体经骤然减压释放,产生的气泡不仅微细、粒度均匀、密集度大、而且上浮稳定,对液体扰动微小,因此特别适用于对疏松絮凝体、细小颗粒的固液分离; 
(3)工艺过程及设备比较简单,便于管理、维护; 
(4)特别是部分回流式,处理效果显著、稳定,并能较大地节约能耗。
(一)设计要点及注意事项 
(1)要充分研究探讨待处理水的水质情况,分析采用气浮工艺的合理性和适用性; 
(2)在有条件的情况下,对需处理的废水应进行必要的气浮小型试验或模型试验。并根据试验结果选择适当的溶气压力及回流比(指溶气水量与待处理水量的比值)。通常溶气压力采用0.2~0.4MPa,回流比取5%~25%一之间; 
(3)根据试验时选定的混凝剂种类、投加量、絮凝时间、反应程度等,确定反应形式及反应时间,一般沉淀反应时间较短,以5一15分钟为宜; 
(4)确定气浮池的池型,应根据对处理水质的要求、净水工艺与前后处理构筑物的衔接、周围地形和构筑物的协调、施工难易程度及造价等因素综合地加以考虑。反应池宜与气浮池合建。为避免打碎絮体,应注意构筑物的衔接形式。进人气浮池接触室的流速宜控制在0.1m/s以内; 
(5)接触室必须对气泡与絮凝体提供良好的接触条件,同时宽度应考虑安装和检修的要求。水流上升流速一般取10~20mm/s:,水流在室内的停留时间不宜小于60秒; 
(6)接触室内的溶气释放器,需根据确定的回流量,溶气压力及各种型号释放器的作用范围按下表来选定: 
(7)气浮分离室需根据带气絮体上浮分离的难易程度选择水流(向下)的流速,一般取1.5~3.0mm/s,即分离室的表面负荷率取5.4~10.8m3/(m2.h); 
(8)气浮池的有效水深一般取2.0~2.5m,池中水流停留时间一般为10~20min; 
(9)气浮池的长宽比无严格要求;一般以单格宽度不超过10m,池长不超过15m为宜; 
(10)气浮池的排渣一般采用刮渣机定期排除。集渣槽可设置在池的一端或两端.;刮渣机的行车速度宜控制在5m/min以内; 
(11)气浮池集水应力求均匀,一般采用穿孔集水管,集水管的最大流速宜控制在0.5m/s左右; 
(12)压力溶气罐一般采用阶梯环为填料,填料层高度通常取1~1.5m,这时罐直径一般根据过水截面负荷率:100~200m3/(m2.h)选取,罐高为2.5~3.0m。 
(二)设计程序 
1、进行实验室或现场试验 
由于废水种类繁多,即使是同类型的废水,其水质变化也很大。通常的设计参数也只是经验统计值。因此可靠的办法最好采用实验室或现场小型试验取得的结果作为设计依据。 
2、确定设计方案在进行现场查勘及综合分析各种资料的基础上,确定主体设计方案。 
(1)溶气方式采用全溶气式还是部分回流式; 
(2)气浮池池型选用平流式还是竖流式,取圆形、方形还是矩形; 
(3)在气浮前或后是否需要用预处理或后续处理构筑物,其形式怎样,如何衔接? 
(4)浮渣处理与处置途径; 
(5)工艺流程及平面布置的初步确定及合理性分析。 
3、设计计算(不包括一般处理构筑物的常规计算) 
四、溶气浮法的主要设备的设计
    (一)溶气释放器
    1、溶气释放器主要特点
    (1)释气完全,在0.15MPa以上能释放溶气量的99%左右;
    (2)能在较低压力下工作,在0.2MPa以上时能取得良好的净水效果,节约电耗:
    (3)释出的气泡微细,气泡平均直径为20-40微米,气泡密集,附着性能良好。
    2、不同型溶气释放器    
(二)压力溶气罐
   2.溶气罐
    溶气罐的作用是在一定的压力(一般0.2~0.6MPa)下,保证空气能充分地溶于废水中,并使水、气良好混合;混合时间一般为1~3min,混合时间与进气方式有关、即泵前进气混合时间可短些,泵后进气混合时间要长些溶气罐的顶部没有排气阀,以便定期将积存在罐顶部未溶解的空气排掉,以免减少罐容,另外多余的空气如不排出,由于游离气泡的搅动会影响气浮池的气浮效果。罐底设放空阀,以便清洗时放空溶气罐。                    
    为了防止溶气罐内短流。增大紊流程度促进水气充分接触,加快气体扩散,常在罐内设隔套、挡板或填料。
    溶气罐的形式可分为静态型和动态型两大类。静态型包括花板式、纵隔板式、横隔板式等,这种溶气罐多用于泵前进气。动态型分为填充式、涡轮式等,多用于泵后进气。国内多采用花板式和填充式。
     压力溶气罐有多种形式,比较好形式是空压机供气的喷淋式填料罐。该设备特点是:
    (1)该种压力溶气罐用普通钢板卷焊而成。但因属压力容器范畴,故其设计、制作需按一类压力容器要求考虑;
    (2)该种压力溶气罐的溶气效率与不加填料的溶气罐相比高30%,在水温20-30℃范围内,释气量约为理论饱和溶气量的90%-99%;
    (3)可应用的填料种类很多,如瓷质拉西环、塑料斜交错淋水板、不锈钢圈填料、塑料阶梯环等。由于阶梯环具有较高的溶气效率,故可优先考虑。不同直径的溶气罐,需配置不同尺寸的填料,其填料的充填高度一般取1m左右。当溶气罐直径超过500mm时,考虑到布水均匀性,可适当增加填料高度。
    (4)由于布气方式、气流流向变化等因素对填料罐溶气效率几乎无影响,因此进气的位置及形式一般无需过多考虑;
    (5)为自动控制罐内最佳液位,采用了浮球液位传感器,当液位达到了浮球传感器下限时,即指令关闭进气管上的电磁阀,反之,当液位达到上限时,则指令开启电磁阀;
    (6)溶气水的过流密度(溶气水流量与罐的截面积之比)有一个优化的范围。根据同济大学试验结果所推荐的’rR型压力溶气罐的型号、流量的适应范围及各项主要参数列
压力溶气罐的主要尺寸    
罐直径(mm) 流量适用范围(m3/h) 压力适用范围(MPa) 进水管直径(mm) 出水管直径(mm) 罐总高(包括支脚)mm
200 3-6 0.2-0.5 40 50 2550
300 7-12 0.2-0.5 70 80 2580
400 13-19 0.2-0.5 80 100 2680
500 20-30 0.2-0.5 100 125 3000
600 31-42 0.2-0.5 125 150 3000
700 43-58 0.2-0.5 125 150 3180
800 59-75 0.2-0.5 150 200 3280
900 76-95 0.2-0.5 200 250 3330
1000 96-118 0.2-0.5 200 250 3380
1200 119-150 0.2-0.5 250 300 3510
1400 151-200 0.2-0.5 250 300 3610
1600 201-300 0.2-0.5 300 350 3780
           
(四)刮渣机
    如果大量浮渣得不到及时的清除或者刮渣时对渣层的扰动过于剧烈,刮渣时液位及刮渣程序控制不当,刮渣机运行速度与浮渣的粘滞性不协调等都将影响气浮净化后出水的效果          
  目前,对矩形气浮池均采用桥式剖渣机。这种类型的刮渣机适用范围一般在跨度10m以下,出渣槽的位置可设置在池的二端或两端。
    对圆形气浮池,大多数采用行星式刮渣机。其适用范围在直径2-8m,出渣槽位置可在圆池径向的任何部位。此外,还有一些用于特殊情况的刮渣机,如小型链条式刮渣机等。
 (五)减压阀
   减压阀的作用,在于保持溶气罐出口处的压力恒定,从而可以控制出罐后气泡的粒径和数量。也可用低压溶气释放器来代替减压阀,溶气水流经释放器时、由于形成强烈的搅动和涡流,便产生微细气泡。
六、溶气浮法的运行管理及技术经济分析 
(一)运行管理 
溶气浮法的运行管理较为简便,当溶气罐实现自控后,在一般情况下,只需2-4小时用按钮操纵刮渣机排渣即可。试运行时的应注意以下几项内容。 
(1)在调试前,除了对各种设备进行常规的清扫、检查外,还应将释放器卸下,进行多次管路及溶气罐的清洗,待出水没有易堵的颗位杂质时,再安装释放器; 
(2)在调试时,应首先调试压力溶气系统与溶气释放系统,调试用的溶气水应是清水。待上述系统运行正常后,再向反应池内注入废水; 
(3)压力溶气罐的进、出阀门,在运行时必须完全打开,避免由于出水阀门处截流而使气泡提前释出,并在管道内膨大现象的发生; 
(4)运行时;压力溶气罐内的水位必须妥加控制,水位不能淹没填料层,但也不宜过低,以防在出水中带出大量未溶气泡。一般水位保持在距罐底60cm以上处; 
(5)空压机的压力应在大于溶气罐的压力时,才可以向罐内注入空气。为防止压力水倒罐进入空压机,也可在进气管上装设单向阀; 
(6)需经常观察池面情况。如发现接触区浮渣面不平,局部冒出大气泡时,很可能是由于释放器被堵。如发现分离区渣面不平,池面常有大气泡鼓出或破裂,则表明气泡与絮粒粘附不好,应采取相应的措施加以解决; 
(7)为了在刮渣时尽量不影响出水水质,刮渣时需抬高池内水位,并按最佳的浮渣堆积厚度及浮渣含水率进行定期刮渣。 
(二)技术经济分析 
    由于净水工艺中沉淀法沿用了多年,人们选用气浮法自然地要与沉淀法比较。其实,两种方法各具特点,对于轻飘易浮的杂质宜采用溶气气浮法,;对于密实沉重的杂质宜采用沉淀法。通常通过投药、混合反应后形成的絮体,当上浮速度快于沉淀时,则选用气浮法为好。因为气浮法占地面积小(仅为沉淀法的1/8一1/2),池容积也小(仅为沉淀法的1/8-1/4),处理后出水水质好,不仅浊度及SS低而且溶解氧高,排出的浮渣含水率远远低于沉淀法排出的污泥。一般污泥体积比为1/10-1/2,这给污泥的进一步处理和处置既带来了较大方便,又节约了费用。 
    有些废水同时含可沉、可浮的杂质,单独使用气浮或沉淀效果都不理想。此时可将沉淀与气浮结合,发挥各自优点,不仅会提高处理效果,而且也节省投资和运行费用。 
    生产实践表明,气浮池不仅在除色、去浊上优于沉淀池,而且在降低污染水1个的COD、木质素以及提取氧等方面都显出极其独特的优点,其造价也比平流沉淀池、斜管沉淀池、水力或机械加速澄清池低约z%左右,其运行费用也略低
(五)关于提高气浮净水技术的途径 
    气浮法净水在国内外均处在推广和技术提高阶段。技术上先进、经济上合理是气浮法推广的支柱。回顾气浮法净水的发展历程其技术发展速度是缓慢的。刀年代改善了溶气方法,解决了溶气释放中产生的气泡尺寸及其数量这个技术关键性难题后,气浮法净水才在发达国家首先得以采用和逐步推广。 
    尽管气浮法净水因其独特优点而日露锋芒,但要充分发挥其特点,目前还应重点在以下应三个方面进行研究开发。
1.气泡进一步微细化。 
    众所周知,在相等的释气量条件下,所产生的微气泡越细,则气泡个数越多越密集,粘附的絮粒也越小,净水效果也就越好,而且形成的浮渣也越稳定。因此。研究气泡平均直径更小的溶气释放器是当前提高气浮净水技术的一个途径。它不仅能提高现有净水对象的去除效果,而且还能开拓气浮法净水的应用范围。 
2.直接切割气体制造微气泡 
    压力溶气气浮法净水存在两个问题:第一是压力溶气相对能耗较大;第二是溶气水量的加入增大了气浮池内的水力负荷,给分离带来困难。解决这两个问题的理想办法是研制直接产生微气泡的布气装置,通过该装置将气体切割成稳定、微细、密集的微气泡群,从而极大限度地降低能耗,而且不会增加气浮池容积。尽管直接布气法难度很大,但它是最有吸引力的研究方向。 
3.固、液分离技术。 
    为了提高固、液分离技术,充分发挥气浮净水的优势,除上述气泡进一步微细化与采用直接布气法外,改善固、液分离效果也是一个重要方面。因为气浮净水的最终目的还是体现在提高分离效果上。如果设法将电凝聚气浮的泡、絮同时形成并凝聚的这个概念引人压力溶气气浮法中则有可能大大提高其分离效果。这个概念可称共凝聚气浮。为了适应共凝聚气浮,应该研制一种新型的溶气释放器,它应该延时释出高度密集的超微气泡,在与投药混合后的初级反应水(确切说,微絮粒尚未形成时的水)充分混和时,两者同时成长,即超微气泡与微絮粒同时形成并结合在一起,进而共同成长为带气絮粒。这样形成的带气絮粒在上浮过程中,不但不会受剪力影响而使气泡脱落,以至下沉,而且上浮快,浮渣稳定,耗用的气量最少。因此说共凝聚气浮是很有前途的研究方向。 
此外,如何妥善地解决粘附牢度问题也是当前急待解决的一个问题。 
    气浮法作为一个物化法,不仅要提高气泡质量(如细微度、密集度、稳定性等),而且还要十分重视改善絮粒的性能。如果我们能得到僧水性、吸附性强的絮粒,则将大大有助于提高气浮净水的效果。为此,研究供气浮用的絮凝剂和助凝剂也是迫在眉捷的一个问题。 
    正像沉淀技术的发展离不开沉淀理论的研究一样,气浮技术的发展也需要气浮理论的指导。更何况气浮研究的对象是液、固、气三相体系,比沉淀更复杂。对于气泡的结构和特性、气泡尺寸的正确选择与控制、气泡与絮粒粘附的条件,均须深入研究。有些理论上的新概念与假设,尚须进一步通过实验逐个地得到验证与确认。因此气浮净水技术远非已臻完善,众多的问题等待着我们去研究突破。 

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