【正文】 (15) *2( 1 ) ( 1 )OK f?? ?? ? ? ? / ( ) /o b or b r r? ? ? 氣浮中氣泡 粒徑分布的實(shí)驗(yàn)研究 12 213dvm F F Fdt ? ? ? 1 aF gV?? 2 wF gV?? 通過上面的公式可以得出，使 br 、 f 和 or 將會(huì)使的 的值達(dá)到最這也說明了擁有高濃度的小氣泡和大直徑的油滴 /絮粒是很重要的。水膜破碎的過程必須發(fā)生在油滴和氣泡接觸的時(shí)間內(nèi)，否則將不會(huì)發(fā)生粘附。氣泡和油滴之間的薄膜變薄的過程非常復(fù)雜，包含了施加于薄膜最初帶動(dòng)兩個(gè)顆粒相互靠近而后又傾向于使其分離的水動(dòng)力與薄膜界面邊界條件之間的相互關(guān)系。氣泡 油滴 /絮粒共聚體在水中上浮，受到重力1F 、浮力 2F 和阻力 3F 等外力的共同作用，其基本方程式為[20]： (16) (17) (18) (19) 假設(shè)，氣泡、油滴 /絮粒粘附結(jié)合形成的共聚體在開始聚集的一瞬間，便達(dá)到20 2wd v VCAdt ??? 氣浮中氣泡 粒徑分布的實(shí)驗(yàn)研究 13 24ec R? 2 ( )waagVv CA????? (110) 受力平衡，加速度為零，即 ，共聚體勻速上浮，其受力分析圖如圖 13所示。如果水流的流態(tài)確定，共聚體粘附的氣泡數(shù)量越多，則共聚體顆粒直徑越大、密度越小、與水的密度差也越大，從而上浮速度也將增大。 呈前所述， EDUR氣浮裝置是一種高效的氣浮工藝，通過對(duì)出口壓力， 真空度 、礦化度和含油率 等 的調(diào)節(jié) ，產(chǎn)生高密度的微氣泡 來 尋求氣浮效率的最佳點(diǎn)。 氣浮中氣泡 粒徑分布的實(shí)驗(yàn)研究 16 第二章 實(shí)驗(yàn)裝置及測(cè)試方法 本實(shí)驗(yàn)主要是為了研究氣浮中氣泡粒徑分布對(duì)氣浮效果的影響，各種影響氣泡粒徑分布的因素如：壓力、 真空度 、礦化度、表面張力等都應(yīng)成為實(shí)驗(yàn)的影響參數(shù)，這必然涉及到壓力表、真空表、流量計(jì)、絮凝劑、表面張力儀等可能用的儀器。 圖 21 傳統(tǒng)加壓溶氣氣浮系統(tǒng) 氣浮中氣泡 粒徑分布的實(shí)驗(yàn)研究 17 近年來，隨著水泵生產(chǎn)技術(shù)的發(fā)展，美國(guó)、日本等國(guó)生產(chǎn)出了專用溶氣泵 ，能在原水加壓的過程中溶入一定比例的空氣，產(chǎn)生微米量級(jí)的微氣泡，無須使用專用釋放裝置。與射流泵溶氣系統(tǒng)管道溶氣相比 ，多相流泵的溶氣是在泵的多級(jí)升壓過程中完成的，氣體溶解度容易控制，溶解效果更理想。其中由于泵和整個(gè)系統(tǒng)管路的要求必須使得Mastersizer 2020 激 光粒度儀 的進(jìn)樣燒杯 發(fā)生改變，配套的 1 L 燒杯改裝為與原來等高 體積 更大的方形有機(jī)玻璃容器，加入一些連接管路，測(cè)量?jī)x表和必要的擴(kuò)張管等，本實(shí)驗(yàn)裝置的示意圖和實(shí)際流程分別如圖 23 和圖 24 所示 。 如圖 23 設(shè)計(jì)時(shí)未考慮擴(kuò)張管，但 試運(yùn)行以后 運(yùn)行的氣泡不理想，所以把 裝置的左側(cè) ABS 管材 換成如圖 24 所示的 不銹 鋼制管材，承壓能力好且 容易進(jìn)行壓力的調(diào)控， 右邊 管材 由于進(jìn)入口是負(fù)壓，不承受壓力 ， 故不更換 以節(jié)約成本 ，此外增加一個(gè)鋼制擴(kuò)張管 。由于氣泡細(xì)微、彌散均勻，氣浮處理效果得到大幅度改善，在節(jié)能和降低藥劑使用量方面， EDUR 多相流泵 有 不同 使用者 良好業(yè)績(jī)的證明。 為了要求微氣泡平均直徑小于 30um，泵在運(yùn)行中的工作壓力都大于 。目前發(fā)展趨勢(shì)是將 顯微觀。 氣泡粒徑的測(cè) 量 測(cè)量方法 盡管氣浮工藝已應(yīng)用于污水處理多年 , 但是對(duì)氣泡特性的研究直到近年來才引起研究者的注意。本實(shí)驗(yàn)選用 EDUR EB3U 型號(hào)的泵 [14]，該泵為最小流量的氣液多相泵，推薦過泵溶氣水流量為 ~ 3m /h, 電機(jī)功率為 ，出口壓力大于等于 ，進(jìn)出口管徑均采用 DN32。在 污水處理的氣浮裝置中，通過多相流泵直接溶氣和減壓釋放，氣泡直徑可小至 3050μm,氣體飽和度可達(dá) 100％。 圖 圖 24 實(shí)際運(yùn)行的氣浮系統(tǒng) 圖 24 中 裝置 包括 ： EDUR 多相流泵型號(hào) EB3U，配套 ABB 電機(jī)；真空表量程氣浮中氣泡 粒徑分布的實(shí)驗(yàn)研究 19 0~；壓力表量程 0~1MPa；空氣流量計(jì)量程 ~ 3m /h；擴(kuò)張管管徑,長(zhǎng) ； 其余 管徑 為 DN32,全長(zhǎng) 。 考慮到實(shí)驗(yàn)的規(guī)模形式，應(yīng)該使整個(gè)實(shí)驗(yàn)裝置單元管理方便且操作簡(jiǎn)單。 圖 22 EDUR 溶氣氣浮系統(tǒng) 在氣浮裝置中采用多相流泵作為溶氣泵，氣體在泵進(jìn)口管道利用泵進(jìn)口節(jié)流產(chǎn)生的真空被直接吸入。 實(shí)驗(yàn)裝置 氣浮系統(tǒng) 的選定 圖 21 為傳統(tǒng)溶氣氣浮系統(tǒng)，傳統(tǒng)溶氣氣浮除循環(huán)水泵外，還需要空壓機(jī)、溶氣罐、控制系統(tǒng)等。本論文旨在研究 EDUR 氣浮 系統(tǒng) 的 氣泡 粒徑分布的影響因素，找到泡粒徑分布的最佳參數(shù)范圍，并能對(duì)高效處理造紙白水、含油廢水等提供一定的理論依據(jù)。因此，目前來說改進(jìn)氣泡的產(chǎn)生方式是改善氣浮裝置、提高氣浮處理效果最直接有效的方法。 圖 13 氣泡－油滴 /絮粒共聚體受力分析圖 層流區(qū)， eR ≤1，阻力系數(shù)與雷諾數(shù)的關(guān)系為： 0dvdt? 氣浮中氣泡 粒徑分布的實(shí)驗(yàn)研究 14 代入 (110)式，得出上浮速度為： (111) 過渡區(qū)， eR =10~1000，由過渡區(qū)公式得上浮速度為： (112) 式中 γ 為水的運(yùn)動(dòng)粘度。大量研究表明表面電荷、界面張力、界面張力梯度和表面粘度，都是 影響薄膜化進(jìn)程重要因素。這部分油滴與實(shí)際發(fā)生接觸的油滴總數(shù)的比值定義為氣泡與油滴的粘附效率。這一過程是非常復(fù)雜的，涉及到了水動(dòng)力學(xué)特性和表面化學(xué)特性。為了更好的理解氣泡和顆粒的直徑及氣泡的密度對(duì)接觸效率的影響簡(jiǎn)單的幾何模型，該模型不考慮水的動(dòng)力，認(rèn)為直徑相同的氣泡均勻分布單個(gè)氣泡可以認(rèn)為是在邊長(zhǎng)為 2b 的立方體的中心。其接觸效率 (11) 其中 (12) (13) Reay 和 Ratcliff 的研究結(jié)果表明，接觸效率隨著顆粒直徑的增大 而急劇增大。計(jì)算結(jié)果表明，忽略慣性的小顆粒 (如直徑 500 um 的油滴發(fā)生接觸，因?yàn)轭w粒的密度比水小。 對(duì)于氣泡和顆粒接觸過程的研究，主要應(yīng)集中在影響接觸過程的參數(shù)，以及如何使這一過程最優(yōu)化。另外，在某個(gè)運(yùn)動(dòng)氣泡的周圍存在液體的流動(dòng)，從而引起油滴/絮粒的偏離，運(yùn)動(dòng)氣泡與油滴 /絮粒的偏離將會(huì)降低其接觸的可能性。 (2)氣泡和油滴 /絮粒的接觸 氣浮 過程中，氣泡和油滴 /絮粒必須進(jìn)行接觸，才能發(fā)揮氣泡的作用。 綜上所述，氣浮技術(shù)的三大理論體系中，動(dòng)力學(xué)理論從粘附行為的微觀過程入手，研究絮粒成長(zhǎng)過程，及氣泡、絮粒的碰撞粘附過程，而這些過程直接影響到氣浮處理的效果，因此可以預(yù)見對(duì)這一領(lǐng)域的研究在未來的很長(zhǎng)一段時(shí)間內(nèi)都將是氣浮理論研究的重要內(nèi)容。 流體力學(xué)理論 流體力學(xué)理論從氣浮池的水力學(xué)特征入手，研究如何創(chuàng)造氣泡與絮體粘附、分離的水力條件。該模型指出了氣浮運(yùn)行效果主要受混凝預(yù)處理參數(shù)和氣浮設(shè)計(jì)參數(shù)的影響。為了防止這些現(xiàn)象的產(chǎn)生，當(dāng)水中缺少表面活性物質(zhì)時(shí)，需要向水中投加表面活性劑以減小液體的表面張力。水中存在表面活性劑時(shí)，會(huì)影響微氣泡的大小和牢度。微氣泡與絮粒碰撞粘附形成帶氣絮體，這種有微氣浮中氣泡 粒徑分布的實(shí)驗(yàn)研究 9 氣泡直接參與凝聚而與絮粒聚并長(zhǎng)達(dá)的過程稱作共聚作用。在一定的水力條件下，當(dāng)具有足夠動(dòng)能的微氣泡和絮粒相互靠近時(shí)，通過分子間的范德華引力而相互吸附，并且彼此擠開對(duì)方結(jié)合力較弱的外層水膜相互靠近，氣泡可以粘附在絮粒外圍，也可擠開絮粒中的自由水面而進(jìn)入內(nèi)部。 動(dòng)力學(xué)理論 動(dòng)力學(xué)理論從粘附行為的微觀過程入手，研究絮體顆粒和微氣泡的粘附速度問題。 EDUR 型高效氣浮裝置不會(huì)因?yàn)榛亓魉∵x劑太多而造成難以形成溶氣水的后果，同時(shí)也克服了一般氣浮所需回流水泵溶氣壓力、溶氣率低的缺點(diǎn)。 ④ 靠近池底部有連續(xù)運(yùn)轉(zhuǎn)的沉淀物清除刮板，便于沉淀物及時(shí)清除，保證了池 底干凈及有效氣浮水深。超效淺層氣浮的第一個(gè)關(guān)鍵技術(shù)是溶氣水的制造。 (2) 淺層氣浮設(shè)備 淺層氣浮出現(xiàn)是氣浮凈水技術(shù)的一個(gè)重大突破。 (1) 渦凹?xì)飧?(CavitationAir Flotation) 其工作原理是未經(jīng)處理的污水首先進(jìn)入裝有專利渦凹曝氣機(jī)的小型充氣段。向待處理污水中加入適量 的絮凝劑可以使細(xì)小的顆粒聚結(jié)變大，同時(shí)改善懸浮顆粒的親水、親油性，從而提高氣浮處理效果。 部分回流水溶氣氣浮法是取一部分處理后的凈化水回流進(jìn)行加壓溶氣，溶氣水釋放后直接進(jìn)入氣 浮池，與氣浮池內(nèi)的含油廢水混合，進(jìn)行氣浮處理。處理后的凈化水通過溢流堰和出水管排出。 全 流程溶氣氣浮法是將全部廢水用水泵加壓，在泵前或泵后注入空氣。 加壓溶氣氣浮廣泛地應(yīng)用于含油污水的處理，通常作為隔油后的處理和過濾或生化處理前的預(yù)處理，其氣浮裝置一般應(yīng)包含加壓溶氣系統(tǒng)、微氣泡發(fā)生系統(tǒng)和懸浮物分離系統(tǒng)等。如果停留時(shí)間太短，粘附氣泡的絮體未能上浮至水面就隨著出水流出，處理效果不理想；停留時(shí)間過長(zhǎng)時(shí)，氣泡之間與攜帶絮體的氣泡之間的兼并量增大，也會(huì)降低氣浮處理的效果。但轉(zhuǎn)速過高時(shí)，提高了油珠和懸浮物的乳化程度，使其以更細(xì)小的顆粒存在于水體中，這樣反而會(huì)使處理效果下降。 葉輪氣浮法是 機(jī)械攪拌 氣浮中最常用的一種，其基本原理為：依靠葉輪的高速旋轉(zhuǎn)形成的負(fù)壓，吸入氣體并將其剪碎，形成微小的氣泡，利用氣泡攜帶污水中的氣浮中氣泡 粒徑分布的實(shí)驗(yàn)研究 4 污染物質(zhì)上浮至水面，以凈化污水。但由于存在電耗較高，電極板易結(jié)垢等問題，目前該法主要用于小規(guī)模的工業(yè)廢水處理和污泥濃縮中。此外，還有生化氣浮、離子氣浮等 [4]。 5. 與有機(jī)廢水生物處理相配合用浮上法代替二次沉淀池，特別對(duì)于那些易于產(chǎn)生污泥膨脹的生物處理工藝中，可保證處理工作的正常運(yùn)行。 在水處理技術(shù)中，氣浮法 (也稱浮上法 )固 液或液 液分離技術(shù)已廣泛地應(yīng)用在氣浮中氣泡 粒徑分布的實(shí)驗(yàn)研究 3 下述幾個(gè)方面： 1. 在飲用水處理上，浮上法已 成功地應(yīng)用在處理低濁度、含藻類及一些浮游生物的水處理工藝中。 1963 年哈爾濱建工學(xué)院在對(duì)齊齊哈爾鋼廠煤氣發(fā)生站含酚廢水進(jìn)行預(yù)處理除油研究中用過射流浮選，試驗(yàn)除油效率為 80%左右。在 60 年代，美國(guó)出現(xiàn)溶氣氣浮處理污水的報(bào)道， 1960 年，第一臺(tái)葉輪 氣浮凈化器出現(xiàn)在美國(guó)長(zhǎng)灘油田。由于它可用于固體與液體，液體與液體，水中不同 的固體與固體甚至溶液中離子的分離，而且這種分離技術(shù)具有設(shè)備簡(jiǎn)單，分離速度快等特點(diǎn)。 因此，氣浮技術(shù)的發(fā)展，尤其是針對(duì)其中的氣泡尺寸及其數(shù)量問題的研究，將 大大 改善 水質(zhì) 的處理效果 ， 符合現(xiàn)代人對(duì)水質(zhì)的追求，也將給 我們的生活 質(zhì)量 帶來巨大的影響。在凈水工藝中的應(yīng)用，氣浮技術(shù)的進(jìn)展一直不大，原因在于氣泡的尺寸很難控制，后來國(guó)外出現(xiàn)了專用釋放器，有各種形式的噴嘴、 針形閥等，在國(guó)內(nèi)也得到了應(yīng)用。如今隨著石油工業(yè)的發(fā)展，陸地油田的不斷耗竭，海洋石油產(chǎn)量，尤其是在過去 20 年間，其占全球石油總產(chǎn)量中的比重已從 20%上升到 30%以上了。 90％以上的城市水域受到污染，50％左右地下水水質(zhì)受到污染， 50％以上的重點(diǎn)城鎮(zhèn)的飲用水源不符合標(biāo) 準(zhǔn) [1]?？傊敬蔚墓ぷ鳛闅飧〖夹g(shù)的更廣更好應(yīng)用提供了一定的基礎(chǔ)理論指導(dǎo)。加入礦化鹽、 PAC、煤油 對(duì)氣泡粒徑有減小作用，但達(dá)到一定濃度后影響不再顯著，而起泡劑對(duì)氣 泡粒徑并無明顯影響。 任務(wù)書審定日期 年 月 日 系（教研室）主任（簽字） 任務(wù)書批準(zhǔn)日期 年 月 日 教學(xué)院（系、部）院長(zhǎng)（簽字） 任務(wù)書下達(dá)日期 年 月 日 指導(dǎo)教師（簽字） 計(jì)劃完成任務(wù)日期 年 月 日 學(xué)生（簽字） 氣浮中氣泡粒徑分布的實(shí)驗(yàn)研究 VII 摘 要 氣浮凈水技術(shù)是國(guó)內(nèi)外正在深入研究推廣的一種固液分離技術(shù)，廣泛應(yīng) 用于煉油、造紙、印染、制革、食品、機(jī)械等行業(yè)的工業(yè)廢水處理及生活污水處理。 第 1