滚动轴承的故障诊断与剩余寿命预算 气浮中气泡粒径分布的实验研究

密 级 公开 学 号 070381 毕 业 设 计（论 文） 气浮中气泡粒径 分布的实验研究 院 （ 系 、 部 ） ： 机械工程学院 姓 名： 班 级： 环 071 班 专 业： 环境工程 指 导 教 师 ： 孔惠 教 师 职 称 ： 讲师 2011 年 5 月 27 日北京 北京石油化工学院 学位论文电子版授权使用协议 论文滚动轴承的故障诊断与剩余寿命预算系本人在北京石油化工学院 学习期间创作完成的作品，并已通过论文答辩。 本人系作品的唯一作者，即著作权人。现本人同意将本作品收录于“北京 石油化工学院学位论文全文数据库”。本人承诺：已提交的学位论文电子版与 印刷版论文的内容一致，如因不同而引起学术声誉上的损失由本人自负。 本人完全同意本作品在校园网上提供论文目录检索、文摘浏览以及全文部 分浏览服务。公开级学位论文全文电子版允许读者在校园网上浏览并下载全文。 注：本协议书对于“非公开学位论文”在保密期限过后同样适用。 院系名称： 机械工程学院 作者签名： 学 号： 070381 2011 年 6 月 17 日 北 京 石 油 化 工 学 院毕 业 设 计 （论 文） 任 务 书 学院（系、部） 机械工程学院 专业 环境工程 班级 环 071 学生姓名 指导教师/职称 孔惠/ 讲师 1.毕业设计（论文）题目 气浮中气泡粒径分布的实验研究 2.任务起止日期：2011 年 2 月 21 日 至 2011 年 6 月 10 日 3.毕业设计（论文）的主要内容与要求 （含课题简介、任务与要求、预期培养目标、原始数据及应提交的成果） (1)课题简 介 气浮法技术是国内外正在深入研究与不断推广的一种水处理新技术，目前 已广泛应用于工业废水、城市 污水和生活饮用水。尽管气浮工艺已应用于污水处 理多年, 但是对气泡特性的研究直到近年来才引起研究者的注意。进一步研究气 浮中气泡粒径分布的相关影响因素，再根据调节影响气浮工作的因素数值以实 现气浮的最佳运行效果，对 使气浮净化技术达到最佳效果具有重要意义。 (2)任务 与要求 本研究要求对气浮过程中气泡的粒径分布进行研究。建立以多项流泵德国 Edur泵为微气泡 发生装置的小型 实验装置；利用Mastersizer 2000 激光粒度仪，确 定采用激光衍射法测量粒径分布的方法；对气浮过程中影响气泡粒径分布的因素 如压力、真空度、 矿化度、表面 张力(PAC)、含油率等参数进行实验研究，综合分 析各种参数对气泡粒径大小及分布的影响，并结合理论分析对实验现象进行初 步解释。本 题目难易适中，工作量适中。能 够在一定程度上培养学生独立思考 问 题、解决 问题的能力。 (3)应提交的成果 检索资料：中文文献不少于 15 篇，英文文献不少于 3 篇； 英文翻译：英文字符不少于 2 万，译文字数不少于 5000 字； 研究论文：包括试验方案设计、相关试验数据、 试验现象及数据分析。 4.主要参考文献 (1)范欣,何利民 ,王鑫,等. 多相流泵溶气气浮中气泡粒径分布的实验研究J.工程 热物理学报.2010,31(7) :1159-1162 (2) 陈福泰,左华,李久义,等.新型气浮装置 ES-DAF 中气泡粒径分布的表征J.环 境科学, 2004, 25(1): 111-113 (3) 张东锋,多相流 泵溶气气浮处理含油污水的实验研究D:硕士学位论文.北京. 中国石油大学,2009 (4) Hudson J.B. Couto, Daniel G. Nunes, Reiner Neumann. Micro-bubble size distribution measurements by laser diffraction techniqueJ.Minerals Engineering, 2009, (22): 330-335 5.进度计划及指导安排 第 1 周 接受任务书，熟悉题目， 查阅文献。 第 2 周 补充文献查阅，撰写文献综述初稿。 第 3 周 完成文献综述及开题报告。制作 PPT，完成英文翻译。 第 4 周 制定实验方案，熟悉实验仪器， 购置实验耗材。 第 5 周 画 CAD 设计与定制实验装置。 第 6 周 定制实验装置进行调试运行。 第 7-8 周 不同溶气压力对气泡粒径的影响实验。 第 9 周 不同真空度对气泡粒径的影响实验。 第 10 周 矿化度对气泡粒径的影响实验。 第 11 周 表面张力(PAC)对气泡粒径的影响实验。 第 12 周 含油率对气泡粒径的影响实验。 第 13 周 对实验数据进行整理，补充实验，并 进行分形维数分析。 第 14 周 整理资料，撰写修改论文，提交 论文、原始数据等全部资料。 第 15 周 按照指导教师及评阅教师要求修改论文，制作 PPT，准备答辩。 第 16 周 答辩并完成答辩后的修改工作，提交全套资料。 任务书审定日期 年 月 日 系（教研室）主任（签字） 任务书批准日期 年 月 日 教学院（系、部）院长（签字） 任务书下达日期 年 月 日 指导教师（签字） 计划完成任务日期 年 月 日 学生（签字） 气浮中气泡粒径分布的实验研究 VI 摘 要 气浮净水技术是国内外正在深入研究推广的一种固液分离技术，广泛应用于炼油、 造纸、印染、制革、食品、机械等行业的工业废水处理及生活污水处理。本文在系统总 结气浮技术的发展和研究现状的基础上，根据加压溶气气浮装置结构简单、操作方便， 产生的气泡直径小、分布均匀的优点，以气浮分离理论为指导，设计构建了一套多相流 溶气泵加压溶气气浮实验装置，并对影响气浮处理效果的因素进行了实验研究。 在清水状况下，通过对真空度（进气量）和压力的调节获得气浮效果最佳参数范围。 一定的真空度下，压力越大，气泡粒径越小。加入矿化盐、PAC、煤油对气泡粒径有减 小作用，但达到一定浓度后影响不再显著，而起泡剂对气泡粒径并无明显影响。本实验 装置产生的气泡粒径范围在 3070um，当真空度 0.02MPa,出口压力 0.40.5MPa 时清水 气泡粒径可达到 40um 左右，而加入 PAC、煤油的气泡粒径可达到 25 um 左右。此外利 用分形维数来表征气泡密度的相对量大小，实验表明在确定较小粒径的情况下，混合物 的分形维数大于清水。 马尔文激光粒度仪测量方法简便易行，数据可靠性强，获得的粒径分布参数范围较 为理想。总之，本次的工作为气浮技术的更广更好应用提供了一定的基础理论指导。 关键词：气浮，气泡粒径分布，激光粒度仪，气液多相泵，分形维数 气浮中气泡粒径分布的实验研究 VII Abstract Air flotation technique of water purification, as a kind of solid-liquid separation technique, has just been in thorough research and expansion at home and abroad. It is extensively used for waste sewage treating and domestic sewage treating in oil refining, paper making, printing and dyeing, foodstuff and machinery, etc. In the thesis, a systematic summary of the development of flotation technology and the research status quo is presented. In view of the advantages of pressurized dissolved air flotation such as simple structure, easy operation, small bubbles and even distribution of the bubbles, a set of pressurized dissolved air flotation apparatus is constructed with a multiphase pump as its air-dissolving device. And the main factors which influence the effect of air flotation are studied in-depth. In the pure water, regulating through the vacuum (gas flow) and pressure can obtain the best parameters range of flotation. At a certain vacuum, the higher the pressure, the smaller the micro-bubble size is. The adding of salinity, PAC and kerosene can reduce the particle size of the micro-bubble, but after a certain concentration it has no obvious effect as before, however, foaming agents have no significant effect on the micro-bubble size. The micro-bubbles size generated by the experimental device is in the range of 30um 70um, when at vacuum 0.02MPa, outlet pressure 0.4 0.5MPa, micro-bubble size distribution can be achieved at an optimum state of 40um, while adding of PAC and kerosene it even reach to 25 um. In addition, fractal dimension can be used to characterize the size of bubbles relative density . The experiment shows that when the condition is determined by the requirement of smaller particle size, the mixture of the fractal dimension is larger than pure water. Malvern laser particle size analyzer has an advantage of its simple operation and reliable data when measuring micro-bubble size distribution to achieve ideal size parameter range. Above all, all the work involved in the paper provides certain fundamental theoretical instruction for local development of air flotation technique. Key words: air flotation, micro-bubble size distribution, multiphase pump, laser particle size analyzer，fractal dimension 气浮中气泡粒径分布的实验研究 III 目 录 第一章 前 言 1 1.1 选题背景 1 1.2 气浮净水技术的发展 1 1.2.1 气浮净水技术的发展历程 .2 1.2.2 气浮净水技术简介 .3 1.2.3 新型气浮设备简介 .6 1.3 气浮理论体系 7 1.3.1 热力学理论 .7 1.3.2 动力学理论 .7 1.3.3 流体力学理论 .9 1.3.4 气浮发生的过程 .10 1.4 本文研究的主要内容 .14 第二章 实验装置及测试方法 .16 2.1 实验装置 .16 2.1.1 气浮系统的选定 .16 2.1.2 关键设备型号的确定 .19 2.2 气泡粒径的测量 .20 2.2.1 测量方法 .20 2.2.2 马尔文激光粒度仪简介 .21 2.2.3 斯托克斯法求气泡粒径 .27 2.3 气泡浓度的测量 .27 2.3.1 数学方法计算气泡分形维数 .27 2.3.2 软件分析计算气泡分形维数 .29 第三章 气泡粒径分布的清水实验研究 .30 3.1 实验操作流程 .30 3.2 压力对气泡粒度的影响 .32 气浮中气泡粒径分布的实验研究 IV 3.3 真空度对气泡粒度的影响 .38 3.4 斯托克斯公式法求气泡粒径 .42 3.4.1 气浮柱观察求气泡粒径 .42 3.4.2 量筒观察求气泡粒径 .46 3.5 显微摄像法测气泡粒径 .48 3.6 分形维数的比较 .49 3.7 小结 .51 第四章 不同物质对气泡粒径分布影响的实验研究 .52 4.1 矿化度对气泡粒径的影响 .52 4.1.1 矿化度简介 .52 4.1.2 实验操作流程 .53 4.1.3 实验数据 .53 4.1.4 数据分析 .56 4.2 PAC 浓度对气泡粒径的影响 56 4.2.1 PAC 简介 .56 4.2.2 实验操作流程 .58 4.2.3 实验数据 .58 4.2.4 数据分析 .61 4.3 起泡剂对气泡粒径的影响 .61 4.3.1 起泡剂简介 .61 4.3.2 实验操作流程 .61 4.3.3 实验数据 .62 4.3.4 数据分析 .65 4.4 含油率对气泡粒径的影响 .65 4.4.1 煤油简介 .65 4.4.2 实验操作流程 .65 4.4.3 实验数据 .66 4.4.4 数据分析 .68 4.5 小结 .68 气浮中气泡粒径分布的实验研究 V 第五章 结论与展望 .52 5.1 结论 .72 5.2 对进一步研究的展望 .72 参 考 文 献 74 致 谢 76 附录 177 附录 285 声 明 87 气浮中气泡粒径分布的实验研究 - 1 - 第一章 前 言 1.1 选题背景 近年来，全球的环境污染不断恶化，其中水源的不断污染越来越成为一个国 家发展刻不容缓的问题。环保部 2010 年 4 月 21 发布的最新数据：2008 年我国废 水排放总量为 571.7 亿吨，比上年增加了 2.7。污水排放量很大，但污水处理率 低：工业废水处理率约 80 ，达标排放的只有 60。90以上的城市水域受到 污染，50左右地下水水质受到污染，50以上的重点城镇的饮用水源不符合标 准 1。2011 年 5 月 13 日，国家海洋局在京召开新闻发布会，发布2010 年中国 海洋环境状况公报 2。 该报告指出：相比 2009 年海洋赤潮、绿潮灾害有所减轻， 但是海上溢油事故风险加剧。2010 年 7 月 16 日大连新港石油储备库输油管道爆 炸造成大量原油泄漏入海，事故邻近海域和部分敏感功能区受到不同程度影响。 如今随着石油工业的发展，陆地油田的不断耗竭，海洋石油产量，尤其是在过去 20 年间，其占全球石油总产量中的比重已从 20%上升到 30%以上了。与陆上油田 一样，海上油田的油井产出液中也不可避免地含有大量的地层伴生水。 20 世纪 80 年代初，国内第一套由同济大学设计的日处理 l000t 规模的气浮 装置，用来处理印染废水获得了成功，标志我国气浮设备的研制与开发迈上了一 个新的台阶。气浮技术因其在造纸白液的纤维回收、含油废水的处理；印染、化 工、轻工、食品、制药等工业废水物化处理；各类生物处理中生物絮体与水分离 (代替二沉池 )等方面的适用以及具有处理效率高、效果好、对水质适应广等优点， 正在得到深入研究和不断推广。在净水工艺中的应用，气浮技术的进展一直不大， 原因在于气泡的尺寸很难控制，后来国外出现了专用释放器，有各种形式的喷嘴、 针形阀等，在国内也得到了应用。70 年代以后，人们改善了溶气方法，解决了溶 气释放中产生的气泡尺寸及其数量这个关键性难题，气浮净水技术才得以采用和 逐步推广。1905 年，美国专利刊出了加压溶气技术。1907 年，H.Norris 发明了喷 射溶气气浮技术。因此，气浮技术的发展，尤其是针对其中的气泡尺寸及其数量 问题的研究，将大大改善水质的处理效果，符合现代人对水质的追求，也将给我 们的生活质量带来巨大的影响。 1.2 气浮净水技术的发展 气浮中气泡粒径分布的实验研究 - 2 - 1.2.1 气浮净水技术的发展历程 气浮法是一种历史悠久的固液分离技术，气浮净水技术在国内外应用广泛。 其原理是通过某种方式向废水中通入空气，并以微小气泡的形式从水中析出，然 后以此为载体，粘附废水中的乳化油、微小悬浮颗粒等污染物质，使其随气泡一 起上浮到水面，形成泡沫气、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。 气浮技术最早应用于矿冶工业，其方法是先把矿石磨碎成粉粒，加水制成悬 浊液，然后加入浮选剂，并通入气泡，使矿石中有用的成份粘附在气泡周围而向 上浮起，不能粘附在气泡上的杂质则下沉，从而达到富集有用矿石的目的 1。由 于它可用于固体与液体，液体与液体，水中不同的固体与固体甚至溶液中离子的 分离，而且这种分离技术具有设备简单，分离速度快等特点。因而近年来这种技 术理论和应用的研究引起了越来越多的水处理和分析化学等科学工作者的广泛关 注。 在水处理领域中，早在 1920 年，C.L.PECK 就考虑用气浮法处理污水，1930 年瑞典某造纸厂曾试用一种将空气在压力下溶解于白水的水处理中，但上述实验 结果均未公开发表和引起足够重视。直到 1943 年汉森和高雷斯的英文排水杂志 上才公开发表了有关气浮法处理污水的文章。在 60 年代，美国出现溶气气浮处 理污水的报道，1960 年，第一台叶轮气浮净化器出现在美国长滩油田。 上世纪 60 年代以前，气浮技术发展较慢，很少见其研究和应用的报道，究 其原因主要是制造微气泡的技术没过关，特别是采用分散空气气浮时，产生的气 泡不够微细，颗粒的粘附能力很差，大气泡还会产生严重紊流而撞碎絮体。我国 是最早研究气浮技术的国家之一。随着工业的发展，特别是石油工业的发展，气 浮净水技术被世界各国广泛用于炼油、石油开发、化工、造纸等行业。1963 年哈 尔滨建工学院在对齐齐哈尔钢厂煤气发生站含酚废水进行预处理除油研究中用过 射流浮选，试验除油效率为 80%左右。大庆油田设计院在 19631965 年期间，曾 在东油库污水站用自制的叶轮浮选机进行过气浮试验，除油效率达到 99 .7%，但 当时考虑到无定型的叶轮浮选机产品，且混凝除油也有较好的效果，因此从 60 年代到 80 年代中期，油田开发业一直没用气浮法处理含油废水。我国在 60 年代 末已有压力溶气装置应用于食盐溶液的净化和石油废水的处理。70 年代气浮技术 迅速发展，当采 气浮中气泡粒径分布的实验研究 - 3 - 用部分回流溶气气浮法时气法时，显著改善了气浮的地位。 在水处理技术中，气浮法(也称浮上法)固-液或液- 液分离技术已广泛地应用在 下述几个方面： 1. 在饮用水处理上，浮上法已成功地应用在处理低浊度、含藻类及一些浮游 生物的水处理工艺中。 2. 用于石油、化工及机械制造业中的含油(包括乳化油)污水的油水分离中。 3. 用于有机及市政污水的物化处理工艺中。 4. 用于废水中有用物质的回收，如造纸厂纸浆纤维及填料的回收工艺。 5. 与有机废水生物处理相配合用浮上法代替二次沉淀池，特别对于那些易于 产生污泥膨胀的生物处理工艺中，可保证处理工作的正常运行。 6. 已研究应用在对污水处理厂剩余污泥进行气浮浓缩的处理工艺 3。 1.2.2 气浮净水技术简介 气浮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 接近于水的微小悬浮颗粒。根据气泡产生方式的不同，气浮法可分为电解气浮、 散气气浮和溶气气浮法三种，其中部分回流水加压溶气气浮法是一种国内外常用 的气浮方法。此外，还有生化气浮、离子气浮等 4。 (1) 电解气浮 电解气浮法是向水中通入 510V 的直流电压，废水在直流电压的作用下电解 产生 H2、O 2 和 CO2 等的微小气泡。利用电解法产生的气泡密度小，直径 1060 um，浮升过程中不会引起水流紊动，浮载能力大，特别适用于脆弱絮凝体的分离。 如果采用铝板或钢板作阳极，则电解溶蚀产生的 Fe2+和 A13+离子经过水解、聚合 及氧化，生成具有凝聚、吸附及共沉作用的多核轻基络合物和胶状氢氧化物，有 利于水中悬浮物的去除。但由于存在电耗较高，电极板易结垢等问题，目前该法 主要用于小规模的工业废水处理和污泥浓缩中。电解气浮除用于固液分离外，还 有降低有机物、氧化、和杀菌作用，对废水符合变化适应性强，生成污泥量小， 占地面积少，不产生噪声。 (2) 机械搅拌气浮 机械搅拌气浮是利用机械剪切力，将混合于水中的空气粉碎成细小的气泡， 以进行气浮处理的方法。按粉碎气泡方法的不同，散气气浮又分为：水泵吸水管 吸气气浮、射流气浮、扩散板曝气气浮以及叶轮气浮等。 气浮中气泡粒径分布的实验研究 - 4 - 叶轮气浮法是机械搅拌气浮中最常用的一种，其基本原理为：依靠叶轮的高 速旋转形成的负压，吸入气体并将其剪碎，形成微小的气泡，利用气泡携带污水 中的污染物质上浮至水面，以净化污水。叶轮高速旋转时，在固定的盖板下形成 负压，气体从进气管中吸入，进入水中的气体与循环水流一起被叶轮充分搅拌， 在叶轮剪切力作用下，气体被剪碎为微细的气泡并与循环水流一起甩出导向叶轮， 经过稳流板消能，气泡携带污染物质垂直上升，进行气浮处理。 叶轮气浮法的气浮效果取决于叶轮的转速、浮选剂的投加量和污水在浮选池 内的停留时间。叶轮的转速愈高，产生的负压越高，吸入的气量大，并且能够将 其剪切成更小的气泡而有利于气浮处理。但转速过高时，提高了油珠和悬浮物的 乳化程度，使其以更细小的颗粒存在于水体中，这样反而会使处理效果下降。浮 选剂的投加一方面减弱了絮体表面的亲水性，增强其疏水性，以利于气泡与絮体 的粘附作用，另一方面降低了气、水界面的界面张力，减小了气泡之间相互兼并 的几率，使细小气泡能够稳定地存在于水体中。 污水在浮选池中的停留时间，直接影响着气泡与絮体及气泡之间的碰撞接触 时间，在气浮处理中，存在着三种不同的碰撞和粘附作用：气泡与絮体之间； 气泡与气泡之间；携带气泡的絮体之间。后两种粘附作用会降低水体中的气 泡密度，破坏已上升的絮团结构，而不利于气浮处理。如果停留时间太短，粘附 气泡的絮体未能上浮至水面就随着出水流出，处理效果不理想；停留时间过长时， 气泡之间与携带絮体的气泡之间的兼并量增大，也会降低气浮处理的效果。 (3) 加压溶气气浮 溶气气浮是使空气在一定压力下溶于水中并呈饱和状态，然后使废水的压力 骤然降低，这时空气便以微小的气泡从水中析出并进行气浮。这种方法形成的气 泡直径只有 80u m 左右，而且可以人为控制气泡与废水的接触时间，因而处理效 果远比散气气浮好，应用也更为广泛。 根据气泡从水中析出时所处的压力不同，溶气气浮又可分为两种方式：一种 是溶气真空气浮，空气在常压或加压下溶于水中，而在负压下析出；另一种是加 压溶气气浮，空气在加压下溶入水中，而在常压下析出。 加压溶气气浮广泛地应用于含油污水的处理，通常作为隔油后的处理和过滤 或生化处理前的预处理，其气浮装置一般应包含加压溶气系统、微气泡发生系统 和悬浮物分离系统等。其中，微气泡发生系统的溶气释放器只有产生微气泡的密 气浮中气泡粒径分布的实验研究 - 5 - 度较高，才能提高气浮的净水效果。同济大学于 1978 年研制成功 TS278 型低压溶 气释放器，陈林峰于 1999 年研制成功高效溶气释放机 4。 根据加压方式的不同，加压溶气气浮法具有三种不同的基本流程：全流程溶 气气浮、部分溶气气浮和部分回流溶气气浮。 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，然后通过减压阀释放将溶气废水送入气浮池。减压 释放后的溶气废水在气浮池内形成许多小气泡，粘附废水中的乳化油滴或悬浮物 颗粒，一起上浮至水面，在水面上形成浮渣。用刮板将浮渣排入浮渣槽，最后经 浮渣管排出池外。处理后的净化水通过溢流堰和出水管排出。其特点为： 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，比部分回流溶气气浮所需的气浮池小，减少了 基建投资； 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它两种流程大，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低； 气浮池的大小与全流程溶气气浮相同，但较部分回流溶气气浮小。 部分回流水溶气气浮法是取一部分处理后的净化水回流进行加压溶气，溶气 水释放后直接进入气浮池，与气浮池内的含油废水混合，进行气浮处理。回流水 量一般为废水的 25%50%。目前该溶气气浮法应用比较广泛，具有以下特点： 空气溶解度大，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，对液体扰动小； 工艺过程及设备比较简单，便于管理和维护； 处理效果显著，出水水质稳定； 气浮过程中不促进油滴的乳化。 不加絮凝剂的情况下，溶气气浮法可以有效去除大于 40 um 的油滴，对于大 量分散的细小油滴和亲水性悬浮颗粒，其去除效果却很差。向待处理污水中加入 气浮中气泡粒径分布的实验研究 - 6 - 适量 的絮凝剂可以使细小的颗粒聚结变大，同时改善悬浮颗粒的亲水、亲油性，从而 提高气浮处理效果。A.I.Zouboulis 等 5利用溶气气浮装置处理油水乳状液，以氯化 铁为絮凝剂，在最佳运行状态下，乳化油滴的去除率大于 95。Malik L.Hami 等 6在溶气气浮法处理炼油厂污水中加入活性炭粉末，取得了良好的处理效果。 1.2.3 新型气浮设备简介 然而，随着研究的不断进展又相继出现了新型高效气浮设备如：涡凹气浮 (Cavitation-Air Flotation)、 EDUR 型高效气浮装置 (EDURs DAF System)、浅层气 浮设备等。 (1) 涡凹气浮 (Cavitation-Air Flotation) 其工作原理是未经处理的污水首先进入装有专利涡凹曝气机的小型充气段。 污水在上升的过程中通过充气段，絮体和悬浮物与微气泡充分混合接触，由于气 固混合物和液体之间存在密度差，以至产生一个垂直向上的浮力，将固体悬浮物 带到水面。上浮过程中散气泡附着到悬浮物上，到达水面后固体悬浮物便依靠这 些气泡支撑和维持在水面，通过连续移动的链条刮渣机刮到污泥槽中去除。1997 年 3 月美国麦王公司引进首台 CAF 涡凹气浮系统，在中国昆明第二造纸厂废水 处理厂成功投入并运行成功，结束了中国废水处理中一直沿用压力溶气气浮(DAF) 的历史。 (2) 浅层气浮设备 浅层气浮出现是气浮净水技术的一个重大突破。它改静态进水，动态出水为 动态进水，静态出水，利用“零速度” 原理，使浮选体在相对静止的环境中垂直浮 至水面，上浮路径减至最小，且不受出水流速影响。该技术的特点如下： 溶气水质量很高，其气泡直径一般在 10m 左右，这就大大增加了微气泡 与悬浮物 SS 的接触面积和接触点，有利于上浮作用。实践证明：气泡直径越小 越不易破裂，这就避免了上浮过程中及上层浮出物因气泡破裂造成悬浮物重新下 沉的癖病。超效浅层气浮的第一个关键技术是溶气水的制造。其溶气管构造独特， 是其专利技术，体积很小，但溶气效果很好，这是其优于其他气浮形式的关键所 在。 池子很浅，一般水位控制在 400600mm 左右，大大缩短了气浮时间，一 般 35min 即可完成气浮过程，因此气浮效率比射流深池气浮提高 5 倍以上。 气浮中气泡粒径分布的实验研究 - 7 - 布水均匀，且释放出的水直接上升，基本无横向流动，避免了横流对上浮 作用的影响。 靠近池底部有连续运转的沉淀物清除刮板，便于沉淀物及时清除，保证了 池 底干净及有效气浮水深。 (3) EDUR 型高效气浮装置(EDURs DAF System) EDUR 型高效气浮装置吸收了 CAF 切割气泡和 DAF 稳定溶气的优点，如图 1-1 所示，整套系统主要由溶气系统、气浮设备、刮渣机、控制系统和配套设备等 组成。传统部分回流 DAF 系统的用户都会遇到溶气水不稳定，去除效果不稳定 的现象，这主要原因是回流水与空气在溶气管中形不成溶气水，而从溶气管视镜 中只看到浮选剂的泡沫。有时溶气管压力高达 0.4MPa，而释放出来的溶气水不是 大的气泡，就是细小的水珠；有时看起来是乳白色的溶气水，而其实是浮选剂的 泡沫，根本达不到净化目的。EDUR 型高效气浮装置不会因为回流水浮选剂太多 而造成难以形成溶气水的后果，同时也克服了一般气浮所需回流水泵溶气压力、 溶气率低的缺点。 1.3 气浮理论体系 随着气浮理论的不断丰富和发展，逐渐演变分化出三大理论体系：热力学理 论、动力学理论和流体力学理论，分别从不同的角度对气浮过程，气泡/颗粒的粘 附机理进行了阐述。 1.3.1 热力学理论 热力学理论从接触角和表面自由能的角度入手，研究絮体颗粒与微气泡的粘 附 机理。该理论认为：压力溶气水减压释放后形成的微气泡，其外层包裹着一层透 明的弹性水膜，除排列疏松的外层（流动层）泡膜在上浮过程中受浮力和阻力的 影响而流动外，其内层(附着层)泡膜与空气一起构成稳定的微气泡而上浮；经过絮 凝剂脱稳形成的具有柔性网络结构的絮粒，保留有一定的过剩自由能和憎水基团； 二者之间的粘附结合过程是体系自由能降低的热力学自发过程。 1.3.2 动力学理论 气浮中气泡粒径分布的实验研究 - 8 - 动力学理论从粘附行为的微观过程入手，研究絮体颗粒和微气泡的粘附速度 问题。气泡和絮粒的粘附结合主要是以下几种因素综合作用的结果 8： (1) 絮粒的网捕、包卷和架桥作用 絮粒对气泡的网捕是指两絮粒相互接触并结合变大时，将游离在中间的自由 气 泡网捕进去，如图 1-1A 所示；包卷是指动能较大的微气泡撞进大絮粒网络结构的 凹槽内，被游动的絮粒所包卷，如图 1-1B 所示；架桥作用指己粘附有气泡的絮粒 之间相互接触时，通过絮粒、气泡或两者的吸附架桥而结合变大，成为夹泡性带 气絮粒，如图 1-1C 所示。 A 网捕 B 包卷 C 架桥 图 1-1 絮粒的网捕、包卷和架桥作用 (2)气泡絮粒碰撞粘附 由于絮粒与微气泡带有一定的憎水性能，比表面积又很大，并且有剩余的自 由界能。因此，它们具有相互吸附而降低各自表面自由能的倾向。在一定的水力 条件下，当具有足够动能的微气泡和絮粒相互靠近时，通过分子间的范德华引力 而相互吸附，并且彼此挤开对方结合力较弱的外层水膜相互靠近，气泡可以粘附 在絮粒外围，也可挤开絮粒中的自由水面而进入内部。絮粒与气泡的粘附点越多， 粘附得越牢，如图 1-2 所示。气体与絮粒的碰撞机理包括布朗运动、截留作用和 重力沉淀作用及惯性作用。 气浮中气泡粒径分布的实验研究 - 9 - 图 1-2 气泡与絮体的碰撞粘附作用 (3)微气泡与微絮粒间的聚并。微气泡与絮粒碰撞粘附形成带气絮体，这种有 微气泡直接参与凝聚而与絮粒聚并长达的过程称作共聚作用。气泡与絮体的粘附 方式包括三种：单气泡粘附单絮体、气泡粘附在絮体周围及气泡粘附在絮粒中间 和周围。理想的带气絮体应该将气泡包含在絮体内部，这种絮体在上浮过程中， 气泡不会脱落，并继续聚并长大，成为浮渣后也不会轻易下沉，最能够充分发挥 气泡与絮粒的共聚作用。 (4)表面活性剂的参与作用。水中存在表面活性剂时，会影响微气泡的大小和 牢度。洁净的气泡本身具有自动降低表面自由能的倾向，即气泡合并作用。因此， 表面张力大的洁净水中的气泡常常不能达到气浮操作所要求的极细的分散度。此 外，如果水中表面活性物质很少，气泡壁表面就会由于缺少两亲分子吸附层的包 裹而变薄；当气泡浮升到水面以后，水分子很快蒸发，极易使气泡破灭，这样， 在水面上就无法形成稳定的气泡泡沫层。为了防止这些现象的产生，当水中缺少 表面活性物质时，需要向水中投加表面活性剂以减小液体的表面张力。但是，表 面活性剂也会影响絮体的憎水性能，进而影响气浮净水效果。当水中的表面活性 剂剂量适中时，絮体的附加憎水基团增加，因此会提高净水效果，但表面活性剂 剂量过高时，过量的表面活性剂又会在水中形成大量的胶束，并稳定存在于水中， 导致气浮效果变差。 对粘附结合现象的理解可以借助动力学模型，主要有群体平衡理论模型和轨 迹理论模型。该模型指出了气浮运行效果主要受混凝预处理参数和气浮设计参数 气浮中气泡粒径分布的实验研究 - 10 - 的影响。Kitchener、Tambo 等 7从 电位和水化层方面研究，探讨其粘附条件， 并且提出了相应的数学模型。单忠健等 8从“分离压” 的基本概念出发，通过气泡与 絮粒间残留水化层性能的测定和计算，探讨了气泡与絮粒粘附过程的机理。罗固 源 9从界面自由能出发，通过水、气、粒三相界面总自由能的变化计算，探讨了 气泡与絮粒粘附时，絮粒与水的接触角与粘附之间的关系，研究了气泡与絮粒粘 附过程的条件。 1.3.3 流体力学理论 流体力学理论从气浮池的水力学特征入手，研究如何创造气泡与絮体粘附、 分离的水力条件。气浮池的形状因此也经历了从狭长矩形浅池，逐步发展到圆形 深池；气浮池的表面负荷也从 23m/h 增大到 2540m/h(甚至更高)；更为重要的是， 气浮池分离区的流态由原来的层流转化为紊流。在这期间，浮滤池、浮沉池、紊 流气浮池等应运而生。 近年来，J.Haarhoff 10、N.S.J.Fawceet 11、M.Lundh 12等用计算流体力学(CFD)对 气浮池内水流特征进行观测和模拟，发现分离区上部存在分层流和三维流动，水 力条件对净水效果的重要性认识正逐渐深化。 综上所述，气浮技术的三大理论体系中，动力学理论从粘附行为的微观过程 入手，研究絮粒成长过程，及气泡、絮粒的碰撞粘附过程，而这些过程直接影响 到气浮处理的效果，因此可以预见对这一领域的研究在未来的很长一段时间内都 将是气浮理论研究的重要内容。 1.3.4 气浮发生的过程 在气浮法处理含油污水中，气浮发生的整个过程包括四个基本阶段：气泡的 产生；气泡和油滴/絮粒的接触；气泡和油滴/絮粒的粘附；气泡油滴/絮粒共聚 体的上浮，撇渣去除。 (1)气泡的产生 气泡产生的方式主要有三种： 向水中通入直流电压，电解产生微气泡，称为电解气浮； 通过气体和液体的机械混合产生微气泡，称为扩散气浮，或散气气浮； 高压下将气体溶解于水中，形成溶气水，然后在常压下释放形成大量微气 泡，称为溶气气浮。 气浮中气泡粒径分布的实验研究 - 11 - 2*1 31()2KEKobr 气泡的产生方式决定了所产生的气泡的直径和密度，而气泡的直径和密度又 决定了气泡和油滴/絮粒的碰撞效率，因而气泡的产生方式直接影响到气浮的处理 效果。 (2)气泡和油滴/絮粒的接触 气浮过程中，气泡和油滴/絮粒必须进行接触，才能发挥气泡的作用。气泡和 油滴/ 絮粒的接触过程是一个基本的水动力学过程。因为一般情况下，油滴 /絮粒和 气泡的密度比水小，相对于水来说比较容易上浮。通常，气泡的直径要比油滴的 直径大，气泡与水的密度差也比油滴/絮粒与水的密度差大，由于这两个原因的存 在，气泡比油滴/絮粒的上浮速度更快，可以超越油滴 /絮粒，这引起了气泡油滴 /絮粒相互接触的可能性。另外，在某个运动气泡的周围存在液体的流动，从而引 起油滴/絮粒的偏离，运动气泡与油滴/絮粒的偏离将会降低其接触的可能性。 对于比水的密度大的固体颗粒的水动力学问题，目前已经有了大量的数学研 究，因为该领域由于气浮选广泛应用于矿产工业分离多种矿物而受到了很大的关 注。固体颗粒与水的分离和油滴/絮粒与水的分离不同，固体颗粒通过泡沫下沉， 而油滴/絮粒更易于上浮。不过固体颗粒与水的分离的一些研究结论还是可以推广 到油滴/絮粒与水的分离。 对于气泡和颗粒接触过程的研究，主要应集中在影响接触过程的参数，以及 如何使这一过程最优化。在数学上，这些是通过确定气泡颗粒接触效率的函数 依赖来完成的。此处的接触效率定义为：运动路径上，经过气泡并与气泡实际接 触的部分颗粒与路径上颗粒总数的比值。 Flint 和 Howarth 计算出了在含有空间上均匀分布的颗粒的无限水的接触效率。 计算结果表明，忽略惯性的小颗粒(如直径500 um 的油滴发生接触，因为颗粒的 密度比水小。然而该研究认为，必须指出可以忽粒的集合，因而将接触定义为： 颗粒中心轨迹线与气泡表面相交。这一颗粒表面，因颗粒的中心经过气泡附近， 而与气泡发生接触的可能性。Reay 和 Ratcliff 在研究中假设了颗粒的惯性不起主 导作用，而且小的影响，认为颗粒与气泡都存在于斯托克斯流动体系中。其接触 效率 (1-1) 其中 气浮中气泡粒径分布的实验研究 - 12 - 334(2)bxrf (1-2) (1-3) Reay 和 Ratcliff 的研究结果表明，接触效率随着颗粒直径的增大而急剧增大。 而且，在给定含气量的情况下，气泡密度随着气泡直径的此，减小气泡的直径， 气泡的数量增加，而且单个气泡的接触效率增加粒去除率。Reay 和 Ratcliff 分析 认为，颗粒的去除率与 成比例。因为 Reay 和 Ratcliff 的研究中，假设的斯托 克斯流动仅当气泡直径100um 时才有效，限制了计算的准确性，而且分析中忽略 了单个气泡的影响。为了更好的理解气泡和颗粒的直径及气泡的密度对接触效率 的影响简单的几何模型，该模型不考虑水的动力，认为直径相同的气泡均匀分布 单个气泡可以认为是在边长为 2b 的立方体的中心。使 的值 最小化，将会使立方体内的油滴/絮粒与气泡发生接触的可能性最大化。因为 (1-4) (1-5)31)6boooxrf 通过上面的公式可以得出，使 、 和 将会使的 的值达到最这也说明了拥b 有高浓度的小气泡和大直径的油滴/絮粒是很重要的。 (3)气泡和油滴/絮粒的粘附 为了使气浮的过程顺利完成，气泡和油滴/絮粒接触后，油滴必须粘附到气泡 的表面，并且维持粘附的状态直到气泡上升至水面。这一过程是非常复杂的，涉 及到了水动力学特性和表面化学特性。 油滴和气泡之间存在一层很薄的水膜，这层水膜必须足够薄，并且破碎后才 能油滴和气泡发生实际的接触。水膜破碎的过程必须发生在油滴和气泡接触的时 间内，否则将不会发生粘附。因此只有一小部分与气泡发生接触的油滴会真正粘 附到气泡表面。这部分油滴与实际发生接触的油滴总数的比值定义为气泡与油滴 的粘附效率。粘附效率与接触效率的乘积给出了系统整体除油率。气泡和油滴之 间的薄膜变薄的过程非常复杂，包含了施加于薄膜最初带动两个颗粒相互靠近而 后又倾向于使其分离的水动力与薄膜界面边界条件之间的相互关系。气浮池内的 水力条件和油滴与气泡附近的水动力学特点决定了粘附的水力特性，而接触表面 *2(1)()OKf/()/oborr 气浮中气泡粒径分布的实验研究 - 13 - 213dvmFt1agV2wF (1-10)2()wagVvCA 的边界条件是由表面化学特性决定的。大量研究表明表面电荷、界面张力、界面 张力梯度和表面粘度，都是影响薄膜化进程重要因素。 (4)气泡油滴/絮粒共聚体的上浮 油滴/絮粒与气泡一旦粘附到一起，就必须保持这种粘附状态，直到上升至水 面，这样粘附过程才能算是有效的。气泡-油滴/絮粒共聚体在水中上浮，受到重力 、浮力 和阻力 等外力的共同作用，其基本方程式为 20：1F23 (1-6) (1-7) (1-8) (1-9) 假设，气泡、油滴/絮粒粘附结合形成的共聚体在开始聚集的一瞬间，便达到 受力平衡，加速度为零，即 ，共聚体匀速上浮，其受力分析图如图 1- 3 所示。 假设气泡-油滴共聚体为球形，直径为 d，则其上浮速度为： 其中： 气泡-絮体共聚体上浮速度，m/s；v 气泡-絮体共聚体质量，kg；m 时间，s；t 气泡-絮体共聚体的密度，kg/ ；a3m 水的密度，kg/ ；w3 重力加速度， m/ ；g2s 阻力系数；C 20wdvVCAtvdt 气浮中气泡粒径分布的实验研究 - 14 - 24ecR 在水流方向上气泡-絮体共聚体的投影面积， 。A 2m图 1-3 气泡油滴/絮粒共聚体受力分析图层流区， 1，阻力系数与雷诺数的关系为：eR 代入(1-10)式，得出上浮速度为： (1-11) 过渡区， =101000，由过渡区公式得上浮速度为：eR (1-12) 式中 为水的运动粘度。 牛顿阻力平方区， 在 1000250000，C=0.4 ，代入 (1-10)得上浮速度为：eR (1-13) 由此可知，水与气泡-油滴/絮粒共聚体的密度差、共聚体的直径及水的流动状 2()18wagvd230.2()wadv1.83.wavgd 气浮中气泡粒径分布的实验研究 - 15 - 态是决定气泡-油滴共聚体颗粒上浮速度的主要因素。如果水流的流态确定，共聚 体粘附的气泡数量越多，则共聚体颗粒直径越大、密度越小、与水的密度差也越 大，从而上浮速度也将增大。 从以上对气浮发生过程的介绍可知，气泡的产生方式决定了产生的气泡的大 小和密度，而气泡的大小和密度可以直接影响气泡和油滴/絮粒的接触和粘附效率， 以及气泡油滴/絮粒共聚体上浮的速度。因此，目前来说改进气泡的产生方 式是改善气浮装置、提高气浮处理效果最直接有效的方法。 1.4 本文研究的主要内容 不同于一般矿物浮选的固液气三相分离，污水的净化处理技术不仅要求固液 气三相分离，更是对像含油废水这种液液气三相的分离提出要求。呈前所述， EDUR 气浮装置是一种高效的气浮