水质物理化学净化工程7物理处理气浮

1、水质工程学教学讲义第二篇 物理、化学及物理化学处理工艺原理湖南大学土木工程学院吴慧英4.7 气浮与除油一基本概念1.水中比重小于水的杂质颗粒，在浮力作用下上浮从水中分离的处理方法称为上浮固液分离法。油的密度比水小，通常粒径d10m的浮油和分散油静置后可上浮于水面形成浮油（油膜或油层）自然上浮，常用隔油池或除油罐处理除油。（但油珠粒径d10m的乳化油和溶解油难以自然上浮，须通过气浮分离。）当水中杂质颗粒密度与水接近时，在水中难以沉淀或上浮混凝沉淀或气浮处理。2.气浮的定义：向水中注入大量微气泡，使其与水中的杂质颗粒粘附形成密度小于水的气浮体，在浮力作用下上浮至水面而加以分离去除的方法。气浮分离对

2、象：难于自然上浮、也难以自然下沉的微小颗粒，如乳化油、脂肪、藻类等，也用于污泥的浓缩。一基本概念(续)3气浮分离原理：与沉淀过程相反，但同样遵循斯笃克斯公式，即气浮颗粒上浮速度uf为： 1 uf = （w-o）gd2 cm/s 18式中：w、o分别为水和杂质颗粒的密度，g/cm3; d可上浮的最小颗粒粒径，cm； 水的绝对粘性系数，Pa.s； g重力加速度，cm/s2； 杂质颗粒非圆形修正系数，一般取1.0。实践中，由于水中含有悬浮物，uf 会比理论值小，为此需修正为： 设计杂质颗粒上浮速度u0=uf 修正系数，一般取0.95。4. 气浮固液分离的条件：使杂质颗粒能粘附在气泡上。而水中颗粒能否

3、与气泡粘附，取决于它们的表面性质，即水、气泡和杂质颗粒三者的表面张力关系。二气浮基本原理界面吸附水中颗粒与气泡粘附条件 （）界面张力、接触角与界面能 注入水中微气泡与废水及水中颗粒形成气、固、液三相体系，在相界面，其界面张力、接触角与界面能之间存在一定的相关关系。界面张力：在气、固、液多相体系中，不同介质相界面上的物质质点（如分子、离子、原子等）受力情况与各相内部不同，相内部分子受球形对称引力，合力为零，相界面上的分子受力不均匀而存在界面张力，用表示。界面张力将界面上的分子拉向各相内部以缩小界面面积，其受力方向与相界面平行。如以、分别表示液、气、固三相，则三相界面张力如下图： 试图将点液体拉向

4、右方以缩小、界面面积； 试图将点液体拉向左方以缩小、界面面积； 试图将点液体向切线方向拉以缩小、界面面积。二气浮基本原理界面吸附（续）.接触角润湿角：是液、固界面张力和液、气界面张力之间的夹角。粘附的实质：润湿作用。不同表面性质颗粒的润湿性，可用接触角的大小来表示。如上图所示： 当时，气粒两相接触面积大，气浮体结合牢固，称疏水性颗粒，不被是润湿，易于被气泡粘附；当时，气粒两相接触面积小，气浮体结合不牢固，称亲水性颗粒，可被水润湿，难于被气泡粘附；因此，气浮法固液分离的前提条件是固体颗粒具有疏水性，即颗粒能稳定地粘附在气泡上。界面能：由于界面张力的存在，要使内部分子转移到相界面，必须克服界面张力

5、而作功，说明界面上的分子比内部分子具有更多的能量，即储备有表面自由能，称这种能量为界面能。 （界面面积） 界面能和界面面积有自动缩小的趋势，这是流体的重要物理化学性质，如水中油珠、水滴、汞滴会自动成球形。 二气浮基本原理界面吸附（续）（）气-粒气浮体的粘附情况分析：接触角为三相界面张力相互作用的平衡状态。分析图13、14可知，三个界面张力之间的关系为： =cos cos= 从能量的角度看，气泡与颗粒发生粘附，会伴随着界面能和界面面积的减小。分析单位界面面积（S=1）上能量的变化，则：气粒粘附前界面能为： W=1+121气粒粘附后界面能为： W=21界面能降低值为： W=+12-2=+12-（c

6、os+） =（1- cos）当=时，cos=1，W=0，即粘附后界面能没有降低，这类物质不与气泡粘附，为完全亲水性颗粒，不能用气浮法去除；当从 大时，cos从1 小，W 大，颗粒的疏水性逐渐增强，粘附性逐渐增大； =180时，cos=1，W=2，为最大值，颗粒极易与气泡粘附。 二气浮基本原理界面吸附（续） 2气泡的稳定性表面活性物质在气浮中的作用 - 由公式 cos= 可知，水的表面张力对接触角 的影响很大。 一方面:大，则接触角大，对气浮有利；另一方面:气泡半径 r=2/P P气泡内压力，即气浮时变压前后的压力差。当P一定时,大,则r大,即表面张力大的洁净水中，气泡本身具有自动降低表面能的倾

7、向，即小气泡会合并成较大的气泡,不能达到气浮操作所要求的极细气泡分散度；同时，大气泡不稳定，易破裂，导致已浮起的污染物因气泡破裂又重新回到水中，影响气浮效果。可见，也不宜太大。如何解决上述矛盾：通过表面活性物质的作用调整的大小。表面活性物质是由极性-非极性分子组成的两性物质，用 表示，圆头端为极性基,是亲水性的，易溶于水，尾端为非极性基，是疏水性的。表面活性物质的显著特点是能降低水的表面张力。二气浮基本原理界面吸附（续）2气泡的稳定性表面活性物质在气浮中的作用（续）（1）当水中表面活性物质很少时，气泡表面由于缺少表面活性物质的包裹，气泡壁薄，易破灭或合并，难以在水面形成稳定的气浮层。为此，须投

8、加适量的表面活性剂作起泡剂，以防止气泡合并，保证气浮操作中泡沫的稳定性。 其机理是：相似相容原理。 （2）水中表面活性剂含量过多时的情形以乳化油水体系为例 水中表面活性物质含量的多少，是气浮处理中的很重要的问题。三气浮处理系统与装置 1.气浮系统分类 散气气浮：将空气直接注入水中，通过扩散板或叶轮按产生微气泡的方式 将其分散成微气泡的方式气泡接触型少用； 溶气气浮：将空气在一定压力下溶于水中并呈饱和状 态，然后在压力下降时使空气以微气泡从水中析出 进行气浮气泡析出型常用； 电解气浮：电解产生、微气泡进行气浮。2溶气气浮 加压溶气气浮：空气在加压下溶于水，在常压下释放出来 最常用的气浮法； 真空

9、溶气气浮：空气在常压或加压下溶于水，在负压（真空） 下析出。溶气所需压力 小，动力消耗少密闭性要求高， 气浮池构造复杂，不多用。3. 加压溶气气浮工艺（1）工艺流程：有三种方式，即 全加压溶气方式：即全部待处理水进行加压溶气再经减压释放进入气浮池；部分加压溶气方式：即部分待处理水（约为68）加压；回流加压溶气方式：即部分气浮处理出水（约为68）回流加压作为溶气水，待处理水则直接进气浮池水源水气浮处理中常用此形式。 3. 加压溶气气浮工艺（续）回流加压溶气气浮工艺见下图或P124图423.比较上述三种加压溶气方式：方式全部待处理水加压，耗电量大，但不另外增加溶气水，气浮池容积较小；方式因只有部分

10、待处理水加压，溶气罐的体积可减小，但为达到一定气量，须加大溶气罐压力；方式适用于含悬浮物浓度较高的固液分离处理，可节省投药量，但该法气浮池容积较、方式大。实践中以、工艺应用较多。3. 加压溶气气浮工艺（续）（2）工艺组成 空气饱和设备：由溶气罐、加压泵和空气供给设备组成 空气释放设备 气浮池空气饱和设备及其选择：包括加压泵、空压机和溶气罐。a.加压泵供给一定量的压力水压力过高时，溶气量增加，经减压后释放的空气量多，易于产生气泡合并，对气浮不利；压力过低时，为获得一定溶气量需增加溶气水量，增加了溶气罐及气浮池容积。为此，应选择合适的加压泵。 一般采用离心泵，为： P0.25-0.35Mpa Q=

11、10-200m3/hb.气浮需气量的计算与空压机供气量有关一般取处理水量体积的15，即V空气（15）%Q m3/h3. 加压溶气气浮工艺（续）c.溶气罐空气饱和器.作用：实施水和空气的充分接触，加速空气的溶解。.形式：见P124图423，为承压式罐体，罐内装填高约0.5-0.8m的填料，水和空气经填料上部进入罐体，在填料间进行气水混合。有填料时压力水的空气饱和度可达90以上，无填料时空气饱和度只有装填料的6070.罐尺寸的确定 罐容积VQRT/60 T水在溶气罐内的停留时间，一般为35min； QR进入溶气罐的废水量 无回流时，QRQ0（设计进水量） 有回流时，QRQR R回流比。 溶气罐压力

12、：0.350.4MPa； 溶气罐总高H2.5-3.0m 3. 加压溶气气浮工艺（续）减压释放设备 .作用：压力溶气水减压后迅速将溶于水中的的空气以微小气泡的形式释放出来，要求微气泡粒经d20100m，以利于气泡与杂质的粘附。 .减压释放设备种类 专用释放器：为专利产品，如TS型、TV型、TJ型等， 图424为其中一种。空气释放效果好； 减压阀：为截止阀，由于多套气浮设备需多个减压 阀，阀门开启度调节难统一，导致气泡大小不 一，且在压力下阀门易损坏。3. 加压溶气气浮工艺（续）气浮池a.气浮池形式 平流式：见图423，这种池型池深较浅、构造简单、但 分离区容积利用率低，是应用最广的池型； 竖流式

13、：见图22，接触室在中央，分离室在周边，水力 条件较平流式好，但构造复杂。 3. 加压溶气气浮工艺（续）b.平流气浮池的参数：有效水深h=2.0-2.5m； 理论停留时间t=10-20min；表面负荷(分离区)q5-10m3/m2.h（水源水），q与原水水质有关. 如：含油废水气浮q47 m3/m2.h；纸浆废水气浮q38 m3/m2.h； 城市污水厂活性污泥气浮q0.73 m3/m2.h。气浮池前端通常设有接触区，与分离区用一倾斜的隔板隔开形成倒锥形，下小上大，接触室水流上升流速下端v取20mm/s，上端v取510mm/s，接触时间t12min，但不宜过长，以免影响分离区容积。接触室宽、深与

14、分离室相同； 4.加压溶气气浮工艺应用该工艺可用于水源水中除藻、去除有机物；炼油污水、造纸废水处理以及污泥的处理中。5.散气气浮（充气气浮）主要用于污废水的处理分类 扩散板曝气气浮：即压缩空气通过具有微细孔隙的扩散板装置产生微 气泡进行气浮。图 叶轮气浮 ：即气浮池底部的叶轮高速旋转时，在盖板下形成负压，使空气从进气管吸入，而废水则由盖板上的小孔进入，在叶轮的搅拌下空气被打碎成细小的气泡，并与水混合成气水混合体甩出，在池内上升进行气浮。图 6电解气浮主要用于污废水的处理（1）定义：在直流电的作用下，利用不溶性电极电解废水，在正、负电极上分别产生O2、H2微气泡，将废水中颗粒状污染物带至水面进行

15、固液分离的技术。 （2）电极反应原理：如图24 H2O OH-+H+正极：4OH4e O2 2H2O 氧化反应负极：2H+2e H2 还原反应（3）电解气浮工艺装置：见P125图425；（4）电解气浮的特点： a.产生的微气泡尺寸小，比溶气法和散气法小得多； b.电极附近能进行氧化还原反应（O2起氧化作用、H2起还原作用）； c. 电解气浮具有固液分离、氧化还原、降低BOD、脱色和杀菌作用。（5）电解气浮法在废水处理中的应用 电解气浮法工艺简单、产泥量少、但耗电量大，可用于处理细分散悬浮固体和乳化油。 四加压溶气气浮系统工程实例 五除油及除油设备 除油属上浮固液分离的一种，即无需借助空气泡的自然上浮，常用的除油处理设备有隔油池或除油罐。1平流隔油池：是我国目前应用较多的除油设备。(1)工艺构造：如下图。a.池内水平流速低，比重小于1.0的油珠浮于水面，由集油管收集，比重大于1.0的杂质沉于池底；b.刮油刮泥设备：有链带式刮油刮泥机，上部刮油，下部刮泥；c.集油管为d200-300mm的钢管，600切口，可绕中心