摘 要：本報告結合氣浮設備的工作原理、結構、優(yōu)缺點、應用情況等方面介紹了幾種常用的氣浮設備的應用情況。對國內外同類設備進行了比較，并對應用情況作了簡單的介紹。同時介紹了氣浮法凈水技術，對氣浮技術在廢水處理中的應用作了綜述。包括處理石油化工及機械制造業(yè)中的含油廢水、處理造紙廢水、處理電鍍廢水和含重金屬離子廢水、處理印染廢水和洗毛廢水、處理制革廢水、城市生活污水和富營養(yǎng)化的前驅物等。并討論了氣浮設備的研究和應用的發(fā)展趨勢，最后展望氣浮法的發(fā)展前景。
1氣浮凈水技術
1.1氣浮凈水技術歷史背景及原理
氣浮凈水技術是一種歷史悠久的高效固液分離技術,始于選礦。該項技術在水處理領域頗受國內外學者的關注并得以迅速發(fā)展。其根據(jù)氣泡的產(chǎn)生方式不同,可分為電解凝聚氣浮、散氣氣浮和溶氣氣浮等。其中部分加壓式溶氣浮是國內外最常用的氣浮法,在某些方面可以作為替代沉淀的新技術。
氣浮凈水技術產(chǎn)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懸浮雜質，具有分離效率高、設備簡單等優(yōu)點。該技術起初發(fā)展較為緩慢，直到70 年代微氣泡產(chǎn)生技術的提高才得以迅速發(fā)展，現(xiàn)已被廣泛應用于含油廢水和印染廢水的處理、紙漿脫墨、土壤改良、藻類和重金屬離子的去除等方面。氣浮凈水過程可以簡單地概括為：水中的疏水性雜質與散布于水中的疏水性微小氣泡在一定水力條件下碰撞，通過分子間的范德華力粘附在一起，在浮力作用下上浮到水面而除去;此外，它也包括水中較大的親水性絮凝體通過網(wǎng)捕、架橋以及包卷等作用俘獲微小氣泡，借助浮力作用上浮到水面而被除去的過程
1.2氣浮凈水技術的影響因素
1.2.1容器系統(tǒng)
溶氣系統(tǒng)占氣浮過程能量消耗的50 %,溶氣罐價值占有溶氣氣浮工廠總基建投資的12 %,因此優(yōu)化溶氣系統(tǒng)的設計對縮小氣浮操作費用是很重要的。加壓的溶氣方式很多,例如,在壓力溶氣罐中將空氣溶入水中,將水滴流過填料層、將水噴入空罐中,用射流器吸入空氣,用循環(huán)泵的吸水管吸入空氣等方式。其中氣液多相介質泵作為一種新興的溶氣方式,能產(chǎn)生大量穩(wěn)定的微小氣泡,直徑在30μm以下,有利于提高氣浮效率。它取代了傳統(tǒng)的溶氣氣浮法溶氣系統(tǒng)中的溶氣罐、空壓機和釋放器,減少了投資費用,減小了噪聲,正逐漸在氣浮設備上廣泛應用。
1.2.2釋氣系統(tǒng)
該系統(tǒng)關鍵裝置是釋放器,它對氣泡形成的大小、分布以及對氣浮凈水效果和運行費用均有明顯影響。目前國內外采用不同類型的釋放器,有簡單閥門式、針型閥式以及專用釋放器,后者屬于專利技術。我國研制成功的TS、TJ、TV型釋放器,可有效避免微細氣泡并大,在2-3 kg/cm2的條件下仍能滿足氣浮凈水的需要。同樣冶金部建筑研究總院設計的YJH型噴頭在2-3 kg/cm2工作壓力下,甚至可將溶解氣體轉換成直徑1-0.1μm的微氣泡,具有更高的優(yōu)越性。
1.2.3分離系統(tǒng)
分離系統(tǒng)主要是指氣浮池構件,它反應了浮渣與清水的分離效果、分離速度(表面負荷率m3/m2˙h)和投資費?；拘问接袌A形(豎流式)和矩形(平流式)。前者主要用于小型氣浮工廠中進行廢水處理和污泥濃縮。后者在飲用水處理中應用較為普遍。這主要是因為:矩形的氣浮池結構較簡單;建造方便且節(jié)省占地;便于和絮凝池連接,并且進水口處的水流更平緩。目前,溶氣氣浮池的深度從1.5 m增加到5.0 m,并且池型由長方形向正方形發(fā)展,長寬比在(1.2-2)∶1之間。
通常氣浮池分為接觸區(qū)和分離區(qū)。其中接觸區(qū)式實現(xiàn)釋氣水中的微細氣泡群與絮凝水中絮粒結合、碰撞、粘附的場所,它能否形成良好上浮性、脫水性與穩(wěn)定性的帶氣絮粒,將直接影響氣浮凈水的效果。分離區(qū)是將帶氣絮粒與清水進行分離的場所,必須確定合適的分離速度確保上浮時水面上的浮渣不被擾動。對于出水的設計和操作也必須保持平穩(wěn)的水力條件,氣浮池的停留時間是依據(jù)表面負荷率和池深而設計,一般為5-15min。
1.2.4排渣方式
溶氣氣浮池的排渣方式主要分為兩種:機械刮渣和水力溢渣。機械刮渣是根據(jù)浮渣形成的速度,從而借助刮渣機進行定期刮渣。在水處理領域,部分式或全長式刮渣機和沿邊刮渣機得以廣泛的應用。另外還有一些溶氣氣浮工藝直接利用其后續(xù)濾池反沖水進行水力溢渣,這種方式的優(yōu)點是:提高了水廠的產(chǎn)水率,節(jié)省了能耗;當水源水隱孢子蟲卵囊含量過高時,采用此排渣方法可以避免增加額外處理費用以去除濾池反沖水中的隱孢子蟲卵囊。但是要以損失較多水量和低的浮渣固含量(少于0.2 %)為代價。
2.氣浮設備
2.1氣浮設備的工作原理
氣浮設備是一類在水中通入或產(chǎn)生大量的微細氣泡，使空氣以高度分散的微小氣泡形式附著在懸浮物顆粒上，造成密度小于水的狀態(tài)，利用浮力原理使其浮在水面，從而實現(xiàn)固-液分離的水處理設備。氣浮方式可分為散氣氣浮、溶氣氣浮(包括真空氣浮法)與電解氣浮法。目前在給水、工業(yè)廢水和城市污水處理方面都有應用。氣浮設備較其它固-液分離設備具有投資少、占地面極小、自動化程度高、操作管理方便等特點。在實踐中應根據(jù)廢水處理工藝、廢水的水質水量等特點進行有針對性的選擇與使用。污水處理技術中，氣浮法應用于幾方面：
⑴石油、化工及機械制造業(yè)中的含油污水的油水分離
⑵工業(yè)廢水處理
⑶污水中有用物質回收
⑷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
⑸剩余活性污泥的濃縮
2.2氣浮設備的工藝特點及適用范圍
2.2.1氣浮設備的工藝特點
目前壓力溶氣氣浮法的氣浮裝置應用最廣。與其他氣浮裝置相比，該氣浮設備具有以下優(yōu)點：
⑴ 加壓條件下，空氣的溶解度大，供氣浮用的氣泡數(shù)量多，能夠確保氣浮效果;
⑵溶入的氣體經(jīng)驟然減壓釋放，產(chǎn)生的氣泡不僅微細、粒度均勻、密集度大、而且上浮穩(wěn)定，對液體擾動微小，因此特別適用于對疏松絮凝體、細小顆粒的固液分離;
⑶氣浮設備的工藝過程及設備比較簡單，便于管理、維護。
2.2.2氣浮設備的使用范圍
⑴ 適合分離地面水中的細小懸浮物、藻類及微絮體;
⑵ 可回收工業(yè)廢水中的有用物質，如造紙廢水中的紙漿纖維及填料;
⑶ 可代替二沉池，分離和濃縮剩余活性污泥，特別適用于那些易于產(chǎn)生污泥膨脹的生化處理工藝中;
⑷ 適合分離回收含有廢水中的懸浮油和乳化油;
⑸ 適合分離回收以分子或離子狀態(tài)存在的目的。
2.3常用氣浮設備
2.3.1加壓溶氣氣浮設備
加壓溶氣氣浮設備是將空氣在一定壓力的作用下溶解于處理水中，壓力一般為0.2-0.6 MPa，然后驟然減至常壓，溶解于水的空氣便以微小氣泡形式(氣泡直徑一般為 20~100 μm)從水中逸出，與水中的懸浮物粘附一起浮至水面形成浮渣，再由刮渣機排入浮渣槽得以去除，清水則由氣浮池下部流出，實現(xiàn)固-液分離。見圖2-1。
1.吸水井 2.水泵 3.空壓機 4.壓力溶氣罐 5.溶氣釋放器 6.氣浮池
加壓溶氣氣浮設備主要由溶氣系統(tǒng)、釋氣系統(tǒng)及分離系統(tǒng)等三部分組成。根據(jù)廢水中所含懸浮物的種類、性質以及處理程度的不同，又可分為全部加壓溶氣氣浮、部分加壓溶氣氣浮和部分回流加壓溶氣氣浮三種。加壓溶氣氣浮設備的氣泡細微、粒度均勻、密集度大，氣浮處理效果顯著、穩(wěn)定，而且整個工藝過程及設備比較簡單，便于管理、維護，因此應用較為廣泛，可用于多種廢水處理，尤其適用于含油廢水的處理。
目前加壓力溶氣氣浮法應用最廣。與其它氣浮設備相比，具有以下特點：
⑴在加壓條件下，空氣溶解度大，供氣浮用的氣泡數(shù)量多，能夠確保氣浮效果;
⑵溶入的氣體經(jīng)驟然減壓釋放，產(chǎn)生的氣泡不僅微細、粒度均勻、密集度大，而且上浮穩(wěn)定，對液體擾動小，因此特別適用于對疏松絮凝體、細小顆粒的固液分離;
⑶工藝過程及設備比較簡單，便于管理、維護;
⑷特別是部分回流式，處理效果顯著、穩(wěn)定，并能較大地節(jié)約能耗。
2.3.2電氣浮設備
電氣浮設備早在 20 世紀 70 年代已有應用，是通過電解水產(chǎn)生的H2、02或Cl2等微小氣泡吸附水中的污染物，并上浮用以去除水中污染物的一種水處理方法。按陽極材料是否溶解，可分為電解氣浮和電凝聚氣浮。前者電極不溶解，僅電解產(chǎn)生氣浮所需的氣泡;后者電極溶解，同步產(chǎn)生氣泡(H2)以及多核羥基絡合物、氫氧化物(鐵、鋁等)等絮凝劑。電氣浮裝置示意圖如途2-2所示電解法產(chǎn)生的氣泡尺寸遠小于溶氣氣浮和散氣氣浮產(chǎn)生的氣泡尺寸，而且不產(chǎn)生紊流。該設備去除的污染物范圍廣，對有機物廢水除降低BOD外，還有氧化、脫色和殺菌作用，對廢水負載變化的適應性強，生成污泥量少，占地少，不產(chǎn)生噪聲。近年來發(fā)展很快。電解氣浮設備目前尚存在電解能耗及極板損耗較大，運行費用較高等問題，因此限制了該種設備的推廣使用。
電氣浮具有污染物去除效率高、無二次污染、占地少、無噪聲、設備簡單、無動力設備、易實現(xiàn)自動化等優(yōu)點，而且電氣浮設備去除的污染物范圍廣，能有效降解廢水中的 COD、NH3-N，同時還有其他氣浮設備備無法實現(xiàn)的氧化、脫色和殺菌等作用，能夠獲得更高的除油效率，抗沖擊負荷能力強，產(chǎn)生污泥量少，與其他氣浮法相比具有一定的優(yōu)勢，近年應用較多。但其存在能耗大、電極易鈍化、運行費用較高等缺點，從而在一定程度上制約其發(fā)展。目前，大部分關于電氣浮應用的報道主要是關于油田含油廢水的處理，或是與二級生化等技術聯(lián)用處理生活污水，或是在乳化液廢水處理方面的應用。但是，由于電氣浮設備的能耗較大，一般只用于小規(guī)模的廢水處理場所，如小城鎮(zhèn)生活污水、中小型工廠的含油廢水處理等，較難適用于大型生產(chǎn)。
2.3.3渦凹氣浮系統(tǒng)
渦凹氣浮(CAF)系統(tǒng)是由美國研制的主要去除工業(yè)和城市污水中的油脂、膠狀物及固體懸浮物的專利水處理設備。與傳統(tǒng)的溶氣氣浮相比，它具有設備投資少(不需壓力容器、空壓機、循環(huán)泵等設備)、占地面積小、能耗少、氣浮效果好(石油類、固體懸浮物的去除率超過80%)以及操作簡單等優(yōu)點。該系統(tǒng)的結構如圖2-3所示。預處理后的廢水首先進入系統(tǒng)的充氣段 A，與曝氣機產(chǎn)生的微氣泡充分混合后進入氣浮段 B，分離后的浮渣上浮至液面后間斷地被鏈條刮泥機C清除。凈化后的污水經(jīng)溢溜槽流出。
1.鏈條式刮泥機(刮泥系統(tǒng)C) 2.專利曝氣機(充氣段A) 3.氣浮槽(氣浮段B) 4.槽底回流管路
(部分水回流系統(tǒng)) 5.螺旋推進式固體排放機(固體廢物排放系統(tǒng))
該系統(tǒng)的主要特點在于其專利曝氣機的應用及槽底的回流作用。曝氣機的工作原理是利用空氣輸送管底部散氣葉輪的高速旋轉形成負壓，將空氣吸入水中，隨之產(chǎn)生微氣泡，微氣泡與雜質粘附后螺旋上浮到液面。槽底的回流管路使氣浮槽內的液體(40%左右)因氣浮槽底部與充氣段底部之間的壓差而流向充氣段再次曝氣，增加了雜質顆粒與微氣泡的粘附機率。此外，渦凹氣浮在制革、玻璃纖維、乳品、汽車噴漆、造紙和煉油等行業(yè)的廢水處理工程中均有應用，處理效果良好。渦凹氣浮還可應用在污泥濃縮上，具有污泥停留時間短、無污泥中磷的釋放，有利于污水處理廠對出水的TP 控制等特點，應用較為廣泛。
2.3.4高效淺池氣浮設備
高效淺池氣浮設備的出現(xiàn)，是氣浮凈水技術的一個重大突破。它改傳統(tǒng)氣浮的靜態(tài)進水動態(tài)出水，為動態(tài)進水靜態(tài)出水，應用“零速原理”，使浮選體在相對靜止的環(huán)境中垂直浮上水面，實現(xiàn)固-液分離的?！傲闼僭怼笔股细÷烦虦p至最小，且不受出水流速的影響，上浮速度達到或接近理論最大值，污水在凈化池中的停留時間由傳統(tǒng)氣浮的30-40分鐘減至僅需3-5分鐘，極大地提高了處理效率，設備體積隨之大幅減小，且可架空、疊裝、設置于建筑物上，少占地或不占地。隨著布水裝置的旋轉，將事先與污水均勻混合的氣泡能十分均勻地充滿整個凈化池，不存在氣浮死區(qū)和氣泡不均勻區(qū)，從而大大提高了凈化效率。
淺池氣浮設備是將進水口、出水口和氣浮刮渣斗安裝在繞氣浮池中央回轉的回轉機上?；剞D機架和刮渣斗均由電機帶動并可無級調速。用同進水流速一致的速度旋轉。廢水從池中心的旋轉進水器進水，通過進水配水器布水，進水配水器的移動速度可以和進水流速相同。使原水進入池內產(chǎn)生零速度，按此“零速原理”進水不會對池內水流產(chǎn)生擾亂。使池內顆粒的沉浮在一種超靜的狀態(tài)下進行，從而大大提高了氣浮池的效率。螺旋狀的刮泥裝置對水體的擾動極小，且刮起的僅為已充分分離的浮渣，含固率高。與其它氣浮設備相比有以下特點：
⑴采用“淺池理論”、“零速原理”、“新溶氣機理”設計;
⑵水力停留時間短，只有3-5分鐘，池深不超過700mm;
⑶微氣泡極小，密度極高，不需事先將它們凝聚為很大礬花，固可大大減少加藥量，極大的降低運行成本;
⑷微細氣泡與絮粒的沾附發(fā)生于包括接觸區(qū)在內的整個氣浮分離過程;
⑸強制布水，進出水都是靜態(tài)的;
⑹清水的排出是在固液分離以后進行的，浮渣瞬時隔離排除，水體擾動小;
⑺出渣含固率高達3%-5%，懸浮物去除率達99.5%，池底設有刮泥板，自動刮除沉降污泥;
⑻采用的溶氣管設計獨特，體積小，溶氣效率高，操作方便，占地面積小;
⑼設備運行效率高，穩(wěn)定性好，處理量大，一次性投資少;
⑽溶氣水和藥劑加入點的合理選用，保證實現(xiàn)共聚氣浮;
⑾具有多項調節(jié)功能，能隨處理水質水量的變化而變化。
淺池氣浮是工業(yè)廢水物化處理中新型高效氣浮處理設備，廣泛適用于造紙白水回收、制革、紡織、制皂、食品、碳黑、纖維制品、采油、啤酒、市政污水回用等領域。和加藥設備、溶氣設備、泵等輔助設備合理配置可使廢水中的懸浮物總量降低90%以上。而氣浮水力停留時間只有3-5nim。采用本設備能大幅度降低投資和運行費用，節(jié)約大量的耕地，當用于處理大規(guī)模污水時尤為顯著。國內外加壓溶氣氣浮處理設備性能比較和淺池氣浮設備在造紙工業(yè)的應用情況分別見表1、表2。
表1 國內外加壓容器氣浮設備性能比較
表2 高效淺池氣浮設備的實際應用情況
由表1可見，各項數(shù)據(jù)表明淺池氣浮處理效果優(yōu)于曝氣氣浮，在淺池氣浮中離子氣浮的COD、SS處理技術指標及使用效果更佳。
從表2統(tǒng)計數(shù)據(jù)分析，淺池氣浮設備懸浮物的去除率達92.8%以上，COD的去除率為65.3%以上，處理設施對SS的去除效果較為明顯，此外，數(shù)據(jù)表明淺池氣浮設備的處理能力在300-850m3/h以上。
2.4其他氣浮設備
2.4.1射流氣浮設備
射流氣浮裝置是近年來出現(xiàn)的一種污水處理設備。污水從噴嘴高速噴出時,在噴嘴的吸入室形成負壓,氣體被吸入;在混合段,污水攜帶的氣體被剪切成微細氣泡;在氣浮池中,油珠和固體顆粒附著在氣泡上上浮。射流氣浮裝置能耗僅相當于機械攪拌葉輪氣浮的二分之一,產(chǎn)生氣泡直徑小,且制造、安裝、維修方便,具有很好的應用前景。王振歐等將壓縮空氣溶氣改為噴射吸氣溶氣,從而加速了空氣的溶解,縮短了溶氣時間,同時降低了能耗。
水射器可替代空壓機加氣,水自水泵加壓后,部分回流至水泵,在水泵壓水管道和進水管道間形成回路。在回流管上安裝水射器,由水射器吸入空氣,空氣和水在水泵內初步混合,大氣泡得到一定程度的破碎,輸至溶氣罐形成溶氣水(壓力由水泵控制,維持在0.13-0.14MPa),再通過管道輸送至氣浮池。和空壓機加壓溶氣相比,節(jié)省了設備投資和運行費用。溶氣罐內不裝填料,也不需控制水位,操作簡便,氣浮效果穩(wěn)定。北京科技大學研制的ITU型浮選柱,采用水射流技術,吸氣量穩(wěn)定,水與氣體混合充分,粒子和氣泡的碰撞在下導管中進行,分離過程在柱體內進行,為紊流碰撞、靜態(tài)分離創(chuàng)造了良好的條件,是一種有發(fā)展前途的高效除油設備。
2.4.2充氣水力旋流器
充氣水力旋流器 (Air-SpargedHydrocyelone，ASH)是美國人Miller 于 20 世紀 80 年代初針對選礦工業(yè)發(fā)明的一種離心浮選分離設備，它將溶氣氣浮與水力旋流器的流動特征結合在一起，在固液分離方面的研究和應用已比較成熟，而在油水分離方面的研究則待深入。ASH通過利用不互溶介質間的密度差而將其離心分離。待分離的含油污水在一定壓力下自ASH頂部沿切線方向進入，由于器壁的限制而形成旋流由上向下流動;空氣則由外側夾套進入，通過多孔管壁進人流場，被高速旋轉流體的剪切作用分割成大量的細小氣泡。水中的油滴與氣泡相互碰撞和吸附，在離心力作用下進入中心的泡沫柱，進而垂直向上流入溢流管形成溢流排走;凈化后的水體被甩至旋流器器壁，最終經(jīng)底流口排走。整個過程實現(xiàn)了浮選和旋流的結合，提高了油滴的去除效率。其結構如圖2-4所示。
20世紀 80年代已經(jīng)有學者嘗試將 ASH 用于污水處理領域，主要處理含油污水和去除揮發(fā)性有機物，有的學者也嘗試將ASH用于其他類型污水處理中。在希臘羅德島某網(wǎng)板印刷廠的廢水處理過程中，通過浮選槽和兩級ASH的組合流程后，總懸浮物(TSS)和銅的去除率分別達到了79%和 56%，處理后的水可達到排放標準。美國國防部2003年的一份報告中記錄，某海軍基地利用一套處理能力為50g/min的兩級 ASH浮選裝置可將油、油脂和總有機物(TRPH) 的去除率均達到或超過 87%，水成膜泡沫(AFFF)的平均去除率超過 90%。
雖然 ASH 具有很多優(yōu)勢，但是也存在一些問題。氣液體積比、分流比在很大程度上影響ASH的處理效果，而且ASH內部流場的建立必須有足夠的進料速度，以產(chǎn)生足夠的離心加速度。ASH的多孔管有被堵塞的危險，而且難于進行完全徹底的清洗疏通，這也就使其無法進行長時間連續(xù)運轉。除此之外，ASH所能分離最小粒徑為 4 μm左右，小于 4 μm的懸浮物質，無法達到分離的效果，而且在油水分離方面，若參數(shù)設置不當，油滴很容易破碎乳化成更小的顆粒，增加分離的難度。研究表明，進料量 5.0 m3/h、氣液體積比為 0.30-0.35、分流比為0.16-0.18 能夠得到較好的分離效果。在油水分離、水中揮發(fā)性有機物的去除等方面ASH表現(xiàn)出高去除率、高選擇性、短停留時間以及低成本等優(yōu)勢都使其顯示出巨大的應用潛力，然而ASH要想真正在工業(yè)上成功應用，尚需進行大量的研究工作。
來源:環(huán)保易交易 作者:宋衛(wèi)強
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