浅层气浮及其在水处理中的应用

Posted 2023-01-12 传统

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比较了传统气浮和浅层气浮的优、缺点，结合吉林某化纤集团的污水处理工程，研究了浅层气浮对腈纶废水的处理效果。结果表明，腈纶废水预处理中，浅层气浮机对CODCr的平均去除率达到11.3%以上，而传统矩形池气浮机仅为5.6%左右，不到浅层气浮机的一半，说明浅层气浮处理腈纶废水性能优越。
气浮工艺因其具有高效、低投资运行费用、易操作、规模大小皆宜等优点，被广泛应用于废水处理工程中，特别是工业废水的处理中。浅层气浮技术在传统气浮理论的基础上，采用了“零速度"和“浅池理论"技术原理，与传统气浮相比，其技术优势更为明显。在国内水处理领域，尤其是石油、化工、纺织、食品、酿造等工业废水处理中，浅层气浮技术的应用越来越广泛。本文比较了传统气浮和浅层气浮的优、缺点，并结合吉林某化纤集团的废水处理工程，考察了浅层气浮的性能优势。
1.浅层气浮技术特征及应用优势
1.1浅层气浮技术原理
气浮过程主要依赖微气泡对絮粒的接触、捕捉与分离，因此气浮池内接触区、沉淀区的设计对处理效果影响很大。浅层气浮技术的“零速度"原理实现了设备运动、水体静止的过程。气浮池呈圆形，没有独立的接触区与沉淀区。废水与溶气水通过管道混合后进入池中心的进水管，再经旋转布水管从布水孔流出，均匀地分布于池中，进行分离沉淀；出水通过与布水管一起旋转的集水管收集(集水管高度位于池中水深约1/2处)，汇入池中心的排水管排出；浮渣通过与布水管和集水管一起旋转的滚筒式撇渣器撇除，汇入池中心的排渣管排出。布水管沿管长分布有不同密度的布水孔，布水孔方向与布水管旋转方向相反，不同的密度分布可使进水均匀地布于池中，布水小孔的出流速率与布水管旋转速率应尽量相同，这样可使池水一直保持相对静止状态，有利于微气泡对絮体的捕捉，使带气的絮粒以最快的速率上浮，达到固液分离的目的。
1.2浅层气浮技术应用优势
与传统气浮相比，浅层气浮具有明显的技术及性能优势，主要体现在以下方面：
(1)浅层气浮最主要的特点是在进水、集水和撇渣过程中，尽可能地克服了运动水体引起的湍流和扰动，使池水保持“静止"状态，为渣水分离创造了最好的条件，有利于微气泡和絮粒粘附，使得水中的颗粒以近似静态上浮或沉降，净化程度高。
传统气浮中，由于结构原因，圆形气浮池使用得较少，绝大多数采用的是矩形气浮池，动态的水流依次通过反应区、接触区、分离区(沉淀区)和集水管出口。分离区是一种平流式沉淀，不仅易发生短流、偏流现象，而且避免不了由温差与密度差引起的异重流，这些都会影响沉淀效果；同时，集水管从池中集水时，会产生无法克服的水力扰动，扩大了短流、偏流现象的程度。
(2)浅层气浮可对水中一次浮选过程中未上浮至水面而又沉淀不下、或因浮渣层在被撇除过程中因为扰动又重新落入水中的絮体进行多次浮选，从而尽可能减少出水中含有的细碎絮体，提高处理效果。这一点是传统矩形气浮池做不到的。
(3)传统矩形气浮池中，通常采用链条刮板刮渣。刮板移动太快，对沉淀区的扰动太大；移动太慢，会使浮渣层太厚，在被刮板推移的过程中，下部浮渣易发生破碎现象，破碎的浮渣又会变为絮体回到水中。浅层气浮采用连续旋转除渣系统，使上层积聚的浮渣被瞬时清除排出，对水体扰动非常小，避免了浮出物重新下沉，降低了气浮池负荷，保证了出渣的含固率。所以严格来说，浅层气浮采用的是“撇"渣，传统气浮采用的是“刮"渣。
(4)气浮沉淀过程中，由于浮渣上升得很快，渣水分离也无需很大的水深空间，故浅层气浮池的深度只有0.6m左右，HRT约为3～5min，而传统气浮池为了减轻水流扰动对沉淀的影响，有效水深一般为2.0～2.5m，HRT约为10～20min。所以浅层气浮不仅水深小，而且体积也小很多。另外，传统气浮池中气泡无法均衡充斥到整个分离区，气浮池后段会产生“气浮死区"；而浅层气浮池采用圆形设计，旋转布、集水，使池内不留死区，保证了浮选的高效和稳定[6-7]。
(5)传统气浮工艺自身调节能力差，浅层气浮可灵活调节。如集水管高度可根据实际运行水深进行调节；螺旋泥斗的自转周期及个数的选择与泥斗公转的周期和浮渣的薄厚有严格的匹配关系；还可根据水量的变化来调节回流水量和药剂量。
(6)由于浅层气浮池池体轻巧，安装时易于架起，可合理利用池体下部空间进行各管线的布设以及其它所需设备的安置。
浅层气浮设备技术要求较高，首先是布水装置需要较高的技术要求，由于气浮池的结构设计为圆形，布水器在旋转过程中，每个环形布水区域的水流速度都不同，需调整各个布水管的布水流量，才能确保布水均匀、稳定。其次，旋转除渣器泥斗边缘与水面之间角度的匹配程度是个技术难点。当泥斗边缘旋转至最低处时，需与水面保持平行。同时，控制泥斗的转速也很重要，若转速过快，会加大对水体的扰动、增加浮渣的含水率；若转速过慢，部分浮渣会重新沉降。因此，要根据浮渣上浮的速率调整除渣器的旋转速率，也要根据池内液位高度调整泥斗高度，这样才能使除渣系统能够良好地运行。同时，在设备运行期间，要定期检查气浮设备的进水和排水系统，实现进、出水平衡；根据出水水质的变化，及时调整加药量、进水量、溶气水量，确保出水水质。
2.浅层气浮机实际应用效果比较
腈纶废水具有污染物浓度高、毒性高、氮碳质量比高和m(BOD5)/m(CODCr)值低的“三高一低"特点，很难生物降解。吉林某化纤厂的腈纶废水，调节池出水CODCr的平均质量浓度约为700mg/L，m(BOD5)/m(CODCr)值较高，约为0.45，但生化处理出水CODCr的质量浓度高达243mg/L，BOD5的质量浓度仅为10mg/L，导致这种现象的主要原因是原水中含有很细的聚合物粉末。这种聚合物粉末本身不带电荷，很难絮凝，且难以被微生物降解，裹挟到活性污泥中还会影响生物活性。为此，在生化处理前设置气浮设备进行预处理。
2008年该污水厂技改时，增设了4台100m3/h的传统老式矩形池加压溶气气浮机，2011年扩建时又增设2台浅层气浮机并联运行。新、老气浮机的主要设计参数对比见表1。

由表1可见，处理水量为300m3/h的浅层气浮和100m3/h的传统气浮相比，前者的气浮池总体积约为后者的2/3，总HRT约为后者的1/5，表面水力负荷是后者的3倍，混凝剂消耗量约比后者节约1/3，主机功率不到后者的1/3。说明浅层气浮有着传统气浮无法比拟的性能优势。调试得出，气浮处理腈纶废水的最佳混凝剂配方及投加量是：聚合硫酸铁(PFS)为300～350mg/L，阳离子PAM为7～10mg/L。2012年2月15～23日的设备调试期间，新、老气浮机处理效果的对比情况见图1、图2。

从图1可以看出，当进水CODCr浓度变化时，对应的气浮出水浓度也随之变化，但新气浮机的处理效果明显好于老气浮机，从图2的平均值比较可以看出，新气浮机对CODCr的平均去除率达到11.3%以上，而老气浮机仅为5.6%左右，不到新气浮机的一半，这充分说明了浅层气浮的优越性。预处理单元有效地去除了聚合物粉末，对后续生化处理效果的改善起到了重要作用。
3.结论
浅层气浮设备以其特有的“静止沉淀"及“多次浮选技术"提高了反应器的处理效率；以“撇"渣替代传统气浮的“刮"渣，结合“静止"沉淀技术大大降低了沉淀区的水深；溶气水通过旋转布水孔布于沉淀池各处，消除了传统矩形气浮池后段产生“气浮死区"问题，提高了处理效率，缩小了沉淀区体积。
结合吉林某化纤集团污水厂工程应用实例，浅层气浮机对CODCr的平均去除率达到11.3%以上，而对应的传统矩形池气浮机仅为5.6%左右，不到浅层气浮机的一半，这充分说明了浅层气浮性能优越，具有广阔的应用前景。