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溶氣氣浮基本概念介紹


溶氣氣?。―AF)適用于處理低濁度、高色度、高有機物含量、低含油量、低表面活性物質含量或具有富藻的水。相對于其它的氣浮方式,它具有水力負荷高,池體緊湊等優點。但是它的工藝復雜,電能消耗較大,空壓機的噪音大等缺點也限制著它的應用。

1 分類(type)

根據不同的劃分原則,DAF可以有不同的分類。

1.1 根據氣泡從水中析出時所處壓力的不同,可分為真空式氣浮法與壓力溶氣氣浮法兩種。

前者利用抽真空的方法在常壓或加壓下溶解空氣,然后在負壓下釋放微氣泡,供氣浮使用;后者是在加壓情況下,使空氣強制溶于水中,然后突然減壓,使溶解的氣體從水中釋放出來,以微氣泡形式粘附上絮粒,一起上浮。

1.1.1 真空式氣浮池,雖然能耗低,氣泡形成和氣泡與絮粒的粘附較穩定;但氣泡釋放量受限制;而且,一切設備部件,都要密封在氣浮池內;氣浮池的構造復雜;只適用于處理污染物濃度不高的廢水(不高于300mg/l),因此實際應用不多。

1.1.2 壓力溶氣氣浮法是目前國內外最常采用的方法,可選擇的基本流程有全流程溶氣氣浮法、部分溶氣氣浮法和部分回流溶氣氣浮法三種。

1.1.2.1 全流程溶氣氣浮法 

全流程溶氣氣浮法是將全部廢水用水泵加壓,在溶氣罐內,空氣溶解于廢水中,然后通過減壓閥將廢水送入氣浮池。流程圖見圖1。 

它的特點是:①溶氣量大,增加了油?;驊腋☆w粒與氣泡的接觸機會;②在處理水量相同的條件下,它較部分回流溶氣氣浮法所需的氣浮池小。③全部廢水經過壓力泵,所需的壓力泵和溶氣罐均較其他兩種流程大,因此投資和運轉動力消耗較大。

1.1.2.2 部分溶氣氣浮法 

部分溶氣氣浮法是取部分廢水加壓和溶氣,其余廢水直接進入氣浮池并在氣浮池中與溶氣廢水混合。

它的特點是:①與全流程溶氣氣浮法所需的壓力泵小,因此動力消耗低;②氣浮池的大小與全流程溶氣氣浮法相同,但較部分回流溶氣氣浮法小。 

1.1.2.3 部分回流溶氣氣浮法

部分回流溶氣氣浮法是取一部分處理后的水回流,回流水加壓和溶氣,減壓后進入氣浮池,與來自絮凝池的含油廢水混合和氣浮,流程見圖2。

它的特點是:①加壓的水量少,動力消耗??;②氣浮過程中不促進乳化;③礬花形成好,后絮凝也少;④氣浮池的容積較前兩種流程大。

現代氣浮理論認為:部分回流加壓溶氣氣浮節約能源,能充分利用浮選(混凝)劑,處理效果優于全加壓溶氣氣浮流程。而回流比為50%時處理效果最佳,所以部分回流(回流比50%)加壓溶氣氣浮工藝是目前國內外最常采用的氣浮法。

1.2  根據氣浮池中微氣泡污泥層(床)有無過濾作用及水的不同流態分為:早期DAF、普通DAF和紊流DAF。(具體內容見附錄3)


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2 設計原理(design principal)

DAF一般設置在生物處理單元之前,物理處理單元之后,習慣上將其歸為物理處理單元。若設為兩級浮選,為了方便節約,平面布置時常將一、二級浮選池并列,一、二級浮選池是約有500mm左右的液位差保證污水從一級浮選池流動到二級浮選池,而取消提升泵達到節能效果。體現在豎向布置上,即在設計、施工時必須嚴格控制刮渣機拖架(板)、可調節堰和除渣槽頂的標高,這一點非常重要,是關鍵因素之一,否則會嚴重影響氣浮效果(泡沫層無法用機械方法撇除),這也正是必須采用可調節出水堰的原因所在。

DAF主要由空氣飽和設備(也稱壓力溶氣系統)、空氣釋放設備(也稱溶氣釋放系統)和氣浮池(也稱氣浮分離系統)等組成。目前,溶氣氣浮工藝的設計和最佳操作的確定,需要依靠中試和經驗。以下,根據各種應用中總結出的經驗,分別介紹各個組成部分的設計原理。

2.1 壓力溶氣系統(包括壓力溶氣罐、空壓機、水泵及其附屬設備)

2.1.1 溶氣系統占整個氣浮過程能量消耗的50%,溶氣罐價值占工廠總基建投資的12%,因此優化溶氣系統的設計對縮小氣浮操作費用是很重要的。

溶氣罐多為園筒形,立式布置,容積按廢水停留時間25~3min計算,罐中可裝設有隔板,瓷環之類,也有用空罐的。

因為溶氣罐內水、氣相混合,所以一般按壓力容器進行設計,罐頂設自動排氣閥或罐底設自動減壓閥平衡壓力,罐內壓力一般控制在0.45MPa左右為宜,據此可以確定提升泵、回流泵和空壓機的參數。

在國外的設計資料和文獻中,認為氣水停留時間越長,溶氣效率越高。這樣就使得溶氣罐的體積顯得龐大,停留時間有時長達3~5min。國內的研究證實了液膜阻力控制著溶氣速率,認為停留時間越長,溶氣效果越好的觀念不符合實際,因此國內設計參數不同于國外,是以預定的溶氣效率為設計指標,以液相過流密度和液相總容量傳質系數為參數。

所有研究都表明有填充床的溶氣罐比沒有填充床的有效,其效率最高可達到99%,但在實際運行中,經常需對溶氣罐進行內部檢查,因而在很多溶氣氣浮工藝中常選用沒有填充床的系統,而且大部分無填充床的溶氣罐常配有內部的或外部的噴射器以提高溶氣效率。

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2.1.2 加壓溶氣法有兩種進氣方式,即泵前進氣和泵后進氣。

第一種是泵前進氣,流程圖見圖3。當空氣吸入量小于空氣在該溫度下水中的飽和度時,由水泵壓水管引出一支管返回吸水管,在支管上安裝水力噴射器,廢水經過水力噴射器時造成負壓,將空氣吸入與廢水混合后,經吸水管、水泵送入溶氣罐。這種方式省去了空壓機,氣水混合效果好,但水泵必須采用自引方式進水,而且要保持lm以上的水頭,其最大吸氣量不能大于水泵吸水量的10%,否則,水泵工作不穩定,破壞了水泵應當具有的真空度,會產生氣蝕現象。 

第二種是泵后進氣,流程圖見圖4。當空氣吸入量大于空氣在該溫度下水中的飽和度時,空氣通過空壓機在水泵的出水管壓入,但也不宜大于水泵吸水量的25% 。這種方法使水泵工作穩定,而且不必要求在正壓下工作,但需要由空氣壓縮機供給空氣。為了保證良好的溶氣效果,溶氣罐的容積也比較大,一般需采用較復雜的填充式溶氣罐。

2.1.3 空氣注入量的調節是浮選操作的另一關鍵因素,一般隨選擇的溶氣壓力或回流比而變。實驗也表明出水質量僅依賴于引入系統的空氣總量(氣泡尺寸一致時),而與單獨壓力或回流比無關。要根據污水水質、浮選(混凝)劑和減壓釋放器的類型經反復實踐而定。

2.1.4溶氣罐內水位高低是影響氣浮效果的重要因素。水們南寧市,縮小了水氣接觸部分的窖,溶氣效果不好;水位太低則缺乏必要的緩沖水深,氣體會穿過水層進入氣浮設備形成大氣泡,氣浮效果也不佳。推薦水位控制在罐內1/3~1/4左右。

2.1.5 溶氣罐內的壓力是影響氣量的重要因素。一般情況下,壓力高,則溶氣多,在空壓機加氣方式中,溶氣罐內的壓力是由空壓機氣壓和水泵共同決定的。在正運轉時,首先要保證足夠的水壓,但水壓和氣壓又要基本相當。

在采用水射器加氣的方式中,保證溶氣罐壓力的關鍵是采用合適的水泵,一般水泵壓力應在保證額定流量的前提下大于0.3Mpa,溶氣罐壓力調整可通過調節溶氣罐出水閥、水泵出水閥、回流控制閥進行。


2.1.6根據《中華人民共和國國家標準室外排水設計規范》第8.2.7條 溶氣罐的設計應符合下列要求:

一、溶氣罐工作壓力宜采用300~500kPa(約為3~5kgf/cm2);

二、空氣量以體積計,可按污水量5~10%計算;

三、污水在溶氣罐內停留時間應根據罐的型式確定,一般宜為1~4min,罐內應有促進氣水充分混合的措施;

四、采用部分回流的溶氣罐宜選用動態式,并應有水位控制措施。

2.1.7有應用中提到,增加一個精密空氣穩流器,它的作用是使空氣在進入溶氣罐的噴頭前,確保壓力平穩、均一。

回流比是指,當采用部分回流溶氣氣浮法時,進入溶氣罐加壓溶氣的回流水量與處理水量的比值?;亓鞅纫话銥閺U水的25%~50%。但當污水水質較差,且污水水量不大時,可適當加大回流比,以保證出水水質。

2.2 溶氣釋放系統(主要是釋放頭)

釋放器是該系統的關鍵裝置,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。目前被采用的釋放器的釋氣效率可達99.2%。

2.2.1 以前的研究認為,釋氣泡的大小與溶氣壓力有關,低壓時形成大氣泡居多,不利于氣浮。國內最新研究認為:溶氣水在減壓消能時氣泡的釋放規律與氣泡在靜水中的狀況不同;低壓時大氣泡的出現歸咎于釋放器不良所致。除了要釋放出大量穩定的微小氣泡,關鍵是要如何防止堵塞。

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(專利)。溶氣釋放器的專利產品很多,其中效果較好的一般都有以下特點:在噴嘴處有一個瞬間的壓降;在釋放器的入口處水流方向會突然改變(常為90°);釋放器口徑不超過2.5mm,水在釋放器中的停留時間<1.5ms;離開釋放器的水流速度逐漸變??;離開釋放器的水體會與其前面一擋板發生撞擊。任何釋放器都不可能只產生微氣泡,而一般是產生直徑在40~70μm之間的氣泡,一些大氣泡的產生是不可避免的,盡管這些大氣泡的存在會降低系統的運行效率。

2.2.2 根據《中華人民共和國國家標準室外排水設計規范》第8.2.8條 溶氣釋放器的選用應根據含油污水水質、處理流程和釋放器性能確定。

2.3 氣浮分離系統(氣浮池構件)

氣浮分離系統的功能是確保一定容積來完成微氣泡群與水中雜質的充分混合、接觸、粘附以及帶氣絮粒與清水的分離。

2.3.1為了提高氣浮的處理效果,往往向廢水中加入混凝劑或氣浮劑,投加量因水質不同而異,一般由試驗確定。對于鋁類絮凝劑,通過提高攪拌強度均可使出水濁度進一步降低。

為保證浮選(混凝)劑的混凝作用,浮選池進水端宜設靜態管道混合器和反應室,反應室有效容積約按廢水(進水量與回流量的和)停留時間10分鐘計算,一般分為三間,迷宮式布置,且每間設攪拌機提高混凝效果,每間中的速度梯度常常是相同的。絮凝池(也即反應室)設計最好提供活塞流狀態(紊流堆動狀態),可以確保較好的氣浮效果。

2.3.2  溶氣氣浮池的最大建議尺寸可達145m2,相應的產水能力為2900~4350m3/ h,單位面積的產水能力至少提高了一倍。溶氣氣浮池的深度從1.5m增加到5.0m,且池型由長方形向正方形發展,長寬比在(1.2~2):1之間。目前運行良好的溶氣氣浮池的長度最大可達12m,但寬度被限制為8.5m,這主要是因為機械刮渣機的最大跨度為8.5m。

污水在氣浮池內的停留時間一般取30~40min,工作水深為15~25m,長寬比不小于4,表面負荷5~10m3/m2?h。

若停留時間太短,水流的沖擊力大,浮選罐中的污水牌較強的紊流狀態,這樣不但不利于氣泡與絮體的粘附,反而會將部分已粘附在氣泡上的絮體打碎;另外,由于紊流和較短的反應時間,而使投加的部分混凝劑未反應完全時就隨出水流出,致使出水中懸浮固體的去除率降低,甚至出現負增長的趨勢。

2.3.3 氣浮池分2個區:接觸區和分離區。

2.3.3.1 設計接觸區時,要注意控制絮凝水的上升流速,避免短流、偏流,不致在上浮過程中被水流剪脫已粘附的氣泡而影響后續分離效果。通常情況下接觸區的上升流速以控制在10~20mm/s為宜,高度以1.5~2.0m為宜,在這種流速和高度下,既保證了絮粒和微氣泡的接觸時間,又不會造成絮粒因上浮時間過長而破壞或下沉。

合理地布置釋放器,使釋放水的作用范圍遍及全區,能充分、及時地使微氣泡下絮粒接觸。

2.3.3.2 分離區選擇分離速度時,應有利于帶氣絮粒上浮。對于絮粒大、密度小、不易破碎的帶氣絮粒一般采取較大的分離速度,反之取較小值。分離區的流速宜在1~3mm/s,流速過小會造成大絮粒因擁擠而沉淀,流速過大會造成帶氣絮粒和清水的分界面向下延伸,從而造成絮粒隨水流出、水質下降。

對濃度大、浮渣多,在固液分離時形成擁擠上浮現象的應減小上浮速度,否則浮渣層太厚會造成落渣,或因分離區容積過小而影響分離效果。

選取集水系統時,盡可能做到集水均勻,不讓上浮較慢的細小帶氣絮粒流出池外。為此,應避免短流、快部滯流、碰壁回流等不良現象出現。

當溶氣氣浮池的水力負荷>10 m3/m2?h時,很容易出現氣浮出水攜帶氣泡進入后續濾池的情況,氣泡會存在于濾池的上層。雖然有人發現濾池中氣泡的存在會有利于水中顆粒的去除,但是它會導致濾池水頭損失的急劇升高,從而使濾池運行周期顯著縮短,因此應該避免濾池進水中氣泡的存在,所以在大幅度提高溶氣氣浮池水力負荷的同時,必須設置脫氣系統(具體內容見附錄2)以保證工藝的正常運行。

安裝簡易,靈巧的刮渣設備,以便刮渣時不致擾動浮渣層而產生落渣,影響出水水質。

2.3.4 國內外氣浮池的設計參數變化范圍很大,我國主要采用以下參數:

接觸區:        停留時間         > 2.0min

                表面負荷率       36~72 m3/m2?h     

分離區:        表面負荷率         7.2~10.8 m3/m2?h

2.3.5 根據《中華人民共和國國家標準室外排水設計規范》第8.2.9條 氣浮池可采用矩形或圓形。矩形氣浮池的設計應符合下列要求:

一、氣浮池應設置反應段,反應時間宜為10~15min;

二、每格池寬不應大于4.5m,長寬比宜為3~4;

三、有效水深宜為2.0~2.5m,超高不應小于0.4m;

四、污水在氣浮池分離段停留時間不宜大于1.0h;

五、污水在池內的水平流速不宜大于10mm/s;

六、氣浮池端部應設置集沫槽;

七、池內應設刮沫機,刮沫機的移動速度宜為1~5m/min。

2.3.6 氣浮模型研究得出了一些新概念,如飲用水氣浮處理需針尖大小(數十微米)的絮體。pH對絮體形成和氣泡粘附一樣重要。在最佳pH時,顆粒的ζ電位接近于0或為負值,可采用較高的溢流流速度(≤15m/h)。氣浮池的最佳設計是接觸區和分離區呈長窄形狀的活塞流反應器,停留時間分別大于1.5min和5min,這樣表面負荷要比傳統數值提高許多,而且效率較高。

增加一個射流混合器可以保證隔油池出水與溶氣水充分混合后進入浮選池中,使形成的超微氣泡均一散布于池中。

因為污水中一般含有毒有害物質,故浮選池結構設計要考慮設防腐層和頂蓋板,有條件時可考慮浮選氣體的有組織排放。

2.4 正交試驗分析得出:回流比、混凝劑投加量和浮選罐(池)的有效停留時間這三個主要參數對氣浮效果影響大小的主次關系是:回流比>混凝劑投加量>浮選罐(池)的有效停留時間。

溶氣罐與氣浮池之間的回流水輸送管道要短,壓力損失要小,從而防止空氣從超飽和的水中逸出。

水溫降低對溶氣氣浮效果有不利的影響。

3 應用圖紙(drawing)

附錄1   其它氣浮方式

1、分散空氣氣浮法。又可分為轉子碎氣法(也稱為渦凹氣浮或旋切氣浮,見圖1)和微孔布氣法2種。前者依靠高速轉子的離心力所造成的負壓而將空氣吸入,并于提升上來的廢水充分混合后,在水的剪切力的作用下,氣體破碎成微氣泡而擴散于水中;后者則是使空氣通過微孔材料或噴頭中的小孔被分割成小氣泡而分布于水中。

該法設備簡單,但產生的氣泡較大,且水中易產生大氣泡。大氣泡在水中具有較快的上升速度。巨大的慣性力不僅不能使氣泡很好地粘附于絮凝體上,相反會造成水體的嚴重紊流而撞碎絮凝體。所以渦凹氣浮要嚴格控制進氣量。氣泡的產生依賴于葉輪的高速切割,以及在無壓體系中的自然釋放,氣泡直徑大、動力消耗高,尤其對于高水溫污水的氣浮處理,處理效果難如人意。由于產生的氣泡大,更適合處理一些稠油廢水,由于大氣泡在上浮過程易破裂,建議設計時污水在“分離室”的停留時間不要超過20分鐘,時間越長氣泡破裂得越多,可能導致絮凝體重新沉淀到池底。

分散空氣氣浮法產生的氣泡直徑均較大,微孔板也易受堵,但在能源消耗方面較為節約,多用于礦物浮選和含油脂、羊毛等廢水的初級處理及含有大量表面活性劑廢水的泡沫浮選處理。

2、溶氣泵氣浮法。溶氣泵采用渦流泵或氣液多相泵,其原理是在泵的入口處空氣與水一起進入泵殼內,高速轉動的葉輪將吸入的空氣多次切割成小氣泡,小氣泡在泵內的高壓環境下迅速溶解于水中,形成溶氣水然后進入氣浮池完成氣浮過程。溶氣泵產生的氣泡直徑一般在20~40μm,吸入空氣最大溶解度達到100%,溶氣水中最大含氣量達到30%,泵的性能在流量變化和氣量波動時十分穩定,為泵的調節和氣浮工藝的控制提供了極好的操作條件(圖2)。

3、電解凝聚氣浮法。這種方法是將正負相間的多組電極安插在廢水中,當通過直流電時,會產生電解、顆粒的極化、電泳、氧化還原以及電解產物間和廢水間的相互作用。當采用可溶電極(一般為鋁鐵)作為陽極進行電解時,陽極的金屬將溶解出鋁和鐵的陽離子,并與水中的氫氧根離子結合,形成吸附性很強的鋁、鐵氫氧化物以吸附、凝聚水中的雜質顆粒,從而形成絮粒。這種絮粒與陰極上產生的微氣泡(氫氣)粘附,得以實現氣浮分離。但電解凝聚氣浮法存在耗電量較多,金屬消耗量大以及電極易鈍化等問題,因此,較難適用于大型生產。

4、生物及化學氣浮法。生物氣浮法是依靠微生物在新陳代謝過程放出的氣體與絮粒粘附后浮之水面的;化學氣浮法是在水中投加某種化學藥劑,借助于化學反應生成的氧、氯、二氧化碳等氣體而促使絮粒上浮的。這種氣浮法因受各種條件的限制,因而處理的穩定可靠程度較差,應用也不多。

附錄2  脫氣系統

脫氣系統分為內部和外部脫氣系統兩種。

內部脫氣系統的關鍵就是提供一個合并表面(coalescing surface),其形式類似于斜管或斜板沉淀池。此表面不但可促進多余小氣泡的合并,產生有較大上升速度的大氣泡,另外還可引起二次氣浮,即“自由”氣泡與殘余絮粒的再次粘合,使聚合體浮力大于重力,所以當合并表面設計適當時,可以避免污泥在內部脫氣系統內的沉積。

外部脫氣系統有很多形式,氣浮池與濾池之間的自由跌落水堰和停留池就是其中較簡單的兩種,較復雜的是設置專門的氣泡吹脫柱,氣浮出水以下向流形式通過該柱,同時其底部有空氣通過擴散器注入。

有研究發現:無脫氣系統、設置外部脫氣系統和設置內部脫氣系統的三種溶氣氣浮工藝的效果依次增強。當水力負荷為17 m3/m2?h時,三種工藝的出水濁度分別為0.80、0.65和0.60NUT,后續濾池的處理能力分別為360、380和640 m3/m2;當水力負荷為44 m3/m2?h時,三種氣浮工藝出水的濁度分別為3.80、1.85和1.70 NUT,后續濾池的處理能力分別為100、140和180 m3/m2。



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