气浮工艺技术探讨.doc

气浮工艺技术探讨无锡金源环保戴文强一基本概念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接近于的微小悬浮颗粒二气浮的基本原理带气絮粒的上浮和气浮表面负荷的关系粘附气泡的絮粒在水中上浮时在宏观上将受到重力浮力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上浮速度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具体上浮速度可按照实验测定根据测定的上浮速度值可以确定气浮的表面负荷而上浮速度的确定须根据出水的要求确定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水中活性剂的含量水中的硬度悬浮物的浓度都和气泡的粘浮强度有着密切的联系气浮运行的好坏和此有根本的关联在实际应用中质须调整水质水中气泡的形成及其特性形成气泡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但并非气泡越细越好气泡过细影响上浮速度因而气浮池的大小和工程造价此外投加一定量的表面活性剂可有效降低水的表面张力系数加强气泡膜牢度也变小向水中投加高溶解性无机盐可使气泡膜牢度削弱而使气泡容易破裂或并大表面活性剂和混凝剂在气浮分离中的作用和影响表面活性物质影响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气泡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混凝剂投加产生的带电絮粒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三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扩散板曝气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最大不超过叶轮的转速多采用圆周线速度则为气浮池充水深度与吸气量有关一般为但不超过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左右布气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溶气量大增加了油粒或悬浮颗粒与气泡的接触机会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较全流程溶气气浮法所需的压力泵小故动力消耗低压力泵所造成的乳化油量较全流程溶气气浮法低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其特点为加压的水量少动力消耗省气浮过程中不促进乳化矾花形成好出水中絮凝也少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加量因水质不同而异一般由试验确定加压溶气气浮法的主要设备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以上的水头此外其最大吸气量不能大于水泵吸水量的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入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五加压溶气气浮工艺流程加压溶气气浮法在国内外应用最为广泛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工艺过程及设备比较简单便于管理维护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根据废水的性质不同反应池的强度和反应时间应有所调整反应后的絮凝水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因此可以节省能耗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溶气释放器的主要工艺参数为释放器前管道流速以下释放器的出口流速以为宜冲洗时狭窄缝隙的张开度为每个释放器的作用范围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推二是由于底部出流所产生的向下流速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合在纵轴上投影的大小该速度影响了气浮的处理效果絮凝体的大小气泡的大小气浮池体中水流向下的速度三者直接影响合成向上速度合成向上的速度越大气浮的去除效率越高气浮池体的就越小整个工程造价越低要使上浮效果好首先在池体中尽量降低下它可用扩大底部出流面积或提高出水的均匀度实现随着底部的均匀集流出流水流到池未端平约为零这有利于上浮力较小的带气絮凝体的分离如要提前实现上浮去除应尽量降低平这可用扩大气浮池横断面的方式来实现接着要处理好絮凝体的大小通过加药混合和絮凝反应来完成应注意控制以下几个点药剂的品种投药量药剂和污水的混合时间和混合强度药剂的投加点药剂和污水的反应时间和反应强度产生的絮凝体的大小另外还要控制溶气系统中气泡的大小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六电解气浮气浮工艺流程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七溶气浮法的设计与计算设计要点及注意事项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回流比取一之间回流比的确定需和悬浮物的浓度联系起来浓度高回流比大浓度小回流比小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一分钟为宜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以内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水流在室内的停留时间不宜小于秒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气浮分离室需根据带气絮体上浮分离的难易程度和水质的处理要求而定选择水流向下的流速一般取即分离室的表面负荷率取气浮池的有效水深一般取池中水流停留时间一般为气浮池的长宽比无严格要求一般以单格宽度不超过池长不超过为宜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以内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左右设计程序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溶气方式采用全溶气式还是部分回流式气浮池池型选用平流式还是竖流式取圆形方形还是矩形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浮渣处理与处置途径工艺流程及平面布置的初步确定及合理性分析设计计算不包括一般处理构筑物的常规计算提供废水性质详细的表格参见后面的附表八溶气浮法的主要设备的设计一溶气释放器释气完全在以上能释放溶气量的左右能在较低压力下工作在以上时能取得良好的净水效果节约电耗释出的气泡微细气泡平均直径为微米气泡密集附着性能良好二压力溶气罐溶气效率达以上四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一池容积也小仅为沉淀法的处理后出水水质好不仅浊度及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的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其运行费用也略低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象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