在水处理中经常遇到水中颗粒物直径很小, 且 密度非常接近甚至小于水的密度, 颗粒物很难甚至 不可能沉淀下来。如印染废水中的染料颗粒、造纸 和化纤工业中的植物残体及短小纤维、炼油和化工 生产中的微小液滴和颗粒, 对这类水的处理, 用传统 重力沉淀法比较困难或历时较长, 但特别适合采用 气浮工艺处理。
1 气浮净水的原理和分类
1. 1 气浮净水的原理
气浮净水是指设法在水中通入或产生大量的微 细气泡, 使其粘附于杂质絮粒上, 造成密度小于水的 状态, 并依靠浮力使其上浮至水面, 从而实现固液分离。由于空气的密度比水小得多, 只有水的 1/775, 因此粘附了一定数量微气泡的絮粒, 其上浮速度比 原絮粒的下沉速度快得多, 从而造成气浮法比沉淀 法的分离时间短得多。任何液体都有缩小它自身表 面的趋向, 未溶解空气在水中受到水分子引力作用, 从而在二相界面处产生表面张力力图缩小相界面面 积, 而产生表面张力的这一薄层水分子, 构成了气泡 的膜, 形成气泡。气泡与水中杂质絮粒相粘附, 憎水 性较强的的颗粒杂质( 如植物纤维、油滴、炭粉末 等) , 可以直接和水中的气泡粘附; 而憎水性胶体和 亲水性胶体只有通过无机高聚物( 如铁、铝氢氧化 物) 或有机高聚物的吸附架桥, 形成一定大小的网状絮粒后, 才能和微气泡粘附。气泡与絮粒碰撞粘附, 然后通过不断的网捕、包卷和架桥作用, 使絮粒更 大, 上浮更快。
1. 2 气浮净水的分类
按气泡产生的方式可以把气浮法净水分为下列 4 类。
1. 2. 1 分散空气气浮法 该法又可分为转子碎气法和微孔布气法 2 种。 前者依靠高速转子的离心力所造成的负压而将空气 吸入, 并于提升上来的废水充分混合后, 在水的剪切 力的作用下, 气体破碎成微气泡而扩散于水中; 后者 则是使空气通过微孔材料或喷头中的小孔被分割成 小气泡而分布于水中。
分散空气气浮法产生的气泡直径均较大, 微孔 板也易受堵, 但在能源消耗方面较为节约, 多用于矿 物浮选和含油脂、羊毛等废水的初级处理及含有大 量表面活性剂废水的泡沫浮选处理。
1. 2. 2 电解凝聚气浮法 此法是将正负相间的多组电极安插于废水中, 当通过直流电时, 会产生电解、颗粒的极化、电泳、氧 化还原以及电解产物间和废水间的相互作用。
当采用可溶电极( 一般为铝铁) 作为阳极进行电 解时, 阳极的金属将溶解出铝和铁的阳离子, 并与水 中的氢氧根离子结合, 形成吸附性很强的铝、铁氢氧 化物以吸附、凝聚水中的杂质颗粒, 从而形成絮粒。
这种絮粒与阴极上产生的微气泡( 氢气) 粘附, 得以 实现气浮分离。范淑琴等在 1994 年就介绍了电 解气浮法的应用, 研究了电解气浮法污水处理系统 的微机测控。但电解凝聚气浮法存在耗电量较多, 金属消耗量大以及电极易钝化等问题, 因此, 较难适 用于大型生产。
1. 2. 3 生物及化学气浮法
生物气浮法是依靠微生物在新陈代谢过程放出 的气体与絮粒粘附后浮之水面的; 化学气浮法是在 水中投加某种化学药剂, 借助于化学反应生成的氧、 氯、二氧化碳等气体而促使絮粒上浮的。这种气浮 法因受各种条件的限制, 因而处理的稳定可靠程度 较差, 应用也不多。
1. 2. 4 溶解空气气浮法
该法又可分为真空式气浮法与压力溶气气浮法 2 种, 前者利用抽真空的方法使在常压下溶解的空 气, 以微气泡的方式释放出来, 供气浮使用; 后者是 在加压情况下, 使空气强制溶于水中, 然后突然减 压, 使溶解的气体从水中释出, 以微气泡形式粘附絮 粒而促其上浮。 真空气浮法的优点是能量消耗少, 气泡形成和 气泡与絮粒的粘附较稳定; 但由于常压下空气在水 中的溶解度很低, 因此, 气泡释放量受到限制, 很少 采用。压力溶气气浮法是依靠水泵将被处理水加压 至0. 2~ 0. 6 MPa, 与加压空气一起压入密闭的压力 溶气罐, 借气水的接触湍动, 使气体溶解于水中, 将 经过溶气的水导向溶气释放器, 释放器的骤然消能 降压, 促使微气泡稳定释出, 并与水中杂质颗粒相粘 附而一起浮出水面, 从而实现固液分离。目前部分 回流溶气式应用Zui为广泛。 王振欧等研究利用了喷射溶气回流浮选工艺 处理含油废水, 即利用喷射器吸气溶气形成溶气水; 张士金等研究了利用两级压力溶气气浮工艺处理 合成压缩机油乳废水, 运行稳定, 出水水质良好; 石 金田等研究了处理高浓度漂染废水的水解酸化接触氧化- 混凝气浮工艺, 利用压力溶气气浮从废 水中分离非水溶性颜料; 宗兵年等研究了利用压 力溶气气浮工艺处理自来水中的藻类, 介绍了压力 溶气气浮在给水中的应用。
2 压力溶气气浮工艺
压力溶气气浮法工艺主要由 3 大部分组成: 压 力溶气系统、溶气释放系统、气浮分离系统。
压力溶气系统包括水泵、空压机、压力溶气罐及 其附属设备, 其中压力溶气罐是影响溶气效率的关 键设备。溶气系统大致分为水泵吸气式、压水管装 水射器挟气式( 又称射流挟气式) 、空压机供气式 3 种。水泵吸气式不须另设供气装置, 但水泵叶轮易 产生气蚀而损坏, 水泵挟气运行不稳定; 射流挟气式 溶气效率很低( 约为理论值的 30%) ; 空压机供气由 于在压力溶气罐中溶气, 大大增加了气液接触面积 和接触时间, 从而大幅度提高了溶气效率。
溶气释放器是整个气浮工艺中Zui关键的设备, 溶解空气必须通过减压释放才能获得气泡。压力溶 气水进入溶气水释放器因突然收缩并即行扩大, 降 低部分压能, 以增强空气分子的动能而加速其逸出, 接着水流在孔室内撞击, 形成涡流, 从而因产生剧烈 的紊动而继续消能, 然后进入极窄的狭缝, 水流断面 再次急剧收缩, 紊动程度更为剧烈, 从而以超微气泡 的形式溢出。同济大学是研究气浮较早的单位, 现 发明的溶气释放器, 产水量大, 释气率高, 气泡较细 密而不堵塞, 其中TS 型、TV 型 2 个系列效果更好。
气浮分离系统主要指气浮池, 气浮池分2 个区: 接触区和分离区。通常情况下接触区的上升流速以 控制在 10~ 20 mm
s 为宜, 高度以 1
5~ 2. 0 m 为宜, 在这种流速和高度下, 既保证了絮粒和微气泡的接 触时间, 又不会造成絮粒因上浮时间过长而破坏或 下沉; 分离区的流速宜在 1~ 3 mm
s, 流速过小会造 成大絮粒因拥挤而沉淀, 流速过大会造成带气絮粒 和清水的分界面向下延伸, 从而造成絮粒随水流出、 水质下降。
3 气浮净水的特点和应用
主要特点: ( 1) 由于气浮法分离池的表面负荷 第 31 卷第 1 期 石金田等: 气浮净水技术及应用 49 率高达 12 m 3/m 2 .h, 水在池中的停留时间只需 10~ 22 min, 而且池深只需2 m 左右, 故可节省基建投资; (2) 采用溶气气浮法时, 由于溶气水中的含氧量可 达过饱和, 因此无论是处理后的水还是浮渣中都含 有一定量的氧, 对水的排放或渣的再用都是有利的; ( 3) 对那些很难用沉淀法除去的低浊含藻源水采用 气浮法, 可以有效地将其去除, 甚至还可以除去水源 中的浮游生物, 对保持出水水质有独特优越性; ( 4) 气浮法所得到的浮渣或浮泥, 含水率一般为 96% 以 下, 为污泥的后续处理带来方便; ( 5) 气浮法对药剂 的需要量可比沉淀法节省。
气浮净水技术的应用: ( 1) 在饮用水处理上, 气浮法已成功地应用在处理低浊含藻类及一些浮游 生物的水处理工艺中; ( 2) 用于处理石油、化工及机 械制造业中的含油废水( 包括乳化油污水的油水分 离) ; ( 3) 用于有机及无机污水的物化处理; ( 4) 用于 污水中有用物质的回收, 如造纸厂白水中纸浆纤维 及填料的回收工艺; ( 5) 与有机废水生物处理相配 合, 用气浮池代替二沉池; ( 6) 可应用于污水处理厂 剩余活性污泥进行浮上浓缩的处理工艺。