（模式识别与智能系统专业论文）高效加压溶气气浮设备关键技术研究.pdf

? 嬲螋螂 北京建筑工程学院硕士学位论文原创性声明 本人郑重声明：所呈交的学位论文，是本人在导师的指导下，独立进行研究工作所取得的成果。 除文中已经注明引用的内容外，本论文不含任何其他个人或集体已经发表或撰写过的作品成果。对 本文的研究做出重要贡献的个人和集体，均己在文中以明确方式标明。本人完全意识到本声明的法 律结果由本人承担 学位论文作者签字： 裂渺 日期：p ，年月7 日 北京建筑工程学院硕士学位论文使用授权书 本人同意撕著硕士学位敝钆岛缴雄燃彤丞潞失珏鳓彳缸 著作权中的数字化制品复制权、信息网络传播权和汇编权授权北京建筑工程学院研究生处行使。上 述授权的范围包括：北京建筑工程学院自己使用或委托他人使用。 本人保证为该论文作者，依法享有著作权，并愿承担因著作权问题引起的责任。 北京建筑i 程学院须依照我国著作权法的有关规定，充分尊重本人享有的著作权权 利( 包括获酬权) 。 椎者咩秦青寇论文储( 签章) 鳓缔；月7 日 篮黝醵栅况j 事椭，i 习 睾震；心m ，7 二矿电子鬈蠢：幽叶f k 矽固，占歹厅 手机：7 j - 卜lr 7 弘矿电子信箱： “1 f 砌矽( 岁7 扫岁 。 卜 摘要 对于传统加压溶气气浮耗能巨大的问题提出了节能解决方案：采用 水轮机原理设计出一种在释气时能够回收能量的透平释气器与泵轴直 连的结构。采用数值模拟和实验验证相结合的方法，成功证明所设计的 释气器具有显著的能量回收的作用，且溶气量及释气效果良好。 采用滑动网格模型针对透平释气器在不同转速、在不同的叶片弯 度、不同的溶气水进水口数目分别进行了模拟，由模拟结果的扭矩可知 该装置具有能量回收的作用，其中在转速为2 9 0 0 r p m 、叶片弯度为 l2 0 。、4 个进水口时回收的能量最大，因此以此模拟所用的结构数值 进行加工，安装，通过实验进行验证。 在实验过程中，将泵与透平释放器用联轴器连接后，测得其不同阀 门开度、不同频率下的各工况值，与在相同条件下泵与透平释放器分离 后各工况进行对比，发现透平释气器在各种工况下其转速为泵转速的 1 6 2 1 倍，且在相同工况下泵与透平释气器连接后运行所消耗的功率 比两者分开后运行消耗的功率平均小9 0 w ，因此能够肯定该装置具有 确切的能量回收作用。 同时，采用显微摄像技术观测释放微气泡，溶气水经透平释气器释 放后在气浮池内形成乳白色释气水，所形成的微小气泡绝大部分粒径在 3 0 50 p m 之间。证明了新设计的透平释放器和文丘里管结构加溶气罐的 溶气系统相结合的方式具有良好的溶释气作用。 关键词：加压溶气气浮( d a f ) ；叶轮：透平释放器；能量回收； 数值模拟 t h is p a p e rg i v e s as o l u t i o nt os a v e e n e r g yf o rt h ew a s t ee n e r g y p r o b l e mo ft h et r a d i t i o n a ld a f u s i n gt h ep r i n c i p l eo fat u r b i n e ，d e s i g n e d ad e v i c eo fa i rr e l e a s ew h i c hh a v et h ee n e r g yr e c o v e r yf e a t u r e m e a n w h i l e t h i s p a p e r ，n u m e r i c a l s i m u l a t i o na n d e x p e r i m e n t a l v a l i d a t i o no ft h e m e t h o do fc o m b i n i n gs u c c e s s f u ls h o w st h a tt h ed e s i g n e do u t g a sd e v i c e h a v eav e r ys i g n i f i c a n te n e r g yr e c o v e r yf u n c t i o n t h i sm o v i n gm e s hs i m u l a t i o no fd i f f e r e n tp u m ps p e e d s ，t h eb l a d e c u r v a t u r e ，d i f f e r e n t n u m b e ro f i n t a k ew e r es i m u l a t e d t h es i m u l a t i o n r e s u l t so fn e g a t i v et o r q u es h o wt h a tt h ed e v i c eh a sat o r q u eo ft h er o l eo f e n e r g yr e c o v e r y ，t h ed e v i c ew h i c hh a st h es p e e do f2 9 0 0r a dp e rs e c o n d ， b l a d ec u r v a t u r eo f12 00 ，4i n t a k e sc a nr e c o v e r ye n e r g ym o s t l y ，s oa n i n f e r i o rr a c e ，n u m e r i c a ls i m u l a t i o no ft h es t r u c t u r eu s e df o rp r o c e s s i n g ， i n s t a l l a t i o n ，t h r o u g he x p e r i m e n t a l v a l i d a t i o n d u r i n gt h ee x p e r i m e n t ， m e a s u r e dd a t au n d e rv a r i o u sc o n d i t i o n ，a sd i f f e r e n tv a l v eo p e n i n ga n d d i f f e r e n tf r e q u e n c i e s ，w h e nt h ep u m pc o u p l i n gc o n n e c t i o nw i t ht h eo u t g a s d e v i c eo b t a i n i n go rt h et w o ss e p a r a t e f r o mt h ed a t e ，w ec a ns e ec l e a r l y t h a t ，u n d e rt h el a t ec a s ew h i c hs e p a r a t et h ep u m pa n do u t g a sd e v i c e ，t h e s p e e do ft h eo u t g a sd e v i c ei s1 6 2 1 t i m e st h es p e e do fp u m p a n di nt h e s a m ec o n d i t i o n ，s e p a r a t i o nc a s ec o n s u m i n gl a r g e re n e r g yt h a nt h ec o n n e c t c a s e s oc a nb es u r et h a tt h ed e v i c eh a st h ef u n c t i o no fe n e r g yr e c o v e r y w h i l ei nt h ee x p e r i m e n tf o u n dt h a tu s i n gt h i sd e v i c ea n du s et h er e l e a s eo f t h ev e n t u r it u b es t r u c t u r ep l u sd i s s o l v e dg a st a n ks o l u b i l i z a t i o ns y s t e m c o m b i n a t i o nh a sag o o de f f e c to fd i s s o l v e dg a sr e l e a s e ，m o s to ft h e f o r m a t i o no ft i n ya i rb u b b l e sb e t w e e n3o 一50 1 x mi nd i a m e t e r ，i nt h e a b s t r a c t f l o t a t i o nt a n kh a st h ei d e a lw h i t eo u t g a s s i n gw a t e r ，w h a t sm e a nt h a t i th a s g o o df l o t a t i o nw a t e rf e a t u r e s k e y w o r d s ：d i s s o l v e da i rf l o t a t i o n ，i m p e l l e r ，t u r b i n er e l e a s e r ，e n e r g y r e c o v e r y ，c o m p u t a t i o n a lf l u i dd y n a m i c s l l i 北京建筑工程学院硕士学位论文原创性声明 北京建筑工程学院硕士学位论文使用授权书 摘要i a b s t r a c t i i 目录i v 第1 章绪论1 第2 章气浮技术理论4 2 1 气浮技术的发展历程4 2 2 气浮技术的基本理论。5 2 2 1 气浮溶气理论6 2 2 2 气浮释气理论及释放器简介9 2 2 3 气泡与悬浮物粘附理论1 2 2 2 4 气浮效果的评价理论1 7 2 2 5 气浮系统效率的测定1 9 2 2 6 换气与强溶节能对比的思考2 2 2 3 气浮技术的分类2 3 2 3 1 碎气气浮净水方法c a f 2 4 2 3 2 溶气气浮法d a f 。2 4 2 4 本章小结2 8 第3 章气浮能量回收方式及理论2 9 3 1 传统d a f 的能耗分析2 9 3 2 能量回收的物理学原理3 2 3 3 本章小结3 7 第4 章透平释放器的数值模拟3 8 4 1 数值模拟技术概论3 8 4 1 1c f d 软件简介3 8 4 1 2c f d 软件模拟转动模型介绍3 9 4 2 本课题数值模拟模型4 1 4 2 1 几何模型及网格划分4 2 4 2 2 数学模型及边界条件。4 8 4 3 不同工况下模拟结果及结果分析4 9 4 4 本章小结7 4 第5 章气浮设备实验研究7 5 5 1 实验系统7 5 i v 目录 5 1 1 实验装置7 5 5 1 2 文丘里管结构的计算。7 6 5 1 3 溶气罐容积的计算7 8 5 1 4 透平释气器的计算7 9 5 1 5 本实验系统的能量分析8 0 5 2 实验方法及实验数据。8 1 5 2 1 实验步骤81 5 2 2 实验数据的测量方法简介8 l 5 2 3 实验数据处理8 4 5 2 4 摄像法对气泡的观测9 l 5 3 误差分析9 4 5 3 1 泵流量测量误差分析9 4 5 3 2 吸气量测量误差分析9 5 5 3 4 功率测量误差分析9 5 5 3 5 压力传感器测量误差分析。9 6 5 3 6 水泵扬程测量误差分析9 6 5 4 本章小结。9 6 第6 章结论与建议9 7 6 1 结论。9 7 6 2 建议9 7 参考文献：9 9 附录：10 4 致谢1 1 2 v 第1 章绪论 第1 章绪论 我国不仅水资源短缺而且水环境污染严重，随着工业的高速发展大 量工业污水直排入河带来了各种形式的污染，特别是“三江“三湖 水资源的严重污染和生态破坏，滇池、太湖的藻类爆发。如各种难治理 的工业废水制革废水、炼油化工、造纸、钢铁、食品、医药、垃圾渗滤 液等和城市生活污水对环境的污染日益严重，因此污水的处理和水资源 的再生利用在我国乃至世界显得尤为迫切。 生活和生产废水内含污染物多种多样，其要求的处理方式和处理设 备也不尽相同，但是总体上可以分为物理处理系统、化学处理系统、生 物处理系统。而本文所要研究的气浮净水一体化设备属于物理处理系 统。 水中的污染物按物理性质可以分为：溶解态( 0 1n m 1 0 n m ) 、胶 体( 1 0 - 10 0 n m ) 、悬浮态( 10 0 n m lm m ) n 1 。水中的胶体和悬浮态污 染物是使水产生浑浊的主要原因，也是水中各种细菌、病毒、污染物的 载体。我国19 9 6 年修改的污水综合排放标准( g b8 97 8 - 19 96 ) 中规 定凡有国家行业水污染物排放标准的行业执行行业标准，其他一切污水 排放均执行综合排放标准。其将污染物控制项目总数增加到6 9 项，其 中包括25 项难降解的有机污染物和放射性指标，强调对难降解有机污 染物和“三致一物质等优先控制的原则。第二类污染物标准包括p h 、 悬浮物( s s ) 、五日生化需氧量( b o d s ) 、化学需氧量( c o d ) 、总有机 碳( t o c ) 等。 就水处理的物化方法而言，悬浮态污染物可以采取沉淀或过滤处 理，胶体态污染物可以采用混凝技术处理，污染程度常用两个指标即悬 浮物( s s ) 和浊度来指示。工业废水和生活污水都含有大量的悬( 漂) 浮物质和胶体物质，其去除采用沉淀方法即混凝一一沉淀一一过滤的方 1 第1 章绪论 法去除，但是对于像含油污水、造纸废水、含藻废水等含有轻飘的杂质 时，采用传统的重力沉淀法达不到满意的处理目的，气浮水处理方法便 应运而生。 所谓气浮，是指在一定的条件下用一定的方式，向被处理水中通入 大量空气或其它气体使之溶解或混于水中，以此作为工作介质，通过一 定的方式产生大量的微小气泡，粘附在经过混凝反应的废水中难以沉降 的矾花上，使絮体的视密度小于水，上浮至水面，刮渣去除，从而达到 净水目的1 。在此按两个“一定的方式不同可以把气浮分为几类主要 有碎气气浮和溶气气浮，还有电解气浮和生物化学气浮等，将在下面章 节介绍。 气浮作为一种独特的分离技术，广泛用于处理含有密度小于水或接 近水的，难以沉淀或用沉淀去除成本较高的轻飘的悬浮物的污水。而这 种去除的颗粒物主要有两种类型：一种是低温低浊度水在混凝过程中形 成的细小絮体，粘土是构成这种絮体的主要颗粒物，虽然颗粒物的密度 大但是粒径极小，因此其在水中所受浮力几乎等于重力与下降阻力之 和，即受力几乎平衡，造成其本身的下降速度极其缓慢；另外一种是纤 维、油脂、藻类等颗粒物经过混凝后形成密度接近或小于水的絮体，更 难以下沉。上述两种情况如果要求用沉淀法去除，则污水停留时间长、 设备庞大、出水水质较差，因此用气浮法更合适，且气浮浮渣含水率比 剩余污泥低很多，对浮渣的再生利用或干化缩小体积更为有利。因此气 浮法在造纸、炼油、印染、焦化等行业的应用非常广泛川川引。 通过以上比较可知气浮净水法与沉淀净水法相比具有占地面积小、 初期投资少、可高效处理难以沉降的轻飘污粒、对来水量适应性强、对 低温低浊水处理效果好等优点。但是同时它也存在高耗能的缺点，尤其 是对使用最广泛的传统d a f 而言，有水泵和空压机的高耗能。因此降 低能耗提高系统的工作效率是气浮净水系统的重要研究方向。 本课题研究的目的是通过改进溶气设备和释气设备一体化的专用 2 浮的目标从而推进气浮设备的发展。 3 第2 章气浮技术理论 第2 章气浮技术理论 2 1 气浮技术的发展历程 气浮法净水在国际上是一种公认的优秀水处理技术，能够高效地实 现固液、液液分离，它不但可以用于生活饮水和工业用水处理，而且还 可以用于炼油化工、造纸、制革、钢铁、食品、医药、污泥浓缩，垃圾 渗滤液处理、重金属离子的分离等各种工业废水和城市生活污水处理技 术6 1 。 气浮技术源于选矿 1 ，18 6 0 年w i l i a mh a y n e o 获得专利后该法广 泛应用于气浮选矿。190 5 年，美国专利刊出了加压溶气技术，19 0 7 年， h n o r r i s 又发明了喷射溶气气浮技术3 。l92 0 年c l p e c k 曾考虑用气浮 法处理污水，加压溶气气浮分离法( d i s s o l v e da i rf l o t a t i o n ) 由挪威学 者s v e e n p e d e r s e n s t o f f a n g e r 于19 2 4 年提出，使用压力溶气罐将水与 空气加压混合溶解后，从溶气罐内排出通过节流阀使压力释放，过剩的 气体将从中释放出来形成微小的气泡进行净水阳1 。但是直到19 4 3 年汉森 ( c a h a n s a n ) 和高雷斯( h b g o r a a s ) 在s e w a g ew o r k sj o u r n a l ( 1 9 4 3 3 ) 才公开发表有关气浮法处理污水的文章1 。他们采用的是金钢砂球体布 气的方法，对2 0 余种气浮剂进行了试验，得出了气浮分离法几乎能全部 去除悬浮固体所形成的b o d ，而对溶解固体所形成的b o d 没有显著效果 的结论。至此气浮净水法确立。但是由于微气泡产生技术不过关，致使 净水效果较差，2o 世纪5 0 年代之前气浮净水技术的发展是相当缓慢1 。 19 7 5 年同济大学在苏州棉布印染厂废水处理工程中采用气浮工艺 并通过现场实验取得了较好的处理效果，19 7 9 年该废水站投入运行，成 为我国第1 个成功应用气浮工艺处理废水的实际工程。在溶气水释气方 面的进展有y j h 环隙式溶气释放器、f d 系列防堵溶气释放器等释放的气 泡的尺寸进一步微化。随后，同济大学研制出t j 、t v 、t s 系列浮选机。 4 第2 罩气浮技术理论 目前，采用气浮工艺的废水处理工程已非常普遍。随后还出现了一大批 新颖的气浮水处理技术，如，泵前加气、水环真空泵技术、e d u r 多相 流泵技术的应用、共凝聚气浮反应器、逆流式气浮池、竖流式气浮池等 等，并且使气浮净水技术和其他水处理技术结合起来达到更好的处理效 果。 在2 0 0 6 年国际水会议( i w c ) 上w e h a s s 等就提出溶气气浮是一种 被证明可用于工业水澄清的技术1 。2 0 0 7 年天津芥园水厂改建成国内规 模最大的采用d a f 水处理工艺的饮用水处理厂，该水厂能够有效的清除 藻类、低密度颗粒和有机物。使其生产能力由3 0 万立方米日提升到5 0 立方米日，水质超过国家标准，化学制剂使用量减少了3 0 且自来水口 感更佳n 引。刘善培、王启山等通过对华北地区微污染水源水的处理证 明气浮工艺适合对夏季高温高藻、冬季低温低浊水的处理，出水效果好 于沉淀工艺n 。刘洋等用d a f 处理密云水库的水也取得了显著的效果。 通过实验证明了在处理低浊( 10 0 n t u ) 低温( 0 ) d a f 要优于常规 的沉淀工艺，且其反应时间减少到原来的五分之一左右n 纠。 现在一般水厂或污水厂使用的溶气气浮机主要存在三个弊端： 1 供气方式单一主要有三种：水泵吸水管吸气供气、水泵压水管射 流供气、水泵空压机供气，而且这三方面都不完善； 2 空气释放器易堵塞； 3 耗能较大。 2 2 气浮技术的基本理论 气浮过程包括溶( 混) 气一一释气一一粘附一一固液分离四个过程 从而达到净水的目的，现按气浮阶段逐个分析各过程的机理 5 第2 苹气浮技术理论 2 2 1 气浮溶气理论 溶气过程是指水和空气发生的气体传递过程，当气体与液体接触 时，气体溶解在液体中，并达到一定的溶解度。当其接触时间足够长， 溶解度便会接近某个峰值，即为饱和溶解度。此时达到了两相平衡。溶 气过程为气浮的核心过程。 2 2 1 1 亨利定律 溶气过程是水一气体系中的传递过程，溶气水实质上就是指在压力 状态下，完成气体分子和水分子传质与能量转化的过程，得到溶解空气 的饱和溶气水n 引。这就必然涉及到分压的问题，当溶质产生的分压与 气相中该组分的分压相等时，溶解过程结束。即为亨利定律，加压溶气 气浮一直以此定率为理论基础。 v = k t x p( 2 1 ) 式中v 一一空气在水中的溶解度，l m 3 ； k t 一一溶解度系数，l k p a m 3 ，其值与温度相关，温度增加 k t 减小； p 一一溶液上方的空气平衡分压，k p a ( 绝压) 。 由上式可见，空气在水中的平衡溶解量与溶气压力成正比，且与温 度有关。在实际操作中，由于溶气压力受能耗的限制，而且空气溶解量 与溶气利用率相比并不十分重要，因而溶气压力通常控制在4 9 0 k p a ( 表 压) 以下。 但是根据文献14 t4 通过对加压溶气过程的分析，考虑空气中不同 组分在水中的溶解度不同以及由于溶解度不同会对溶气罐内的气体平 衡关系造成影响，由此提出理想加压溶气过程模型的理论溶气量计算公 式： 砾= 坐1 0 3 一： 阼= 上1 = 。 r p a t m 2 7 3 1 6 x p o x k f x m , x ( p - p o ) x 1 0 3 i = n ( 2 2 ) 6 第2 章气浮技术理论 由空气的实际组成可以认为由n 2 、0 2 、c 0 2 以及惰性气体组成的， 常压p o = 0 0 9 8 1m p a 公式简化为： 巧：3 7 8 3 x _ ( 2 7 广3 + 一t ) p = p k 鸭 i = i ( 2 3 ) 式中倪一一按不同组分计算出的理论溶气系数，与温度有关 ( m l l m p n ) p 一一气体的相对压强( m p a ) 由于传统d a f 其溶气主要在溶气 罐内进行，可知在溶气罐内气体的相对压强，即表压。 该空气在水中的溶解平衡公式同亨利定律一样其适用于当水温一 定且压力不是很高时。同时文献14 给出了不同温度下的值见表2 一l 。 表2 1 不同温度下院的值1 4 1 t a b l e2 - 1t h ev a l u e so fqa td i f f e r e n tt e m p e r a t u r e s 2 2 1 2 溶气动力理论 溶气机理可以解释为气相中的溶质传递到液相中的复杂的相际传 递过程1 。究其实质就是空气中的n 2 、0 2 、c 0 2 等单分子在克服了水 分子之间的引力后，以分子扩散或者紊流扩散的传质方式与水分子相互 作用，从而进入水分子间空隙的过程。空气分子与水分子之间存在着以 原子间电子的共谐运动产生的以色散力为主的范德华力，也就是说它将 空气分子的动能( 宏观上表现为压能) 转化为气、水分子间的内能。溶 气水是指在压力状态下，完成上述传质与能量转化过程溶解空气的饱和 溶气水。有双膜理论、渗透理论、表面更新理论等来解释此过程，均是 以气液交换界面不断变动或更新速度来分析溶解机理的，并以不断更新 或变动速度来衡量气体的溶解速率的。其中又以刘易斯( l e w is ) 和 怀特曼( w h it m a n ) 于l 92 3 年建立的“双膜理论一为基础n 1 5 1 ，其主 要论点是： 7 第2 章气浮技术理论 1 认为气、液两相接触的界面为处于层流状态的气膜和液膜，而 在两者外侧分别为气相主体和液相主体，两个主体处于紊流状态，如图 2 1 所示。气体在溶气过程中以分子扩散的方式从气相主体连续地通过 气膜、液膜进入液相主体。气膜和液膜在任何情况下都呈层流，即层流 膜。两相主体流动情况的改变仅影响层流膜的厚度，如气体的流速越大 或紊流程度越高，气膜的厚度就越薄，液膜亦薄； 2 由于气、液两相的主体均处于紊流状态，其物质浓度基本上是均 匀的，不存在浓度差，也不存在传质阻力，气体分子从气相主体传递到 液相主体，阻力仅仅存在于气液两层层流膜中； 3 在气膜中存在着气体的分压梯度，在液膜中存在着气体的浓度 梯度，这是气体转移的推动力； 4 气体传递过程可看作是由四个阶段组成的：在气体传递的第一阶 段，气体通过气相的主体抵达到气膜的外侧；在第二阶段，气体通过气 液交换界面中气相一侧的气膜；第三阶段，气体通过交换界面中液相一 侧的液膜；第四阶段，气体穿过液膜后向液相主体的扩散。 每一个传递阶段都包含一个有限的时间增量，但其中某一阶段历经 的时间往往比其它阶段要长得多，以至于在整个气体传递过程中，其余 阶段的传递时间可以忽略不计。给定条件下传递时间最长的阶段称为速 率控制阶段。对整个气体传递的速率可以只按速率控制阶段的速率计 算。气体难溶于水，因此，气体溶解于水中决定性的阻力主要集中在液 膜上，因此，气体分子通过液膜是其转移的控制步骤，通过液膜的转移 速率为其控制速率。“3 0 1 8 第2 章气浮技术理论 - - - 液 l p - 相 一 气1p i ； 紊 相 ； 土 流 c 主 ! ，一、 !c 紊 ! 流 ! 、_ ， ! i ! 图2 i 双膜理论示意图 f i g 2 1t w o - f i l mt h e o r ys c h e m a t i cd i a g r a m 2 2 2 气浮释气理论及释放器简介 2 2 2 1 气浮释气理论 释气可以看做溶气的逆过程，就是把溶解的气体经过一定的方式释 放出来聚集成小气泡的过程。释放溶入的空气，应该先消除前节所说的 气、水分子之间的内能，即为消能过程。在水温为0 压力为( 1 5 ) 1 0 5p a 时，压力溶气水中，平均每个空气分子的周围包围着888 0 4 4 4 0 个水分子，这样的空气分子宛如处在水分子组成的笼子里。其约和邻近 的水分子进行10 2 10 3 次的碰撞，才有机会越出这个笼子【3 1 。由于水分 子的“近程有序 的笼子结构出现在每一瞬间，因此，压力溶气水未经 消能释放，水分子的笼子结构会始终束缚着气体分子的越出。由此可知 只有将溶气水经过瞬间消能，使其压能转变为高动能，从而使空气分子 获得很大的动能，并且在剧烈的紊流运动中以脱离水分子对它的范德华 第2 章气浮技术理论 关于消能释放，经陈冀孙等3 1 的实践证明简单的把溶气水接通大气 以自然出流降压是达不到完善有效的释气目的的。根据分子热运动和传 质过程可知必须瞬间耗能将压能转换成动能，从而使得气体分子快速的 脱离水分子的范德华力，且使得液膜的减薄和更新加快，助于气体分子 的越出。 由上分析可知，在释气过程中分子扩散运动起主要作用，微气泡的 形成时间和尺寸的关系主要由爱因斯坦纪律公式【1 6 1 来估算的： 叉：阵三 ( 2 - 4 ) n3 缈 式中x 一一时间间隔内超微小气泡的平均位移，( m ) ； z 一一观察的时间间隔，s ； 一一水的粘滞系数，k g l s m ； ，一一超微小气泡的半径，m ； 一一阿伏伽德罗常数，6 0 2 3 x 1 0 2 3t o o l ； 丁一一水的华氏温度( 热力学温度) ，k ； r 一一普适气体常数，8 3 1 4 x 1 0 7 ( j t o o l 一k - 1 ) 。 而由布朗运动的作用并大气泡过程( 异向并大) 可以用斯维夫一费 力托朗特( s w i f t f r i e d l a n d e r ) 公式2 2 表示，而紊流运动造成超微小 气泡的并大的过程( 同向并大) 可由斯莫鲁霍夫斯基( s m o l u c h o w s k ) 公式3 1 来表示，分别为： 塑= 一4 r i k t n 2( 2 5 ) 一= 一一 i ，- 、， 出 3 d - n = 一2 r l g d 3 n 2 ( 2 - 6 ) 一= = 一一 i 出 3 式中- d n 一一释气气泡数目随时间的变化速率； 讲 刀一一t 时刻单位体积水中的气泡总数，( 个l ) ； 7 7 一一碰撞过程中发生气泡并大的有效碰撞次数所占中碰撞次 数的比值； l o 第2 苹气浮技术理论 七一一波尔兹曼常数，k = 1 3 8 0 6 x 1 0 d 6 9 0 l k ； t 一一华氏温度，k ； 一一水的粘滞系数，k g s m ； d 一一超微小气泡的半径，m ； g 一一流速梯度，s 一。 经过陈冀孙的实验证明，微细小气泡并大的过程主要因素是g 值”， 即紊流速度梯度，现对式2 5 和式2 6 积分： 1 令k = 要恻3 则聆2 卜刀2 赤2 击有扣得， n o 刀：上：三( 2 刀= 一= t 【2 - 7 ) k t 2 r l g d 5 f 由此式可见影响气泡并大的因素主要是紊流速度梯度g 值，停留时间t ， 有效碰撞系数刁。 气泡粒径计算公式： 凡钿= 丝 ( 2 - 8 ) k = 云 l 、r 式中 r 曲一一最小气泡的半径，m ； 一一气泡表面的张力系数，达因m p 一一表压差，达因c m 2 。 释气理论只能进行宏观定性分析，气泡尺寸也很难人为控制。这些 问题至今仍未很好解决，有很多技术上的问题尚需进行大量的实验支持 才能定论。 2 2 2 2 释放器简介 70 年代后释气技术发展速度较快，出现许多关于释气装置的专利产 品，如我国7 0 年代研制的t s 、t j 及t v 型系列释放器1 、涡轮溶气释放 机“ 、英国给水研究中心研制的w r c 专利释放器、瑞典a k a 公司研制的 流扩散，并在释气水出口装有导流锥，改善了释气出水的流态【5 】。 释放器的结构参数对释气率和气泡粒径会产生决定性的影响 1 s 】， 释放器的g 值越大越好，气体分子容易释放；停留时间f 越大，气碰撞 并大的几率也越大；投加表面活性剂有助于提高气膜强度不宜破碎、难 并大，有效碰撞系数刁减小有助于形成细小稳定的微小气泡【”。 2 2 3 气泡与悬浮物粘附理论 实现气浮分离过程的必要条件是使污染物颗粒能够粘附到气泡上 1 2 第2 章气浮技术理论 从而上浮至水面，显然这是一个涉及到气、液、固三相介质的问题。 气浮理论认为：溶气水中释出的微气泡，在其外层包着一层透明的 弹性水膜，除排列疏松的外层泡膜在上浮过程中受浮力和阻力的影响而 流动外，其内层泡膜与空气一起构成稳定的微气泡而上浮，经过絮凝剂 脱稳凝聚、絮凝形成的柔性网络结构絮粒具有一定的过剩自由能和憎水 基团n 。微气泡和絮粒的粘附作用的形成机理主要是由以下3 种因素 综合作用的结果：微气泡与絮粒间的共聚并大；絮粒的网捕、包卷和架 桥作用；气泡与絮粒碰撞粘附3 m 川2 。而气泡与絮体颗粒的碰撞粘 附是气浮净水过程主要应用机理3 。 对于粘附机理的分析很多，各学者按着不同的理论方面进行了分 析，主要有：单忠健等心幻从“分离压 基本概念出发，通过气泡一絮粒 间残留水化层性能的测定和计算，探讨了气泡与絮粒粘附过程的机理， 得出了一些相关信息；罗团源乜3 1 从界面自由能出发，通过水、气、粒 三相界面总自由能的变化计算，探讨了气泡与絮粒粘附时，絮粒与水的 接触角与粘附的关系，研究了气泡一絮粒粘附过程的条件；北京林业大 学的郭瑾珑n 、哈工大和中国环科院的袁鹏妇5 1 等根据紊流气浮理论研 究水流流态对气浮的影响。絮体颗粒与微气泡的粘附机理则遵循热力学 理论( 从接触角和表面自由能角度入手) ；动力学理论( 从粘附行为的 微观过程入手) 1 ；流体力学理论( 从气浮池的水力学特征入手) 2 6 1 。 国外k i tc h e ne r j a 、d e r ja g u n i1 3 27 1 、t a m b o 圳等在此方面也进行了 一定的工作，但他们主要是从毛电位和水化层方面研究，探讨其粘附条 件，并且提出了相应的数学模型。 2 2 3 1 粘附机理 必须使气泡粘附到污染物颗粒上才能实现气浮分离完成污水处理。 而这一粘附能够实现的关键因素在于水中该种污染物颗粒是疏水性还 是亲水性。而污染物颗粒的亲、疏水性可用润湿角原理来表示妇 。 根据润湿角原理可以得到水中颗粒与气泡粘附条件，即体系界面自 1 3 第2 章气浮技术理论 由能也就是表面张力。在水、气、粒三相混合系中，不同介质的相表面 上因受力不均衡而存在界面张力o 。气泡与颗粒一旦接触，由于界面张 力会产生表面吸附作用。三相间的吸附界面构成的交界线成为润湿周 边，通过润湿周边( 相交界面) 作水、粒界面张力( o1 3 ) 作用线和水、 气界面张力( o1 2 ) 作用线，两作用线的交角为润湿接触角，水中具有 不同表面性质的颗粒、气泡润湿接触角的大小不同，大于9 0 。的成为 疏水物质，易于为气泡吸附，而小于9 0 。的为亲水物质不易于为微气 泡所吸附。这种关系可以从图2 - 3 中表示的颗粒和水的接触面积( 被水 润湿面积) 的大小清楚看出。 气泡 絮体颗粒 图2 - 3 颗粒与气泡的粘附角度 f i g 2 - 3a d h e s i o na n g l oo fp a r t i c l e sa n dt h ea i rb u b b l e s 当气泡和颗粒共存于液体中，即气液颗粒三相共存的情况下，每相 之间的交界面上都存在着各自的表面张力和界面能心引。界面能彩的大小 可用下式表示： 0 9 = r x s( 2 9 ) 式中r 一表面张力( n m ) ； s 一界面面积( m 2 ) 。 由热力学稳定的一般规律可知，界面能有降低到最小的趋势，当废 水中有气泡存在时，悬浮颗粒就力图粘附在气泡上使得分散相总表面积 减小而降低界面能【30 1 。但是并非所有的污染物絮体都能粘附到气泡上， 它们能否与气泡粘附取决于水对污染物絮体的润湿角度。即为前分析 1 4 第2 章气浮技术理论 的：一般而言疏水性污染物絮体容易与水中气泡粘附，而亲水性污染物 絮体难与水中气泡粘附。 当气泡与颗粒共存于水中时，在其附着前的体系界面能为： 劬= 像气s 水气+ 厂水粒s 水粒 ( 2 - 1 0 ) 附着后，相当于1m 2 附着面积时的体系界面能为： 纰= 像气( s 水气一1 ) + 像粒( s 水粒一1 ) + ，气粒1 ( 2 12 ) 因此，该体系界面能的减小值为： a c o = 劬一毡= 厂水气+ 咏粒一，气粒 ( 2 - 13 ) 气浮过程中，多相混合系中能量的改变就是用来克服颗粒表面的水 化膜，完成气粒结合生成浮选体。a c o 值越大，气浮推动力就越大，越 容易气浮处理；反之亦反。 当水一气一粒三者处于稳定状态时，这是三相界面张力的关系应为 ，水粒= 像气c o s ( 1 8 0 0 一+ ，气粒 ( 2 14 ) 将上式带入式2 一1 1 中可得到 a w = 厂承气( 1 一c o s d ( 2 15 ) 由上式可知，在水中并非所有的物质都能与气泡粘附，而是与该物 质的接触角有关。当接触角趋于0 。时，界面能a w 趋于0 ，此类物质亲 水性强，无力挤开水膜，故不能粘附气浮；当接触趋于18 0 。时，界面 能彩趋于2 像气，此类物质憎水性强，容易与气泡粘附，所以容易气浮。 2 2 4 2 粘附影响因素 在宏观上，气泡和污染物颗粒粘附主要是由碰撞粘附作用、网捕包 卷架桥作用、表面活性剂参与的作用形成的。碰撞粘附作用是根据 d e r ja g u i n 和d u k h i n 31 1 对悬浮颗粒物的气浮去除进行研究提出了三区 作用模型得来的，由于污染物絮体与气泡存在速度梯度致使其发生软碰 撞，软碰撞过程中两者之间的水化膜接触、变薄、破裂从而粘附；网捕 1 5 第2 章气浮技术理论 南蠢。g渤 图2 4 界面能示意图7 5 3 f i g 2 4d i a g r a mo fi n t e r f a c i a le n e r g y 【7 5 】 包卷架桥作用主要是由于混凝形成絮粒具有网状结构，动能较大的微气 泡撞进大絮体结构的凹槽内被其网捕，另外在絮粒吸附架桥结大或者在 其形成过程中也会将游离在中间的自由气泡包卷；而适量的表面活性剂 的参与，絮体的憎水基团增加提高气泡的粘附牢度和数量，增加气浮效 果。 从气泡与絮粒接近时，中间水化层自由能的变化曲线可以看出，两 者的距离h l 到h 2 时中间水化层自由能达到最低值。 鬟 毡 群 0h l b b b 韩萄鸯耘 水化膜 图2 5 气泡与絮体表面接近时中间水化层自由能的变化【3 3 】 f i g 2 - 5t h ec h a n g eo ft h em i d d l el a y e r sf r e ee n e r g yo fh y d r a t i o nw h e nb u b b l e s a n dt h ef l o cs u r f a c ec l o s et oe a c h 1 6 第2 覃气浮技术理论 2 2 4 气浮效果的评价理论 气泡粒径的大小与气浮净水效果产生直接的关系 3 4 】。从气浮净水 技术出现到2 0 世纪5 0 年代末期还没有得到广泛的应用，其主要原因就 是微细泡的产生技术没有得到大的改进与提高。据研究证明气泡的最大 尺寸有一个限制，而气泡过度的微细化也将影响气浮的净水效果，在一 定的范围内传统认为认为气泡尺寸越小，相应的气浮净水效果也越好 【3 】 o 微气泡粒径过小时，其上升速度会过低，在混合区内污染物颗粒与 气泡的有效碰撞时间和几率就会变小，由此会降低气泡的粘附率和有效 释气量，随而降低气浮系统的净水效果，但是气泡粒径小时其与絮体的 粘附主要靠紊动碰撞接触，同时在相同溶气量和释气量的条件下气泡的 二维密度大，将会有利于气固两相的混合紊动接触，并且水中的气泡粒 径越小，它们的表面积就越大，具有的自由界面能就越多，越显出热力 学的不稳定性，因此，它们对污染物颗粒的吸附性就越强；气泡粒径过 大时，在相同溶气释气量的情况下，气泡的二维密度减小，将会影响污 粒与气泡的宏观粘附几率，同时污粒携气量过大则浮力过大上升速度增 大，由此会撞碎絮粒降低气泡的粘附效果，但是由于较大尺寸的气泡浮 速较高，与絮体的稳定粘附接触外，还有气泡上升的顶托接触，因此有 利于气浮，另外，在一定的程度上，当气泡直径大时上浮快则获气量不 足的絮体在混合室的历经时间内可捕获更多的上升而来的气体量，从这 一角度上讲，也不能简单的认为气泡尺寸越小其净水效果越好，而与污 粒的性质及粒度有关系【5 1 。但若使气泡与污粒稳定的结合，其直径应 该有一最大限制，超过这一限制气泡和污粒粘附就不稳定，所谓稳定结 合就是指单体气泡的浮力不超过最小污粒所需的上浮力。废水中加入特 定的化学药剂混凝后，一般气泡与污粒间的湿润接触角多在4 0 50 。之 间。由式子2 12 得出气泡直径应小于2 0 0l im 才能与污粒稳