渦凹氣浮工藝原理及應用

氣浮作為一種、快速的固液分離技術(shù)，始于選礦。它是利用高度分散的微氣泡作為載體粘附廢水中的懸浮物，使其密度小于水而上浮到水面以實(shí)現同液分離過(guò)程。它可用于水中固體與固體、固體與液體、液體與液體乃至溶質(zhì)中離子的分離^[1]。一般來(lái)說(shuō)，氣浮法處理工藝要滿(mǎn)足以下基本條件^[2]：(1) 必須向水中提供足夠量的細微氣泡；(2) 必須使廢水中的污染物質(zhì)能形成懸浮狀態(tài)；(3) 必須使氣泡與懸浮的物質(zhì)產(chǎn)生黏附作用。有了上述這三個(gè)基本條件，才能完成氣浮處理過(guò)程，達到污染物質(zhì)從水中去除的目的。

在污水、廢水處理工程中，氣浮法已經(jīng)廣泛用于以下幾個(gè)方面：

(1)石油、化工及機械制造業(yè)中的含油廢水的油水分離；

(2)廢水中有用物質(zhì)的回收，如造紙廢水中的紙漿纖維及填料的回收；

(3)含懸浮固體相對密度接近于1的工業(yè)廢水的預處理；

(4)取代二沉池進(jìn)行泥水分離，特別適用于活性污泥絮體不易沉淀或易于產(chǎn)生膨脹的情況；

(5)剩余污泥的濃縮。

1. 渦凹氣浮系統的結構及工作原理

渦凹氣浮工藝 (Cavitation Air Flotation)系統是世界的水處理設備，是美國Hydrocal環(huán)保公司的產(chǎn)品，也被稱(chēng)作THK(Induced Air Flotation)引氣氣浮，是目前普遍采用和推廣的一種投資少、效率高、處理成本低、效率好的污水處理設備^[3]。它是專(zhuān)門(mén)為去除工業(yè)和城市污水中的油脂、膠狀物及固體懸浮物（SS）而設計的系統。整個(gè)系統由五部分組成，如圖所示^[4]：

經(jīng)預處理后的污水流入有渦凹曝氣機的小型充氣段，污水在上升的過(guò)程中通過(guò)充氣段與曝氣機產(chǎn)生的微氣泡充分混合，曝氣機將水面上的空氣通過(guò)抽風(fēng)管道轉移到水下。曝氣機的工作原理是利用空氣輸送管道底部散氣葉輪的高速轉動(dòng)在水中形成一個(gè)真空區，液面上的空氣通過(guò)曝氣機輸入水中，填補真空，微氣泡隨之產(chǎn)生并螺旋型地升到水面，空氣中的氧氣也隨之溶入水中。

由于氣水混合物和液體之間密度的不平衡，產(chǎn)生了一個(gè)垂直向上的浮力，將SS帶到水面。上浮過(guò)程中，微氣泡會(huì )附著(zhù)到SS上，到達水面后SS便依靠這些氣泡支撐和維持在水面。刮泥機沿著(zhù)整個(gè)液面運行，并將SS從氣浮槽的進(jìn)口端推到出口端的污泥排放管道中。污泥排放管道里有水平的螺旋推進(jìn)器，將所收集的污泥送入集泥池中。凈化后的污水流入溢流槽再自流至生化處理部分。

開(kāi)放的回流管道從曝氣段沿著(zhù)氣浮槽的底部伸展。產(chǎn)生微氣泡的同時(shí)，渦凹曝氣機會(huì )在有回流管的池底形成一個(gè)負壓區，這種負壓作用會(huì )使廢水從池底回流至曝氣區，然后又返回氣浮段。這個(gè)過(guò)程確保了40%左右的污水回流及沒(méi)有進(jìn)水的情況下氣浮段仍可進(jìn)行工作^[5]。

2. 渦凹氣浮系統運行的影響因素

 2.1 污水水質(zhì)對渦凹氣浮機的影響

    由于工業(yè)廢水和污水中一般會(huì )含有相當比例的Ca²⁺、SO₄^2-，而且在氣浮過(guò)程中會(huì )投加一些浮選藥劑，渦凹氣浮系統運行一段時(shí)間后，氣浮機輪、軸承處附著(zhù)一層垢，會(huì )使氣浮系統的效率降低。

 2.2污水流量對處理效果的影響

    污水流量對處理效果的影響也是不容忽視的。在氣浮機運行時(shí)必須保證每間氣浮池的配水均勻，流量的變化意味著(zhù)污染物量的變化，需要及時(shí)調整藥劑投加量才能取得的效果。當污水流量過(guò)大時(shí)，氣浮池水平流速加快，停留時(shí)間縮短，對絮凝體上浮分離不利；流速過(guò)大會(huì )引起分離區水流紊動(dòng)過(guò)大而造成泡絮結合體破碎。當水量過(guò)大時(shí)應及時(shí)調整出水堰高度以防止污水進(jìn)入浮渣系統^[6]。

2.3絮凝劑及pH值對氣浮效果的影響

    氣浮效果的好壞除了受氣浮設備性能的影響外，還與絮凝劑的投加量和pH值有關(guān)。目前采用的絮凝劑大部分為PAC和PAM系列。絮凝劑投加量并不是越多越好。有機高分子的投加量對絮凝效果有顯著(zhù)影響。實(shí)驗證明，對于絮凝的發(fā)生，存在一個(gè)zuijia投加量，超過(guò)此量時(shí)，絮凝效果會(huì )下降，超過(guò)太多則會(huì )起相反的保護作用^[7]。而且現采用的絮凝劑多為酸性絮凝劑，有其的pH值。當污水的pH值超過(guò)pH值時(shí)，會(huì )引起絮凝體的溶解或破碎，對氣浮分離產(chǎn)生相當不利的影響。因此，在運行過(guò)程中，應對進(jìn)水pH值加以監測和控制。

3. 渦凹氣浮法在煉油污水處理中的應用

目前，渦凹氣浮工藝在主要用于含油廢水、造紙廢水及污泥濃縮等方面^[8]。下面以渦凹氣浮工藝在含油廢水中的應用為例，來(lái)說(shuō)明它在實(shí)際工程中的應用。

揚子石化含硫原油改建擴建工程竣工后，原污水場(chǎng)能力明顯不足，且原污水場(chǎng)界區內已無(wú)擴容場(chǎng)地，改造設施應小型化^[9]。改造方案在部分回流溶氣氣浮和渦凹氣浮中選擇，下表是2種方案的比較：

改造后的工藝流程采用2組渦凹氣浮機組，每組處理能力320m³/h，功率7.8kW。新建污水處理裝置工藝流程圖及進(jìn)水水質(zhì)指標：

水質(zhì)指標：

*: 單位為m³/h

投入使用的渦凹氣浮機組運行良好，設備振動(dòng)及噪音很??；產(chǎn)生的氣泡均勻細密；出渣細密，分布均勻；出水清澈，無(wú)明顯油花。下表為改造前后生產(chǎn)運行數據對比：

*：?jiǎn)挝粸閙³/h；**：無(wú)單位

    由上表可見(jiàn)，改造后污水處理能力增大，處理效果與改造前基本相同，且改造后出水含油量和COD值均達到設計指標。

改造前后污水處理消耗及成本對比見(jiàn)下表：

由上表可見(jiàn)，改造后污水處理裝置電耗及凈化風(fēng)消耗均大幅降低。

通過(guò)上述的一系列比較，在煉油污水處理中，渦凹氣浮與溶氣氣浮的處理效果接近；相比溶氣氣浮，渦凹氣浮具有投資少、占地面積小、節能降耗、操作強度低等優(yōu)勢。

4.總結

渦凹氣浮工藝作為一種的氣浮工藝，在水處理、污泥處理方面有著(zhù)廣闊的應用。它的發(fā)展依賴(lài)于基礎理論的研究。在機理方面，如氣泡的結構和特征、氣泡尺寸放入控制、氣泡與絮凝體的黏附條件等均需深入研究；在應用方面，對于工業(yè)廢水和城市污水以及污泥的處理，應從節約藥劑和降低運行費用等方面來(lái)深入研究。