气浮的基本原理

第八章气浮•气浮的基本原理•气浮的分类与特点•气浮法在废水处理中的应用8.1气浮的基本原理1、基本概念利用高度分散的微小气袍作为载体粘附于废水中的悬浮污染物，使其浮力大于重力和阻力，从而使污染物上浮至水面，形成泡沫，然后用刮渣设备自水面刮除泡沫，实现固液或液液分离的过程称为气浮。悬浮颗粒与气泡粘附的原理：水中悬浮固体颗粒能否与气泡粘附主要取决于颗粒表面的性质。颗粒表面易被水湿润，该颗粒属亲水性；如不易被水湿润，属疏水性。亲水性与疏水性可用气、液、固三相接触时形成的接触角大小来解释。在气、液、固三相接触时，固、液界面张力线和气液张力线之间的夹角称为湿润接触角以θ表示。为了便于讨论，气、液、固体颗粒三相分别用1，2，3表示。如图所示。如θ90ْ为亲水性颗粒，不易与气泡粘附，θ90ْْ为疏水性颗粒，易于与气泡粘附。在气、液、固相接触时，三个界面张力总是平衡的。以σ表示界面张力，有：σ1.3=σ1.2cos(180ْ－θ)+σ2.3(2-11-17)式中：σ1.3——水、固界面张力；σ1.2——液、气界面张力；σ2.3——气、固界面张力；θ——接触角。水中气泡与颗粒粘附之前单位界面面积上的界面能为W1=σ1.3十σ1.2，而粘附后则减为W2=σ2.3界面能减少的数值为：∆W＝W1—W2＝σ1.3十σ1.2一σ2.3（2—11—18)将式(2—11—17)代入式(2—11—18)得；∆W＝σ1.2(1-cosθ)亲水性和疏水性物质的接触，当θ→0ْ，即颗粒完全被水湿润cosθ→l，∆W→0，颗粒不与气泡粘附，就不宜用气浮法处理。当θ→180ْ，颗粒完全不被水湿润，cosθ→-1，∆W→2σ1.2，颗粒易于与气泡粘附，宜于气浮法处理。此外如σ1.2很小，∆W亦小，也不利于气泡与颗粒的粘附。亲水性和疏水性物质的接触θθ亲水性颗粒气泡疏水性颗粒1.2σ1.2σ1.3σ2..3σ2..3σ1.3σ2．投加化学药剂对气浮效果的促进作用(1)投加表面活性剂维持泡沫的稳定性(2)利用混凝剂脱稳以油的颗粒为例，表面活性物质的非极性端吸附于油粒上，极性端则伸向水中，极性端在水中电离，使油粒被包围了一层负电荷，产生了双电层现象，增大了ζ-电位，不仅阻碍油粒兼并，也影响抽粒与气泡粘附。(3)投加浮选剂改变颗粒表面性质8.2气浮的分类与特点根据气泡产生的方式气浮法分为：电解气浮法；散气气浮法：扩散板曝气气浮、叶轮气浮。溶气气浮法：溶气真空气浮加压溶气气浮：全溶气流程、部分溶气流程、回流加压溶气流程。8.2.1电解气浮法8．2．1．1工作原理电解气浮法是用不溶性阳极和阴极，通以直流电，直接将废水电解。阳极和阴极产生氢气和氧的微细气泡，将废水中的污染物颗粒或先经混凝处理所形成的絮凝体粘附而上浮至水面，生成泡沫层，然后将泡沫刮除，实现分离去除污染物质。在直流电作用下，正负两极产生的氢和氧的微气泡，将废水中呈颗粒状的污染物带至水面以进行固液分离。222HeH2224OOHeOH8.2.1.2.电解气浮法的气浮装置1、竖流式电解气浮池（图8—4）图8-4竖流式电解气浮池1-入流室；2-整流栅；3-电极组；4-出流孔；5-分离室；6-集水孔；7-出水管；8-排沉泥管；9-刮渣机；10-水位调节器109432716855排泥出水进水2、平流式电解气浮池（图8—5）平流式电解气浮装置的工艺设计①电流板块数式中：B——电解池的宽度，mml——极板面与池壁的净距，取100mme——极板净距，mm；e=15~20mmφ——极板厚度，mm；δ=6~10mmeeBn21图8-5双室平流式电解气浮池1-入流室；2-整流栅；3-电极组；4-出口水位调节器；5-刮渣机；6-浮渣室；7-排渣阀；8-污泥排除口i8b12385674L2L2BLH1②电极作用表面积（8—7）式中：Q——废水设计流量，m3/h。E——比流量，A·h/m3i——电极电流密度，A/m3③极板面积（8—8）④极板高度b=h1（气浮分离室澄清层高度）极板长度L=A/b（m）⑤电极室长度L2=L+2l（m）（8—9）)(2miEQSAhmmhAEQ33:)(12mnSA⑥电极室总高度H=h1+h2+h3（8—10）式中：h1——澄清层高度m，取1.0~1.5mh2——浮渣层高度m，取0.4~0.5mh3——保护高度m，取0.3~0.5m⑦电极室容积V1=BHL2（m3）⑧分离室容积V2=Qt，t——气浮分离时间，试验定，一般为0.3~0.75h⑨电解气浮池容积V=V1+V2（m3）8.2.2散气气浮法8.2.2.1微孔曝气气浮法（图8—6）图8--6扩散板曝气气浮法1--入流液；2--空气进入；3--分离柱；4--微孔陶瓷扩散板；5--浮渣；6--出流液345628.2.2.2剪切气泡气浮法（1）叶轮气浮设备构造（图8—7、8）121143556进水空气出水进水泡沫出水1097112368图8-7叶轮气浮设备构造示意1-叶轮；2-盖板；3-转轴；4-轴套；5-轴承；6-进气管；7-进水槽；8-出水槽；9-泡沫槽；10-刮沫板；11-整流板图8-8叶轮盖板构造513460o726叶轮旋转方向1-叶轮；2-盖板；3-转轴；4-轴套；5-叶轮叶片；6-导向叶片；7-循环进水孔2）叶轮气浮池的设计总容积W=αQt（m3）式中：Q——处理废水量，m3/mint——气浮时间，为16~20minα——系数一般1.1~1.4总面积式中：h——气浮池工作水深1.5~2m，而3m式中：H——气浮池中的静水压力ρ——气水混合体的容重，0.67kg/L式中：φ——压力系数，等于0.2~0.3U——叶轮的圆周线速度10~15m/s)(2mhWF)(2mHh)(22mgUH每座气浮池的表面积f（m2）采用正方形，边长L=6D（D——叶轮直径200~400mm）所以：f=36D2气浮池数目一个叶轮能吸入的水气混合体量q为：式中：α——曝气系数，试验确定，可取0.35叶轮转速叶轮所需功率式中：η约等于0.2~0.3fFm')/()1('601000SLmQqmin)/(60rDUn)(102KWHqN8.2.3溶气气浮法根据气泡析出时所处压力不同，溶气气浮法分为：溶气真空气浮：空气在常压或加压下溶入水中，在负压下析出。加压溶气气浮：空气在加压下溶入水中，在常压下析出。1、溶气真空气浮废气在常压下被曝气，使其充分溶气，然后在真空条件下，使废水中溶气析出，形成细微气泡，粘附颗粒杂质上浮于水面形成泡沫浮渣而除去。此法优点是：气泡形成、气泡粘附于微粒以及絮凝体的上浮都处于稳定环境，絮体很少被破坏。气浮过程能耗小。其缺点是：容气量小，布、不适于处理含悬浮物浓度高的废水；气浮在负压下运行，刮渣机等设备都要在密封气浮池内，所以气浮池的结构复杂，维护运行困难，故此法应用较少2、加压溶气气浮（1）工作原理在加压条件下，使空气溶于水，形成空气过饱和状态。然后减至常压，使空气析出，以微小气泡释放于水中，实现气浮，此法形成气泡小，约20～100μm，处理效果好，应用广泛。（2）加压溶气气浮工艺流程加压溶气气浮可分为：全溶气流程、部分溶气流程、回流加压溶气流程。全溶气流程（图8—9）图8-9全溶气方式加压溶气浮上法流程1-原水进入；2-加压泵；3-空气加入；4-压力溶气罐（含填料层）；5-减压阀；6-气浮池；7-放气阀；8-刮渣机；9-集水系统；10-化学药剂出水浮渣96857423101•部分溶气流程（图8—10）图8-10部分溶气方式浮上法流程1-原水进入；2-加压泵；3-空气加入；4-压力溶气罐（含填料层）；5-减压阀；6-气浮池；7-放气阀；8-刮渣机；9-集水系统；10-化学药剂压力表11032475869浮渣出水•回流加压溶气流程（图8—11）图8-11回流加压溶气方式流程示意图1-原水进入；2-加压泵；3-空气进入；4-压力溶气罐（含填料层）；5-减压阀；6-气浮池；7-放气阀；8-刮渣机；9-集水管及回流清水管6回流13247589出水3、加压溶气气浮系统的设计（1）溶气方式水泵吸入管溶气方式：水泵吸水管吸气、水泵压力管上的支管射流器吸气吸气量水泵流量的（7~8）%（体积比）图8-12水泵吸水管吸气、溶气方式13428561-回流水；2-加压泵；3-气量计；4-射流器；5-溶气罐；6-放气管；7-压力表；8-减压释放设备37765821(a)(b)•水泵压水管射流溶气方式：（图8—13）•一般形式内循环式射流加压溶气（图8—14）1264571-回流水；2-加压泵；3-射流器；4-溶气罐；5-压力表；6-减压释放设备；7-放气阀；图8-13水泵压水管射流溶气方式空气吸水图8-14内循环式射流加压溶气方式139681-回流水；2-清水池；3-加压泵；4-射流器Ι；5-射流器Ⅱ；6-溶气罐；7-水位自控设备；8-循环泵；9-减压释放设备；10-真空进气阀52Ⅰ47P2水流循环PP1空气循环空气吸入10（3）空气饱和设备：作用：在一定压力下将空气溶解于水中而提供溶气水的设备加压泵：溶入空气量V=KTP（L/m3水）式中：P——空气所受的绝对压力（Pa）KT——溶解常数，见表13—4设计空气量V’=1.25V（L/m3水）空气在水中的溶解量与加压时间关系溶气罐填充式溶气罐（图8—15）图8-15填充式溶气罐进水出水（3）溶气水的减压释放设备：要求微气泡的直径20~100um●减压阀（截止阀）每个阀门流量不同，气泡合并现象，阀芯、阀杆、螺栓易松动。●专用释放器（图8—16）TS型溶气释放器·0.15Mpa，释放溶气量的99%TJ型溶气释放器·在0.2Mpa以上低压下工作，净水效果良好TV型溶气释放器·气泡微细20~40um图8-16溶气释放器（a）TS型（b）TJ型（c）TV型接口(a)上接口下接口共8根辐射管接口(b)(c)（4）气浮池●平流式气浮池（图8—17）图8-17有回流的平流式气浮池1-溶气水管；2-减压释放及混合设备；3-原水管；4-接触区；5-分离区；6-集水管；7-刮渣设备；8-回流管；9-集渣槽；10-出水管1097654321860°●竖流式气浮池（图8—18）图8-18竖流式气浮池879546321QRQ1-溶气水管；2-减压释放器；3-原水管；4-接触区；5-分离区；6-集水器；7-刮渣机；8-水位调节器；9-排渣器●反应——气浮池（图8—19）●反应——气浮——沉淀池（图8—20）图8-19平流式气浮池（反应-气浮）原水溶气水排渣出水图8-20组合一体化气浮池原水集水溶气水排渣(反应--气浮--沉淀）排泥●反应——气浮——过滤池（图8—21）图8-21组合式一体化气浮池（反应-气浮-过滤）溶气水原水砂泵排渣出水（5）平流式矩形气浮池的设计设计参数：●H有效=2.0~2.5m；q=5~10m3/m2·h；t停留=10~20min；L/B=1：（1~1.5）●U上升（接触区下端）=20mm/s；U上升（接触区上端）=5~10mm/s；t停留≥2min；隔板角度600，隔板直段高度300~500mm●分离区U下=1~3mm/s（含溶气水回流量）式中：rCs相当于（8—15）式中的Sa[空气在水中的溶解度（L/L）与空气容重（mg/L）的乘积]r——空气容重，（mg/L）Cs——空气在水中的溶解度（mL/L，L/L）P——溶气压力，绝对压力；RQ——压力水回流量或加压溶气水量，m3/df——回流加压水空气饱合度，一般为（50~80）%量悬浮带入的悬浮固体总总量经减压释放的溶解空气SAa10001)1(RQfPrCsAS=QSa（kg/d）（8—17）式中：Sa——废水中悬浮颗粒浓度，kg/m3。相当于（8—15）式中的Co所以，气固比所以：一般可选用0.005~0.006；则剩余污泥浓缩时，一般采用0.03~0.04●废水中总固体量S=S1+S2+S3（8—20）式中：S1——原有的悬浮固体量S2——因投加化学药剂使原废水中呈乳化状的物质、溶解性的物质或