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气浮工艺及加压溶气气浮的原理与设计要点(上)

2012/5/23 14:51:55      点击:

 

气浮工艺及加压溶气气浮的原理与设计要点(上)

  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1的微小悬浮颗粒。

(二)气浮的基本原理 

1.
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G浮力F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。

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。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。

3.
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。) 

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。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,r也变小。 

3)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。 

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

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)。 

1.
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
吸水吸气浮、射流气浮、扩散板曝气浮选以及叶轮气浮等四种。 

1)水
吸水吸人空气气浮 

这是最简单的一种气浮方法。由于水
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),否则将破坏水吸水的负压工作。另外,气泡在水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,并从吸气吸人空气,在水气混合体进入喉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。 

3)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
,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9001500rmin,圆周线速度则为1015m/s。气浮池充水深度与吸气量有关一般为1.52.0m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,这些因素都使布气浮达不到高效的去除效果。

2.
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
废水用水加压,在前或后注入空气。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,经浮渣排出池外,处理后的废水通过溢流堰和出水排出。 

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,所以增加了含油废水的乳化程度,而且所需的压力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:较全流程溶气气浮法所需的压力小,故动力消耗低;压力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。 

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25%~100%。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。

(四)、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
前进气和后进气。 前进气,这是由水压水引出一支返回吸水,在支上安装水力喷射器,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、水送人溶气罐。此法比较简便,水气混合均匀,但水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吸水量的10%,否则,水工作不稳定,会产生气蚀现象。 后进气,一般是在压水上通人压缩空气。这种方法使水工作稳定,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
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。 

自调节池将原水提升到反应池。絮凝剂在吸水()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。清水则由穿孔集水汇集至集水槽后出流。部分清水经由回流水加压后进入溶气罐,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。 

1.
压力溶气系统。它包括水
、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
的压力不致有大的损朱。一般水至溶气罐的压力约0.5MPa,因此可以节省能耗。

2.
溶气释放系统。它一般是由释放器(或穿孔
、减压阀)及溶气水路所组成。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: 

u 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; 

u 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; 

u 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; 

u 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;

u 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; 

u 溶气释放器的主要工艺参数为:释放器前道流速:1m/s以下,释放器的出口流速以0.4~0.5ms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。