气浮法-特种废水处理的物理化学处理

• 气浮的基本原理
  气浮法是在水中通入或产生大量的微细气泡，使其附着在悬浮颗粒上，造成密度小于水的状态，利用浮力原理使它浮在水面上，从而使固、液分离的方法。目前在给水、工业废水和城市污水处理方面都有应用。
  气浮过程中气泡和颗粒物共存于水中。在水-气-粒三相混合体系中，不同介质的相表面上都因受力不均衡而存在界面张力(δ)。一旦气泡与颗粒物接触，由于界面张力作用就会产生表面吸附作用。三相间构成的交界线，为润湿周边，如图4-1所示。
  
  通过润湿周边所作的水-粒界面张力(δ水-粒)作用线与水-气界面张力(δ水-气)作用线的交角，为润湿接触角(θ)，通常θ>90°的为疏水表面，易于为气泡粘附；而θ<90°的为亲水表面，不易于为气泡粘附。
  从热力学知识可知，由水、气和水中颗粒物组成的多相混合液中存在着体系界面自由能(W)。w本能地存在着力图减至最小的趋势，从而导致多相混合系中的分散相间蕴藏着自然并合的能量，使分散相总表面积减小。
  W=δ*S
  式中；S-界面面积，cm2。
  当粒径尚未与气泡粘附之前，在颗粒和气泡的单位面积上的界面能分别为δ水-粒和δ水-气，这时单位面积上的界面能之和为：
  W1=δ水-粒 + δ水-气
  在颗粒与气泡粘附后，界面能减少(见图4-2)。这时粘附面的单位面积界面能为：
  W1=δ气-粒
  因此，界面能的减少值△W=W1-W2=δ水-粒 + δ水-气 - δ气-粒
  气浮过程中，多相混合系统能量的改变值就是用于克服颗粒表面水化膜，完成气粒结合生成浮选体。△w越大，吸附动力越大，越易于气浮处理；反之，则相反。
  当水-气-粒三者处于稳定状态时，就形成了图4-2所示的状况，这时三相界面张力的关系应为：
  δ水-粒=δ水-气*COS(180°-θ)+θ气-粒
  代入得 △W=W1-W2=δ水-粒 +δ水-气-δ气-粒 可得：△W=δ水-气(1-cosθ)
  由式可知，在水中并非所有的物质都能与气泡相粘附，而及与该物质的接触角θ有关。当接触角θ趋于0°时，界面能△w趋于0，此类物质亲水性强，无力挤开水膜，故不能气浮；当接触角θ趋于180°时，界面能△W趋于2δ水-气，此类物质憎水性强，容易与气泡粘附，所以容易被气浮。
• 气浮的类型
  1.几种主要气浮类型
  气浮方式可分为散气气浮法、溶气气浮法(包括真空气浮法)与电解气浮法。
  (1)散气气浮
  这是靠机械碎细空气的方法。高速旋转叶轮的离心力所造成的真空负压状态将空气吸入，成为微细的气泡面扩散于水中。气泡由池底向水面上升并粘附水中的悬浮物带至水面。水流的机械剪切力与扩散板产生的较大气泡(直径达1mm左右)，不易与细小颗粒和絮凝体相吸附，反而易将絮体打碎，因此散气气浮不适用于处理含细小颗粒与絮体的废水。而对含大油滴的废水，不加混凝剂，在叶轮散气气浮机中气浮时间为30min，溶气量达0.51m3/m3(气/水)。叶轮周边速度为12.5m/s，可使废水含油量由原来的25~907mg/L至9mg/L。
  (2)溶气气浮
  水中过饱和空气在减压时能以微细的气泡形式释放出来，从而使水中的杂质颗粒被粘附而上浮。如果先将空气加压使其溶于水形成空气过饱和溶液，然后减至常压使空气析出，称为加压溶气气浮；如果将废水在常压下曝气后在直空条件下诱使溶气逸出，称为真空式气浮。
  加压气浮法又可分为三种类型，即回流加压式、部分进水加压式、全部进水加压式，见图4-3。
  
  直空式气浮装置的优点是气泡的形成，它与颗粒的粘附以及气泡的颗粒絮凝体的上浮都在稳定的环境中进行，絮凝体破坏的可能性小，整个气浮过程中所需要的能耗最小。真空式气浮的缺点是水中溶气量有限，不适用于含有浓度大于250~300mg/L悬浮物的废水；另一缺点是要求有密封的容器，在容器内还需装有刮渣机械，结构复杂。因此，实际工程中便用较少。
  (3)电解气浮
  电解气浮法是用不溶性阳极和阴极直接电解废水，靠产生的氢和氧的微小气泡将已絮凝的悬浮物带至水面。达到分离的目的。电解法产生的气泡尺寸远小于溶气法和散气法产生的气泡尺寸，不产生紊流。电解法对有机废水除降低BOD外，还有氧化、脱色和杀菌作用，其流程对废水负荷变化的适应性强，而且生成污泥量少，占地少且不产生噪声。
  2.压力溶气气浮
  (1)工艺特点
  目前压力溶气气浮法应用最广，与其他方法相比，它具有以下优点：
  ①在加压条件下，空气的溶解度大，供气浮用的气泡数量多，能够确保气浮效果；
  ②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，对液体扰动微小，因此特别适用于对疏松絮凝体、细小颗粒的固液分离；
  ③工艺过程及设备比较简单，便于管理、维护；
  ④特别是部分回流式，处理效果显著、稳定，并能较大地节约能耗。
  重点介绍压力溶气气浮法中的部分回流式，其工艺流程如图4-4所示。
  
  (2)装置特征
  压力溶气气浮工艺主要由三部分组成，即压力溶气系统、溶气释放系统及气浮分离系统。
  ①压力溶气系统包括水泵、空压机、压力溶气罐及其他附属设备，其中压力溶气罐是影响溶气效果的关键设备。
  空压机供气溶气系统是目前应用最广泛的压力溶气系统。气浮法所需空气量较少，可选用功率小的空压机，并采取间歇运行方式。此外，空压机供气还可以保证水泵的压力不致有大的损失，一般水泵至溶气罐的压降仅约0.005MPa，因此可以节省能耗。为了提高溶气效率，大都采用喷琳坟料压力溶气罐。影响喷淋填料压力溶气罐效率的因素很多，其中主要有填料特征、填料层高度、罐内液位高度、液流分布方式和气、液流向以及温度等。
  ②溶气释放系统一般是由释放器(或穿孔管、减压阀)及溶气水管路所组成。溶气释放器的功能是将压力溶气水通过消能、减压，使溶入水中的气体以微气泡的形式释放出来。并能迅速而均匀地与水中杂质相粘附。
  ③气浮分离系统一般可分为三种类型，即平流式、竖流式及综合式。其功能是确保一定的容积与池表面积，使微气泡群与水中絮凝体充分混合、接触、粘附，以及带气絮凝体与清水分离。

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