用气浮工艺替代沉淀,虽然电耗有所增加,但因气浮对于SS去除率极高,对于分散油的去除率也很高(>90%,
因此较沉淀相比,大大减轻了废水后续处理的负荷。
从整体平衡考虑,虽电耗有所增加,但降低了基建投资,减少了污水站的占地面积。
油田污水在处于二次、三次采油期时,回流水中含油大量阴离子聚丙烯酰胺,水的粘度增大,油水分离更加缓慢,因大量表面活性剂的加入,使油水乳化程度更加严重,用传统的混凝破乳沉淀的方法已很难适应废水的变化。
用气浮,加上高效破乳剂,才是该类废水的最佳、最经济的处理方法。
现在许多油田已开始动用稠油储量,扩大了蒸汽驱采规模稠油废水中含油量更达(4000-10000mg/l),温度更高,稠油相对体积质量与质量与水接近(》0.95),因而重力分离已十分困难,QF型气浮及SF型气浮因其卓越的处理效果,成为处理该段废水的首选。
气浮理论工艺
(上半部)
第一编气浮工艺
气浮处理法就是向废水中通人空气,并以微小气泡形式从水中析出成为载体,使废水中的乳化油、微小悬浮颗粒等污染物质粘附在气泡上,随气泡一起上浮到水面,形成泡沫一气、水、颗粒(油)三相混合体,通过收集泡沫或浮渣达到分离杂质、净化废水的目的。
浮选法主要用来处理废水中靠自然沉降或上浮难以去除的乳化油或相对密度近于1的微小悬浮颗粒。
气浮法广泛应用于含油废水处理。
含油废水经隔油池处理,只能去除颗粒大于30〜50微米的油珠。
小于这个粒径的油珠具有很大的稳定性,不易合并变大迅速上浮,称为乳化油。
乳化油易粘附于气泡,增加其上浮速度,例如粒径为1.5微米的油珠,上浮速度不大于0.001mm/s,粘附在气泡上后,上浮速度可达0.9mm/s即上浮速度增加900倍。
因此,在含油废水处理中常把浮选处理置于隔油池的后面,作为进一步去除乳化油的措施。
一)基本概念
气浮是当分离水中的油类、纤维、藻类以及一些比重接近1的悬浮物,或提取水中有用物质,而传统的重力沉淀法达不到分离这些物质目的。
所谓气浮是将水、悬浮物和气泡这样一个多相体系中含有的疏水性污染粒子,或者附有表面活性物的亲水性污染粒子,有选择地从废水中吸附到气泡上,以泡沫形式从水中分离除去的一种操作过程。
其实质是气泡和粒子间进行的物理吸附,并形成气浮体上浮分离。
这也称为起泡气浮。
起泡气浮的机理如图所示。
利用气浮技术去除水中某些溶解污染物(溶解油)或呈胶体状的物质(乳化油);此时污染物在水中呈均相系。
但是以分子态或离子态混溶于水中的污染物在气浮前必须经过化学处理,将其转化为不溶性固体物或可沉淀(上浮)胶团物,成为微细颗粒,然后再进行气粒结合,予以分离。
综上,水的气浮处理实质上是一个气粒吸附与浮渣分离的过程。
它首先是将空气泡通人有污染杂质的污水中,形成水一气一粒三相混合系,微小气泡成为载体,气泡从水中析出过程时粘附水中的污染物质,形成气一粒结合的气浮体,以泡沫形式浮升到水面,从而使污染杂质从污水中分离出去。
(二)气浮的基本原理
1、带气絮粒的上浮速度
粘附气泡的絮粒在水中上浮时,在宏观上将受到重力F重浮力F浮阻力F阻等外力的影响。
带气絮粒上浮时的速度由牛顿第二定律可导出
由上述诸式可看出v取决于水和带气絮粒的密度差,带气絮粒的直径(或特征直径)以及水的温度、流态。
如果带带气絮粒中气泡所占比例越大则带气絮粒的密度就越小;而其特征直径则相应增大,两者的这种变化可使上浮速度大大提
然而实际水流中;带气絮粒大小不一,而引起的阻力也不断变化,同时在气
浮中外力还发生变化,从而气泡形成体和上浮速度也在不断变化。
2、水中絮粒向气泡粘附
如前所述,气浮处理法对水中污染物的主要分离对象,大体有两种类型即混凝反应的絮凝体和颗粒单体。
气浮过程中气泡对混凝絮体和颗粒单体的结合可以有三种方式,即气泡顶托,气泡裹携和气粒吸附。
显然,它们之间的裹携和粘附力的强弱,即气、粒(包括絮废体)结合的牢固程度与否,不仅与颗粒、絮凝体的形状有关,更重要的受水、气、粒三相界面性质的影响。
气浮操作中气粒结合的三种方式
1)界面张力、接触角和体系界面自由能
气浮的过程中,存在气、水里、粒三相混合体系。
混合系中不同介质的相表面上都因受力不均衡。
一旦气泡与颗粒接触,由于界面张力作用就会产生表面吸附作用。
三相的吸附界面构成的交界线,为润湿周边。
在相界面交界线处,通过润湿周边(即相界面交界线)所作的水、粒界面张力作用线与水、气界面张力作用线的交角,为润湿接触角(B)。
三相界面张力作用平衡时决定了润湿周边的位置,同时也决定了接触角(9)的大小。
存在于水中的不同表面性质的颗粒,其润湿接触角大小亦异。
通常将9>90。
的称为疏水表面,易于为气泡粘附,而9V900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),
体系自由能(w)本能地存在着有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。
已知,界面能(w)等于,
w=?
XS
式中:
S--界面面积(cm2)。
当颗粒尚未与气泡粘附之前,在颗粒和气泡的单位面积(S=1)上的界面
能分别为?
Lsx1及?
Lgx1,这时单位面积上的界面能之和为:
W1=?
Ls+?
Lg(N/m)
在颗粒与气泡粘附后、界面能减少了。
此时粘附面的单位面积上的界面能为。
W2=?
Ls(N/m)
因此,界面能的减少值(△W为:
△W=W1-W2=Ls+?
Lg-?
gs
可见,在气浮过程气粒吸附的前后,为了克服颗粒表面水化膜,完成气粒结合生成气浮体,在体系中所储备的推动力即多相混合系中能量发生变化。
△W值越大,吸附推动力越大,易于气浮处理;反之,则不易于气浮处理。
(2)气一粒结合体的亲水吸附和疏水吸附
由于水中颗粒表面性质的不同,所构成的气一粒结合体的粘附情况也不同。
亲水性颗粒润湿接触角(9)小,气粒两相接触面积小,气浮体结合不牢,易脱落,此为亲水吸附。
疏水性颗粒的接触角(9)大,气浮体结合牢固,为疏水吸附。
其结合力的大小,可通过下式表述。
当三相界面间润湿接触角处于相对平衡状态时,三相界面张力的平衡关系式是:
将上式代人式△W=W1-W冬Ls+?
Lg-?
gs加以整理后可得
△W=?
Lg(1-coa0)
从式中可知当0-0,cos0-1,则(1-cos0)-0,此时这种物质不易与气泡粘附,不能用气浮法去除。
当0—0,cos0—1,则(1-cos0)—2此时这种物质易于与气泡粘附,宜于用气浮法去除。
在接触角0<90°的条件下,式?
ls=?
Lgxcos(180°-0)+?
gs则为:
?
LgXcos0?
gs-?
Ls
上式表明,水中颗粒的润湿接触角0随水的表面张力?
Lg的不同而变化的。
增大水的表面张力?
Lg,可以使接触角增加,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。
由此可知,通过调整增大废水的表面张力?
Lg值,用以强化气一粒固着性,以提高悬浮粒子对气泡载体的粘附能力。
同时若水中含有能使水的表面张力减小的表面活性物质将是不利的,特别是过多的表面活性物质将导致气浮失败。
3.水中气泡的形成及其特性
气泡形成的大小和强度取决于空气释放时各种用途条件和水的表面张力大小。
表面张力是大小相等方向相反,分别作用在表面层相互接触部分的一对力,它的作用方向总是与液面相切,表面张力T的大小正比于表面层的长度
L
T=a•Lo
a—表面张力系数(dny/cm)
T—表面张力(dny)
L—表面层长度(cm)
未溶解空气在水中受到水分子引力作用在二相界面处产生表面张力。
产生的表面张力这一薄层水分子,构成了气泡的膜。
膜呈曲面,这是由于表面张力对泡内空气产生附加压强Ps所致。
为此P=Po+Ps
P—泡内压强Po—泡外历强Ps—附加压强Ps=2a/r(dyn?
cm2)
这种附加压强是在气泡形成后产生的,它不等于水中溶解空气释放时所需的推动力。
从上式可以看出:
(1)气泡半径越小,泡内所受附加压强越大,泡内空气分子对气泡膜的碰
撞机率也越多、越剧烈。
因此要获得稳定的微细泡,气泡膜强度要保证;
(2)气泡小,浮速快,对水体的扰动小,不会撞碎絮粒。
并且可增大,气泡和絮粒碰撞机率大。
但并非气泡越细越好,气泡过细影响上浮。
此外投加一定量的表面活性剂,可经降低水的表面张力系数,加强气泡膜牢度,r也变小;泡膜牢度削弱,而使气泡容易破裂或并大。
3)向水中投加高溶解性元机盐,可使
9提高,若r不变,则已增大,气
4、表面活性剂和混凝剂在气浮分离中的作用和影响
(1)表面活性物质的投加
如水中缺少表面活性物质时,小气泡总有突破泡壁与大泡并合的趋势,从而破坏气浮体稳定。
此时就需要向水中投加起泡剂,以保证气浮操作中泡沫的稳定。
所谓起泡剂,大多数是由极性一非极性分子组成的表面活性剂,表面活性剂的分子结构符号一般用0表示,圆头端表示极性基,易溶于水,伸向水中(因为水是强极性分子);尾端表示非极性基,为疏水基,伸人气泡。
由于同号电荷的相斥作用,从而防止气泡的兼并和破灭,增强了泡沫稳定性,因而多数表面活性剂也是起泡剂。
对有机污染物含量不多的废水进行气浮法处理时,气泡的分散度和泡沫的稳定性可能成为影响气浮效果的主要因素。
在这种情况下,水中存在适量的表面活性物质是适宜的,有时是必须的(例如饮用水的气浮过滤)。
但是当其浓度超过一定限度后由于表面活性物质增多,使水的表面张力减小,水中污染粒子严重乳化,表面电位增高,此时水中含有与污染粒子相同荷电性的表面活性物的作用则转向反面,这时尽管起泡现象强烈,泡沫形成稳定;但气一粒粘附不好,气浮效果变低。
因此,如何掌握好水中表面活性物质的最佳含量,便成为气浮处理需要探讨的重要课题之一。
(2)混凝剂投加产生的带电絮粒脱稳以及界面电现象
废水中污染粒子的疏水性,在许多情况下并不很好。
这是由于受到水中各种离子或两亲分子的作用,产生吸附现象,从而使粒子表面带有电荷,以乳化油为例,按其表面性质应是完全疏水的,而且比重小于水,是应该能够互相附聚兼并成较大油珠,并且其比重差自行上浮到水面。
但由于水中含有由两亲分子组成的表面活性物质的非极性端吸附在油粒内,极性端则伸向水中,在水中极性端进一步电离,从而导致油珠界面被包围了一层负电荷。
此外在水中与油珠结合的皂类和酚类物质,它们的极性端羧基COO和羟基0H伸人水中电离,由此产生双电层现象,提高了胶体粒子的表位电位。
增大的电位值不仅阻碍着细小油珠的相互兼并,而且影响了油珠向气泡表面附着,使乳化油水成为稳定体系。
废水中含有的亲水性固体粉未,如粉砂、粘土等,其润湿角BV90°,因此它表面的一小部分为油所粘附,大部分为水润湿,油珠为这些固体粉未所包围覆盖,从而阻碍其兼并,形成稳定的乳化油体系。
这种固体粉未称为固化乳化剂。
从废水处理角度看,水中细分散杂质的电位偏高是不利的,它不仅促进乳化,而且影响了气一粒结合体(气浮体)的形成。
为此,水中荷电污染粒子在气浮前最好采取脱稳、破乳措施。
有效的方法是投加混凝剂使水中增加相反电荷胶体,以压缩双电层,降低电位值,使其达到电中和。
例如投加硫酸铝、三氯化铁等(废水中硫化物含量多时,不宜采用铁盐,否则生成稳定的硫化铁胶体);即可压缩油珠的双电层,又能够吸附废水中的固体粉末,使其凝聚。
对含有细分散亲水性颗粒杂质(例如纸浆、煤泥等)的工业废水,采用气浮法处理时,除应用前述的投加电解质混凝剂进行表面电中和方法外,还可向水中投加(或水中存在)浮选剂,也可使颗粒的亲水性表面改变为疏水性,并能够与气泡粘附。
当浮选剂(亦属二亲分子组成的表面活性物)的极性端被吸附在亲水性颗粒表面后,其非极性端则朝向水中,这样具有亲水性表面的物质即转变为疏水性,从而能够与气泡粘附,并随其上浮到水面。
浮选剂的种类很多,使用时能否起作用,首先在于它的极性端能否附着在亲水性污染物质表面,而其与气泡结合力的强弱,则又取决于其非极性端链的长短。
如分离洗煤废水中煤粉时所采用的浮选剂为脱酚轻油、中油、柴油、煤油或松油等二、气浮工艺的形式气浮净水上艺已开发出多种形式。
按其产生气泡方式可分为:
布气法气浮(包括转子碎气法、微孔布气法,叶轮散气浮选法等)电解气浮法;生化气浮法(包括生物产气浮法,化学产气气浮);溶解空气气浮(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)。
(一)布气气浮布气气浮是利用机械剪切力,将混合于水中的空气碎成细小的气泡,以进行气浮的方法。
按粉碎气泡方法的不同,布气气浮又分为:
水泵吸水管吸气浮、射流气浮、扩散板曝气浮选以及叶轮气浮等四种。
1、水泵吸水管吸人空气气浮
这是最简单的一种气浮方法。
由于水泵工作特性的限制,吸人的空气量不宜过多,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的不够完全,粒度大,气浮效果不好,这种方法用于处理通过除油池后的含油废水,除油效率一般为50%~65%。
2、射流气浮采用以水带气射流器向废水中混入空气进行气浮的方法。
射流器由喷嘴射出的高速水流使吸人室形成负压,并从吸气管吸人空气,在水气混合体进入喉管段后进行激烈的能量交换,空气被粉碎成微小气泡,然后直人扩散段,动能转化为势能,进一步压缩气泡、增大了空气在水中的溶解度,最终进入气浮池中进行气水分离。
射流器各部位的尺寸及有关参数,一般都是通过试验来确定其最佳尺寸的。
如果射流器进口水压为3~5kg/cm2,那么喉管直径与喷嘴直径的最佳比值为3、
扩散板曝气浮
这种布气浮比较传统,压缩空气通过具有微细孔隙的扩散板或扩散管,使空气以细小气泡的形式进入水中,但由于扩散装置的微孔过小易于堵塞。
若微孔板孔径过大,必须投加表面活性剂,方可形成可利用的微小气泡,从而导致该种方法使用受到限制。
但近年研制、开发的弹性膜微孔曝气器,克服了扩散装置微孔易堵或孔径大等缺点,用微孔弹性材料制成的微孔盘起到扩张、关闭作用。
4、叶轮气浮
叶轮在电机的驱动下高速旋转,在盖板下形成负压吸入空气,废水由盖板上的小孔进入,在叶轮的搅动下,空气被粉碎成细小的气泡,并与水充分混合成水气混合体经整流板稳流后,在池体内平稳地垂直上升,进行气浮。
形成的泡沫不断地被缓慢转动的刮板刮出槽外。
叶轮直径一般多为200~400mm最大不超过600~700mm叶轮的转速多采用900〜1500r/min,圆周线速度则为10〜15m/s。
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叶轮与导向叶片间的间距也能够影响吸气量的大小,实
践证明,此间距超过8mm各使进气量大大降低。
这种气浮设备适用于处理水量小,而污染物质浓度高的废水。
除油效果一般可达80%左右。
布气浮的优点是设备简单,易于实现。
但其主要的缺点是空气被粉碎的不够充分,形成的气泡粒度较大,一般都不小于0.1mm这样,在供气量一定的条件下,气泡的表面积小,而且由于气泡直径大,运动速度快,气泡与被去除污染物质的接触时间短促,这些因素都使布气浮达不到高效的去除效果。
(二)溶气气浮根据废水中所含悬浮物的种类、性质、处理水净化程度和加压方式的不同,基本流程有以下三种。
(1)全流程溶气气浮法
全流程溶气气浮法是将全部废水用水泵加压,在泵前或泵后注入空气。
在溶气罐内,空气溶解于废水中,然后通过减压阀将废水送人气浮池。
废水中形成许多小气泡粘附废水中的乳化油或悬浮物而逸出水面,在水面上形成浮渣。
用刮板将浮渣连排入浮渣槽,经浮渣管排出池外,处理后的废水通过溢流堰和出水管排出。
全流程溶气气浮法的优点:
①溶气量大,增加了油粒或悬浮颗粒与气泡的接触机会;②在处理水量相同的条件下,它较部分回流溶气气浮法所需的气浮池小,从
而减少了基建投资。
但由于全部废水经过压力泵,所以增加了含油废水的乳化程度,而且所需的压力泵和溶气罐均较其他两种流程大,因此投资和运转动力消耗较大。
(2)部分溶气气浮法
部分溶气气浮法是取部分废水加压和溶气,其余废水直接进入气浮池并在气浮池中与溶气废水混合。
其特点为:
①较全流程溶气气浮法所需的压力泵小,故动力
消耗低;②压力泵所造成的乳化油量较全流程溶气气浮法低:
③气浮池的大小与全流程溶气气浮法相同,但较部分回流溶气气浮法小。
(3)部分回流溶气气浮法部分回流溶气气浮法是取一部分除油后出水回流进行加压和溶气,减压后直接进入气浮池,与来自絮凝池的含油废水混合和气浮。
回流量一般为含油废水的25%〜50%。
其特点为:
①加压的水量少,动力消耗省;②气浮过程中不促进乳化;③矶花形成好,后絮凝也少;④气浮池的容积较前两种流程大。
为了提高气
浮的处理效果,往往向废水中加入混凝剂或气浮剂,投力口量因水质不同而异,一般由试验确定。
(二)溶气真空气浮法溶气真空气浮法的主要特点是,其气浮池是在负压(真空)状态下运行的,至于空气的溶解,可在常压下进行,也可在加压下进行。
由于是负压(真空)条件下运行,因此,溶解在水中的空气,易于呈现过饱和状态,从而大量的以气泡形式从水中析出,进行气浮。
至于析出的空气量,取决于水中的溶解空气量和真空度。
溶气真空气浮池,平面多为圆形,池面压力为30〜40kPa,废水在池内停留时间为5〜20min。
溶气真空气浮的主要优点是:
空气溶解所需压力比压力溶气为低,动力设备和电能消耗较少。
但这种气浮方法的最大缺点是:
气浮在负压下进行,一切设备部件,如除泡沫的设备,都要密封在气浮池内,因此,气浮池的构造复杂,给运行与维护都带来很大困难。
此外,这种方法只适用于处理污染物浓度不高的废水(不高于300mg/l),因
此实际应用不多。
(三)加压溶气气浮法的主要设备。
1.进气方式加压溶气法有两种进气方式,即泵前进气和泵后进气。
泵前进气,这是由水泵压水管引出一支管返回吸水管,在支管上安装水力喷射器,省去了空压机。
废水经过水力喷射器时造成负压,将空气吸人与废水混合后,经吸水管、水泵送人溶气罐。
此法比较简便,水气混合均匀,但水泵必须采用自吸式进水,而且要保持1m以上的水
头。
此外,其最大吸气量不能大于水泵吸水量的10%,否则,水泵工作不稳定,会产生气蚀现象。
泵后进气,一般是在压水管上通人压缩空气。
这种方法使水泵工作稳定,而且不必要求在正压下工作,但需要由空气压缩机供给空气。
为了保证良好的溶气效果,溶气罐的容积也比较大,一般需采用较复杂的填充式溶气罐。
溶气气浮是使空气在一定压力的作用下,溶解于水中并达到过饱和的状态,然后再突然使水减到常压,这时溶解在水中的空气,便以微小气泡的形式从水中逸出,以完成气浮过程的方法。
溶气气浮形成的气泡,粒度很小,其初粒度约在80微米左右。
气泡与水的接触时间,可根据需要加以控制。
因此,溶气浮的净化效率较高,在水处理领域,特别是对含油废水、纤维板废水的处理,取得了广泛应用。
根据气泡从水中析出时所处压力的不同,溶气气浮又可分为:
加压溶气气浮和溶气真空气浮两种类型。
前者是空气在加压条件下溶入水中,而在常压下析出;后者是空气在常压或加压条件下溶入水中,而在负压条件下析出。
目前加压溶气气浮是国内外最常用的气浮方法。
评价溶气系统的技术性能指标主要有两个即溶