气浮的原理及应用 一、气浮的基础原理 气浮简介 气浮是气浮机的一种简称，也可当作一种专有名词使用，其最大的目的是 利用高度分散的微小气泡为载体去粘附废水中疏水性颗粒， 将小气泡和颗粒视为一个整体， 其整体密度小于水而上浮到水面， 以此来实现固 —液或者液 —液别离的过程。 界面张力与润湿接触角 首先介绍几个基本概念。〔1〕亲水性：如果颗粒易被水润湿，则称该颗粒为 亲水性的；〔2〕疏水性：如果颗粒不易被水润湿，则是疏水性的； 〔3〕润湿接触角：在静止状态下，当气、液、固三相接触时，气 —液界面张力线和固 — 液界面张力线之间的夹角〔包含液相的〕称为平衡接触角，用 θ表示。具体如图 1.1 所示。 水对各种物质润湿性的大小， 可通过它们与水的接触角来衡量。 当接触角 θ90时，则该物质为亲水性物质；当 θ90时，则该物质为疏水性物质。另外，一般疏水性物质的气浮效果较好， 而亲水性物质的气浮效果较差。 下面将对悬浮物与气泡的附着条件进行深入的探讨。 悬浮物与气泡的附着条件 按照物理化学的热力学理论， 任何体系均存在力图使界面能减少到最小的趋势，下面来具体地分析悬浮物与气泡附着的条件。气泡与颗粒的作用过程如图 1.1 所示。 界面能： W = σS；〔其中， S 为界面面积； σ为界面张力〕附着前： W1 =σ水气+σ水粒〔假设 S 为 1〕； 附着后： W2=σ气粒 ； 最终界面能的减少量为： △W = σ水气+σ水粒－σ气粒 ； 〔1〕σ水气、σ水粒、σ气粒 三个力之间的关系如图 1 所示。从图中能得出： σ水粒 = σ气粒+σ水气 cos〔180－θ〕 〔2〕由〔1〕式和〔 2〕式能得出： △W = σ水气(1-cosθ) 〔3〕 水 σ LG σ LS σ LG θ σ GS θ 气泡 颗粒 颗粒 σ GS σ LS 被 水 湿 润 的 面积 被 水 湿 润 的 面积 图 1 气泡与颗粒的作用过程图 由于任何体系均存在力图使界面能减少到最小的趋势。 因此，悬浮物与气泡附着的条件一定要满足 △W 0 即： σ水气 (1-cosθ) 0 〔4〕由式 4 能得出： 当 θ→0时， cosθ→1， △W = 0；因此不能气浮； 当 0θ90时，0cosθ，1 但是附着不牢； △W σ水气；此时，虽然颗粒能够附着在气泡上， 当 90θ180时， △W σ水气；此时，颗粒与气泡附着比较牢固，非常容易气浮； 当 θ→ 18，0 △W = 2σ水气 ；此时， △W 到达最大值，颗粒最易被气浮。 同时， cosθ＝〔σ气粒－ σ水粒〕/ σ水气，水中颗粒 θ与外表张力 σ水气有关。 σ水气增加， θ增大，有利于气浮。为增加气泡的稳定性，有时会添加一些外表活性 剂；但是如果外表活性剂过多，则会导致 σ水气下降，润湿接触角 θ减小，从而影 响到气浮的效果。 因此，一定要选择适宜的外表活性剂添加量， 才能既保证气泡的稳定性，又能保证良好的气浮效果。 本章小结 〔1〕疏水性物质有利于气浮，亲水性物质的气浮效果较差； 〔2〕当润湿接触角 θ→0时，不能采用气浮处理； 当 0θ 90时，颗粒能够附着在气泡上，但是附着不牢，不利于气浮； 当 90θ 180时，颗粒与气泡附着比较牢固，非常容易气浮； 当 θ→ 18，0 颗粒最易被气浮。 二、气浮工艺的类型与特点 按照产生气泡的方法不同， 气浮可大致分为电解浮上法、 分散空气浮上法和溶解空气浮上法三种。下面具体的来分析各种气浮工艺以及它们的优缺点。 电解浮上法 电解浮上法是利用不溶性的阳极和阴极，通入 5-10 V 的直流电，直接将废水电解。阳极和阴极分别产生氢气和氧气， 形成大量的微小气泡， 将废水中的悬浮颗粒或先经混凝处理所形成的絮凝体粘附而上浮至水面， 产生泡沫层， 然后用刮渣机将泡沫刮除， 从而到达固液别离的目的。 该方法大多数都用在中小规模的工业废水净化处理。电解气浮池如图 2.1 所示。 109 10 9 5 4 3 5 7 2 1 6 8 进水 排泥 图 竖流式电解气浮池 1- 入流室； 2- 整流栅； 3- 电极组； 4- 出流孔； 5- 分离室； 6- 集水孔； 7- 出水管； 8- 排沉泥管； 9- 刮渣机； 10- 水位调节器 分散空气气浮法 图 2.1 竖流式电解气浮池 分散空气气浮法根据产生气泡的方法不同又可大致分为微气泡曝气气浮法和叶轮气浮法两种。下面分别来阐述这两种气浮法的定义。 微气泡曝气气浮法 该方法主要是将压缩空气引入到靠近气浮池底部的微孔扩散板， 并通过微孔扩散板将空气分散成细小的气泡， 气泡附着在悬浮颗粒上， 到达气浮的效果。 微孔曝气气浮法如图 2.2 所示。 图 2.2 微孔曝气浮上法 1— 入流液； 2—空气进入； 3— 别离柱； 4— 微孔扩散板； 叶轮气浮法 5— 浮渣； 6— 出流液 叶轮气浮法是指将空气引入到一个非常快速地旋转的混合器或者叶轮机附近， 通过非常快速地旋转混合器或者叶轮机的高速剪切力，将引入的空气切割成很多细小的气 泡，以此来实现气浮的过程。具体的叶轮气浮装置如图 2.3 所示。叶轮盖板的构造如图 2.4 所示。 图 2.3 叶轮气浮结构示意图 图 2.4 叶轮盖板的构造 1—叶轮； 2—盖板； 3—转轴； 4—轴套； 5—叶轮叶片； 6— 导向叶片； 7—循环进水孔 溶解空气浮上法 空气在水中的溶解度与温度成反比； 空气在水中的溶解度与压力的关系如图 2.5 所示。 图 2.5 空气在水中的溶解度与压力的关系图 从图中能够准确的看出，在一定温度下，压力越大，空气在水中的溶解度越高。 溶解空气浮上法是在降压的条件下， 使空气过饱和水中的空气以微细气泡的 形式释放开来，悬浮物粘附在气泡上，通过气泡的上浮，到达固液别离的目的。 溶解空气浮上法根据产生气泡的方法不同可大致分为溶气真空浮上法和加压溶气浮上法两种。 溶气真空浮上法 物料在常压下被曝气， 使其充分溶气。然后在真空的条件下， 压力骤然降低， 从而使物料中的溶气析出， 形成大量细微的气泡， 气泡粘附在颗粒杂质上， 使其浮于水面，从而形成泡沫浮渣， 再用刮渣机将其除去， 最终到达固液别离的目的。真空气浮系统的结构示意图如图 2.6 所示。 图 2.6 溶气真空气浮设备结构图 加压溶气浮上法 物料在加压的条件下被曝气， 使其充分溶气。 然后在常压的条件下， 压力骤然降低， 从而使物料中的溶气析出， 形成大量细微的气泡， 气泡粘附在颗粒杂质上，使其浮于水面，从而形成泡沫浮渣，再用刮渣机将其除去，最终到达固液别 离的目的。其结构示意图如图 2.7 所示。 图 2.7 加压溶气气浮的结构示意图 本章小结 不同的气浮方法的优缺点如表 2.1 所示。从表 2.1 中能够准确的看出，加压溶气气浮法产生的气泡多而均匀， 而且粒径小， 是目前应用最广泛的一种气浮方法。 下一章将对加压气浮法做详细的阐述。 表 2.1 各种气浮方法的优缺点比较 类型 类型 优点 缺点 1、电解气浮法产生的气泡小于其它 方法产生的气泡，非常适合于脆弱 1、耗电量大，投资所需成本高； 电解气浮 絮状悬浮物； 2、对废水负荷变化有 2、操作运行管理较复杂，操作不方便； 法 较强的适应性； 3、生成的污泥量少、 3、电极板容易结垢，常规使用的寿命短。 占地少。不产生噪声。 分 微气 散 泡曝 扩散板上的孔容易堵塞，导致气泡量少 设备简单、易行 空 气气 而不均匀，气浮效果不是很好。 气 浮法 气 叶轮 设备简单、易行 1、形成的气泡尺度较大〔 d1mm 〕， 2、 浮 气浮 气泡上升速度快，比外表积小，与悬浮 法 法 物的接触时间较短，气浮效果不好。 溶气 1、常压下，空气溶解度低，气泡的数量 有限； 2、需要密闭设备维持真空，运行 溶 真空 无压力设备，节省动力消耗和动力 解 气浮 设备。 维护很难。 3、所有设备在密封的气 浮池内，使气浮池构造复杂，运行管理、 空 法 维护不便。 气 气 加压 1、加压条件下， 水中空气的溶解度 浮 需要溶气罐、空压机或射流器、水泵等 溶气 大，能提供足够的微气泡； 2、气泡 法 设备， 气浮 粒径小，均匀。 法 三、加压溶气气浮法 3.1 加压溶气气浮系统的构造 加压溶气气浮法系统主要由压力溶气系统、 溶气水减压释放系统、 气水混合系统和气浮别离设备 4 部分所组成。 压力溶气系统 压力溶气系统最重要的包含溶气方式和溶气设备两个部分。 1、溶气方式 压力溶气系统的溶气方式主要有 3 种，分别是水泵吸气式、 水泵压水管装射流器挟气式和空压机供气式。 〔1〕水泵吸气式 该溶气方式的吸气量受水泵气蚀性能的影响， 空气溶解量很低， 一般不超过 5%。其结构示意图如图 3.1 所示。 图 3.1 水泵吸气式溶气系统 〔2〕水泵压水管装射流器挟气式 压力水〔约 0.3 MPa〕经水射器高速喷射，在喉管内形成负压吸入空气，从而使空气溶解的方式。其结构示意图如图 3.2 所示。 〔3〕空压机供气式 图 3.2 射流器挟气式溶气系统 该方法通过空压机将空气打入溶气罐， 再通过气泡释放器将空气释放成微小气泡。其结构示意图如图 3.3 所示。 2、溶气设备 图 3.3 空压机供气式溶气系统 常用的溶气设备为压力溶气罐。 它的作用是使水与空气充分地接触， 促进空气的溶解。溶气罐的形式多种多样，不同种类的
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