【文章內(nèi)容簡(jiǎn)介】 作流程 .............................................................................................. 65 實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù) ..................................................................................................... 66 數(shù)據(jù)分析 ..................................................................................................... 68 小結(jié) ................................................................................................................... 68 氣浮中氣泡 粒徑分布的實(shí)驗(yàn)研究 V 第五章 結(jié)論與展望 .................................................. 52 結(jié)論 ................................................................................................................... 72 對(duì)進(jìn)一步研究的展望 ....................................................................................... 72 參 考 文 獻(xiàn) ......................................................... 74 致 謝 ............................................................. 76 附錄 1 ............................................................... 77 附錄 2 ............................................................... 85 聲 明 ............................................................. 87 氣浮中氣泡 粒徑分布的實(shí)驗(yàn)研究 1 第一章 前 言 選題背景 近年來(lái)，全球的環(huán)境污染不斷惡化，其中水源的不斷污染越來(lái)越成為一個(gè)國(guó)家發(fā)展刻不容緩的問(wèn)題。 環(huán)保部 2020 年 4 月 21 發(fā)布的最新數(shù)據(jù)： 2020 年我國(guó)廢水排放總量為 億噸，比上年增加了 ％。污水排放量很大，但污水處理率低：工業(yè)廢水處理率約 80％ ，達(dá)標(biāo)排放的只有 60％。 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]。2020 年 5 月 13 日，國(guó)家海洋局在京召開(kāi)新聞發(fā)布會(huì)，發(fā)布《 2020 年中國(guó)海洋環(huán)境狀況公報(bào)》 [2]。 該報(bào)告指出：相比 2020 年海洋赤潮、綠潮災(zāi)害有所減輕，但是海上溢油事故風(fēng)險(xiǎn)加劇。 2020 年 7 月 16 日大連新港石油儲(chǔ)備庫(kù)輸油管道爆炸造成大量原油泄漏入海，事故鄰近海域和部分敏感功能區(qū)受到不同程度影響。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(guò)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。與陸上油田一樣，海上油田的油井產(chǎn)出液中也不可避免地含有大量的地層伴生 水。 20 世紀(jì) 80 年代初，國(guó)內(nèi)第一套由同濟(jì)大學(xué)設(shè)計(jì)的日處理 l000t 規(guī)模的氣浮裝置，用來(lái)處理印染廢水獲得了成功，標(biāo)志我國(guó)氣浮設(shè)備的研制與開(kāi)發(fā)邁上了一個(gè)新的臺(tái)階。氣浮技術(shù)因其在造紙白液的纖維回收、含油廢水的處理；印染、化工、輕工、食品、制藥等工業(yè)廢水物化處理；各類(lèi)生物處理中生物絮體與水分離 (代替二沉池 )等方面的適用以及具有處理效率高、效果好、對(duì)水質(zhì)適應(yīng)廣等優(yōu)點(diǎn)，正在得到深入研究和不斷推廣。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(lái)國(guó)外出現(xiàn)了專(zhuān)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。 70 年代以后，人們改善了溶氣方法，解決了溶氣釋放中產(chǎn)生的氣泡尺寸及其數(shù)量這個(gè)關(guān)鍵性難題，氣浮凈水技術(shù)才得以采用和逐步推廣。 1905 年，美國(guó)專(zhuān)利刊出了加壓溶氣技術(shù)。 1907 年， 發(fā)明了噴射溶氣氣浮技術(shù) 。 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(wèn)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(lái)巨大的影響。 氣浮凈水 技術(shù) 的 發(fā)展 氣浮中氣泡 粒徑分布的實(shí)驗(yàn)研究 2 氣浮凈水技術(shù)的發(fā)展歷程 氣浮法是一種歷史悠久的固液分離技術(shù)，氣浮凈水技術(shù)在 國(guó)內(nèi)外應(yīng)用廣泛。其原理是通過(guò)某種方式向廢水中通入空氣，并以微小氣泡的形式從水中析出，然后以此為載體，粘附廢水中的乳化油、微小懸浮顆粒等污染物質(zhì)，使其隨氣泡一起上浮到水面，形成泡沫－氣、水、顆粒 (油 )三相混合體，通過(guò)收集泡沫或浮渣達(dá)到分離雜質(zhì)、凈化廢水的目的。 氣浮技術(shù)最早應(yīng)用于礦冶工業(yè)，其方法是先把礦石磨碎成粉粒，加水制成懸濁液，然后加入浮選劑，并通入氣泡，使礦石中有用的成份粘附在氣泡周?chē)蛏细∑穑荒苷掣皆跉馀萆系碾s質(zhì)則下沉，從而達(dá)到富集有用礦石的目的 [1]。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)。因而近年來(lái)這種技術(shù)理論和應(yīng)用的研究引起了越來(lái)越多的水處理和分析化學(xué)等科學(xué)工作者的廣泛關(guān)注。 在水處理領(lǐng)域中，早在 1920 年， 就考慮用氣浮法處理污水， 1930年瑞典某造紙廠(chǎng)曾試用一種將空氣在壓力下溶解于白水的水處理中，但上述實(shí)驗(yàn)結(jié)果均未公開(kāi)發(fā)表和引起足夠重視。直到 1943 年漢森和高雷斯的英文排水雜志上才公開(kāi)發(fā)表了有關(guān)氣浮法處理污水的文章。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。 上世紀(jì) 60 年代以前，氣浮技術(shù)發(fā)展較慢，很少見(jiàn)其研究和應(yīng)用的報(bào)道，究其原因主要是制造微氣泡的技術(shù)沒(méi)過(guò)關(guān)，特別是采用分散空氣氣浮時(shí)，產(chǎn)生的氣泡不夠微細(xì)，顆粒的粘附能力很差，大氣泡還會(huì)產(chǎn)生嚴(yán)重紊流而撞碎絮體。我國(guó)是最早研究氣浮技術(shù)的國(guó)家之一。隨著工業(yè)的發(fā)展，特別是石油工業(yè)的發(fā)展，氣浮凈水技術(shù)被世界各國(guó)廣泛用于煉油、石油開(kāi)發(fā)、化工、造紙等行業(yè)。 1963 年哈爾濱建工學(xué)院在對(duì)齊齊哈爾鋼廠(chǎng)煤氣發(fā)生站含酚廢水進(jìn)行預(yù)處理除油研究中用過(guò)射流浮選，試驗(yàn)除油效率為 80%左右。大慶油田設(shè)計(jì)院在 1963~1965 年期間，曾在東油庫(kù)污水站用自制的葉輪浮選機(jī)進(jìn)行過(guò)氣浮試驗(yàn)，除油效率達(dá)到 99 .7%，但當(dāng)時(shí)考慮到無(wú)定型的葉輪浮選機(jī)產(chǎn)品，且混凝除油也有較好的效果，因此從 60 年代到 80 年代中期，油田開(kāi)發(fā)業(yè)一直沒(méi)用氣浮法處理含油廢水。我國(guó)在 60 年代末已有壓力溶氣裝置應(yīng)用于食鹽溶液的凈化和石油廢水的處理。 70 年代氣浮技術(shù)迅速發(fā)展，當(dāng)采 用部分回流溶氣氣浮法時(shí)氣法時(shí)，顯著改善了氣浮的地位。 在水處理技術(shù)中，氣浮法 (也稱(chēng)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(lèi)及一些浮游生物的水處理工藝中。 2. 用于石油、化工及機(jī)械制造業(yè)中的含油 (包括乳化油 )污水的油水分離中。 3. 用于有機(jī)及市政污水的物化處理工藝中。 4. 用于廢水中有用物質(zhì)的回收，如造紙廠(chǎng)紙漿纖維及填料的回收工藝。 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。 6. 已研究應(yīng)用在對(duì)污水處理廠(chǎng)剩余污泥進(jìn)行氣浮濃縮的處理工藝 [3]。 氣浮凈水技術(shù)簡(jiǎn)介 氣浮法主要用來(lái)處理廢水中靠自然沉降或 上浮難以去除的乳化油或相對(duì)密度接近于水的微小懸浮顆粒。根據(jù)氣泡產(chǎn)生方式的不同，氣浮法可分為電解氣浮、散氣氣浮和溶氣氣浮法三種，其中部分回流水加壓溶氣氣浮法是一種國(guó)內(nèi)外常用的氣浮方法。此外，還有生化氣浮、離子氣浮等 [4]。 (1) 電解氣浮 電解氣浮法是向水中通入 5~10V 的直流電壓，廢水在直流電壓的作用下電解產(chǎn)生 H O2和 CO2等的微小氣泡。利用電解法產(chǎn)生的氣泡密度小，直徑 10~60 um，浮升過(guò)程中不會(huì)引起水流紊動(dòng)，浮載能力大，特別適用于脆弱絮凝體的分離。如果采用鋁板或鋼板作陽(yáng)極，則電解溶蝕產(chǎn)生的 Fe2+和 A13+離子經(jīng)過(guò)水解、聚合及氧化，生成具有凝聚、吸附及共沉作用的多核輕基絡(luò)合物和膠狀氫氧化物，有利于水中懸浮物的去除。但由于存在電耗較高，電極板易結(jié)垢等問(wèn)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。電解氣浮除用于固液分離外，還有降低有機(jī)物、氧化、和殺菌作用，對(duì)廢水符合變化適應(yīng)性強(qiáng)，生成污泥量小，占地面積少，不產(chǎn)生噪聲。 (2) 機(jī)械攪拌 氣浮 機(jī)械攪拌 氣浮是利用機(jī)械剪切力，將混合于水中的空氣粉碎成細(xì)小的氣泡，以進(jìn)行氣浮處理的方法。按粉碎氣泡方法的不同，散氣氣浮又分為：水泵吸水管吸氣氣浮、射流氣浮 、擴(kuò)散板曝氣氣浮以及葉輪氣浮等。 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?xún)艋鬯?。葉輪高速旋轉(zhuǎn)時(shí)，在固定的蓋板下形成負(fù)壓，氣體從進(jìn)氣管中吸入，進(jìn)入水中的氣體與循環(huán)水流一起被葉輪充分?jǐn)嚢?，在葉輪剪切力作用下，氣體被剪碎為微細(xì)的氣泡并與循環(huán)水流一起甩出導(dǎo)向葉輪，經(jīng)過(guò)穩(wěn)流板消能，氣泡攜帶污染物質(zhì)垂直上升，進(jìn)行氣浮處理。 葉輪氣浮法的氣浮效果取決于葉輪的轉(zhuǎn)速、浮選劑的投加量和污水在浮選池內(nèi)的停 留時(shí)間。葉輪的轉(zhuǎn)速愈高，產(chǎn)生的負(fù)壓越高，吸入的氣量大，并且能夠?qū)⑵浼羟谐筛〉臍馀荻欣跉飧√幚怼５D(zhuǎn)速過(guò)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。浮選劑的投加一方面減弱了絮體表面的親水性，增強(qiáng)其疏水性，以利于氣泡與絮體的粘附作用，另一方面降低了氣、水界面的界面張力，減小了氣泡之間相互兼并的幾率，使細(xì)小氣泡能夠穩(wěn)定地存在于水體中。 污水在浮選池中的停留時(shí)間，直接影響著氣泡與絮體及氣泡之間的碰撞接觸時(shí)間，在氣浮處理中，存在著三種不同的碰撞和粘附作用： ① 氣泡 與絮體之間； ② 氣泡與氣泡之間； ③ 攜帶氣泡的絮體之間。后兩種粘附作用會(huì)降低水體中的氣泡密度，破壞已上升的絮團(tuán)結(jié)構(gòu)，而不利于氣浮處理。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(guò)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。 (3) 加壓溶氣氣浮 溶氣氣浮是使空氣在一定壓力下溶于水中并呈飽和狀態(tài)，然后使廢水的壓力驟然降低，這時(shí)空氣便以微小的氣泡從水中析出并進(jìn)行氣浮。這種方法形成的氣泡直徑只有 80u m 左右，而且可以人為控制氣泡與廢水的接觸時(shí)間 ，因而處理效果遠(yuǎn)比散氣氣浮好，應(yīng)用也更為廣泛。 根據(jù)氣泡從水中析出時(shí)所處的壓力不同，溶氣氣浮又可分為兩種方式：一種是溶氣真空氣浮，空氣在常壓或加壓下溶于水中，而在負(fù)壓下析出；另一種是加壓溶氣氣浮，空氣在加壓下溶入水中，而在常壓下析出。 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(guò)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。其中，微氣泡發(fā)生系統(tǒng)的溶氣釋放器只有產(chǎn)生微氣泡的密度較高，才能提高氣浮的凈水效果。同濟(jì)大學(xué)于 1978 年研制成功 TS278 型低壓溶氣釋放器，陳林峰于 1999 年研制成功高效溶氣釋放機(jī) [4]。 氣浮中氣泡 粒徑分布的實(shí)驗(yàn)研究 5 根據(jù)加壓方式的不同，加壓溶氣氣浮法具有三種不同的基本流程：全流程溶氣氣浮、部分溶氣氣浮和部分回流溶氣氣浮。 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。在溶氣罐內(nèi)，空氣溶解于廢水中，然后通過(guò)減壓閥釋放將溶氣廢水送入氣浮池。減壓釋放后的溶氣廢水在氣浮池內(nèi)形成許多小氣泡，粘附廢水中的乳化油滴或懸浮物顆粒，一起上浮至水面，在水面上形成浮渣。用刮板將浮渣排入浮渣槽，最后經(jīng)浮渣管排出池外。處理后的凈化水通過(guò)溢流堰和出水管排出。其特點(diǎn) 為： ① 溶氣量大，增加了油?；驊腋☆w粒與氣泡的接觸機(jī)會(huì)； ② 在處理水量相同的條件下，比部分回流溶氣氣浮所需的氣浮池小，減少了基建投資； ③ 由于全部廢水經(jīng)過(guò)壓力泵，所以增加了含油廢水的乳化程度，而且所需的壓力泵和溶氣罐均較其它兩種流程大，因此投資和運(yùn)轉(zhuǎn)動(dòng)力消耗較大。 部分溶氣氣浮法是取部分廢水加壓和溶氣，其余廢水直接進(jìn)入氣浮池并在氣浮池中與溶氣廢水混合。其特點(diǎn)為： ① 較全流程溶氣氣浮所需的壓力泵小，故動(dòng)力消耗低； ② 壓力泵所造成的乳化油量較全流程溶氣氣浮低； ③ 氣浮池的大小與全流程溶氣氣浮相同，但較部