气浮的原理及类型

气浮的原理及应用一、气浮的基本原理1.1气浮简介气浮是气浮机的一种简称，也可以作为一种专有名词使用，其主要目的是利用高度分散的微小气泡为载体去粘附废水中疏水性颗粒，将小气泡和颗粒视为一个整体，其整体密度小于水而上浮到水面，从而实现固一液或者液一液别离的过程。1.2界面张力与润湿接触角首先介绍几个基本概念。〔1〕亲水性：如果颗粒易被水润湿，则称该颗粒为亲水性的；〔2〕疏水性：如果颗粒不易被水润湿，则是疏水性的；〔3〕润湿接触角：在静止状态下，当气、液、固三相接触时，气一液界面张力线和固一液界面张力线之间的夹角〔包含液相的〕称为平衡接触角，用0表示。具体如图1.1所示。水对各种物质润湿性的大小，可以利用它们与水的接触角来衡量。当接触角0<90时，则该物质为亲水性物质；当0>90时，则该物质为疏水性物质。另外，一般疏水性物质的气浮效果较好，而亲水性物质的气浮效果较差。下面将对悬浮物与气泡的附着条件进行深入的探讨。1.3悬浮物与气泡的附着条件按照物理化学的热力学理论，任何体系均存在力图使界面能减少到最小的趋势，下面来具体地分析悬浮物与气泡附着的条件。气泡与颗粒的作用过程如图1.1所示。界面能：W=aS；〔其中，S为界面面积；。为界面张力〕附着前：W1=a水气+a水粒〔假设S为1〕；附着后：W2=a气粒；〔1〔1〕△W=a水气+a水粒一a气粒；a水气、a水粒、a气粒三个力之间的关系如图1所示。从图中可以得出:TOC\o"1-5"\h\zo水粒=o气粒+o水气cos(180—0)〔2〕由〔1〕式和〔2〕式可以得出：△W=o水气(1-cos0)〔3〕积积图1气泡与颗粒的作用过程图由于任何体系均存在力图使界面能减少到最小的趋势。因此，悬浮物与气泡附着的条件必须满足△W>0艮即o水气(1-cos0)>0〔4〕由式4可以得出：当0一0时，cos0一1,△W=0；因此不能气浮；当0<0<90时，O<cos0<1,△W<o水气；此时，虽然颗粒能够附着在气泡上，但是附着不牢；当90<0<180时，△W>o，水气；此时，颗粒与气泡附着比较牢固，比较容易气浮；当0一180，△W=2o，水气；此时，△W到达最大值，颗粒最易被气浮。同时，cos0=〔o气粒一o水粒〕/o水气，水中颗粒0与外表张力o水气有关。o水气增加，0增大，有利于气浮。为了增加气泡的稳定性，有时会添加一些外表活性剂；但是如果外表活性剂过多，则会导致o水气下降，润湿接触角0减小，从而影响到气浮的效果。因此，必须选择适宜的外表活性剂添加量，才能既保证气泡的稳定性，又能保证良好的气浮效果。本章小结〔1〕疏水性物质有利于气浮，亲水性物质的气浮效果较差；〔2〕当润湿接触角0-0时，不能采用气浮处理；当0<0<90时，颗粒能够附着在气泡上，但是附着不牢，不利于气浮；当90<0<180时，颗粒与气泡附着比较牢固，比较容易气浮；当0一180，颗粒最易被气浮。二、气浮工艺的类型与特点按照产生气泡的方法不同，气浮可以分为电解浮上法、分散空气浮上法和溶解空气浮上法三种。下面具体的来分析各种气浮工艺以及它们的优缺点。2.1电解浮上法电解浮上法是利用不溶性的阳极和阴极，通入5-10V的直流电，直接将废水电解。阳极和阴极分别产生氢气和氧气，形成大量的微小气泡，将废水中的悬浮颗粒或先经混凝处理所形成的絮凝体粘附而上浮至水面，产生泡沫层，然后用刮渣机将泡沫刮除，从而到达固液别离的目的。该方法主要用于中小规模的工业废水处理。电解气浮池如图2.1所示。图竖流式电解气浮池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-水位调节器图2.1竖流式电解气浮池2.2分散空气气浮法分散空气气浮法根据产生气泡的方法不同又可以分为微气泡曝气气浮法和叶轮气浮法两种。下面分别来阐述这两种气浮法的定义。

2.2.1微气泡曝气气浮法该方法主要是将压缩空气引入到靠近气浮池底部的微孔扩散板，并通过微孔扩散板将空气分散成细小的气泡，气泡附着在悬浮颗粒上，到达气浮的效果。微孔曝气气浮法如图2.2所示。图2.2微孔曝气浮上法1—入流液；2—空气进入；3一别离柱；4-微孔扩散板;5—浮渣；6—出流液2.2.2叶轮气浮法叶轮气浮法是指将空气引入到一个高速旋转的混合器或者叶轮机附近，通过高速旋转混合器或者叶轮机的高速剪切力，将引入的空气切割成很多细小的气泡，从而实现气浮的过程。具体的叶轮气浮装置如图2.3所示。叶轮盖板的构造如图2.4所示。I一叶粒；2—Jii-fe；3—H—勃一轴柬:一进弋册门•一进木糟；R—出点fl:J泡源槽刮谏板膜淡梅图2.3叶轮气浮结构示意图

图2.4叶轮盖板的构造1一叶轮；2一盖板；3一转轴；4一轴套；5一叶轮叶片；6—导向叶片；7一循环进水孔2.3溶解空气浮上法空气在水中的溶解度与温度成反比；空气在水中的溶解度与压力的关系如图2.5所示。图2.5空气在水中的溶解度与压力的关系图图2.5空气在水中的溶解度与压力的关系图2曾)*麟姓器昏碧ar诈从图中可以看出，在一定温度下，压力越大，空气在水中的溶解度越高。溶解空气浮上法是在降压的条件下，使空气过饱和水中的空气以微细气泡的形式释放出来，悬浮物粘附在气泡上，通过气泡的上浮，到达固液别离的目的。溶解空气浮上法根据产生气泡的方法不同可以分为溶气真空浮上法和加压溶气浮上法两种。

2.3.1溶气真空浮上法物料在常压下被曝气，使其充分溶气。然后在真空的条件下，压力骤然降低，从而使物料中的溶气析出，形成大量细微的气泡，气泡粘附在颗粒杂质上，使其浮于水面，从而形成泡沫浮渣，再用刮渣机将其除去，最终到达固液别离的目的。真空气浮系统的结构示意图如图2.6所示。】一舐陆调留法=J.履气井4—分南区出木情«制潜板F瑞洒槽3-帕底方牌版P出酒宇10慌作室《饱瞒捕点空谊图2.6溶气真空气浮设备结构图2.3.2加压溶气浮上法物料在加压的条件下被曝气，使其充分溶气。然后在常压的条件下，压力骤然降低，从而使物料中的溶气析出，形成大量细微的气泡，气泡粘附在颗粒杂质上，使其浮于水面，从而形成泡沫浮渣，再用刮渣机将其除去，最终到达固液别离的目的。其结构示意图如图2.7所示。图2.7加压溶气气浮的结构示意图

本章小结不同的气浮方法的优缺点如表2.1所示。从表2.1中可以看出，加压溶气气浮法产生的气泡多而均匀，而且粒径小，是目前应用最广泛的一种气浮方法。下一章将对加压气浮法做详细的阐述。表2.1各种气浮方法的优缺点比较类型优点缺点电解气浮法1、电解气浮法产生的气泡小于其它方法产生的气泡，特别适用于脆弱絮状悬浮物；2、对废水负荷变化有较强的适应性;3、生成的污泥量少、占地少。不产生噪声。1、耗电量大，投资成本高；2、操作运行管理较复杂，操作不方便；3、电极板容易结垢，使用寿命短。分散空气气浮法微气泡曝气气浮法设备简单、易行扩散板上的孔容易堵塞，导致气泡量少而不均匀，气浮效果不是很好。叶轮气浮法设备简单、易行1、形成的气泡尺度较大〔d>1mm〕，2、气泡上升速度快，比外表积小，与悬浮物的接触时间较短，气浮效果不好。溶解空气气浮法溶气真空气浮法无压力设备，节省动力消耗和动力设备。1、常压下，空气溶解度低，气泡的数量有限；2、需要密闭设备维持真空，运行维护比较困难。3、所有设备在密封的气浮池内，使气浮池构造复杂，运行管理、维护不便。加压溶气气浮法1、加压条件下，水中空气的溶解度大，能提供足够的微气泡；2、气泡粒径小，均匀。需要溶气罐、空压机或射流器、水泵等设备，

三、加压溶气气浮法3.1加压溶气气浮系统的构造加压溶气气浮法系统主要由压力溶气系统、溶气水减压释放系统、气水混合系统和气浮别离设备4部分组成。压力溶气系统压力溶气系统主要包括溶气方式和溶气设备两个部分。1、溶气方式压力溶气系统的溶气方式主要有3种，分别是水泵吸气式、水泵压水管装射流器挟气式和空压机供气式。〔1〕水泵吸气式该溶气方式的吸气量受水泵气蚀性能的影响，空气溶解量很低，一般不超过5%。其结构示意图如图3.1所示。一往气浮池图10-44水泵吸气式溶气系统①■嗫水井;②吸水管;③进气陶节阀；④水泵;⑤溶⑥压力表；⑦放气阙;③水位计，图3.1水泵吸气式溶气系统〔2〕水泵压水管装射流器挟气式压力水〔约0.3MPa〕经水射器高速喷射，在喉管内形成负压吸入空气，从而使空气溶解的方式。其结构示意图如图3.2所示。

图ID-45射流挟代式溶气系统图ID-45射流挟代式溶气系统①吸水井号②吸水管；③水射器；匐水食u⑤溶气集：⑥压.力表；⑦放气阀：⑧灰位叶任〔3〕空压机供气式该方法通过空压机将空气打入溶气罐，再通过气泡释放器将空气释放成微小气泡。其结构示意图如图3.3所示。图10-46图10-46空压机供气式溶气系统①水菜;②空压机彳③水位汁5④放气;阀；⑤溶气Sh⑥压力表Q图3.3空压机供气式溶气系统2、溶气设备常用的溶气设备为压力溶气罐。它的作用是使水与空气充分地接触，促进空气的溶解。溶气罐的形式多种多样，不同种类的溶气罐的结构示意图如图3.4所示。其中，应用较多的是罐内填充填料的溶气罐，因为它的溶气效率最高。任）甄隔桁式花板认也机勇水图3.4不同种类的溶气罐避水（习任）甄隔桁式花板认也机勇水图3.4不同种类的溶气罐避水（习脸式填充式溶气罐装有填料，因而可以加剧紊动程度，提高液相的分散程度，不断更新液相与气相的界面，从而提高了溶气效率。其结构示意图如图3.5所示。其中，填料有各种形式，研究说明，阶梯环的溶气效率最高，可达90%以上，拉西环次之，波纹片卷最低，这是由于填料的几何特征不同造成的。其图片如图3.6所示。图3.5填充式溶气罐结构示意图阶梯环图3.63.6所示。图3.5填充式溶气罐结构示意图阶梯环图3.6各种填料的示意图溶气水的减压释放应能产生足够的微细气泡，减压释放设备关系到产生气泡的数量和尺度。常用的减压释放设备有TS、TJ、TV型溶气释放器、减压阀、截止阀等。各种释放器如图3.7所示。

图3.7各种释放器的示意图常用溶气释放器的主要特性如表3.1所示。表3.1溶气释放器的主要特性名称基本构造主要特性TS型孔口一多孔室一小平行圆盘缝隙一管嘴〔1〕溶气释放率高〔99%以上〕，微气泡密集尺寸小〔20-40四m〕，工作压力低〔0.2MPa〕；〔2〕易堵塞，流量小，单个服务范围小〔作用直径25-70cm〕TJ型孔口—单孔室一大平行圆盘缝隙一舌簧一管嘴〔1〕溶气释放率高〔99%以上〕，微气泡密集尺寸小〔20-40四m〕，工作压力低〔0.2MPa〕；〔2〕易清洗〔水射器〕，单个服务范围大〔作用直径50-110cm〕TV型孔口—单孔室一上下大平行圆盘缝隙〔1〕溶气释放率高〔99%以上〕，微气泡密集尺寸小〔20-40四m〕，工作压力低〔0.2MPa〕；〔2〕易清洗〔压缩空气〕，单个服务范围大〔作用直径40-80cm〕

3.1.3气水混合系统微细气泡产生后，气泡与水能否充分混合直接影响到气浮的效果。常用的气水混合设备有固定混合设备与管式混合设备，通常在气浮别离池的前端设一接触区以确保气水充分混合。3.1.4气浮别离设备常用的气浮别离设备有平流式气浮池和竖流式气浮池。气浮池包括进水区、别离区、出水区和浮渣区。其结构示意图如图3.8所示。进水区：常为接触区，保证气水充分混合；别离区：须具有一定的有效容积，保证气粒粘合体能上升到液面；出水区：底部出水，常设穿孔集水管；浮渣区：设有刮渣设备和渣槽，确保浮渣顺利排除。8-17有回流的平流式气浮池1-溶气水■菅：2T成压释放及混合设备，38-17有回流的平流式气浮池1-溶气水■菅：2T成压释放及混合设备，3■原水管；4-魂触这；5常有区；E藻水曾：1~刮激设备8-回流菅；如臭邑情：1卜出水管图8-18竖济式与潭池溶气水管；「减压弄袖器；旦-原水管jI-挽尬区；5-孙斋区；塞水器iT-切.僧机iB-水沱调节卷i啡渣嚣平流式气浮池和竖流式气浮池的优缺点如表3.2所示。表3.2平流式和竖流式气浮池的优缺点类型优点缺点平流式池深较浅，构造简单，造价低，运行管理方便别离室容积利用率不高竖流式水力条件较好，池深较大整体容积利用率不高，与反应池衔接较困难四、气浮的应用及预处理气浮法在工业上的应用十分广泛。主要包括以下几个方面：1、石油、化工及机械制造业中的含油污水的油水别离；2、工业废水处理；3、污水中有用物质的回收；4、取代二次沉淀池，特别是用于易于产生活性污泥膨胀的情况；5、剩余活性污泥的浓缩。在实际的气浮过程中，往往需要添加适当的化学药剂，提高气浮的效果。主要的预处理方法有以下几种。1、混凝剂：各种无机或有机高分子混凝剂，它不仅可以改变污水中的悬浮颗粒的亲水性能，而且还能使污水中的细小颗粒絮凝成较大的絮状体以吸附截留气泡，加速颗粒上浮。如硫酸铝、三氯化铁、聚合氯化铝。2、乳化：一种液体以极微小液滴均匀地分散在互不相溶的另一种液体中的作用。乳化是液-液界面现象，两种不相溶的液体，如油与水，在容器中分成两层，密度小的油在上层，密度大的水在下层。假设加入适当的外表活性剂在强烈的搅拌下，油被分散在水中，形成乳状液，该过程