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气浮法处理废水的研究及其进展

时间:2015-04-17 来源:安全与环境学报 作者:魏在山 徐晓军 宁平 徐金球

1 引 言

气浮法利用高度分散的微气泡作为载体去粘附废水中的悬浮物,使其密度小于水而上浮到水面以实现固液分离过程。它可用于水中固体与固体,固体与液体,液体与液体乃至溶质中离子的分离[1]。气浮法作为一种高效、快速的固液分离技术,始于选矿[2]。自20世纪70年代以来,该技术在水处理领域颇受国内外学者的关注并得以迅速发展,目前已较广泛地应用于给水,尤其是对低温、低浊、富藻水体的净化处理以及城市生活污水和各种工业 废水处理。与沉淀法相比,气浮法具有4个优点[3]:(1)气浮设备占地少,节省基建投资;(2)处理效果好,可处理那些很难用沉淀法去除的低浊含藻水和原水中的浮游生物,出水水质好;(3)所需药剂量比沉淀法节省;(4)可以回收利用有用物质。本文对气浮法净水技术的研究现状、气浮理论、气浮设备、气浮技术的应用进行了综述,并对气浮技术的发展进行了展望。

 2 气浮理论

气浮理论的发展可分为开拓期和发展期。开拓期始于20世纪70年代中期,大部分研究集中在气浮工艺条件的研究上,如气浮分离的物理化学条件;较深入的一些研究工作也仅停留在对某些气浮过程表面现象的局部解释上,或是测定气泡的大小、接触角、表面张力、Ν电位、颗粒大小与气浮效率的关系。70年代后期属于发展期,气浮理论研究向纵深发展。气浮过程的机理、热力学和动力学的研究也日益增多,文献逐年增加[4]。

 气浮理论[5~8]认为:压力溶气水中通过溶气释放器释出的微气泡,在其气泡外层包着一层透明的弹性水膜,除排列疏松的外层(流动层)泡膜在上浮过程中受浮力和阻力的影响而流动外,其内层(附着层)泡膜与空气一起构成稳定的微气泡而上浮;经过絮凝剂脱稳凝聚、絮凝形成的柔性网络结构絮粒,具有一定的过剩自由能和憎水基团。气泡和絮粒的粘附作用的形成机理主要是由以下4种因素综合作用的结果:(1)絮粒的网捕、包卷和架桥作用;(2)气泡絮粒碰撞粘附;(3)微气泡与微絮粒间的共聚并大;(4)表面活性剂的参与作用。

 单忠健等[9]从“分离压”基本原理出发,通过气泡2絮粒间残留水化层性能的测定和计算,探讨了气泡与絮粒粘附时,液膜薄化的物理化学因素,研究了气泡2絮粒粘附过程的机理。胡斌等[6]根据絮粒和气泡的各自特性及其粘附方式研究了气浮净水机理,认为微粒、微气泡的尺寸和粘附牢度是影响气浮净水效果的主要因素。 Kitchener[8],Neethling[10] 等主要从Ν电位和水化层方面研究其粘附条件,并且提出了相应的数学模型。

3 气浮净水设备

气浮分离方法有很多种,根据微细气泡产生的方式可分为:电解气浮法、分散空气气浮法、溶气气浮法[11]。分散空气气浮采用微孔扩散板或微孔管直接向气浮池通入压缩空气或采用水力喷射器、高速叶轮等向水中充气,可分为扩散板气浮、射流气浮和叶轮气浮[12]。溶气气浮法使空气在一定压力下溶于水中并达到饱和状态,然后再使废水压力突然降低,这时溶解于水中的空气便以微气泡的形式从水中放出,以进行气浮废水处理,可分为加压溶气气浮和真空溶气气浮;其中的部分回流式压力溶气气浮是水处理中最常用的工艺[5],它在某些方面可以作为替代沉淀的新技术。尽管如此,气浮工厂的设计和最佳操作仍旧依靠中试及经验。因此,有关气浮机理、气浮设备和工艺组合尚需进一步研究。电解气浮法[13]是对废水进行电解,阴极产生大量氢气泡,起浮选剂的作用,废水中的悬浮颗粒粘附在氢气泡上,随其上浮而达到净化废水的目的。

我国从20世纪70年代后期便积极开展气浮净水工业设备的研究,20多年来取得了可喜的成就。在加压溶气气浮工艺及设备方面,同济大学率先于1978年研制成功“TS278”型低压溶气释放器。朱锡海研制成功高效无 毒的LG 2I型气浮剂及其气浮设备,他又与郭金基、孔宪祥等人研制成功“旋流2充气气浮装置”[14] ,其气浮速率比一般常规压力溶气设备高10多倍,能耗则减少约30%,该技术及产品己出口到香港及东南亚国家和地区。气浮装置一般应包含加压溶气系统、微气泡发生系统和悬浮物分离系统等[13,15]。其中微气泡发生系统的溶气释放器只有产生微气泡的密度较高,才能提高气浮法的净水效果[16,17]。陈林峰1999年研制成功高效溶气释放机[18]。1998年以前所发明的气浮净水装置基本上都是气浮池,而到1999—2000年国内陆续发明了各种各样用于废水处理的气浮机以及气浮柱。例如,王政研制成功的机械式气浮机[19]和机械式气浮水处理装置[20];6412厂(沈阳)发明的射流2涡流复合溶气式气浮机[21]等。丁一刚等[22]研制的处理造纸废水的新型环保气浮设备填料气浮柱,效果明显优于传统的气浮池,其二次污染小,占地面积小,可大幅度减小后续污泥处理设施及相应费用。

4 气浮在废水处理中的应用

气浮法作为一种快速、高效的固液分离技术,既适用于给水净水,又适用于多种废水的处理;不仅能代替水处理上的沉淀、澄清,而且可作为废水深度处理的预处理及浓缩污泥之用。对一些沉淀法难以取得良好净化效果的原水的处理,气浮法效果更好。

4.1 处理石油化工及机械制造业中的含油废水 乌锡康[23]编的《有机化工废水处理新技术》中陈述,用混凝2气浮法处理含油废水(COD值15000mg󰃗L、pH值8~10、氯化钠3%),在pH值为6、回流比为30%、停留时间为40min,水气比为1∶0.3时,COD的去除率可达80%。王仁[24]用气浮法处理乳化液含油废水,废水处理后的COD和SS均低于国家排放标准。韩洪军[25]用电解气浮法处理含油废水效果良好。马志毅等[26]利用铁板作电极反应器,通过电气浮作用,在15min内,对浮油、乳化油和LAS的去除率分别为95%、92%和93.3%。曲爱平[27]用喷射浮选处理含油废水,除油效率为70%左右(不加任何化学试剂);加入填料,能使除油效率提高12%左右。陆斌等[28]用两级气浮及生物氧化工艺处理高浓度乳化液含油废水,CODcr和油总去除率分别为99.5%和99.9%,各项指标均达到排放标准。

4.2 处理造纸废水、回收纸浆纤维及填料 宁平等[29]对预处理过的造纸废水中BOD5、CODcr、SS和TP经涡凹气浮和混凝沉降后的去除率达90%~99.5%,出水水质达到造纸废水排放一级标准(GB3544292)。吴颖娟等[30]采用旁滤2气浮法处理造纸废水,实现封闭循环,解决了废水循环过程中产生腐浆、水垢和黏菌等一系列问题。丁一刚[22]等用填料气浮柱处理造纸废水的纸机白水,CODcr、BOD5、SS的去除率达84.3%、79.4%、98%,出水色度低且清亮透明,可作工艺回水用。

4.3 处理电镀废水和含重金属离子废水 朱龙[31]等采用吸附胶体浮选法处理电解钴废水可达标排放,残余钴的浓度小于3mg󰃗L。 葛勇德等[32]用载体浮选法处理重金属离子废水,取得了良好的效果。陶有胜等[33]用气浮柱对Ni2+、Cu2+ 进行单一沉淀浮选和混合沉淀浮选,Ni和Cu的回收率均在90%以上,在多金属离子的混合沉淀浮选过程中,金属间具有活化作用和载体浮选作用。

4.4 处理印染废水和洗毛废水 朱建华等[34]利用吸附气浮法有效地脱除了阳离子染料、直接染料和酸性染料,脱色率高,适应性广。阿力木 江等[35]用混凝气浮2生物氧化工艺处理毛巾染料废水,CODcr、BOD5、SS和色度去除率达80%以上。武道吉[36] 用逆流气浮2过滤处理染料助剂厂废水,COD和色度去除率为90%左右。李跃[37]用生物2气浮2过虑法处理硫化物含 量高的有机印染废水,废水中的CODcr、BOD5、S2-和色度等各项指标均达标排放,去除率在90%以上,净化后的 水可回用。徐浩昌等[38]用双级气浮法处理洗毛废水,排放水的指标达到GB8978288三级标准,接近二级标准。

4.5 处理制革废水、城市生活污水和富营养化前驱物

罗浩[39]用气浮2生物法处理制革综合污水,CODcr、BOD5、TSS、FOG、 硫化物以及总铬的去除率均在95%以上,可达回用标准。Gehr等[40]用气浮法处理富营养化前驱物如藻类等效果良好。GuoHuachen等[41] 用电絮凝和电气浮处理宾馆废水,油脂、COD、SS的去除率分别高达99%、 88%、98% 。

5 结 语

气浮法处理废水效果好,所需药剂量少,并可回收有用物质。气浮涉及气、液、 固三相体系运动的物理化学过程,应充分应用表面胶体化学和使用现代先进实验仪器分析研究气浮过程的热力学、动力学以及相关机理。对气浮理论、机理和数学模型还应进行深入研究。应用方面,针对不同的气浮剂、气浮絮凝工艺参数、气泡絮体共凝聚进行给水、废水和城市生活污水以及污泥的处理,是气浮进一步研究的方向。 高效气浮环保设备是气浮技术研究的重要方面。处理废水的气浮法要求产生微细气泡, 因此研制产生稳定的超微细气泡的高效溶气释放器、适合于细粒浮选的气浮机、气浮柱是气浮设备的研究趋势。

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