（环境工程专业论文）一种新型负压气浮除油装置的研究与开发.pdf

西南交通大学硕士研究生学位论文 第1 页 摘要 本文首先论述了目前国内外气浮技术的研究现状，并介绍了传 统气浮法的机理；接着从气泡的产生、气泡和目的物的粘附和上浮 分离三个方面深入探讨了桨叶式负压气浮法和气水混合室是负压气 浮法的工作原理，比较了桨叶式负压气浮法和气水混合室式气浮法 的优缺点，并总结出影响负压气浮法处理效果的主要因素；接下来 介绍了实验室模型的设计制作；然后对实验室模型的各项捩术参数 进行了测试，主要测试内容包括：气泡的大小、去除率、单位时i h j 的处理量、转数及工作水深，试验表明对石汕类物质的去除率为 9 5 以上，对s s 的去除率为9 0 以上，基本达到了传统溶气浮气浮 法的处理效果，并对试验数据进行了分析，讨论了除油率和转数的 关系，指出了最佳转速的存在，讨论了最佳转速和工作水深的关系， 总结出不同工作水深下的最佳转速计算的经验公式；最后文章总结 出负压气浮技术较传统气浮法的优点。并对其进行了社会经济效益 分析，分析结果表明：负压气浮技术原理先进、能耗低、噪声小、 占地面积小、处理效果好具有广阔的应用前景。卉矿一 关键词：废水处理，负压气浮，去除率 西南交通大学硕士研究生学位论文 第1 1 页 a b a s t r a c t f i r s t l y ，t h e r e s e a r c hs i t u a t i o n sa b o u t t h e d i s p o s a l o f o i l y w a s t c w a t c r a r c p r e s e n t e d ，a n d t h em c c h a n is 1 1 1o ft h et r a d i t i o n a l f l o t a t i o ni si n t r o d u c e d s e c o n d l y ，t h em e c h a n i s mo fn e g a t i v cp r e s s u r e a i rf l o t a t i o nw i t hb l a d ea n da i r - w a t e r - m i x i n ga i rf l o t a t i o na r ed i s c u s s e d i nt h ew a y s ：t h eg e n e r a t i n go fg a sb u b b l e ，t h ea d h e r e n c eo fg a sb u b b l e a n d s u s p e n d e dm a t t e r ，a s c e n d i n g a n dp a r t i n g t h ea d v a n t a g e s a n d d i s a d v a n t a g e s o ft h e n e g a t i v ep r e s s u r e a i rf l o t a t i o nw i t hb l a d ea n d a i r w a t e r m i x i n g a i rf l o t a t i o na n dt h ep r i m a r yf a c t o r sd e t e r m i n i n gt h e d i s p o s a le f f i c i e n c y o fn e g a t i v ep r e s s u r ef l o t a t i o na r ea l s op r e s e n t e d t h i r d l y ，t h e t e c h n i c a l p a r a m e t e r s o ft h e l a b o r a t o r ye q u i p m e n t a r e m e a s u r e d ；t h ep r i m a r yp a r a m e t e r sa r e t h ed i a m e t e ro fg a sb u b b l e ，t h e d i s p o s a le f f i c i e n c y ，t h ed i s p o s a ls p e e d ，t h es p e e do fr e v o l u t i o na n d t h e d e p t ho fb l a d ei nt h e w a t e r a n dt h er e s u l t ss h o wt h a tt h ed i s p o s a l e f f i c i e n c yf o ro i lh a sb e e n9 5 ，t h ed i s p o s a le f f i c i e n c yf o rs sh a sb e e n 9 0 t h er e l a t i o no ft h ed i s p o s a le f f i c i e n c yf o ro i la n dt h es p e e do f r e v o l u t i o ni sd i s c u s s e d ，t h eo p t i m a ls p e e do fr e v o l u t i o nh a sf i r s t l yb e e n i n t r o d u c e d t h e nt h er e l a t i o no fo p t i m a ls p e e do fr e v o l u t i o na n dt h e d e p t ho f b l a d ei nw a t e ri sa l s od i s c u s s e d a tl a s t ，t h ea d v a n t a g e so ft h e n e g a t i v e f l o t a t i o na r es u m m a r i z e d ：s m a l l e r n e c e s s a r ya r e a ；m o r e e c o n o m i c a l ；e a s i e ro p e r a t i o na n dm a i n t e n a n c e ；m o r ee f t i c i e n t ；b e t t e r w o r k c o n d i t i o n t h ee c o n o m i c a la n ds o c i a le f f e c ti sa l s op r e s e n t e d k e yw o r d s ：t h ed i s p o s a lo fw a s t e w a t e r ，n e g a t i v ep r e s s u r ea i rf l o t a t i o n ， t h ed i s p o s a le f f i c i e n c y ； 西南交通大学硕士研究生学位论文第1 页 第1 章绪论 1 1 问题的提出 含油废水的污染源，近年来越来越受到人的重视，并被环境保 护部门列入主要管理的工业污染源之一，国家污水综合排放标准 ( g b 8 9 7 8 1 9 9 6 ) 中对油的排放标准也做了明确的规定：一二级标 准规定的最高允许排放浓度足l o m g l 。 1 1 1 含油废水的来源 1 船舶污染 目前，石油总产量的6 0 经海上运输，尽管近年来不少国家规 定油船的洗舱水、压舱水的含油废水必须进行处理，但全世界每年 从含油废水排入各类水体的油量仍近百万吨。油船由于触礁等意外 事故，每年顷入海洋的石油大约为5 0 万吨。另外。近年来蓬勃兴起 的拆船业也带来油污染。 2 工业污染 目前我国石油、石油化工、钢铁、铁路、焦化、煤气发生站、 机械加工、肉类加工、洗衣房、汽车修理等企业每年都要产生大量 的含油量很高的废水，以一个中等规模的铁路机务段为例，平均的 废水排放量为3 5 0 5 5 0 t d ，排放的废水含油率一般为6 0 0 - 8 0 0 m g 1 、 c o d 。，值一般为4 0 0 5 0 0 m g 1 、s s 值一般为5 0 0 1 0 0 0m g 1 。在一般 的生活污水中，油脂也占有机质的1 0 ，平均每人每天产生的油脂 量达0 0 1 5 k g 。3 3 采油污染 陆上和海底采油都会带来石油污染，特别是海底采油，若发生 井喷，大量石油泄入海洋，会造成十分严重的油污染。 4 大气石油烃污染 每年由工厂、船舶、车辆排入大气的石油烃，全世界约有6 8 0 0 万吨，除被光氧化外，约有4 0 0 万吨沉降到地球表面，污染地面水 和海洋。 西南交通大学硕士研究生学位论文第2 页 1 1 2 含油废水的特性 含油废水是水一固一油三相的复杂混合体系，处理的日的足使 水、固、油三相完全分离后，进行再利用。含油浊废水中的主要污 染物是油和泥，处理的难点则集中在油上。 含油废水中油存在的物理形念大致可以分为五种： i 浮油油粒的直径大于1 0 p , m ，在一定的停留时间能浮于水面 而除去。 2 悬浮油油粒的直径为5 0 一lo o “m ，粒径较小、很稳定、很 难聚集浮于水面。 3 乳化油油粒直径为0 0 0 1 10 p m ，由于粒径很小，在水中以 乳化形态稳定地分散于水中。 4 溶解油油粒直径小于0 1 “m ，在水中的数量很少，其溶解 量取决于油类的化学成分，极难用一般的物理方法去除。 5 粘附油油相当牢固地粘附在固体颗粒上，随固体颗粒沉积 或稳定地悬浮于水体中。 1 1 3 含油废水的危害 我国每年产生的含油废水若得不到妥善的处理将会产生严重的 后果。含油废水对环境的污染主要表现在对生态系统及自然环境( 土 壤、水体) 的严重影响。进入水体中的浮油，形成油膜后阻碍大气 复氧，断绝水体氧的来源；而乳化油和溶解油，由于需氧微生物的 作用，在分解过程中消耗水中溶解氧( 生成二氧化碳和水) ，使水体 形成缺氧状态。水体中的二氧化碳浓度增高。使水体的p h 值低到正 常范围以下，以致于鱼类和水生生物不能存活：含油废水流到土壤 中，由于土层对油污的吸附和过滤作用，也会在土壤中形成油膜， 使空气难于透入，阻碍土壤微生物的增殖，破坏土层团粒结构；含 油废水排入城市排水管道，对排水设备和城市污水处理厂都会造成 影响，流到生物处理构筑物混合污水的含油浓度大于3 0 5 0 m g 1 ， 将影响活性污泥和生物膜的正常代谢。 由上可见含油废水处理在我国是一个量大面广危害大的环境问 题，能否处理好此问题的关键之一是处理工艺。目前我国采用的处 理工艺主要是： 西南交通大学硕士研究生学位论文第3 页 1 隔油池该法利用比重差，使有汕上浮、固体颗粒下沉，虽然 隔油池构造简单，便于运行和管理，但是一般隔油池池体大占地面 积多，而且只能除去水中直径大于6 0 “m 的浮油。 2 气浮法该法是向水中通入空气形成微气泡，利用微气泡与 目的物粘附上浮的原理去除水中的悬浮物。该法种类繁多，目前最 常用的是溶气气浮和射流气浮法。气浮法的处理效果稳定、除油效 果好，因此广泛应用于各行各业。但是气浮法也存在一些不足，例 如溶气气浮设备复杂、占地面积较大、噪声大、运行维修费用高； 而射流气浮工艺致命的弱点是进气量受设备特性的限制，吸气量不 大，一般不超过进水的1 0 ，同时能耗高，设备也较复杂。 在许多实际的含油废水处理工程的设计过程中，业主和现场的 管理人员都要求处理工艺投资省、运行管理费用低、占地面积小、 处理效果好、无二次污染，而设计人员采用传统的气浮法和隔油池 已无法满足要求了。因此研究开发一种新型的含油废水处理装置成 了一个迫在眉睫的问题。因此我选定应用先进的负压气浮原理研究 开发出一种新型的含油废水处理设备来满足市场的需要，并以此为 题完成的的硕士论文。 1 2 国内外的研究现状 根据科技查新报告的结果显示：目前国内外对含油废水处理的 研究主要集中在油水旋流分离器、超滤膜和气浮法等方面。 油水分离器是目前含油废水处理研究的一个热门方向。王学文、 郑远扬提出以“浅池原理”和“聚结技术”结合起来的途径，开发 出高效密闭的油水分离器o “：陈忠喜、陈述波开发出横向流除油器， 并研究了其在含油废水处理中的应用】；此外c a p l 8 n ，j a s o n a 1 、 k e n a w y ，f a 、汪华林”、侯天明”、李健”、王勇。3 等学者 也对油水分离器作了一些研究工作。新型高效油水分离器解决了重 力分离法处理含油废水占地面积大和效率低的缺点，但是它依然沿 用重力分离法，只能去除油粒的直径大于6 0 p m 的浮油和分散油，无 法对含油废水进行深度处理。 近年来人们对膜处理技术的研究方兴未艾，对利用超滤膜来处 理含油废水国内外学者们也做了大最的研究工作。张裕卿、丁键等3 西南交通大学硕士研究生学位论文第4 页 提出了用聚砜一a 1 2 0 3 复合膜处理含油废水，截留率达到了9 0 ， 再生性能好；李发永、徐英等们也提出了用磺化聚砜超滤膜处理含 油废水；此外国内外此类研究还不少。虽然应用膜处理技术处理禽 油废水出水水质好，设备简单，一但是始终未解决膜孔易堵塞，操作 费用高等问题，因此虽然目前研究很多，应用却很少。 气浮法是含油废水处理的传统工艺。特别是溶气气浮法至今仍 然普遍应用于各行各业的废水处理工程中。但是目前人们对气浮理 论的研究并不多见。 气浮法作为一种高效、快速的固液分离技术，始于选矿。自上 世纪七十年代以来，该项技术在水处理领域颇受国内外学者的关注、 并取得了迅速的发展，目前已较广泛地应用于给水、城市污水和工 业废水处理。 二十世纪七十年代以前，气浮理论的研究是开拓期，主要集中在 气浮工艺条件的研究，但较为深入的一些研究工作也仅停留在某些 气浮过程表面现象的局部解释，或是测定气泡的大小、接触角、表 面张力，电位、颗粒大小与气浮效率的关系，所用的实验方法和 仪器设备也较为简单和经典。 二十世纪七十年代以后，气浮理论研究方面深入发展，对气浮过 程的机理、热力学和动力学的研究也日益重视，文献逐年增加。国 内此类研究较少，同济大学在此方面做了不少的工作；单忠键等“ 从“分离压”基本概念出发，通过气泡一絮粒间残窟水化层性能的 测定和计算，探讨了气泡和絮粒粘附时，液膜薄化的物理及化学因 素，研究气泡一絮粒粘附过程的机理，得出了一些相关的信息。国 外一些学者在此方面也进行了一定的研究工作，但主要是从e 电位 和水化层方面研究探讨其粘附条件，且提出了相应的数学模型。 目前，人们对射流气浮法也做了一些研究工作，高光才、文联奎 等2 对影响射流气浮法的除油效率的主要因素进行了研究，但并没 有解决气浮法设备复杂、占地面积大等问题。对于新型的负压气浮 处理技术，国内尚未开展，而国外这方面文献资料也很少见，仅美 国h y d r i c a l 公司开发出了专利产品。 西南交通大学硕士研究生学位论文第5 页 1 3 主要的研究内容及方法 经过充分的调研活动了解到国内对负压气浮领域的研究尚未丌 展；查新报告的结果也显示，与此紧密相关的文献资料也很少。斟 此首先回顾了传统气浮法的原理，接着深入探讨了负压气浮的工作 机理，设计和制作出桨叶式负压气浮实验模型，在实验室条件下实 现了负压气浮的原理，并总结出一套半经验公式，为以后进一步深 入研究负压气浮理论和产品开发打下了基础：由于桨叶式负压气浮 装置的制造精度要求过高且气泡大小难于控制，因此作者提出了 气水混合室式负压气浮模型的设想，并设计制作出试验模型，在实 验室条件对其性能进行了测试，气水混合室实验模型对石油类物质 的去除率高达9 5 以上，对s s 的去除率高达9 0 以上，基本上与 目1 j 溶气气浮法的处理效果相当；同时测试气水混合室式负压气浮 试验模型的主要工作参数：最佳工作水深、最佳转速、单位时间的 处理量，讨论并分析试验的结果，得出了最佳转速与试验模型的除 油率，最佳转速与最佳工作水深之间的关系：最后文章总结负压气 浮法较传统气浮法的优点，并对负压气浮法的应用前景和社会经济 效益作出了分析和评价。 西南交通大学硕士研究生学位论文蓥6 亟 第2 章传统气浮的机理及工艺 2 1 气浮法的定义及适用范围 传统气浮法处理污水是在水中通入空气，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，从而获得固液分离的方法。目前在给水、工业废 水和城市污水处理方面都有广泛的应用，主要适用于： ( 1 ) 分离地面水中的细小悬浮物，藻类及微絮体： ( 2 ) 回收废水中的有用物质，如造纸厂废水中纸浆纤维及填料 等。 ( 3 ) 代替二次沉淀池，分离和浓缩剩余活性污泥。特别适用于 那些易于产生污泥膨胀的生化处理工艺： ( 4 ) 分离回收含油废水中的悬浮油和乳化油： ( 5 ) 分离回收以分子或离子状态存在的目的物，如表面活性物 质和金属离子。 传统气浮法种类繁多，但万变不离其宗的必须包括以下三个过 程：气泡的产生、气泡与颗粒( 固体和液滴) 的附着以及上浮分离 等连续步骤。 从气浮法的定义不难得出，实现气浮分离有两个必要条件：第 一，必须向水中提供足够数量的微细气泡，气泡的理想尺寸为1 5 2 0 1 a m ；第二，必须使目的物里悬浮状态或具有疏水性质，从而附着 于气泡上浮。 2 2 气泡的模型 传统气浮法中产生的气泡直径一般均在l o o p m 以下，气泡外包着 一层带有憎水性的弹性膜，内层膜( 附着层) 和排列疏松的外层膜 ( 流动层) 气泡膜的韧性和强度随水的表而张力的降低而增强，结 构如图2 1 ： 关于气泡的电荷问题，日本学者曾测定g 电位为一1 5 0 m v ( p h 7 ) ， 并认为气泡不会相互粘附。但同济大学的学者研究结果表明，微气 亘匝窑道盔耋塑主塑壅生兰垡迨塞蔓：夏 泡电性的不同取决于处理液的性质与成分，而且带电量相对较低。 极性水分子 缔合体 附肴层流动层 图2 一i 微气泡的构造示意图 2 3 传统气浮的过程 2 3 1 气泡的产生 气泡产生的原理是传统气浮法分类的依据，产生微气泡的方法 主要有电解，分散空气和溶解空气再释放三种： 1 电解法 向水中通入5 1 0 v 的直流电，废水电解产生h ：、0 ：和c o 。等，气 泡微细，密度小，直径约1 0 6 0 l a m ，浮升过程中不会引起水流蠕动， 浮载能力大，特别适用于脆弱絮凝体的分离。如，采用铝板和钢板 作阳极，则电解溶蚀产生的f e ”和 l ”离子经过水解，聚合及氧化， 生成具有凝聚，吸附及共沉作用的多核羟基络会物和胶状氢氧化物。 有利于水中悬浮物的去除。 此法因能耗过商，电极板易结垢。运行维护费用高而仅适用于小 型污水处理厂。 2 分散空气法 分散空气的方法和设备很多： a 通过由粉末冶金、紊烧陶瓷或塑料制成的徽孔板( 管) ，将 压缩空气分散为小气泡。气泡大小与徽孔孔径及水的表面张力有关。 这种方法简单易行，但产生气泡较大( 直径1 一l o m m ) ，微孔板( 管) 易堵塞。 b 采用以水带气的射流器向水中充入空气。高压水经过喷嘴喷 ， ， ， ， ， 、j 西南交通大学硕士研究生学位论文第8 页 射产生负压而从吸气管吸入空气，气水混合物通过喉管时将气泡撕 裂，粉碎，剪切成微气泡。进入扩散段后动能转化为势能，进一步 压缩气泡，随后进气浮池，扩散成微气泡。 此法微孔管易堵塞，射流器进气量有限，运行维护困难，在实际 的应用中并不常用。 3 溶解空气再释法( 溶气气浮法) 溶气气浮是使空气在一定压力下溶于水中呈饱和状态，然后使 废水压力骤然降低，这时溶解的空气便以微小的气泡从水中析出并 进行气浮。用这种方法产生的气泡直径约为2 0 1 0 0 p m 。根据气泡从 水中析出时所处的压力不同，溶气气浮又可分为两种方式：一种是 空气在常压或加压下溶于水中，在负压下析出，称为真空溶气气浮； 另一种是空气在加压下溶予水中，在常压下析出，称为加压溶气气 浮，加压溶气气浮按溶气水的不同有全部进水溶气，部分进水溶气 和部分处理水溶气，目前该方法广泛用于含油废水的处理。 溶气气浮法处理效果较稳定，是目前含油废水处理的主流工艺， 但此法也存在设备复杂、占地面积大等缺点。 2 3 2 悬浮物与气泡附着 悬浮物与气泡附着有三种基本形式：气泡在颗粒表面析出、气 泡与颗粒吸附和絮体中裹央气泡。 砘水性囊鞋素木性震粒 素永性囊拉藏木性囊艘 瑚黑岫雨扣期疆确蒋栩 图2 - 2 不同悬浮颗粒与水的润瀑情况 西南交通大学硕士研究生学位论文第9 页 。e 泡能否与悬浮颗粒发生有效附省主要取决于颗粒发埘性质。 如果颗粒易被水润瀑，则称该颗粒为亲水性的，如颗粒不易被水润 湿，则是疏水性。颗粒的润湿性程度常用气液固三相间互相接触时 所形成的接触角的大小来解释”“，见图2 2 。在静止状态下，当气、 液、固三相接触时，在气一液界面张力线和固液界面张力线之间的 夹角( 对着液相) 称为平衡接触角，用e 表示，o 9 0 。者为亲水性物 质。不论物质的润湿性如何，在三相接触点上，三个界面张力总是 处于平衡状态，即： o l s = g l oc o s ( 1 8 0 。一o ) + a g s ( 2 1 ) 当气泡与颗粒共存于水中时，在其附着前，单位界面面积上的界 i ( i i 能之和为w l = o l s 十o l g ，附潴后，单位附着面积上的界碰能相应减 小为w ，= o 。，其界面能降低的数值为： a w = w j w 2 = 0 1 3 + c r l g 一。g s ( 2 - 2 ) 整理得： a w = o l s ( 1 一c o s 0 ) ( 2 - 3 ) 由上式可见： ( 1 ) 当颗粒完全被水润湿时，0 叶0 0 ，c o s 0 _ i ，a w _ 0 ，颗粒 不能与气泡相粘附，因此也就不能用气浮法处理。 ( 2 ) 当颗粒完全不被水润湿时，0 _ 1 8 0 0 ，c o s o 哼l ，w 呻2 0 i g ， 颗粒与气泡粘附紧密，最易于用气浮法去除。 ( 3 ) 对a 。值很小的体系，虽然有利于形成气泡，但w 很小， 不利于气泡与颗粒的粘附。 如果要用气浮法分离亲水性颗粒，就必须投加合适的药剂，以 改变颗粒的表面性质，这种药剂通常称为浮选剂浮选剂大多数由 极性一非极性分子所组成，其极性端含有- o h 、一c 0 0 h 、一s o 。h 、- n h ：、 ；n 等亲水基团，而非极性端主要是烃链。在气浮过程中，浮选齐j 的 极性蔡| 习1 能选择性地被亲水性物质所吸附，非极性端则朝向水，从 而使亲水颗粒表面变为疏水表面在铁路食油废水的气浮处理过程 西南交通大学硕士研究生学位论文第1 0 页 中最常用的药剂是碱式氯化铝等。 2 3 3 上浮分离 气泡与悬浮物附着在一起后，因浮力作用，气泡将悬浮物带至 液面，形成浮渣，用刮渣装置去除，而清水则由出水口排出。 气泡的上浮分离，分为二个阶段：首先，在释放器附近，它受 到多种力的共同作用( 浮力、重力、水流推力，阻力和出流引力) 因此气泡的运动路线十分复杂，迂回曲折，这样有利于气泡与悬浮 物的充分接触；然后，在分离区，气泡因浮力、熏力和阻力的共同 作用，直线上浮到水面。 此外，在通入空气量一定的情况下，气水混合越充分，生成的 气泡直径越小，气泡量越大，气泡的表丽积就越大，越有利于在曝 气头附近吸附悬浮物质，越有利于去除污水中的含油物质。 2 4 常用的典型气浮处理工艺及实例 2 4 1 传统溶气气浮工艺 前己述及。溶气气浮法根据气泡从水中析出时所处的压力不同， 分为加压溶气气浮和真空溶气气浮，下图为溶气法中最常用的加压 l 一暧水井2 一加压泵卜空压杌一压力淳善簟5 碱压荐赦冈6 - 浮上分液浊 7 一愿木进未警l 一到洼桃9 一集水系统l 壤科屡1 l 一板 图2 3 加压溶气浮工艺流程豳( 部分回流式) 西南交通大学硕士研究生学位论文第1 i 页 溶气气浮工艺流程。 在加压溶气气浮工艺中，部分出水由泵加压至0 3 0 5 m p a ，压 入溶气罐中，与此同时，由空压机向溶气罐压入空气。溶气后的水 气混合物再通过减压阀或释放器进入气浮池进口处，析出气泡进行 气浮，在分离区形成浮渣，用刮渣机撇除。 2 4 2 传统溶气气浮法处理含油废水的实例 现以成都铁路局成都车轮厂废水处理站为例来说明传统气浮工 艺存在的问题： 成都车轮厂位于成都市驷马桥，以前未经处理的含油废水直接排 入沙河( 沙河属国家一类水域中) ，对周围环境造成严重的污染。 成都车轮厂废水处理站采用传统的溶气气浮法处理轮对冲洗废水和 轴承煮洗废水，工程总投资6 4 万元，设计处理能力为每天处理废水 3 0 0 m 3 。自1 9 9 7 年竣工以来，设备运行正常、处理效果稳定。 2 4 2 1 工艺原理 1 冲洗废水 轮对冲洗废水经过集水、调节后，经输水明渠进入隔油沉砂池， 进行隔油沉砂处理，去除冲洗下来的大颗粒的悬浮油泥和泥砂，废 水停留时间1 5 小时。出水进入二级气浮池进行气浮处理。 2 煮洗废水 轴承煮洗车间产生的煮洗废水是含大量洗涤剂的高温废水，含大 量的油泥。煮洗废水首先进入污泥干化池，过滤处理后与二级气浮 池、隔油沉砂池的过滤水汇合，经输水管流入隔油沉砂池的进水明 渠中，与冲洗污水一起进行处理。 3 污泥、浮油处理 集水池、隔油沉砂池和二级气浮池的沉淀污泥和油污浮渣全部 用潜水泵输送到污泥干化池中过滤干化，降低其含水率后外运。 工艺流程示意图如下图： 亘童銮道盔茎堡主丛窒生兰丝迨塞翌! ：基 捌越什 朴充木 轮对冲 洗鹰水 回用 图2 - 4成都车轮厂废水处理工艺示意图 2 4 2 2 工程投资及运行成本 1 工程投资 土建投资2 7 2 7 万元，水处理设备投资2 9 6 0 万元，电气设备投 资1 3 7 4 万元，其它费用5 万元。工程总投资6 3 2 4 万元。 2 运行成本 该污水站设计总装机容量约1 8 8 k w ，每日运行8 小时，需2 名 工作人员。合计平均运行成本0 6 0 元m 3 。 由上可见，此系统尽管设备运行正常、处理效果稳定、基本达到 了污水综合排放标准的要求( 1 0 m g i ) 。但是此系统与其它传统溶 气气浮工艺一样，存在着以下不足：能耗较高、设备复杂，运行及 维护费用较高；溶气罐大，占地面积大；空压机运行时产生的噪声， 形成了二次污染( 工程中为了消除二次污染，特增设了隔声间，进 一步增大了废水处理站的占地面积) ；若在气浮前需经混凝处理时， 则形成的絮体势必在压缩和溶气过程中破碎，因此混凝剂耗量较多； 当水中悬浮物多时，释放器易堵塞。 此外，予成都乖轮厂i 吁地而积狭小，当时在选用废水处理工艺 时，铁路环保部门、设计人员和现场管理人员都希望能采爿j 新技术， 来弥补传统气浮法存在的诸多不足。但当时尚未有合适的气浮法新 工艺，只好仍然采用传统气浮法。 酉杰窑遵盔主亟主塑塞尘主丝笙塞茎! ：夏 第3 章负压气浮法的基本原理 气浮过程都包括气泡的产生、气泡与颗粒( 固体或液滴) 的附 着及上浮分离等连续步骤，而气泡与颗粒的附着机理在各种气浮工 艺中都是相似的。下面将从气泡的产生，上浮分离两个方面详细叙 述负压气浮的基本原理， 在研究过程中，通过大量的调研工作，深入的剖析了负压气浮理 论，下面分别祥述桨叶式负压气浮反应器和气水混合室式负压气浮 反应器。 3 1 桨叶式负压气浮反应器的工作原理 3 1 1 气泡的产生 出水 十1 一 一9 e 。 、 5 、8 、6 c 弓 卜电机2 一进气孔3 一垂俺4 一轴5 一接室 6 - 出气孔7 一叶片8 一整流板9 一分离区 图3 - 1 桨叶式负压气浮反应嚣 如图所示，电动机带动叶片转动，在叶片周围形成一个强大的 负压区，空气经由轴与套简之问的空气通道，被引入高速旋转的叶 耍壶窑湮杰堂巫主竺窭圭芏焦篷塞簋! ：要 片附近，通过叶片的高速剪切运动，将吸入的空气撕裂、粉碎、剪 切成微气泡( 直径大约1 o o p m 左右) ，详细的结构尺寸见本论文后所 附机械图。 轴的功率计算： n = 怒( k w ) ( 3 _ 1 ) 式中： q 一表示吸入的气水混合物的量，可按下式计算： a = 南m ) c s z ， 式中q - - - - 处理水量，m 3 s ： m 一一系数； h 一一气浮池的静水压力，亦即叶片旋转产生的扬程： h = o 【昙( m ) ( 3 - 3 ) g 式中a 一一压力系数； v 一一叶片周围线速度，m s ； p 一一气水混合物的容重： t 1 一一效率。 3 1 2 上浮分离 带气絮粒在叶片周围通过浮力、重力与水流阻力的综合作用，取 it 1 水流推为j 7 7 阻 胬譬 u 下 u 千 u 台 图3 - 2 带气絮粒在分离区的运动状态分析 得了向上的升速。进入接触室上部后，又受到了两个力的作用而产 代翮n r 耍童銮鎏盔堂塑主塑塞生兰垡途塞 塞：戛 生两种流速：一是水流扩散后由水平推力所造成的水平方向流速 ( u + ) ：二是由于底部出流所造成的向下流速( uf ) ，或是随水流带出 u 。向下。至于其中上升或下降速度的大小则视u 在纵轴上投影的大 小而定。 由上图可见： ( 1 ) 要使上浮效果好，必须尽量降低ur ，它可采用流线形， 高精度的叶片，尽量减少叶片对接触室中水的挠动，减小出流引力。 ( 2 ) 要有利于上浮力小的带气絮粒的分离和提前实现上浮去 除，应尽量降低ur ，它可通过整流板，使u ，降低，减小带气絮粒 的上浮路程，缩短上浮时间，提高去除效率。 3 2 气水混合室式负压气浮反应器的工作原理 3 2 1 气泡的产生 卜电机2 一进气孔3 一套筒4 一轴5 - 接触室6 一迸水槽 7 一导向叶片8 一整流板9 一分离区l o - , 水混合室 圈3 - 3 气水混合室式负压气浮反应器 电机带动轴、气水混合室和导向叶片( 导向叶片是空心管状) 西南交通大学硕士研究生学位论文第1 6 页 高速旋转，在气水混合室内外形成强大的负压区。空气由进气孔， 沿套筒内壁，被吸入气水混合室，而废水由进水槽吸入气水混合室。 在气水混合室中，空气与废水完全混合后，被导向叶片甩出，形成 微气泡，再经过整流板稳流后，在池体内垂直上升进行气浮。 轴功率的计算； n = 怒( k w ) ( 3 _ 4 ) 式中： q 一一吸入的气水混合物量； 。= 南b ) s ， 式；扣： q - - - - 处理水量，m 3 s ： 由一一系数，取试验值： h 一一气浮池的静水压力，亦即叶片旋转产生的扬程， h ：a 昙( m ) ( 3 - 6 ) 式中： a 一一压力系数等于0 2 0 3 ： v 一一叶片圆周线速度，m s ： p 一一气水混合物的容重，取6 7 0 k g m 3 ： 1 1 一一效率： 3 2 2 上浮分离 带气絮粒在接触室内通过浮力、重力与水流阻力的平衡作用，取 得了向上的升速。进入分离区后，上浮至水面上浮的浮渣最后由 刮渣装置去除。 整个过程同桨叶式负压气浮反应器的上浮分离机理相同。 3 3 桨叶式与气水混合室式负压气浮反应器的比较 桨叶式气浮反应器的叶片的曲面设计计算复杂，加工精度要求 很高，若达不到设计的要求，叶片高速旋转产生的推力和由于叶片 西南交通大学硕士研究生学位论文第1 7 页 加t 精度不够而产生的侧推力，会导致传动车| | f 的变形，降低儿使川 寿命。而气水混合室式负压气浮反应器的制干1 ：精度要求托| 比较而占 就低多了，他回避了桨叶式负压7c 浮反应器的 的复杂的曲l l ：l 问 题，气水混合室各向对称，加工制作简单。更重要的是，桨叶式负 压气浮反应器是靠1 1 - r 片的高速旋转米产生负压吸入空气和靠叶片的 旋转的切割作用来产生微气泡，一旦叶片加工成型，吸气量就定了， 所能分割成的气泡直径也就一定了；而气水混合室式负压气浮反应 器是靠导向叶片的高速旋转来产生负压吸入空气，再在气水混合室 内与从进水孔吸入的废水混合而产生微气泡，通过调节进水孔的大 小，可以调节气水混合室内气水的比例来控制产生微气泡的大小和 数量。 由于气水混合室式负压气浮反应器具有以上的优点，所以我们 决定将重点放在对气水混合室式负压气浮反应器的研究上。本文后 面的章节所提到的试验数据也都是在气水混合室式负压气浮反应器 上测得的。 亘童窑湮盔兰塑土缝塞兰堂垡监塞兰! ! 噩 第4 章实验室模型的设计 4 1 主要设计计算依据 4 1 1 主要设计计算参数 试验池正常水深：h = 4 0 0 m m ，电动机转速取n d - 1 4 0 0 r p m ，水质密度 按消水考虑。设计的处理量为2 0 m s 。 4 1 2 主要性能要求 ( 1 ) n - f 片搅动时能有大承空气气泡进入水流中，设空气流入：髓为： 6 0 m 3 h 。 ( 2 ) 具有保证机内正常润滑和防止污水倒渗进入机腔的条件。 ( 3 ) 对有可能受污水侵蚀的机件应采用防腐材料。 4 2 主要参数的初定 4 2 一叶片入水深度 叶片入水深度：h ，h - o 6 由m m ，巾为叶片直径。 初定叶片直径：由= 1 0 0 m m ：叶片入水深度：h = 3 3 0 m m 4 2 2 叶片直径 ( 1 ) h i = 3 3 0 m m 处的水头： p l = 0 1 p o + pxg xh i = 1 3 3 6 k p a 式中p 一水的密度取p = 1 0 0 0 k g m 3 ； p 。一标准大气压力，取p 。= 1 0 1 3 2 5 k p a ； g 一重力加速度，取g = 9 8 m s 2 。 0 卜进气压力损失估计系数。 ( 2 ) 叶片直径巾= 1 0 0 m m 处的离心负压： 根据柏努利方程，可得出： p ：= 壬k p c 0 2 g ) 2 ( 4 1 ) 式中k 一效率系数( 气阻系数) ，取x = 0 7 ； 一叶片转动角速度( r a d s ) ，= n d 3 0 ； 其余同上式。 ( 3 ) 叶片直径 酉杰窑鎏盔主塑土瑟塞生耋丝迨塞箜! ! 夏 由p t = p 。得所需叶片直径： 破= 丢哿= 0 0 8 4 m ( 4 2 ) 圆整取巾= 1 0 0 m m 。 4 2 3 电动机功率 4 2 3 1 桨叶式负压气装置的轴功率计算 轴的功率计算： n = 怒( k w ) ( 3 - 1 ) 式- h q 一一表示吸入的气水混合物的量，可按下式计算： g = 尚b ) 睁z ， 式中q 一一处理水量，取2 0 m 3 s ； 中一一系数，取0 9 5 ； h 一一气浮池的静水压力，亦即叶片旋转产生的扬程； h ：a ! ( m )( 3 - 3 ) 2 9 式中一一压力系数，取0 2 5 ； v 一一叶片周围线速度m s ； p 一一气水混合物的容重的密度，取6 7 0k g m 3 ： ”一一叶片效率，取0 2 。 计算得：n = 1 4 3 k w 。 4 2 3 2 气水混合室式负压气浮装置的轴功率计算 轴功率的计算； n ：q h p ( k w ) ( 3 - 4 ) 1 0 2 1 1 式中： q 一一吸入的气水混合物量； 亘童窑鋈盔主塑主亚壅生兰丝迨塞 兰：! 夏 g2 尚m s ) ( 3 - 5 ) 式中： q 一一处理水量，取2 0 m 3 s ； 巾一一系数，取0 9 5 ； h 一一气浮池的静水压力，亦即叶片旋转产生的扬程， h = a m 1( 3 - 6 ) 2 9 1 式中： a 一一压力系数，取0 3 ： v 一一叶片圆周线速度，m s ： p 一一气水混合物的容重，取6 7 0 k g m 3 ： t 1 一一效率，取0 3 2 ： 计算得：n 1 3 4 k w 。 4 2 3 3 轴功率计算的验算 ( 1 ) 搅动阻力矩 m ，= k z b 弛，+ 舢2 胁= 置z 油，+ p f 2 ) 芝叠= 9 8 - 脚( 4 - 3 ) 式中k 一浆叶体形系数，k = 1 0 5 ； r o 一桨毅半径，取r o = 1 2 5 m m ： b 一桨叶铅垂高度，b = 2 0 m m ： 一桨叶相互影响系数，取= o 0 5 ： z 一桨叶数目，z = 4 ： p 3 一桨叶处水的静压，p s = p 口+ p g h t = 1 0 4 5 k p a ； 其余同前几式。 ( 2 ) 起动( 惯性) 阻力矩 瓯n d = z x 掰+ 警“ x 盎一o z z 胁a ， 式中j - 叶片轴系转动惯性矩： 1 1 。一电动机转速取r i d = 1 4 0 0 r p m 西南交通大学硕士研究生学位论文第2 1 页 t 。一负压气浮反应器的起动时间，t 。= 3 s ： g , - 桨叶的质量，g ，= 0 0 5 k g ： g , - 桨轴的质量，g 。= 1 6 k g ： j 。一联轴器的转动惯性矩，j 。= 0 0 0 1 8 k g m 2 ： j 。一电动机的转动惯性矩，j 。= o 0 0 2 7 k g m 2 ： g 一重力加速度，取g = 9 8 m s 2 ： 其余同上式。 ( 3 ) 所需电动机功率 所需额定功率： m x 订 只= 卫= 1 4 6 5 k w( 4 - 5 ) 9 5 5 0 x r 、 式中n 一传动效率，n = 0 9 8 ： n d 一电动机转速，取r id -