翁良宇 張文暉

天津科技大學(xué)天津市制漿造紙重點實驗室,天津 300457

溶氣氣浮技術(shù)研究進展

翁良宇 張文暉

天津科技大學(xué)天津市制漿造紙重點實驗室,天津 300457

系統(tǒng)地介紹了溶氣氣浮技術(shù)的基本原理和研究現(xiàn)狀，說明了目前兩大新技術(shù)－高速湍流氣浮技術(shù)和氣泡絮體技術(shù)的特點、基本原理。

溶氣氣??；混凝；氣泡絮體；紊流；氣泡－絮體聚集體

1 前言

溶氣氣浮技術(shù) （Dissolved air flotation，DAF）是一種固液或液液分離技術(shù)，被廣泛地應(yīng)用于水處理領(lǐng)域。通常意義所說的溶氣氣浮技術(shù)主要指循環(huán)水部分加壓溶氣氣浮技術(shù)。這種技術(shù)是通過對處理后的一部分循環(huán)水在溶氣罐內(nèi)加壓溶氣，溶氣后的水在氣浮池的前端（接觸區(qū)）通過釋氣裝置降壓后產(chǎn)生在大量的微小氣泡，氣泡與待處理水進行充分混合，形成氣泡－絮體聚集體后在氣浮池的后端（分離區(qū)）上浮至表面，最后通過水力或機械方式對表面浮渣進行清除。

完整的溶氣氣浮技術(shù)包括了前處理過程、溶氣釋氣過程和氣泡－絮體聚集體形成過程和氣泡－絮體聚集體分離過程四大基本過程。這四大基本過程分別發(fā)生在混凝－絮凝系統(tǒng)，溶氣釋氣系統(tǒng)，氣浮池的接觸區(qū)和分離區(qū)。浮渣的去除不在本文的討論范疇。下面就四大基本過程的基本原理與研究現(xiàn)狀以及最新技術(shù)進行介紹。

2 前處理過程

前處理過程主要指混凝－絮凝過程，即通過混凝和絮凝方法，改變顆粒（絮體）表面電荷和尺寸，最終達到增大氣泡與絮體的粘附概率的目的。一般而言，混凝是一種化學(xué)預(yù)處理過程，它主要通過化學(xué)混凝劑或其它混凝劑調(diào)節(jié)水中化學(xué)環(huán)境，使溶解態(tài)物質(zhì)發(fā)生相變析出或被吸附在混凝劑上達到解穩(wěn)的目的，從而更容易絮凝和固液分離去除[1,2]。絮凝過程是一種物理過程，它主要是已解穩(wěn)的顆粒（絮體）相互碰撞形成較大尺寸的絮體，以利于固液分離[2]。前處理過程（混凝－絮凝過程）主要取決于顆粒間相互作用力－范德華作用力、靜電作用力、疏水作用力和水力。由于范德華作用力主要作用范圍在10nm以內(nèi)[3]，因此顆粒表面電性（影響顆粒間和氣泡－顆粒間靜電作用力）和疏水性質(zhì)（影響顆粒間和氣泡－顆粒間疏水作用力）以及水力條件是影響顆粒絮聚的主要影響因素。

眾所周知，混凝機理主要是電中和、架橋和析層卷掃。電中和是通過使顆粒表面吸附帶反向電荷的離子來中和顆粒表面電荷；架橋通過高分子聚合物吸附在顆?；钚晕簧掀鸬筋w粒間的連接作用；析層卷掃的實質(zhì)是產(chǎn)生的金屬不溶物（無定形態(tài)）以顆粒為核心進行非均相析出過程。顆粒表面電性是由于表面吸附或表面官能團等因素導(dǎo)致表面帶負荷。水中顆粒和氣泡表面往往都帶負電荷[4-6]，因此，沒有有效混凝，顆粒間的靜電斥力與氣泡－顆粒間的靜電斥力都將導(dǎo)致最終處理效率低。一部分學(xué)者認為如果把靜電斥力降到足夠低，將有效地增大氣泡對顆粒 （絮體）粘附概率，從而提高氣浮處理效率。Edzwald等人[5]認為靜電斥力是顆粒穩(wěn)定的主要的原因，因此混凝最佳條件是混凝劑加入使得顆粒表面不帶電或帶少量的電荷。Han等人[7]研究加入鋁鹽混凝劑后的顆粒Zeta電位與氣浮處理效果的關(guān)系，發(fā)現(xiàn)混凝劑略過量（使得Zeta電位略大于零）時氣浮效率最高。另一部分學(xué)者試圖尋找另一種方法：把靜電斥力轉(zhuǎn)變成靜電引力。Malley Jr[8]研究不同高分子聚合物對氣浮效果的影響，發(fā)現(xiàn)向溶氣罐內(nèi)加入陽離子聚合物，產(chǎn)生的氣泡帶有正電荷，可提高氣浮效率。Henderson等人[9]通過向溶氣罐內(nèi)加入極少量的陽離子表面活性劑來改變氣泡表面電荷性質(zhì)，可以有效提高氣浮效果。此外，改變顆粒表面的疏水性能也是一種有效提高氣浮處理效率的途徑。Zouboulis等人[10]認為向含油廢水加入陰離子表面活性劑可以增大油滴尺寸和提高絮體表面疏水性，從而強化氣浮。

目前常用的混凝劑主要是鋁鹽 （AlCl3，Al2(SO4)3和 PAC）和鐵鹽（FeCl3，F(xiàn)e2(SO4)3）。 在造紙廢水處理中，常用金屬鹽和高分子聚合物（如PAM）一塊使用。高分聚合物，特別是陽離子高分子聚合物的加入一方面可以減少金屬鹽的用量以及避免pH值下降過快；另一方面可以提高絮體抗水力剪切的能力[11]。

絮凝過程主要取決于顆粒（絮體）間的碰撞。顆粒碰撞尺寸小的顆粒碰撞絮聚主要取決于布朗運動（微觀絮凝），而尺寸大的顆粒碰撞絮聚則主要取決于速度梯度（宏觀絮凝）。

圖1 絮體尺寸與絮聚概率β的關(guān)系

混凝過程很快，時間在10s量級上。絮凝過程較慢，時間取決于需要的絮體尺寸，一般在5-30min。Edzwald等人[5,12]認為絮凝5min可達到最佳的絮體尺寸20-30um。混凝和絮凝過程的強度往往用速度梯度（G）來表示。一般而言：混凝要求混凝劑在短時間內(nèi)與待處理水進行充分地混合（G在400-1000s-1左右[1]）。實際應(yīng)用時混凝劑往往在泵前加入，通過泵進行混合。絮凝一方面要求能使已解穩(wěn)的絮凝充分地碰撞聚集，另一方面避免絮體在水力剪切作用下發(fā)生破碎（G一般為50-100s-1[2]）。此外，絮凝過程若采用機械攪拌形式，為了避免攪拌室內(nèi)的流體的短路，往往采用兩級絮凝，這樣能保證能停留時間分布與絮凝所需時間相差較小。

3 溶氣釋氣過程

DAF的處理效率很大程度上還取決溶氣系統(tǒng)和釋氣裝置。眾所周知，溶氣系統(tǒng)的能耗占DAF總能耗的50%[13,14]。溶氣系統(tǒng)決定了DAF中可利用的氣體總量以及氣泡尺寸。目前加壓溶氣方式主要有三種方式。一種是通過在溶氣罐內(nèi)加入填料，增大氣液接觸面積來提高溶氣效率。Haarhoff等人[13,15]在熱力學(xué)理論和傳質(zhì)理論的基礎(chǔ)上建立了填料溶氣罐內(nèi)溶氣過程的數(shù)學(xué)模型。通過該模型預(yù)測可知，最大的影響因素是溶氣罐內(nèi)的工作壓力 （一般在350kPa-600kPa），其次是影響氣液傳質(zhì)的因素，包括填料層的高度、填料尺寸和水力負荷。隨著溶氣罐內(nèi)工作壓力或填料層高度的增大，填料尺寸或水力負荷減小，溶氣效率越高。0－40℃范圍內(nèi)溫度變化對溶氣過程影響較小，其原因主要是溫度降低一方面降低了氣液傳質(zhì)速率，降低了溶氣效率，另一方面將減小亨利系數(shù)，增大了氣體在水中溶解度，促進了溶氣，最終使得溶氣過程受溫度變化影響小。另一種方式考慮到空罐溶氣效率低與填料溶氣罐可能會發(fā)生堵塞，采用微孔布氣或旋流等手段來增大氣液傳質(zhì)面積或降低氣液傳質(zhì)過程中液膜厚度，以達到強化溶氣的目的[16-19]。最后一種是采用負壓吸氣方式進行溶氣。負壓吸氣方式來溶氣的裝置主要有兩大類：一是類似文丘里管的射流裝置，主要用于低壓溶氣（溶氣壓力一般小于300kPa）；二是多相流泵，可用于高壓溶氣。負壓吸氣方式通過形成負壓區(qū)吸入空氣，并在高速液體剪切作用力下混合溶解。

三種溶氣方式各有優(yōu)缺點：填料溶氣系統(tǒng)效率高，一般能達到90-99%，但應(yīng)用于較高負荷的工業(yè)廢水時，處理后水中顆?？赡芤鹛盍隙氯７翘盍先軞庀到y(tǒng)通過強化手段，可以達到95%以上，但這種方式往往增大溶氣系統(tǒng)能耗（如加入液體旋流或采用多孔材料布氣等），如何平衡能耗和效率是此類方式的關(guān)鍵。采用負壓吸氣的溶氣系統(tǒng)的能耗相對較低，效率高，節(jié)省了溶氣罐。這種溶氣方式會因為流量的波動導(dǎo)致大氣泡的產(chǎn)生，因此在其下游往往需要加一個小型氣體分離裝置，減少在釋氣裝置處產(chǎn)生大氣泡。

釋氣過程主要決定了接觸區(qū)內(nèi)氣泡尺寸。影響釋氣過程的主要因素有釋氣裝置的壓差、內(nèi)部結(jié)構(gòu)、溶氣水中顆粒性能和表面張力等。釋氣裝置的設(shè)計目標有三個：一是防止氣泡在管道內(nèi)提前析出；二是在釋氣口處形成微小氣泡；三是產(chǎn)生的氣泡與廢水能充分混合但不會過度破碎絮體。Rykaart和Haaarrhoff[20]認為釋氣過程中氣泡尺寸與氣核數(shù)量和湍流強度有關(guān)。氣核可以是湍流中液體旋渦也可是水中顆粒。湍流強度越大，氣泡破碎概率越大，氣泡尺寸分布越窄。他們對比國外常見的4種釋氣器，歸納成三種主要類型：沖擊擋板型、通道轉(zhuǎn)向型和出口漸變型。通過實驗他們發(fā)現(xiàn)擋板和通道轉(zhuǎn)向所起的作用類似，可以降低湍流耗散的同時，減少大旋渦的形成，最終減少氣泡聚并概率；保持噴嘴出口連續(xù)漸變，將限制大旋渦的大量形成，減小氣泡間碰撞。Ponasse等人[21]研究發(fā)現(xiàn)增大出口漸擴夾角，將增大湍流強度，減小氣泡尺寸，離漸擴點越遠，湍流強度越低，氣泡聚并概率越大，氣泡尺寸分布越寬；此外，降低表面張力和離子強度都將增大氣泡破裂概率，減少氣泡尺寸。Edzwald等人[2]認為高效釋氣器應(yīng)滿足：1）消除釋氣器的死端，以減小氣泡聚并；2）使溶氣水速度在釋氣器內(nèi)逐漸降低，防止對原水中絮體破碎；3）在通道路徑上提供碰撞表面。Zhang等人[22]認為DAF噴嘴出口再加入一個圓筒套，能有效地降低出口下流的湍流強度，減少溶氣水對絮凝的破碎。目前釋氣裝置主要分為調(diào)節(jié)型（如針型閥等）和固定型。值得注意是釋氣裝置即使產(chǎn)生少量大氣泡也需要避免，因為大氣泡會導(dǎo)致氣泡－絮體聚集體破碎，降低其上升速度[22]。

4 氣泡－絮體聚集形成過程：

氣泡與絮體的聚集形成過程主要發(fā)生在氣浮池的接觸區(qū)。氣泡－絮體聚集主要取決于氣泡－絮體碰撞概率和氣泡－絮體的粘附概率[5]。前者主要受氣泡與絮體在接觸區(qū)內(nèi)流體力學(xué)行為影響，后者主要受氣泡與絮體的表面性質(zhì)有關(guān)（這取決于前處理過程）。目前氣泡－絮體碰撞概率模型主要分為三大類[5]：一類是基于單個氣泡－絮體碰撞理論建立起來的白水氣泡層模型，一類是基于粒數(shù)平衡模型和局部均勻各向同性湍流理論建立起來的湍流絮凝模型，一類是是基于流場分析基礎(chǔ)上建立的氣泡-顆粒軌跡模型。

白水氣泡層模型[23-25]假設(shè)氣泡以氣泡群（簇）形成存在于接觸區(qū)，氣泡群對絮體聚集作用類似于過濾，并且認為氣泡－絮體碰撞主要是由于布朗擴散運動、流線截獲、慣性作用和顆粒沉降引起的。當(dāng)絮體尺寸小于1ìm時，布朗擴散運動是最主要的碰撞機理，當(dāng)絮體尺寸大于10ìm時，流線截獲是最主要機理。一般接觸區(qū)內(nèi)絮體尺寸在20ìm以上，氣泡尺寸大約40-80ìm，該模型預(yù)測氣泡－絮體碰撞概率與絮體尺寸基本上呈正比，與氣泡尺寸呈反比。湍流絮凝模型[26,27]假設(shè)接觸區(qū)流態(tài)符合湍流條件，氣泡與絮體碰撞主要是由于局部各向同性的湍流運動和粘性子域內(nèi)擴散運動所導(dǎo)致的，其中局部各向同性的湍流運動是氣泡與絮體碰撞最主要機理。此類模型最大的問題在于其預(yù)測氣泡尺寸越大，該模型所預(yù)測的碰撞概率越大，這與實驗結(jié)果不符。氣泡-顆粒軌跡模型[28,29]建立了水力條件、范德華作用力和靜電作用等因素對微氣泡粘附顆粒影響的數(shù)學(xué)模型，但由于其復(fù)雜性導(dǎo)致了其在實際應(yīng)用上局限性。

氣泡與絮體所發(fā)生的碰撞并非都是有效的碰撞，即氣泡與絮體碰撞后能粘附在一起形成氣泡－絮體聚集體。目前諸多描述氣泡－絮體碰撞粘附行為的模型主要考慮兩個問題：一是氣泡與絮體間粘附的主要作用力或者說粘附概率；二是氣泡最終能粘附絮體的數(shù)量。Edzwald等人[5]認為氣泡－絮體粘附概率主要取決于氣泡－絮體間的作用力，主要是范德華作用力、靜電作用力和疏水作用力。因此他們認為預(yù)處理過程使絮體表面帶電量接近于零是有效提高氣泡－絮體粘附概率有效途徑。Haarhoff等人[30]認為絮體粘附氣泡數(shù)量的最小值取決于可粘附氣泡的數(shù)量；最大值則取決絮體上可粘附氣泡的面積。Leppinen[29]認為氣泡－絮體間作用力主要是靜電作用力和范德華作用力，并在前人的基礎(chǔ)上量化范德華作用力和靜電引力。Fukushi等人[26,27]認為氣泡－絮體粘附概率一方面取決于氣泡－絮體極限粘附概率（初始粘附概率）還取決于氣泡和絮體的相對尺寸。

目前關(guān)于氣泡－絮體聚集過程的研究有了長足的認識，基于數(shù)學(xué)模型可以進行DAF系統(tǒng)初步設(shè)計和制定有效控制行為，但遠未能用于氣浮處理效率的精確估計。這主要有以下幾個方面的原因：1）氣泡－絮體聚集過程需要考慮水力條件或者接觸區(qū)內(nèi)流型[31,32]；2）水力剪切作用下氣泡－絮體聚集體的破碎行為 （這種行為可能在高速湍流條件下可能更為明顯）；3）氣泡－絮體聚集過程中絮體形態(tài)和尺寸的測量統(tǒng)計有待進一步精確化。

5 氣泡－絮體聚集體分離過程

氣泡－絮體聚集體與水分離過程主要發(fā)生在DAF的分離區(qū)。目前研究者普遍認為其分離機理與顆粒在沉淀池內(nèi)分離機理類似，分離區(qū)內(nèi)流型與理想沉淀池一樣為塞流，氣泡－絮體聚集體分離效率主要取決于氣泡－絮體的上升速度。一般分離區(qū)內(nèi)微氣泡平均尺寸大約為80－150ìm[33]，單個氣泡的上升速度大約為10m/h。根據(jù)分離理論，分離區(qū)水力表面負荷（單位分離區(qū)面積上通過水的流量）應(yīng)用小于氣泡－絮體上升速度，因此，傳統(tǒng)DAF的分離區(qū)的水力表面負荷往往小于10m3/(m2h)。然而，研究者發(fā)現(xiàn)高水力負荷條件下分離區(qū)內(nèi)流型遠不像塞流這樣簡單[31,34-36]，水進入到分離區(qū)會形成分層流（stratified flow）和突破流（breakthrough）。分層流是一種上層是氣泡流作水平往返運動，下層是無氣泡的水流以塞流形成向下運動。突破流是一種短流形式，水經(jīng)過接觸擋板后立即改變方向。兩種流型三維結(jié)構(gòu)都很復(fù)雜，它們的形成與上下層流體的密度差有關(guān)。

6 高速湍流DAF技術(shù)和氣泡絮體技術(shù)

近此年，隨著人們對分離區(qū)進一步認識，開發(fā)了許多新技術(shù)，其中高速湍流DAF和氣泡絮體（aeroflocs）技術(shù)最值得關(guān)注。

高速湍流DAF與傳統(tǒng)DAF最大的不同在于分離區(qū)的設(shè)計。傳統(tǒng)氣浮池分離區(qū)的設(shè)計出發(fā)點之一是使分離區(qū)處于低湍流強度來降低氣泡－絮體聚集體破碎概率。超效淺層氣浮技術(shù)的“零速原理”是這個設(shè)計理念的一個成功運用。高速DAF的分離區(qū)設(shè)計理念不同于傳統(tǒng)溶氣氣浮技術(shù)，分離區(qū)設(shè)計成紊流條件并形成穩(wěn)定的分層流[36]，即分離區(qū)頂部形成水平折返流，底部形成垂直塞流。折返流大大增大了分離區(qū)有效面積，從而顯著提高了分離區(qū)的表面負荷（圖2）。高速湍流DAF的水力表面負荷可達25-40m/h[7]。Lundh等人[32]研究表明形成穩(wěn)定分離層的條件之一是過（擋）板流速應(yīng)大于36m/h。

圖2 分離區(qū)內(nèi)分層流流型

氣泡絮體技術(shù)最近才開始應(yīng)用在廢水處理上[37]。氣泡絮體主要由氣泡、高分子聚合物和顆粒組成，它具有上升速度快，耐水力剪切作用，低含水量的特點。氣泡絮體技術(shù)與傳統(tǒng)DAF主要不同在于氣泡－絮體聚集體形成過程，前者在高雷諾條件下（典型的雷諾數(shù)大于8000，典型的速度梯度大于1800s-1）進行氣泡、絮凝劑和高分子聚合物三者的混合與絮聚（集絮凝過程和氣泡接觸過程于一體），并形成氣泡絮體[38]。Oliveira等人[39]研究采用絮體發(fā)生器（Floc Generator Reactor）形成氣泡（高嶺土）絮體，發(fā)現(xiàn)氣泡絮體是由高分子聚合物包裹的氣泡為氣核中心經(jīng)架橋作用快速（秒級）形成的，所形成的氣體絮體往往含有大量的微氣泡。Carissimi等人[40]發(fā)現(xiàn)陽離子聚丙烯酰胺、Fe(OH)3和微氣泡形成的氣泡絮體的上升速度可達到120m/h，遠遠大于傳統(tǒng)DAF中氣泡－絮體聚集體的上升速度（10m/h左右）。因此，氣泡絮體技術(shù)所形成的氣泡絮體在很高的水力負荷進行有效分離。

7 結(jié)語：

溶氣氣浮技術(shù)已在飲用水處理和工業(yè)廢水處理上得到廣泛地應(yīng)用，但是如何在保證處理效率的基礎(chǔ)上提高處理負荷，是新一代溶氣氣浮技術(shù)發(fā)展的方向。其中形成多氣泡－絮體結(jié)構(gòu)保證較高的上升速度和提高分離區(qū)的有效面積是今后DAF研究的重點。

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