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渦凹氣浮工藝原理及應(yīng)用
氣浮作為一種高效、快速的固液分離技術(shù)，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(jié)構(gòu)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(shè)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(shè)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(shè)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(zhuǎn)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(zhuǎn)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，*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+、SO42-，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(jié)合體破碎。當水量過大時應(yīng)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(shè)備性能的影響外，還與絮凝劑的投加量和pH值有關(guān)。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(yīng)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(yīng)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(yīng)用為例，來說明它在實際工程中的應(yīng)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(shè)施應(yīng)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：
項目 | 部分回流溶氣氣浮 | 渦凹氣浮 |
處理量/(m3•h-1) | 600 | 600 |
氣泡直徑/μm | 30~100 | >100 |
建議投資/萬元 | 309 | 229 |
占地面積/m2 | 1400 | 120 |
電耗/(kW•h•t-1) | 0.330 | 0，015 |
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：
項目 | 進水 | 出水 |
油量 | 600 | 600 |
油質(zhì)量濃度 | ≤200 | ≤20 |
硫化物質(zhì)量濃度 | ≤50 | ≤20 |
COD值 | ≤1000 | ≤650 |
*: 單位為m3/h
投入使用的渦凹氣浮機組運行良好，設(shè)備振動及噪音很??；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：
項目 | 二污場 | 渦凹氣浮工藝 |
進水流量* | 249 | 430 |
氣浮進水含油量 | 321 | 150 |
氣浮出水含油量 | 29.8 | 17.7 |
氣浮出水COD值 | 481 | 239 |
含油去除率** | 0.91 | 0.88 |
*：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(shè)計指標。
改造前后污水處理消耗及成本對比見下表：
項目 | 改造前 | 改造后 |
PAC消耗/(kg•t-1) | 0.0670(固體) | 0.1590（液體） |
PAM消耗/(kg•t-1) |
| 0.0033（固體） |
電耗/(kW•h•t-1) | 0.257 | 0.036 |
非凈化風消耗/( m3•t-1) | 0.14 | 0 |
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(jié)
渦凹氣浮工藝作為一種高效的氣浮工藝，在水處理、污泥處理方面有著廣闊的應(yīng)用。它的發(fā)展依賴于基礎(chǔ)理論的研究。在機理方面，如氣泡的結(jié)構(gòu)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(yīng)用方面，對于工業(yè)廢水和城市污水以及污泥的處理，應(yīng)從節(jié)約藥劑和降低運行費用等方面來深入研究。
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