氣浮中氣泡粒徑分布的實驗研究畢業(yè)論文

1、密 級公開學 號070381 畢 業(yè) 設 計（論 文） 氣浮中氣泡粒徑分布的實驗研究 北京石油化工學院學位論文電子版授權使用協(xié)議 論文滾動軸承的故障診斷與剩余壽命預算系本人在北京石油化工學院學習期間創(chuàng)作完成的作品，并已通過論文答辯。 本人系作品的唯一作者，即著作權人?，F(xiàn)本人同意將本作品收錄于“北京石油化工學院學位論文全文數(shù)據(jù)庫”。本人承諾：已提交的學位論文電子版與印刷版論文的內容一致，如因不同而引起學術聲譽上的損失由本人自負。 本人完全同意本作品在校園網上提供論文目錄檢索、文摘瀏覽以及全文部分瀏覽服務。公開級學位論文全文電子版允許讀者在校園網上瀏覽并下載全文。 注：本協(xié)議書對于“非公開學位論文

2、”在保密期限過后同樣適用。 院系名稱： 機械工程學院 作者簽名： 學 號： 070381 2011 年 6 畢業(yè)設計（論文）原創(chuàng)性聲明和使用授權說明原創(chuàng)性聲明本人鄭重承諾：所呈交的畢業(yè)設計（論文），是我個人在指導教師的指導下進行的研究工作及取得的成果。盡我所知，除文中特別加以標注和致謝的地方外，不包含其他人或組織已經發(fā)表或公布過的研究成果，也不包含我為獲得 及其它教育機構的學位或學歷而使用過的材料。對本研究提供過幫助和做出過貢獻的個人或集體，均已在文中作了明確的說明并表示了謝意。作 者 簽 名： 日 期： 指導教師簽名： 日期： 使用授權說明本人完全了解 大學關于收集、保存、使用畢業(yè)設計（論文

3、）的規(guī)定，即：按照學校要求提交畢業(yè)設計（論文）的印刷本和電子版本；學校有權保存畢業(yè)設計（論文）的印刷本和電子版，并提供目錄檢索與閱覽服務；學?？梢圆捎糜坝?、縮印、數(shù)字化或其它復制手段保存論文；在不以贏利為目的前提下，學?？梢怨颊撐牡牟糠只蛉績热荨Ｗ髡吆灻?日 期： 學位論文原創(chuàng)性聲明本人鄭重聲明：所呈交的論文是本人在導師的指導下獨立進行研究所取得的研究成果。除了文中特別加以標注引用的內容外，本論文不包含任何其他個人或集體已經發(fā)表或撰寫的成果作品。對本文的研究做出重要貢獻的個人和集體，均已在文中以明確方式標明。本人完全意識到本聲明的法律后果由本人承擔。作者簽名： 日期： 年 月 日學位論文

4、版權使用授權書本學位論文作者完全了解學校有關保留、使用學位論文的規(guī)定，同意學校保留并向國家有關部門或機構送交論文的復印件和電子版，允許論文被查閱和借閱。本人授權 大學可以將本學位論文的全部或部分內容編入有關數(shù)據(jù)庫進行檢索，可以采用影印、縮印或掃描等復制手段保存和匯編本學位論文。涉密論文按學校規(guī)定處理。作者簽名：日期： 年 月 日導師簽名： 日期： 年 月 日北 京 石 油 化 工 學 院畢 業(yè) 設 計 （論 文） 任 務 書學院（系、部） 機械工程學院 專業(yè) 環(huán)境工程 班級 環(huán)071 學生姓名 指導教師/職稱 孔惠/講師 1.畢業(yè)設計（論文）題目 HYPERLINK 71/bysj/Repor

5、t/ViewReport.aspx?No=1770 o 氣浮中氣泡粒徑分布的實驗研究 氣浮中氣泡粒徑分布的實驗研究2.任務起止日期：2011 年 2 月 21 日 至 3.畢業(yè)設計（論文）的主要內容與要求（含課題簡介、任務與要求、預期培養(yǎng)目標、原始數(shù)據(jù)及應提交的成果）(1)課題簡介氣浮法技術是國內外正在深入研究與不斷推廣的一種水處理新技術，目前已廣泛應用于工業(yè)廢水、城市污水和生活飲用水。盡管氣浮工藝已應用于污水處理多年, 但是對氣泡特性的研究直到近年來才引起研究者的注意。進一步研究氣浮中氣泡粒徑分布的相關影響因素，再根據(jù)調節(jié)影響氣浮工作的因素數(shù)值以實現(xiàn)氣浮的最佳運行效果，對使氣浮凈化技術達到最

6、佳效果具有重要意義。(2)任務與要求本研究要求對氣浮過程中氣泡的粒徑分布進行研究。建立以多項流泵德國Edur泵為微氣泡發(fā)生裝置的小型實驗裝置；利用Mastersizer 2000 激光粒度儀，確定采用激光衍射法測量粒徑分布的方法；對氣浮過程中影響氣泡粒徑分布的因素如壓力、真空度、礦化度、表面張力(PAC)、含油率等參數(shù)進行實驗研究，綜合分析各種參數(shù)對氣泡粒徑大小及分布的影響，并結合理論分析對實驗現(xiàn)象進行初步解釋。本題目難易適中，工作量適中。能夠在一定程度上培養(yǎng)學生獨立思考問題、解決問題的能力。(3)應提交的成果 = 1 * GB3 檢索資料：中文文獻不少于15篇，英文文獻不少于3篇； = 2

7、* GB3 英文翻譯：英文字符不少于2萬，譯文字數(shù)不少于 5000 字； = 3 * GB3 研究論文：包括試驗方案設計、相關試驗數(shù)據(jù)、試驗現(xiàn)象及數(shù)據(jù)分析。4.主要參考文獻(1)范欣,何利民,王鑫,等. 多相流泵溶氣氣浮中氣泡粒徑分布的實驗研究J. HYPERLINK /kns50/Navi/Bridge.aspx?DBCode=cjfd&LinkType=BaseLink&Field=BaseID&TableName=CJFDBASEINFO&NaviLink=%e5%9b%bd%e5%a4%96%e9%87%91%e5%b1%9e%e7%9f%bf%e9%80%89%e7%9f%bf&Va

8、lue=JSXK t _blank 工程熱物理學報. HYPERLINK /kns50/Navi/Bridge.aspx?DBCode=cjfd&LinkType=IssueLink&Field=BaseID*year*issue&TableName=CJFDYEARINFO&Value=JSXK*2008*01&NaviLink=%e5%9b%bd%e5%a4%96%e9%87%91%e5%b1%9e%e7%9f%bf%e9%80%89%e7%9f%bf t _blank 2010,31(7) :1159-1162(2) 陳福泰,左華,李久義,等.新型氣浮裝置ES-DAF中氣泡粒徑分布的表征

9、J.環(huán)境科學, 2004, 25(1): 111-113(3) 張東鋒,多相流泵溶氣氣浮處理含油污水的實驗研究D:碩士學位論文.北京. 中國石油大學,2009(4) Hudson J.B. Couto, Daniel G. Nunes, Reiner Neumann. Micro-bubble size distribution measurements by laser diffraction techniqueJ.Minerals Engineering, 2009, (22): 330-3355.進度計劃及指導安排第1周 接受任務書，熟悉題目，查閱文獻。第2周 補充文獻查閱，撰寫文獻綜述

10、初稿。第3周 完成文獻綜述及開題報告。制作PPT，完成英文翻譯。第4周 制定實驗方案，熟悉實驗儀器，購置實驗耗材。第5周 畫CAD設計與定制實驗裝置。第6周 定制實驗裝置進行調試運行。第7-8周 不同溶氣壓力對氣泡粒徑的影響實驗。第9周 不同真空度對氣泡粒徑的影響實驗。第10周 礦化度對氣泡粒徑的影響實驗。第11周 表面張力(PAC)對氣泡粒徑的影響實驗。第12周 含油率對氣泡粒徑的影響實驗。第13周 對實驗數(shù)據(jù)進行整理，補充實驗，并進行分形維數(shù)分析。第14周 整理資料，撰寫修改論文，提交論文、原始數(shù)據(jù)等全部資料。第15周 按照指導教師及評閱教師要求修改論文，制作PPT，準備答辯。第16周 答

11、辯并完成答辯后的修改工作，提交全套資料。任務書審定日期 年 月 日 系（教研室）主任（簽字） 任務書批準日期 年 月 日 教學院（系、部）院長（簽字） 任務書下達日期 年 月 日 指導教師（簽字） 計劃完成任務日期 年 月 日 學生（簽字） 氣浮中氣泡粒徑分布的實驗研究PAGE 2 PAGE VIII摘 要氣浮凈水技術是國內外正在深入研究推廣的一種固液分離技術，廣泛應用于煉油、造紙、印染、制革、食品、機械等行業(yè)的工業(yè)廢水處理及生活污水處理。本文在系統(tǒng)總結氣浮技術的發(fā)展和研究現(xiàn)狀的基礎上，根據(jù)加壓溶氣氣浮裝置結構簡單、操作方便，產生的氣泡直徑小、分布均勻的優(yōu)點，以氣浮分離理論為指導，設計構建了一

12、套多相流溶氣泵加壓溶氣氣浮實驗裝置，并對影響氣浮處理效果的因素進行了實驗研究。在清水狀況下，通過對真空度（進氣量）和壓力的調節(jié)獲得氣浮效果最佳參數(shù)范圍。一定的真空度下，壓力越大，氣泡粒徑越小。加入礦化鹽、PAC、煤油對氣泡粒徑有減小作用，但達到一定濃度后影響不再顯著，而起泡劑對氣泡粒徑并無明顯影響。本實驗裝置產生的氣泡粒徑范圍在3070um，當真空度0.02MPa,出口壓力0.40.5MPa時清水氣泡粒徑可達到40um左右，而加入PAC、煤油的氣泡粒徑可達到25 um左右。此外利用分形維數(shù)來表征氣泡密度的相對量大小，實驗表明在確定較小粒徑的情況下，混合物的分形維數(shù)大于清水。馬爾文激光粒度儀測量

13、方法簡便易行，數(shù)據(jù)可靠性強，獲得的粒徑分布參數(shù)范圍較為理想。總之，本次的工作為氣浮技術的更廣更好應用提供了一定的基礎理論指導。關鍵詞：氣浮，氣泡粒徑分布，激光粒度儀，氣液多相泵，分形維數(shù)AbstractAir flotation technique of water purification, as a kind of solid-liquid separation technique, has just been in thorough research and expansion at home and abroad. It is extensively used for waste se

14、wage treating and domestic sewage treating in oil refining, paper making, printing and dyeing, foodstuff and machinery, etc. In the thesis, a systematic summary of the development of flotation technology and the research status quo is presented. In view of the advantages of pressurized dissolved air

15、 flotation such as simple structure, easy operation, small bubbles and even distribution of the bubbles, a set of pressurized dissolved air flotation apparatus is constructed with a multiphase pump as its air-dissolving device. And the main factors which influence the effect of air flotation are stu

16、died in-depth.In the pure water, regulating through the vacuum (gas flow) and pressure can obtain the best parameters range of flotation. At a certain vacuum, the higher the pressure, the smaller the micro-bubble size is. The adding of salinity, PAC and kerosene can reduce the particle size of the m

17、icro-bubble, but after a certain concentration it has no obvious effect as before, however, foaming agents have no significant effect on the micro-bubble size. The micro-bubbles size generated by the experimental device is in the range of 30um 70um, when at vacuum 0.02MPa, outlet pressure 0.4 0.5MPa

18、, micro-bubble size distribution can be achieved at an optimum state of 40um, while adding of PAC and kerosene it even reach to 25 um. In addition, fractal dimension can be used to characterize the size of bubbles relative density . The experiment shows that when the condition is determined by the r

19、equirement of smaller particle size, the mixture of the fractal dimension is larger than pure water.Malvern laser particle size analyzer has an advantage of its simple operation and reliable data when measuring micro-bubble size distribution to achieve ideal size parameter range. Above all, all the

20、work involved in the paper provides certain fundamental theoretical instruction for local development of air flotation technique.Key words: air flotation, micro-bubble size distribution, multiphase pump, laser particle size analyzer，fractal dimension氣浮中氣泡粒徑分布的實驗研究PAGE V目 錄 TOC o 1-3 u 第一章 前 言 PAGERE

21、F _Toc295894938 h 11.1 選題背景 PAGEREF _Toc295894939 h 11.2 氣浮凈水技術的發(fā)展 PAGEREF _Toc295894940 h 11.2.1 氣浮凈水技術的發(fā)展歷程 PAGEREF _Toc295894941 h 21.2.2 氣浮凈水技術簡介 PAGEREF _Toc295894942 h 31.2.3 新型氣浮設備簡介 PAGEREF _Toc295894943 h 61.3 氣浮理論體系 PAGEREF _Toc295894944 h 71.3.1 熱力學理論 PAGEREF _Toc295894945 h 71.3.2 動力學理論

22、PAGEREF _Toc295894946 h 71.3.3 流體力學理論 PAGEREF _Toc295894947 h 91.3.4 氣浮發(fā)生的過程 PAGEREF _Toc295894948 h 101.4 本文研究的主要內容 PAGEREF _Toc295894949 h 14第二章 實驗裝置及測試方法 PAGEREF _Toc295894950 h 162.1 實驗裝置 PAGEREF _Toc295894951 h 162.1.1 氣浮系統(tǒng)的選定 PAGEREF _Toc295894952 h 162.1.2 關鍵設備型號的確定 PAGEREF _Toc295894953 h 19

23、2.2 氣泡粒徑的測量 PAGEREF _Toc295894954 h 202.2.1 測量方法 PAGEREF _Toc295894955 h 202.2.2 馬爾文激光粒度儀簡介 PAGEREF _Toc295894956 h 212.2.3 斯托克斯法求氣泡粒徑 PAGEREF _Toc295894957 h 272.3 氣泡濃度的測量 PAGEREF _Toc295894958 h 272.3.1 數(shù)學方法計算氣泡分形維數(shù) PAGEREF _Toc295894959 h 272.3.2 軟件分析計算氣泡分形維數(shù) PAGEREF _Toc295894960 h 29第三章 氣泡粒徑分布的

24、清水實驗研究 PAGEREF _Toc295894961 h 303.1 實驗操作流程 PAGEREF _Toc295894962 h 303.2 壓力對氣泡粒度的影響 PAGEREF _Toc295894963 h 323.3 真空度對氣泡粒度的影響 PAGEREF _Toc295894964 h 383.4 斯托克斯公式法求氣泡粒徑 PAGEREF _Toc295894965 h 423.4.1 氣浮柱觀察求氣泡粒徑 PAGEREF _Toc295894966 h 423.4.2 量筒觀察求氣泡粒徑 PAGEREF _Toc295894967 h 463.5 顯微攝像法測氣泡粒徑 PAGE

25、REF _Toc295894968 h 483.6 分形維數(shù)的比較 PAGEREF _Toc295894969 h 493.7 小結 PAGEREF _Toc295894970 h 51第四章 不同物質對氣泡粒徑分布影響的實驗研究 PAGEREF _Toc295894971 h 524.1 礦化度對氣泡粒徑的影響 PAGEREF _Toc295894972 h 524.1.1 礦化度簡介 PAGEREF _Toc295894973 h 524.1.2 實驗操作流程 PAGEREF _Toc295894974 h 534.1.3 實驗數(shù)據(jù) PAGEREF _Toc295894975 h 534.

26、1.4 數(shù)據(jù)分析 PAGEREF _Toc295894976 h 564.2 PAC 濃度對氣泡粒徑的影響 PAGEREF _Toc295894977 h 564.2.1 PAC簡介 PAGEREF _Toc295894978 h 564.2.2 實驗操作流程 PAGEREF _Toc295894979 h 584.2.3 實驗數(shù)據(jù) PAGEREF _Toc295894980 h 584.2.4 數(shù)據(jù)分析 PAGEREF _Toc295894981 h 614.3 起泡劑對氣泡粒徑的影響 PAGEREF _Toc295894982 h 614.3.1 起泡劑簡介 PAGEREF _Toc295

27、894983 h 614.3.2 實驗操作流程 PAGEREF _Toc295894984 h 614.3.3 實驗數(shù)據(jù) PAGEREF _Toc295894985 h 624.3.4 數(shù)據(jù)分析 PAGEREF _Toc295894986 h 654.4 含油率對氣泡粒徑的影響 PAGEREF _Toc295894987 h 654.4.1 煤油簡介 PAGEREF _Toc295894988 h 654.4.2 實驗操作流程 PAGEREF _Toc295894989 h 654.4.3 實驗數(shù)據(jù) PAGEREF _Toc295894990 h 664.4.4 數(shù)據(jù)分析 PAGEREF _T

28、oc295894991 h 684.5 小結 PAGEREF _Toc295894992 h 68第五章 結論與展望 PAGEREF _Toc295894971 h 525.1 結論 PAGEREF _Toc295894994 h 725.2 對進一步研究的展望 PAGEREF _Toc295894995 h 72參 考 文 獻 PAGEREF _Toc295894996 h 74致 謝 PAGEREF _Toc295894997 h 76附錄177附錄285聲 明 PAGEREF _Toc295894999 h 87 - PAGE 78 -第一章 前 言1.1 選題背景近年來，全球的環(huán)境污染

29、不斷惡化，其中水源的不斷污染越來越成為一個國家發(fā)展刻不容緩的問題。環(huán)保部2010年4月21發(fā)布的最新數(shù)據(jù)：2008年我國廢水排放總量為571.7億噸，比上年增加了2.7。污水排放量很大，但污水處理率低：工業(yè)廢水處理率約80 ，達標排放的只有60。90以上的城市水域受到污染，50左右地下水水質受到污染，50以上的重點城鎮(zhèn)的飲用水源不符合標準1。2011年5月13日，國家海洋局在京召開新聞發(fā)布會，發(fā)布2010年中國海洋環(huán)境狀況公報2。該報告指出：相比2009年海洋赤潮、綠潮災害有所減輕，但是海上溢油事故風險加劇。2010年7月16日20 世紀80 年代初，國內第一套由同濟大學設計的日處理l000t

30、 規(guī)模的氣浮裝置，用來處理印染廢水獲得了成功，標志我國氣浮設備的研制與開發(fā)邁上了一個新的臺階。氣浮技術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、對水質適應廣等優(yōu)點，正在得到深入研究和不斷推廣。在凈水工藝中的應用，氣浮技術的進展一直不大，原因在于氣泡的尺寸很難控制，后來國外出現(xiàn)了專用釋放器，有各種形式的噴嘴、針形閥等，在國內也得到了應用。70年代以后，人們改善了溶氣方法，解決了溶氣釋放中產生的氣泡尺寸及其數(shù)量這個關鍵性難題，氣浮凈水技術才得以采用和逐步推廣。1905

31、年，美國專利刊出了加壓溶氣技術。1907年，H.Norris發(fā)明了噴射溶氣氣浮技術。因此，氣浮技術的發(fā)展，尤其是針對其中的氣泡尺寸及其數(shù)量問題的研究，將大大改善水質的處理效果，符合現(xiàn)代人對水質的追求，也將給我們的生活質量帶來巨大的影響。1.2 氣浮凈水技術的發(fā)展1.2.1 氣浮凈水技術的發(fā)展歷程氣浮法是一種歷史悠久的固液分離技術，氣浮凈水技術在國內外應用廣泛。其原理是通過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，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，通過收集泡沫或浮渣達到分離雜質、凈化廢水的目的

32、。氣浮技術最早應用于礦冶工業(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圍而向上浮起，不能粘附在氣泡上的雜質則下沉，從而達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，而且這種分離技術具有設備簡單，分離速度快等特點。因而近年來這種技術理論和應用的研究引起了越來越多的水處理和分析化學等科學工作者的廣泛關注。在水處理領域中，早在1920 年，C.L.PECK 就考慮用氣浮法處理污水，1930年瑞典某造紙廠曾試用一種將空氣在壓力下溶解于白水的水處理中，但上述實驗結果均未公開發(fā)表和引起足

33、夠重視。直到1943 年漢森和高雷斯的英文排水雜志上才公開發(fā)表了有關氣浮法處理污水的文章。在60 年代，美國出現(xiàn)溶氣氣浮處理污水的報道，1960 年，第一臺葉輪氣浮凈化器出現(xiàn)在美國長灘油田。上世紀60 年代以前，氣浮技術發(fā)展較慢，很少見其研究和應用的報道，究其原因主要是制造微氣泡的技術沒過關，特別是采用分散空氣氣浮時，產生的氣泡不夠微細，顆粒的粘附能力很差，大氣泡還會產生嚴重紊流而撞碎絮體。我國是最早研究氣浮技術的國家之一。隨著工業(yè)的發(fā)展，特別是石油工業(yè)的發(fā)展，氣浮凈水技術被世界各國廣泛用于煉油、石油開發(fā)、化工、造紙等行業(yè)。1963 年哈爾濱建工學院在對齊齊哈爾鋼廠煤氣發(fā)生站含酚廢水進行預處理

34、除油研究中用過射流浮選，試驗除油效率為80%左右。大慶油田設計院在19631965 年期間，曾在東油庫污水站用自制的葉輪浮選機進行過氣浮試驗，除油效率達到99 .7%，但當時考慮到無定型的葉輪浮選機產品，且混凝除油也有較好的效果，因此從60 年代到80 年代中期，油田開發(fā)業(yè)一直沒用氣浮法處理含油廢水。我國在60 年代末已有壓力溶氣裝置應用于食鹽溶液的凈化和石油廢水的處理。70 年代氣浮技術迅速發(fā)展，當采用部分回流溶氣氣浮法時氣法時，顯著改善了氣浮的地位。在水處理技術中，氣浮法(也稱浮上法)固-液或液-液分離技術已廣泛地應用在下述幾個方面：1. 在飲用水處理上，浮上法已成功地應用在處理低濁度、含

35、藻類及一些浮游生物的水處理工藝中。2. 用于石油、化工及機械制造業(yè)中的含油(包括乳化油)污水的油水分離中。3. 用于有機及市政污水的物化處理工藝中。4. 用于廢水中有用物質的回收，如造紙廠紙漿纖維及填料的回收工藝。5. 與有機廢水生物處理相配合用浮上法代替二次沉淀池，特別對于那些易于產生污泥膨脹的生物處理工藝中，可保證處理工作的正常運行。6. 已研究應用在對污水處理廠剩余污泥進行氣浮濃縮的處理工藝3。1.2.2 氣浮凈水技術簡介氣浮法主要用來處理廢水中靠自然沉降或上浮難以去除的乳化油或相對密度接近于水的微小懸浮顆粒。根據(jù)氣泡產生方式的不同，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

36、分回流水加壓溶氣氣浮法是一種國內外常用的氣浮方法。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510V的直流電壓，廢水在直流電壓的作用下電解產生H2、O2和CO2等的微小氣泡。利用電解法產生的氣泡密度小，直徑1060 um，浮升過程中不會引起水流紊動，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極，則電解溶蝕產生的Fe2+和A13+離子經過水解、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。電解氣浮除用于固液分

37、離外，還有降低有機物、氧化、和殺菌作用，對廢水符合變化適應性強，生成污泥量小，占地面積少，不產生噪聲。(2) 機械攪拌氣浮機械攪拌氣浮是利用機械剪切力，將混合于水中的空氣粉碎成細小的氣泡，以進行氣浮處理的方法。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、擴散板曝氣氣浮以及葉輪氣浮等。葉輪氣浮法是機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形成的負壓，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污染物質上浮至水面，以凈化污水。葉輪高速旋轉時，在固定的蓋板下形成負壓，氣體從進氣管中吸入，進入水中的氣體與循環(huán)水流一起被葉輪充分攪拌，在葉輪剪切力作用

38、下，氣體被剪碎為微細的氣泡并與循環(huán)水流一起甩出導向葉輪，經過穩(wěn)流板消能，氣泡攜帶污染物質垂直上升，進行氣浮處理。葉輪氣浮法的氣浮效果取決于葉輪的轉速、浮選劑的投加量和污水在浮選池內的停留時間。葉輪的轉速愈高，產生的負壓越高，吸入的氣量大，并且能夠將其剪切成更小的氣泡而有利于氣浮處理。但轉速過高時，提高了油珠和懸浮物的乳化程度，使其以更細小的顆粒存在于水體中，這樣反而會使處理效果下降。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間，直接

39、影響著氣泡與絮體及氣泡之間的碰撞接觸時間，在氣浮處理中，存在著三種不同的碰撞和粘附作用：氣泡與絮體之間；氣泡與氣泡之間；攜帶氣泡的絮體之間。后兩種粘附作用會降低水體中的氣泡密度，破壞已上升的絮團結構，而不利于氣浮處理。如果停留時間太短，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；停留時間過長時，氣泡之間與攜帶絮體的氣泡之間的兼并量增大，也會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，這時空氣便以微小的氣泡從水中析出并進行氣浮。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間，因

40、而處理效果遠比散氣氣浮好，應用也更為廣泛。根據(jù)氣泡從水中析出時所處的壓力不同，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處理，其氣浮裝置一般應包含加壓溶氣系統(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生微氣泡的密度較高，才能提高氣浮的凈水效果。同濟大學于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4。根據(jù)加壓方式的不同，加壓溶氣氣浮法

41、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，空氣溶解于廢水中，然后通過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，最后經浮渣管排出池外。處理后的凈化水通過溢流堰和出水管排出。其特點為：溶氣量大，增加了油?；驊腋☆w粒與氣泡的接觸機會；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；由于全部廢水經過壓力泵，所以增加了含油廢水的乳化程度，而且所需的壓

42、力泵和溶氣罐均較其它兩種流程大，因此投資和運轉動力消耗較大。部分溶氣氣浮法是取部分廢水加壓和溶氣，其余廢水直接進入氣浮池并在氣浮池中與溶氣廢水混合。其特點為：較全流程溶氣氣浮所需的壓力泵小，故動力消耗低；壓力泵所造成的乳化油量較全流程溶氣氣浮低； 氣浮池的大小與全流程溶氣氣浮相同，但較部分回流溶氣氣浮小。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行加壓溶氣，溶氣水釋放后直接進入氣浮池，與氣浮池內的含油廢水混合，進行氣浮處理?；亓魉恳话銥閺U水的25%50%。目前該溶氣氣浮法應用比較廣泛，具有以下特點：空氣溶解度大，供氣浮用的氣泡數(shù)量多，能夠確保氣浮效果；溶入的氣體經驟然減壓釋放，產生的

43、氣泡不僅微細、粒度均勻、密集度大，而且上浮穩(wěn)定，對液體擾動小；工藝過程及設備比較簡單，便于管理和維護；處理效果顯著，出水水質穩(wěn)定；氣浮過程中不促進油滴的乳化。不加絮凝劑的情況下，溶氣氣浮法可以有效去除大于40 um的油滴，對于大量分散的細小油滴和親水性懸浮顆粒，其去除效果卻很差。向待處理污水中加入適量的絮凝劑可以使細小的顆粒聚結變大，同時改善懸浮顆粒的親水、親油性，從而提高氣浮處理效果。A.I.Zouboulis等5利用溶氣氣浮裝置處理油水乳狀液，以氯化鐵為絮凝劑，在最佳運行狀態(tài)下，乳化油滴的去除率大于95。Malik L.Hami等6在溶氣氣浮法處理煉油廠污水中加入活性炭粉末，取得了良好的處

44、理效果。1.2.3 新型氣浮設備簡介然而，隨著研究的不斷進展又相繼出現(xiàn)了新型高效氣浮設備如：渦凹氣浮(Cavitation-Air Flotation)、EDUR 型高效氣浮裝置(EDURs DAF System)、淺層氣浮設備等。(1) 渦凹氣浮(Cavitation-Air Flotation)其工作原理是未經處理的污水首先進入裝有專利渦凹曝氣機的小型充氣段。污水在上升的過程中通過充氣段，絮體和懸浮物與微氣泡充分混合接觸，由于氣固混合物和液體之間存在密度差，以至產生一個垂直向上的浮力，將固體懸浮物帶到水面。上浮過程中散氣泡附著到懸浮物上，到達水面后固體懸浮物便依靠這些氣泡支撐和維持在水面，

45、通過連續(xù)移動的鏈條刮渣機刮到污泥槽中去除。1997 年3 月美國麥王公司引進首臺CAF 渦凹氣浮系統(tǒng)，在中國昆明第二造紙廠廢水處理廠成功投入并運行成功，結束了中國廢水處理中一直沿用壓力溶氣氣浮(DAF)的歷史。(2) 淺層氣浮設備淺層氣浮出現(xiàn)是氣浮凈水技術的一個重大突破。它改靜態(tài)進水，動態(tài)出水為動態(tài)進水，靜態(tài)出水，利用“零速度”原理，使浮選體在相對靜止的環(huán)境中垂直浮至水面，上浮路徑減至最小，且不受出水流速影響。該技術的特點如下：溶氣水質量很高，其氣泡直徑一般在10m 左右，這就大大增加了微氣泡與懸浮物SS 的接觸面積和接觸點，有利于上浮作用。實踐證明：氣泡直徑越小越不易破裂，這就避免了上浮過程

46、中及上層浮出物因氣泡破裂造成懸浮物重新下沉的癖病。超效淺層氣浮的第一個關鍵技術是溶氣水的制造。其溶氣管構造獨特，是其專利技術，體積很小，但溶氣效果很好，這是其優(yōu)于其他氣浮形式的關鍵所在。池子很淺，一般水位控制在400600mm 左右，大大縮短了氣浮時間，一般35min 即可完成氣浮過程，因此氣浮效率比射流深池氣浮提高5 倍以上。布水均勻，且釋放出的水直接上升，基本無橫向流動，避免了橫流對上浮作用的影響?？拷氐撞坑羞B續(xù)運轉的沉淀物清除刮板，便于沉淀物及時清除，保證了池底干凈及有效氣浮水深。(3) EDUR 型高效氣浮裝置(EDURs DAF System)EDUR 型高效氣浮裝置吸收了CAF

47、切割氣泡和DAF 穩(wěn)定溶氣的優(yōu)點，如圖1-1所示，整套系統(tǒng)主要由溶氣系統(tǒng)、氣浮設備、刮渣機、控制系統(tǒng)和配套設備等組成。傳統(tǒng)部分回流 DAF 系統(tǒng)的用戶都會遇到溶氣水不穩(wěn)定，去除效果不穩(wěn)定的現(xiàn)象，這主要原因是回流水與空氣在溶氣管中形不成溶氣水，而從溶氣管視鏡中只看到浮選劑的泡沫。有時溶氣管壓力高達0.4MPa，而釋放出來的溶氣水不是大的氣泡，就是細小的水珠；有時看起來是乳白色的溶氣水，而其實是浮選劑的泡沫，根本達不到凈化目的。EDUR 型高效氣浮裝置不會因為回流水浮選劑太多而造成難以形成溶氣水的后果，同時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。1.3 氣浮理論體系隨著氣浮理論的不斷

48、豐富和發(fā)展，逐漸演變分化出三大理論體系：熱力學理論、動力學理論和流體力學理論，分別從不同的角度對氣浮過程，氣泡/顆粒的粘附機理進行了闡述。1.3.1 熱力學理論熱力學理論從接觸角和表面自由能的角度入手，研究絮體顆粒與微氣泡的粘附機理。該理論認為：壓力溶氣水減壓釋放后形成的微氣泡，其外層包裹著一層透明的彈性水膜，除排列疏松的外層（流動層）泡膜在上浮過程中受浮力和阻力的影響而流動外，其內層(附著層)泡膜與空氣一起構成穩(wěn)定的微氣泡而上浮；經過絮凝劑脫穩(wěn)形成的具有柔性網絡結構的絮粒，保留有一定的過剩自由能和憎水基團；二者之間的粘附結合過程是體系自由能降低的熱力學自發(fā)過程。1.3.2 動力學理論動力學理

49、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。氣泡和絮粒的粘附結合主要是以下幾種因素綜合作用的結果8：絮粒的網捕、包卷和架橋作用絮粒對氣泡的網捕是指兩絮粒相互接觸并結合變大時，將游離在中間的自由氣泡網捕進去，如圖1-1凹槽內，被游動的絮粒所包卷，如圖1-1B所示；架橋作用指己粘附有氣泡的絮粒之間相互接觸時，通過絮粒、氣泡或兩者的吸附架橋而結合變大，成為夾泡性帶氣絮粒，如圖1-1A網捕 B包卷 C架橋圖1-1 絮粒的網捕、包卷和架橋作用(2)氣泡絮粒碰撞粘附由于絮粒與微氣泡帶有一定的憎水性能，比表面積又很大，并且有剩余的自由界能。因此，它們具有相互吸附而降低各自表面自由能的傾向

50、。在一定的水力條件下，當具有足夠動能的微氣泡和絮粒相互靠近時，通過分子間的范德華引力而相互吸附，并且彼此擠開對方結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入內部。絮粒與氣泡的粘附點越多，粘附得越牢，如圖1-2所示。氣體與絮粒的碰撞機理包括布朗運動、截留作用和重力沉淀作用及慣性作用。圖1-2 氣泡與絮體的碰撞粘附作用(3)微氣泡與微絮粒間的聚并。微氣泡與絮粒碰撞粘附形成帶氣絮體，這種有微氣泡直接參與凝聚而與絮粒聚并長達的過程稱作共聚作用。氣泡與絮體的粘附方式包括三種：單氣泡粘附單絮體、氣泡粘附在絮體周圍及氣泡粘附在絮粒中間和周圍。理想的帶氣絮體應該將氣泡包

51、含在絮體內部，這種絮體在上浮過程中，氣泡不會脫落，并繼續(xù)聚并長大，成為浮渣后也不會輕易下沉，最能夠充分發(fā)揮氣泡與絮粒的共聚作用。(4)表面活性劑的參與作用。水中存在表面活性劑時，會影響微氣泡的大小和牢度。潔凈的氣泡本身具有自動降低表面自由能的傾向，即氣泡合并作用。因此，表面張力大的潔凈水中的氣泡常常不能達到氣浮操作所要求的極細的分散度。此外，如果水中表面活性物質很少，氣泡壁表面就會由于缺少兩親分子吸附層的包裹而變??；當氣泡浮升到水面以后，水分子很快蒸發(fā)，極易使氣泡破滅，這樣，在水面上就無法形成穩(wěn)定的氣泡泡沫層。為了防止這些現(xiàn)象的產生，當水中缺少表面活性物質時，需要向水中投加表面活性劑以減小液體

52、的表面張力。但是，表面活性劑也會影響絮體的憎水性能，進而影響氣浮凈水效果。當水中的表面活性劑劑量適中時，絮體的附加憎水基團增加，因此會提高凈水效果，但表面活性劑劑量過高時，過量的表面活性劑又會在水中形成大量的膠束，并穩(wěn)定存在于水中，導致氣浮效果變差。對粘附結合現(xiàn)象的理解可以借助動力學模型，主要有群體平衡理論模型和軌跡理論模型。該模型指出了氣浮運行效果主要受混凝預處理參數(shù)和氣浮設計參數(shù)的影響。Kitchener、Tambo等7從電位和水化層方面研究，探討其粘附條件，并且提出了相應的數(shù)學模型。單忠健等8從“分離壓”的基本概念出發(fā)，通過氣泡與絮粒間殘留水化層性能的測定和計算，探討了氣泡與絮粒粘附過程

53、的機理。羅固源9從界面自由能出發(fā)，通過水、氣、粒三相界面總自由能的變化計算，探討了氣泡與絮粒粘附時，絮粒與水的接觸角與粘附之間的關系，研究了氣泡與絮粒粘附過程的條件。1.3.3 流體力學理論流體力學理論從氣浮池的水力學特征入手，研究如何創(chuàng)造氣泡與絮體粘附、分離的水力條件。氣浮池的形狀因此也經歷了從狹長矩形淺池，逐步發(fā)展到圓形深池；氣浮池的表面負荷也從23m/h增大到2540m/h(甚至更高)；更為重要的是，氣浮池分離區(qū)的流態(tài)由原來的層流轉化為紊流。在這期間，浮濾池、浮沉池、紊流氣浮池等應運而生。近年來，J.Haarhoff10、N.S.J.Fawceet11、M.Lundh12等用計算流體力學

54、(CFD)對氣浮池內水流特征進行觀測和模擬，發(fā)現(xiàn)分離區(qū)上部存在分層流和三維流動，水力條件對凈水效果的重要性認識正逐漸深化。綜上所述，氣浮技術的三大理論體系中，動力學理論從粘附行為的微觀過程入手，研究絮粒成長過程，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，因此可以預見對這一領域的研究在未來的很長一段時間內都將是氣浮理論研究的重要內容。1.3.4 氣浮發(fā)生的過程在氣浮法處理含油污水中，氣浮發(fā)生的整個過程包括四個基本階段：氣泡的產生；氣泡和油滴/絮粒的接觸；氣泡和油滴/絮粒的粘附；氣泡油滴/絮粒共聚體的上浮，撇渣去除。(1)氣泡的產生氣泡產生的方式主要有三種：向水中通入直流電壓

55、，電解產生微氣泡，稱為電解氣浮；通過氣體和液體的機械混合產生微氣泡，稱為擴散氣浮，或散氣氣浮；高壓下將氣體溶解于水中，形成溶氣水，然后在常壓下釋放形成大量微氣泡，稱為溶氣氣浮。氣泡的產生方式決定了所產生的氣泡的直徑和密度，而氣泡的直徑和密度又決定了氣泡和油滴/絮粒的碰撞效率，因而氣泡的產生方式直接影響到氣浮的處理效果。(2)氣泡和油滴/絮粒的接觸氣浮過程中，氣泡和油滴/絮粒必須進行接觸，才能發(fā)揮氣泡的作用。氣泡和油滴/絮粒的接觸過程是一個基本的水動力學過程。因為一般情況下，油滴/絮粒和氣泡的密度比水小，相對于水來說比較容易上浮。通常，氣泡的直徑要比油滴的直徑大，氣泡與水的密度差也比油滴/絮粒與

56、水的密度差大，由于這兩個原因的存在，氣泡比油滴/絮粒的上浮速度更快，可以超越油滴/絮粒，這引起了氣泡油滴/絮粒相互接觸的可能性。另外，在某個運動氣泡的周圍存在液體的流動，從而引起油滴/絮粒的偏離，運動氣泡與油滴/絮粒的偏離將會降低其接觸的可能性。對于比水的密度大的固體顆粒的水動力學問題，目前已經有了大量的數(shù)學研究，因為該領域由于氣浮選廣泛應用于礦產工業(yè)分離多種礦物而受到了很大的關注。固體顆粒與水的分離和油滴/絮粒與水的分離不同，固體顆粒通過泡沫下沉，而油滴/絮粒更易于上浮。不過固體顆粒與水的分離的一些研究結論還是可以推廣到油滴/絮粒與水的分離。對于氣泡和顆粒接觸過程的研究，主要應集中在影響接觸

57、過程的參數(shù)，以及如何使這一過程最優(yōu)化。在數(shù)學上，這些是通過確定氣泡顆粒接觸效率的函數(shù)依賴來完成的。此處的接觸效率定義為：運動路徑上，經過氣泡并與氣泡實際接觸的部分顆粒與路徑上顆?？倲?shù)的比值。Flint和Howarth計算出了在含有空間上均勻分布的顆粒的無限水的接觸效率。計算結果表明，忽略慣性的小顆粒(如直徑500 um的油滴發(fā)生接觸，因為顆粒的密度比水小。然而該研究認為，必須指出可以忽粒的集合，因而將接觸定義為：顆粒中心軌跡線與氣泡表面相交。這一顆粒表面，因顆粒的中心經過氣泡附近，而與氣泡發(fā)生接觸的可能性。Reay和Ratcliff在研究中假設了顆粒的慣性不起主導作用，而且小的影響，認為顆粒與

58、氣泡都存在于斯托克斯流動體系中。其接觸效率 (1-1)其中(1-2) (1-3)Reay和Ratcliff的研究結果表明，接觸效率隨著顆粒直徑的增大而急劇增大。而且，在給定含氣量的情況下，氣泡密度隨著氣泡直徑的此，減小氣泡的直徑，氣泡的數(shù)量增加，而且單個氣泡的接觸效率增加粒去除率。Reay和Ratcliff分析認為，顆粒的去除率與成比例。因為Reay和Ratcliff的研究中，假設的斯托克斯流動僅當氣泡直徑100um時才有效，限制了計算的準確性，而且分析中忽略了單個氣泡的影響。為了更好的理解氣泡和顆粒的直徑及氣泡的密度對接觸效率的影響簡單的幾何模型，該模型不考慮水的動力，認為直徑相同的氣泡均勻

59、分布單個氣泡可以認為是在邊長為2b的立方體的中心。使 的值最小化，將會使立方體內的油滴/絮粒與氣泡發(fā)生接觸的可能性最大化。因為(1-4) (1-5)通過上面的公式可以得出，使、和將會使的 的值達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。(3)氣泡和油滴/絮粒的粘附為了使氣浮的過程順利完成，氣泡和油滴/絮粒接觸后，油滴必須粘附到氣泡的表面，并且維持粘附的狀態(tài)直到氣泡上升至水面。這一過程是非常復雜的，涉及到了水動力學特性和表面化學特性。油滴和氣泡之間存在一層很薄的水膜，這層水膜必須足夠薄，并且破碎后才能油滴和氣泡發(fā)生實際的接觸。水膜破碎的過程必須發(fā)生在油滴和氣泡接觸的時間內，

60、否則將不會發(fā)生粘附。因此只有一小部分與氣泡發(fā)生接觸的油滴會真正粘附到氣泡表面。這部分油滴與實際發(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。粘附效率與接觸效率的乘積給出了系統(tǒng)整體除油率。氣泡和油滴之間的薄膜變薄的過程非常復雜，包含了施加于薄膜最初帶動兩個顆粒相互靠近而后又傾向于使其分離的水動力與薄膜界面邊界條件之間的相互關系。氣浮池內的水力條件和油滴與氣泡附近的水動力學特點決定了粘附的水力特性，而接觸表面的邊界條件是由表面化學特性決定的。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，都是影響薄膜化進程重要因素。(4)氣泡油滴/絮粒共聚體的上浮油滴/絮粒與氣泡一旦粘附到一起，就必