1.4.1浮力浮上法分离原理与设备(一) (NXPowerLite)

环保设备原理与设计多媒体教案NO.4a讲授提纲16-Jan-20§1.4浮力浮上法分离原理与设备借助于水的浮力，使水中不溶态污染物浮出水面，然后加以刮除的水处理方法统称为浮力浮上法。根据分散相物质的亲水性强弱和密度大小，以及由此而产生的不同处理机理，可分为自然浮上法、气泡浮升法和药剂浮选法三类。如果水中的粗分散相物质是比重小于l的强疏水性物质，可以依靠水的浮力使其自发地浮升到水面，这就是自然浮上法。由于该法主要用于分离粒径大于50～60μm的分散油，因而常称为隔油。若分散相物质是乳化油或弱亲水性悬浮物，就需要在水中产生细微气泡，使分散相粒子粘附于气泡上一起浮升到水面，这就是气泡浮升法，简称气浮。若分散相物质是强亲水性物质，就必须首先投加浮选药剂，将粒子的表面性质转变为疏水性，然后再用气浮法加以除去，这就是药剂浮选法(简称浮选)。O、隔油1.油粒上浮速度2.隔油池(1)平流式隔油池(API)(2)斜板式隔油池：PPI(ParallelPlateInterceptor)和CPI(CorrugatedPlateInterceptor)两种。PressurizedTriPackCPIinstalledatVagonven,Venezuela一、气浮和浮选理论基础1.细微气泡的性质2.悬浮粒子与气泡的粘附3.浮选剂4.溶气的基本理论二、气浮设备的类型与应用1.分散空气气浮法工艺与设备2.溶气气浮设备3.电解气浮设备三、加压溶气气浮系统设计1.压力溶气系统的设计2.溶气释放系统3.气浮分离系统4.刮渣机四、新型气浮装置简介实现气浮分离必须具备以下三个基本条件：(1)必须在水中产生足够数量的细微气泡；(2)待分离的污染物必须是不溶性的固态或液态悬浮体；(3)必须使气泡能够与悬浮粒子相粘附，形成整体密度小于水的气泡-颗粒复合体。这里着重讨论细微气泡的形成以及它与悬浮粒子的粘附问题。一、气浮和浮选理论基础1.细微气泡的性质气浮法的净水效果，只有在获得直径微小、密度大、均匀性好的大量细微气泡的情况下，才能得到良好的气浮效果，因而了解细微气泡的性质至关重要。气泡直径、气泡密度、气泡的均匀性气泡直径：气泡直径愈小，其分散度愈高，对水中悬浮粒子的粘附能力和粘附量也就愈大。气泡密度：是指单位体积释气水中所含微气泡的个数，它决定气泡与悬浮粒子碰撞的机率。由于气泡密度与气泡直径的3次方成反比。因此，在溶气压力受到限制的条件下，增大气泡密度的主要途径是缩小气泡直径。气泡均匀性:一是指最大气泡与最小气泡的直径差；二是指小直径气泡占气泡总量的比例。大气泡数量的增多会造成两种不利影响：一是使气泡密度和表面相大幅度减小，气泡与悬浮粒子的粘附性能和粘附量相应降低；二是大气泡上浮时会造成剧烈的水力扰动，不仅加剧了气泡之间的兼并，而且由此产生的惯性撞击力会将已粘附的气泡撞开。当气泡与分散相粒子共存于水中时，就依粒子的不同润湿性构成了如下图所示的气-液-粒三相混合体系及不同的气泡与粒子的粘附情况。2.悬浮粒子与气泡的粘附通过润湿周边(即相吸附界面交界线)所作的液-粒界面张力作用线与液-气界面张力作用线之间的夹角，为润湿接触角(θ)。存在于水中的不同表面性质的颗粒，其润湿接触角(θ)大小也不相同。通常将θ90°的称为疏水表面，易于为气泡粘附，而θ＜90°的称为亲水表面，不易为气泡所粘附。水、气泡和水中颗粒杂质构成的多相混合液中存在着体系界面自由能(w)，其本能地存在着力图减至最小的趋势，从而导致多相混合系中的分散相间蕴藏着自然并合的能量、使分散相总表面积减小。增大水的表面张力可使接触角增加，有利于气粒结合；反之则有碍于气粒结合，不能形成牢固结合的气粒气浮体，水中杂质颗粒在泡沫中的富集浓度降低，处理效果变差。细微气泡与悬浮粒子的粘附形式有多种，按二者碰撞动能的大小和粒子疏水性部位的不同，划分为外围粘附、粒间裹夹、共聚粘附三种：气泡可以粘附于粒子的外围，形成外围粘附；气泡可以挤开孔隙内的自由水而粘附于絮体内部，形成粒间裹夹。如果溶气水是加在投加了混凝剂并处于胶体脱稳凝聚阶段的初级反应水中，那么超微气泡就先与微絮粒粘附，然后在上浮过程中再共同长大，相互聚集为带气絮凝体，形成粒间裹夹和中间气泡架桥粘附兼而有之的“共聚粘附”。共聚粘附具有药剂省、设备少、处理时间短和浮渣稳定性好等优点，但必须有相当密集的超微气泡与之配合。3.浮选剂如果水中的悬浮粒子是强亲水性物质，就必须首先投加浮选药剂，将其表面转变为疏水性之后，才能用气浮法去除。这种把投加浮选药剂与气浮结合起来的水处理方法就是浮选。浮选剂是浮选中所用药剂的总称，按功能的不同可分为捕收剂、调整剂和起泡剂三类，它们大多是链状有机表面活性剂，其主要特征是分子结构的不对称性，属于极性-非极性分子。分子的一端含有极性基，显示出亲水性，称为亲水基；另一端为非极性基，显示出疏水性，称为疏水基。当在分散相为亲水性粒子的水中投加浮选剂时，在有大量细微气泡造成的大面积气水界面上，亲水性粒子就强烈吸附浮选剂的亲水基，而迫使疏水基伸向水。结果在粒子周围形成亲水基向粒子而疏水基向水的定向排列，从而使亲水性粒子的表面性质转变为疏水性。(1)物理吸收的气液相平衡在一定的温度和压力下，气(空气)、液(水)两相发生接触后，空气便向水中转移，随着水中空气浓度逐渐增高，吸收速率逐渐减小，解吸速率逐渐增大。经过相当长时间接触后，吸收速率=解吸速率，空气、水两相达到平衡状态。此时空气在水中的浓度称为平衡浓度或平衡溶解度，它表明了在一定条件下吸收过程可能达到的极限程度。4.溶气的基本理论气体传质于液体的过程实质上是一个气体吸收的过程，气体吸收包括物理吸收和化学吸收，详细请参见本书§7.1，溶气过程以物理吸收为主。在水温一定而溶气压力不很高的条件下，空气在水中的溶解平衡可用亨利定律表示为：pKVT在一定条件下，空气在水中的实际溶解量与平衡溶解量之比，称为空气在水中的饱和系数。不同溶气压力下空气在水中的实际溶解量与溶气时间的关系如右图。式中，V为空气在水中的溶解度(即平衡溶解量)；KT为溶解度系数，其值与温度有关；p为溶液上方的空气平衡分压。(2)溶气过程的传质机理到目前为止利用双膜理论来解释气体传质于液体比较接近实际。根据双膜理论，对于难溶气体决定传质过程的主要阻力来自液膜，而气膜中的传质阻力与之相比可以忽略而不计。根据双膜理论，空气对水属于难溶气体，它在水中的传质速率受液膜阻力所控制，可以表示为：CKCCKNLL)*(由上式可见，在一定的温度和溶气压力下(即C*为定值时)，要提高溶气速率、强化溶气过程，就必须通过增大液相流速和紊动程度来减薄液膜厚度和增大液相总传质系数KL。双膜理论评价溶气系统的技术性能指标主要有两个，即溶气效率和单位能耗。溶解于水中的空气量与通入空气量的百分比，称为溶气效率。溶气效率与温度、溶气压力及气液两相的动态接触面积有关。为了在较低的溶气压力下获得较高的溶气效率，就必须增大气液传质面积，并在剧烈的湍动中将空气分散于水。二、气浮设备的类型与应用根据微细气泡产生方式的不同，可分为分散空气气浮法(包括转子碎气法、微孔布气法、叶轮散气浮选法等)；溶解空气气浮(即溶气气浮，包括真空气浮法，压力气浮法的全溶气式、部分溶气式及部分回流溶气式)；电解气浮法；生化气浮法(包括生物产气气浮法，化学产气气浮)；离子气浮法等。1.分散空气气浮法——与生化曝气的区别与联系？利用机械剪切力，将混合于水中的空气碎成微细气泡，以进行气浮的方法。按粉碎气泡方法的不同，可分为水泵吸水管吸气气浮、射流气浮、扩散板曝气气浮以及叶轮气浮等四种。(1)水泵吸水管吸气气浮利用水泵吸水管部位的负压作用，在水泵吸水管上开一小孔，并安装进气量调计量仪表，空气遂进入水泵吸水管，在水泵叶轮的高速搅拌和剪切作用下形成气水混合流体，进入气浮池。由于受到普通水泵工作特性的限制，吸入的空气量不宜过多，一般不大于吸水量的10%(按体积计)，否则将破坏水泵吸水管的负压工作。另外，气泡在水泵内被破碎得不够完全，粒度大，气浮效果不好；用于处理通过除油池后的含油废水时，除油效率一般为50%~65%。最新进展：突破普通水泵的限制——多相流泵(2)射流气浮关键设备为射流器。射流器利用喷嘴将水以高速喷出时，在吸入室形成负压，从吸气管吸入空气；当气水混合流体进入喉管段后，空气被粉碎成微小气泡；然后进入扩散段，将动能转化成势能，进一步压缩气泡，增大了空气在水中的溶解度；最后进入气浮池中进行分离。射流器亦可以与加压泵联合供气方式进入溶气罐，构成加压溶气气浮设备。1-喷嘴；2-渐缩段；3-扩散段；4-喉管段；5-吸入室；6-吸气管(3)扩散板(或罩)气浮装置是一种微气泡曝气气浮工艺。压缩空气引入到靠近气浮池底部由粉末冶金、陶瓷或塑料制成的微孔板，并被微孔板的微孔分散成细小气泡，小气泡在上升过程中与入流的悬浮颗粒相粘附，夹带气泡的颗粒则浮升至液面而被去除，经处理后的水由设在池底的排水管排出。图1-3-9分散空气气浮装置(微气泡曝气法)优点：结构简单，耗能较少。缺点：处理效率不如加压溶气气浮装置；扩散板易堵塞；难以选择具有相同孔径的材料，因此不能保证微小气泡的均匀性。(4)叶轮扩散气浮(也称叶轮旋切气浮)废水从配水槽进入气浮池，通过固定盖板上的循环进水孔给到叶轮上，由于叶轮高速旋转，产生的离心力将废水甩出而在固定盖板下形成负压，从进气管吸入空气。1-叶轮；2-固定盖板；3-转轴；4-轴套；5-轴承；6-进气管；7-进水槽；8-出水槽；9-泡沫槽；10-刮沫板；11-整流板固定盖板与叶轮的轴向间距为10mm，在盖板上叶轮叶片中间部位开设12～18个Ф20～30mm的循环进水孔。叶轮是带有6个放射型叶片的圆盘，直径一般为200~400mm，最大不超过600~700mm；转速多采用900～1500r/min。固定盖板下的12～18片导向叶片与直径成60°。空气被高速旋转的叶轮击碎成微小气泡，并与废水混合成为气水混合流体甩出导向叶片之外，导向叶片可减小流动阻力。经整流板稳定后，在池内平稳地垂直上升，废水中的污染物质与气泡粘附在一起上浮至水面。叶轮叶片与导向叶片间的间距也能影响吸气量的大小，一般不超过8mm，否则将使进气量大大降低。叶轮气浮池一般采用正方形，边长不超过叶轮直径的6倍。当处理规模较大时，可在一个气浮池中设多个叶轮。气浮池充水深度与吸气量有关，一般为1.5～2.0m，但不超过3m；气浮时间15～20min。MAF-A型旋切式浮选机：微气泡最小直径可达0.5μm，大部分气泡直径在10～300μm之间，因而浮选效果尤为明显。广泛地用于炼油、造纸、纺织、印染、电渡、金属加工、食品加工等行业的废水处理。美国KAF-A型旋切式气浮机分散空气气浮小节：优点：设备简单，易于实现。缺点：空气被粉碎得不够充分，形成的气泡直径较大，一般都不小于0.1mm，有时甚至大于1mm。使得分散空气气浮达不到高效的去除效果，同时形成的浮渣含固率亦相当低。型号流量(m3/h)池长(m)池宽(m)池深(m)功率(kW)KAF-A/10103.51.51.31.9KAF-A/20205.01.51.31.9KAF-A/30305.01.51.51.9KAF-A/50507.81.51.832.6KAF-A/80808.51.831.832.6KAF-A/100100101.831.834.4KAF-A/150150132.51.836.4KAF-A/200200163.01.836.42.溶气气浮设备使空气在一定压力环境下溶解于水中，并达到过饱和的状态；然后设法使溶解在水中的空气以微小气泡从水中析出，并带着粘附在一起的固体杂质粒子上浮。可分为加压溶气气浮和溶气真空气浮两种类型。(1)加压溶气气浮(pressurizedfloatationwithdissolvedair)应用最为广泛，将原水加压至(0.3～0.4)MPa，同时加入空气，使空气溶解于水并达到指定压力状态下的饱和值，然后骤然减至常压，溶解于水的空气以微小气泡形式从水中释放出来，气泡直径