氣浮的原理及類型

氣浮的原理及應(yīng)用一、氣浮的基本原理1.1氣浮簡(jiǎn)介氣浮是氣浮機(jī)的一種簡(jiǎn)稱，也可以作為一種專有名詞使用，其主要目的是利用高度分散的微小氣泡為載體去粘附廢水中疏水性顆粒，將小氣泡和顆粒視為一個(gè)整體，其整體密度小于水而上浮到水面，從而實(shí)現(xiàn)固一液或者液一液別離的過程。1.2界面張力與潤(rùn)濕接觸角首先介紹幾個(gè)基本概念?！?〕親水性：如果顆粒易被水潤(rùn)濕，則稱該顆粒為親水性的；〔2〕疏水性：如果顆粒不易被水潤(rùn)濕，則是疏水性的；〔3〕潤(rùn)濕接觸角：在靜止?fàn)顟B(tài)下，當(dāng)氣、液、固三相接觸時(shí)，氣一液界面張力線和固一液界面張力線之間的夾角〔包含液相的〕稱為平衡接觸角，用0表示。具體如圖1.1所示。水對(duì)各種物質(zhì)潤(rùn)濕性的大小，可以利用它們與水的接觸角來衡量。當(dāng)接觸角0<90時(shí)，則該物質(zhì)為親水性物質(zhì)；當(dāng)0>90時(shí)，則該物質(zhì)為疏水性物質(zhì)。另外，一般疏水性物質(zhì)的氣浮效果較好，而親水性物質(zhì)的氣浮效果較差。下面將對(duì)懸浮物與氣泡的附著條件進(jìn)行深入的探討。1.3懸浮物與氣泡的附著條件按照物理化學(xué)的熱力學(xué)理論，任何體系均存在力圖使界面能減少到最小的趨勢(shì)，下面來具體地分析懸浮物與氣泡附著的條件。氣泡與顆粒的作用過程如圖1.1所示。界面能：W=aS；〔其中，S為界面面積；。為界面張力〕附著前：W1=a水氣+a水粒〔假設(shè)S為1〕；附著后：W2=a氣粒；〔1〔1〕△W=a水氣+a水粒一a氣粒；a水氣、a水粒、a氣粒三個(gè)力之間的關(guān)系如圖1所示。從圖中可以得出:TOC\o"1-5"\h\zo水粒=o氣粒+o水氣cos(180—0)〔2〕由〔1〕式和〔2〕式可以得出：△W=o水氣(1-cos0)〔3〕積積圖1氣泡與顆粒的作用過程圖由于任何體系均存在力圖使界面能減少到最小的趨勢(shì)。因此，懸浮物與氣泡附著的條件必須滿足△W>0艮即o水氣(1-cos0)>0〔4〕由式4可以得出：當(dāng)0一0時(shí)，cos0一1,△W=0；因此不能氣??；當(dāng)0<0<90時(shí)，O<cos0<1,△W<o水氣；此時(shí)，雖然顆粒能夠附著在氣泡上，但是附著不牢；當(dāng)90<0<180時(shí)，△W>o，水氣；此時(shí)，顆粒與氣泡附著比較牢固，比較容易氣??；當(dāng)0一180，△W=2o，水氣；此時(shí)，△W到達(dá)最大值，顆粒最易被氣浮。同時(shí)，cos0=〔o氣粒一o水粒〕/o水氣，水中顆粒0與外表張力o水氣有關(guān)。o水氣增加，0增大，有利于氣浮。為了增加氣泡的穩(wěn)定性，有時(shí)會(huì)添加一些外表活性劑；但是如果外表活性劑過多，則會(huì)導(dǎo)致o水氣下降，潤(rùn)濕接觸角0減小，從而影響到氣浮的效果。因此，必須選擇適宜的外表活性劑添加量，才能既保證氣泡的穩(wěn)定性，又能保證良好的氣浮效果。本章小結(jié)〔1〕疏水性物質(zhì)有利于氣浮，親水性物質(zhì)的氣浮效果較差；〔2〕當(dāng)潤(rùn)濕接觸角0-0時(shí)，不能采用氣浮處理；當(dāng)0<0<90時(shí)，顆粒能夠附著在氣泡上，但是附著不牢，不利于氣?。划?dāng)90<0<180時(shí)，顆粒與氣泡附著比較牢固，比較容易氣??；當(dāng)0一180，顆粒最易被氣浮。二、氣浮工藝的類型與特點(diǎn)按照產(chǎn)生氣泡的方法不同，氣浮可以分為電解浮上法、分散空氣浮上法和溶解空氣浮上法三種。下面具體的來分析各種氣浮工藝以及它們的優(yōu)缺點(diǎn)。2.1電解浮上法電解浮上法是利用不溶性的陽(yáng)極和陰極，通入5-10V的直流電，直接將廢水電解。陽(yáng)極和陰極分別產(chǎn)生氫氣和氧氣，形成大量的微小氣泡，將廢水中的懸浮顆?；蛳冉?jīng)混凝處理所形成的絮凝體粘附而上浮至水面，產(chǎn)生泡沫層，然后用刮渣機(jī)將泡沫刮除，從而到達(dá)固液別離的目的。該方法主要用于中小規(guī)模的工業(yè)廢水處理。電解氣浮池如圖2.1所示。圖豎流式電解氣浮池1-入流室；2-整流柵；3-電極組；4-出流孔；5-分離室；6-集水孔；7-出水管；8-排沉泥管；9-刮渣機(jī)；10-水位調(diào)節(jié)器圖2.1豎流式電解氣浮池2.2分散空氣氣浮法分散空氣氣浮法根據(jù)產(chǎn)生氣泡的方法不同又可以分為微氣泡曝氣氣浮法和葉輪氣浮法兩種。下面分別來闡述這兩種氣浮法的定義。

2.2.1微氣泡曝氣氣浮法該方法主要是將壓縮空氣引入到靠近氣浮池底部的微孔擴(kuò)散板，并通過微孔擴(kuò)散板將空氣分散成細(xì)小的氣泡，氣泡附著在懸浮顆粒上，到達(dá)氣浮的效果。微孔曝氣氣浮法如圖2.2所示。圖2.2微孔曝氣浮上法1—入流液；2—空氣進(jìn)入；3一別離柱；4-微孔擴(kuò)散板;5—浮渣；6—出流液2.2.2葉輪氣浮法葉輪氣浮法是指將空氣引入到一個(gè)高速旋轉(zhuǎn)的混合器或者葉輪機(jī)附近，通過高速旋轉(zhuǎn)混合器或者葉輪機(jī)的高速剪切力，將引入的空氣切割成很多細(xì)小的氣泡，從而實(shí)現(xiàn)氣浮的過程。具體的葉輪氣浮裝置如圖2.3所示。葉輪蓋板的構(gòu)造如圖2.4所示。I一葉粒；2—Jii-fe；3—H—勃一軸柬:一進(jìn)弋冊(cè)門?一進(jìn)木糟；R—出點(diǎn)fl:J泡源槽刮諫板膜淡梅圖2.3葉輪氣浮結(jié)構(gòu)示意圖

圖2.4葉輪蓋板的構(gòu)造1一葉輪；2一蓋板；3一轉(zhuǎn)軸；4一軸套；5一葉輪葉片；6—導(dǎo)向葉片；7一循環(huán)進(jìn)水孔2.3溶解空氣浮上法空氣在水中的溶解度與溫度成反比；空氣在水中的溶解度與壓力的關(guān)系如圖2.5所示。圖2.5空氣在水中的溶解度與壓力的關(guān)系圖圖2.5空氣在水中的溶解度與壓力的關(guān)系圖2曾)*麟姓器昏碧ar詐從圖中可以看出，在一定溫度下，壓力越大，空氣在水中的溶解度越高。溶解空氣浮上法是在降壓的條件下，使空氣過飽和水中的空氣以微細(xì)氣泡的形式釋放出來，懸浮物粘附在氣泡上，通過氣泡的上浮，到達(dá)固液別離的目的。溶解空氣浮上法根據(jù)產(chǎn)生氣泡的方法不同可以分為溶氣真空浮上法和加壓溶氣浮上法兩種。

2.3.1溶氣真空浮上法物料在常壓下被曝氣，使其充分溶氣。然后在真空的條件下，壓力驟然降低，從而使物料中的溶氣析出，形成大量細(xì)微的氣泡，氣泡粘附在顆粒雜質(zhì)上，使其浮于水面，從而形成泡沫浮渣，再用刮渣機(jī)將其除去，最終到達(dá)固液別離的目的。真空氣浮系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)示意圖如圖2.6所示。】一舐陸調(diào)留法=J.履氣井4—分南區(qū)出木情?制潛板F瑞灑槽3-帕底方牌版P出酒宇10慌作室《飽瞞捕點(diǎn)空誼圖2.6溶氣真空氣浮設(shè)備結(jié)構(gòu)圖2.3.2加壓溶氣浮上法物料在加壓的條件下被曝氣，使其充分溶氣。然后在常壓的條件下，壓力驟然降低，從而使物料中的溶氣析出，形成大量細(xì)微的氣泡，氣泡粘附在顆粒雜質(zhì)上，使其浮于水面，從而形成泡沫浮渣，再用刮渣機(jī)將其除去，最終到達(dá)固液別離的目的。其結(jié)構(gòu)示意圖如圖2.7所示。圖2.7加壓溶氣氣浮的結(jié)構(gòu)示意圖

本章小結(jié)不同的氣浮方法的優(yōu)缺點(diǎn)如表2.1所示。從表2.1中可以看出，加壓溶氣氣浮法產(chǎn)生的氣泡多而均勻，而且粒徑小，是目前應(yīng)用最廣泛的一種氣浮方法。下一章將對(duì)加壓氣浮法做詳細(xì)的闡述。表2.1各種氣浮方法的優(yōu)缺點(diǎn)比較類型優(yōu)點(diǎn)缺點(diǎn)電解氣浮法1、電解氣浮法產(chǎn)生的氣泡小于其它方法產(chǎn)生的氣泡，特別適用于脆弱絮狀懸浮物；2、對(duì)廢水負(fù)荷變化有較強(qiáng)的適應(yīng)性;3、生成的污泥量少、占地少。不產(chǎn)生噪聲。1、耗電量大，投資成本高；2、操作運(yùn)行管理較復(fù)雜，操作不方便；3、電極板容易結(jié)垢，使用壽命短。分散空氣氣浮法微氣泡曝氣氣浮法設(shè)備簡(jiǎn)單、易行擴(kuò)散板上的孔容易堵塞，導(dǎo)致氣泡量少而不均勻，氣浮效果不是很好。葉輪氣浮法設(shè)備簡(jiǎn)單、易行1、形成的氣泡尺度較大〔d>1mm〕，2、氣泡上升速度快，比外表積小，與懸浮物的接觸時(shí)間較短，氣浮效果不好。溶解空氣氣浮法溶氣真空氣浮法無壓力設(shè)備，節(jié)省動(dòng)力消耗和動(dòng)力設(shè)備。1、常壓下，空氣溶解度低，氣泡的數(shù)量有限；2、需要密閉設(shè)備維持真空，運(yùn)行維護(hù)比較困難。3、所有設(shè)備在密封的氣浮池內(nèi)，使氣浮池構(gòu)造復(fù)雜，運(yùn)行管理、維護(hù)不便。加壓溶氣氣浮法1、加壓條件下，水中空氣的溶解度大，能提供足夠的微氣泡；2、氣泡粒徑小，均勻。需要溶氣罐、空壓機(jī)或射流器、水泵等設(shè)備，

三、加壓溶氣氣浮法3.1加壓溶氣氣浮系統(tǒng)的構(gòu)造加壓溶氣氣浮法系統(tǒng)主要由壓力溶氣系統(tǒng)、溶氣水減壓釋放系統(tǒng)、氣水混合系統(tǒng)和氣浮別離設(shè)備4部分組成。壓力溶氣系統(tǒng)壓力溶氣系統(tǒng)主要包括溶氣方式和溶氣設(shè)備兩個(gè)部分。1、溶氣方式壓力溶氣系統(tǒng)的溶氣方式主要有3種，分別是水泵吸氣式、水泵壓水管裝射流器挾氣式和空壓機(jī)供氣式?！?〕水泵吸氣式該溶氣方式的吸氣量受水泵氣蝕性能的影響，空氣溶解量很低，一般不超過5%。其結(jié)構(gòu)示意圖如圖3.1所示。一往氣浮池圖10-44水泵吸氣式溶氣系統(tǒng)①■囁水井;②吸水管;③進(jìn)氣陶節(jié)閥；④水泵;⑤溶⑥壓力表；⑦放氣闕;③水位計(jì)，圖3.1水泵吸氣式溶氣系統(tǒng)〔2〕水泵壓水管裝射流器挾氣式壓力水〔約0.3MPa〕經(jīng)水射器高速噴射，在喉管內(nèi)形成負(fù)壓吸入空氣，從而使空氣溶解的方式。其結(jié)構(gòu)示意圖如圖3.2所示。

圖ID-45射流挾代式溶氣系統(tǒng)圖ID-45射流挾代式溶氣系統(tǒng)①吸水井號(hào)②吸水管；③水射器；匐水食u⑤溶氣集：⑥壓.力表；⑦放氣閥：⑧灰位葉任〔3〕空壓機(jī)供氣式該方法通過空壓機(jī)將空氣打入溶氣罐，再通過氣泡釋放器將空氣釋放成微小氣泡。其結(jié)構(gòu)示意圖如圖3.3所示。圖10-46圖10-46空壓機(jī)供氣式溶氣系統(tǒng)①水菜;②空壓機(jī)彳③水位汁5④放氣;閥；⑤溶氣Sh⑥壓力表Q圖3.3空壓機(jī)供氣式溶氣系統(tǒng)2、溶氣設(shè)備常用的溶氣設(shè)備為壓力溶氣罐。它的作用是使水與空氣充分地接觸，促進(jìn)空氣的溶解。溶氣罐的形式多種多樣，不同種類的溶氣罐的結(jié)構(gòu)示意圖如圖3.4所示。其中，應(yīng)用較多的是罐內(nèi)填充填料的溶氣罐，因?yàn)樗娜軞庑首罡摺Ｈ危┱绺翳焓交ò逭J(rèn)也機(jī)勇水圖3.4不同種類的溶氣罐避水（習(xí)任）甄隔桁式花板認(rèn)也機(jī)勇水圖3.4不同種類的溶氣罐避水（習(xí)臉式填充式溶氣罐裝有填料，因而可以加劇紊動(dòng)程度，提高液相的分散程度，不斷更新液相與氣相的界面，從而提高了溶氣效率。其結(jié)構(gòu)示意圖如圖3.5所示。其中，填料有各種形式，研究說明，階梯環(huán)的溶氣效率最高，可達(dá)90%以上，拉西環(huán)次之，波紋片卷最低，這是由于填料的幾何特征不同造成的。其圖片如圖3.6所示。圖3.5填充式溶氣罐結(jié)構(gòu)示意圖階梯環(huán)圖3.63.6所示。圖3.5填充式溶氣罐結(jié)構(gòu)示意圖階梯環(huán)圖3.6各種填料的示意圖溶氣水的減壓釋放應(yīng)能產(chǎn)生足夠的微細(xì)氣泡，減壓釋放設(shè)備關(guān)系到產(chǎn)生氣泡的數(shù)量和尺度。常用的減壓釋放設(shè)備有TS、TJ、TV型溶氣釋放器、減壓閥、截止閥等。各種釋放器如圖3.7所示。

圖3.7各種釋放器的示意圖常用溶氣釋放器的主要特性如表3.1所示。表3.1溶氣釋放器的主要特性名稱基本構(gòu)造主要特性TS型孔口一多孔室一小平行圓盤縫隙一管嘴〔1〕溶氣釋放率高〔99%以上〕，微氣泡密集尺寸小〔20-40四m〕，工作壓力低〔0.2MPa〕；〔2〕易堵塞，流量小，單個(gè)服務(wù)范圍小〔作用直徑25-70cm〕TJ型孔口—單孔室一大平行圓盤縫隙一舌簧一管嘴〔1〕溶氣釋放率高〔99%以上〕，微氣泡密集尺寸小〔20-40四m〕，工作壓力低〔0.2MPa〕；〔2〕易清洗〔水射器〕，單個(gè)服務(wù)范圍大〔作用直徑50-110cm〕TV型孔口—單孔室一上下大平行圓盤縫隙〔1〕溶氣釋放率高〔99%以上〕，微氣泡密集尺寸小〔20-40四m〕，工作壓力低〔0.2MPa〕；〔2〕易清洗〔壓縮空氣〕，單個(gè)服務(wù)范圍大〔作用直徑40-80cm〕

3.1.3氣水混合系統(tǒng)微細(xì)氣泡產(chǎn)生后，氣泡與水能否充分混合直接影響到氣浮的效果。常用的氣水混合設(shè)備有固定混合設(shè)備與管式混合設(shè)備，通常在氣浮別離池的前端設(shè)一接觸區(qū)以確保氣水充分混合。3.1.4氣浮別離設(shè)備常用的氣浮別離設(shè)備有平流式氣浮池和豎流式氣浮池。氣浮池包括進(jìn)水區(qū)、別離區(qū)、出水區(qū)和浮渣區(qū)。其結(jié)構(gòu)示意圖如圖3.8所示。進(jìn)水區(qū)：常為接觸區(qū)，保證氣水充分混合；別離區(qū)：須具有一定的有效容積，保證氣粒粘合體能上升到液面；出水區(qū)：底部出水，常設(shè)穿孔集水管；浮渣區(qū)：設(shè)有刮渣設(shè)備和渣槽，確保浮渣順利排除。8-17有回流的平流式氣浮池1-溶氣水■菅：2T成壓釋放及混合設(shè)備，38-17有回流的平流式氣浮池1-溶氣水■菅：2T成壓釋放及混合設(shè)備，3■原水管；4-魂觸這；5常有區(qū)；E藻水曾：1~刮激設(shè)備8-回流菅；如臭邑情：1卜出水管圖8-18豎濟(jì)式與潭池溶氣水管；「減壓弄袖器；旦-原水管jI-挽尬區(qū)；5-孫齋區(qū)；塞水器iT-切.僧機(jī)iB-水沱調(diào)節(jié)卷i啡渣囂平流式氣浮池和豎流式氣浮池的優(yōu)缺點(diǎn)如表3.2所示。表3.2平流式和豎流式氣浮池的優(yōu)缺點(diǎn)類型優(yōu)點(diǎn)缺點(diǎn)平流式池深較淺，構(gòu)造簡(jiǎn)單，造價(jià)低，運(yùn)行管理方便別離室容積利用率不高豎流式水力條件較好，池深較大整體容積利用率不高，與反應(yīng)池銜接較困難四、氣浮的應(yīng)用及預(yù)處理氣浮法在工業(yè)上的應(yīng)用十分廣泛。主要包括以下幾個(gè)方面：1、石油、化工及機(jī)械制造業(yè)中的含油污水的油水別離；2、工業(yè)廢水處理；3、污水中有用物質(zhì)的回收；4、取代二次沉淀池，特別是用于易于產(chǎn)生活性污泥膨脹的情況；5、剩余活性污泥的濃縮。在實(shí)際的氣浮過程中，往往需要添加適當(dāng)?shù)幕瘜W(xué)藥劑，提高氣浮的效果。主要的預(yù)處理方法有以下幾種。1、混凝劑：各種無機(jī)或有機(jī)高分子混凝劑，它不僅可以改變污水中的懸浮顆粒的親水性能，而且還能使污水中的細(xì)小顆粒絮凝成較大的絮狀體以吸附截留氣泡，加速顆粒上浮。如硫酸鋁、三氯化鐵、聚合氯化鋁。2、乳化：一種液體以極微小液滴均勻地分散在互不相溶的另一種液體中的作用。乳化是液-液界面現(xiàn)象，兩種不相溶的液體，如油與水，在容器中分成兩層，密度小的油在上層，密度大的水在下層。假設(shè)加入適當(dāng)?shù)耐獗砘钚詣┰趶?qiáng)烈的攪拌下，油被分散在水中，形成乳狀液，該過程