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，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現(xiàn)同液分離過程。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]。一般來說，氣浮法處理工藝要滿足以下基本條件^[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。有了上述這三個基本條件，才能完成氣浮處理過程，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(tǒng)的結構及工作原理

渦凹氣浮工藝 (Cavitation Air Flotation)系統(tǒng)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]。它是專門為去除工業(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(tǒng)。整個系統(tǒng)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，污水在上升的過程中通過充氣段與曝氣機產(chǎn)生的微氣泡充分混合，曝氣機將水面上的空氣通過抽風管道轉移到水下。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在水中形成一個真空區(qū)，液面上的空氣通過曝氣機輸入水中，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)生了一個垂直向上的浮力，將SS帶到水面。上浮過程中，微氣泡會附著到SS上，到達水面后SS便依靠這些氣泡支撐和維持在水面。刮泥機沿著整個液面運行，并將SS從氣浮槽的進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。

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

2. 渦凹氣浮系統(tǒng)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含有相當比例的Ca²⁺、SO₄^2-，而且在氣浮過程中會投加一些浮選藥劑，渦凹氣浮系統(tǒng)運行一段時間后，氣浮機輪、軸承處附著一層垢，會使氣浮系統(tǒng)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。在氣浮機運行時必須保證每間氣浮池的配水均勻，流量的變化意味著污染物量的變化，需要及時調(diào)整藥劑投加量才能取得的效果。當污水流量過大時，氣浮池水平流速加快，停留時間縮短，對絮凝體上浮分離不利；流速過大會引起分離區(qū)水流紊動過大而造成泡絮結合體破碎。當水量過大時應及時調(diào)整出水堰高度以防止污水進入浮渣系統(tǒng)^[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。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影響。實驗證明，對于絮凝的發(fā)生，存在一個zuijia投加量，超過此量時，絮凝效果會下降，超過太多則會起相反的保護作用^[7]。而且現(xiàn)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pH值時，會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，在運行過程中，應對進水pH值加以監(jiān)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，來說明它在實際工程中的應用。

揚子石化含硫原油改建擴建工程竣工后，原污水場能力明顯不足，且原污水場界區(qū)內(nèi)已無擴容場地，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，設備振動及噪音很小；產(chǎn)生的氣泡均勻細密；出渣細密，分布均勻；出水清澈，無明顯油花。下表為改造前后生產(chǎn)運行數(shù)據(jù)對比：

*：單位為m³/h；**：無單位

    由上表可見，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下表：

由上表可見，改造后污水處理裝置電耗及凈化風消耗均大幅降低。

通過上述的一系列比較，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(jié)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、污泥處理方面有著廣闊的應用。它的發(fā)展依賴于基礎理論的研究。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(jié)約藥劑和降低運行費用等方面來深入研究。