气浮表面负荷的选取方法简介

序言：本文通过理论和实验两方面的分析提供一种在满足污水处理悬浮物去除率的条件下如何科学合理的选取气浮表面负荷的方法。

一概述

在给水排水处理工艺程序中，固、液分离技术及其设备是关键项目之一。气浮设备主要应用于所要分离的悬浮物质的密度与水的密度相近，且悬浮物沉降性能较差的废水设备。

二表面负荷概念的引入

DAF气浮工艺的主要设计参数包括表面负荷、停留时间、回流比、溶气压力等。四种设计参数即有各自的表述含义，同时它们又相互影响互相作用共同起作用。

表面负荷又称作上升流速，溢流速率，是指处理设备中每平方米水面通过(或处理)的流量。气浮表面负荷的实质为设备分离区内水流的整体下降速度即为

（m³/m².h）

表面负荷的大小直接影响到气浮的处理效果和设备的选型设计。针对不同废水和不同的处理条件，表面负荷没有固定的数值可供选取，确定合理的表面负荷对于气浮设备应用起着关键性的作用。表面负荷大则意味着选取的设备表面积小，设备体积小投资小。表面负荷小则相反。

在各种给排水参考书中，在引入表面负荷时都缺少一个重要的辅助评定参数来评价选取值的合理性。本文选取了废水处理中悬浮物的去除率为重要的辅助评定参数。（另外还有废水处理的费效比即经济性等评定参数，此项评定参数现不在本文的讨论范围内）不同水质中的悬浮物在污水处理工程的各个阶段的去除率要求也不相同。有的水质中的悬浮物适于气浮去除。所以悬浮物的去除率也高，有的则相反。对于同一种处理废水，表面负荷的大小也对应着不同的悬浮物的驱除率。在其他条件相对固定的情况下，小的表面负荷一定对应着高的悬浮物去除率，高的表面负荷则相反。这是本文选取表面负荷的重要依据。表面负荷大小的选择也直接关系到出水水质。气浮分离区的表面负荷越大，即在同样分离面积下，通过的流量越多，分离区水流的稳定状态越差；絮体上浮的速度越慢，分离的效果越差，出水不清，出水标准越低。

在水处理工程中为了达到对应着的污水悬浮物的去除率则必须选取合适大小的表面负荷来保证。悬浮物的去除率是污水处理工程对气浮设备的基本要求，也是业主对所购买设备基本要求。选取表面负荷大小的重要评定标准是悬浮物的去除率。

在一些参考书上对表面负荷只有一些数值范围如3-20m3/m2.h，但没有提供可操作的方法让我们在具体的工程实践中，在满足污水悬浮物的去除率的前提下如何方便科学选取。

本文通过理论和实验两方面的分析提供一种在满足悬浮物去除率的条件下科学合理的选取气浮的表面负荷的方法。

三 表面负荷选取的理论依据

l        粘有气泡的颗粒上浮的三个阶段

沾有气泡的颗粒上浮在水深一定的情况下随时间的变化分为以下三个阶段：（见下图）（三阶段理论是根据生产实践观察而来）

²       {dy}阶段  颗粒的自由上浮+部分颗粒边絮凝边上浮。这部分以自由上浮为主，边絮凝边上浮为辅。这一阶段颗粒絮体存在的空间较大，颗粒间距离较大。颗粒上浮满足单颗粒的克里斯托夫公式，上浮速度较快。这一阶段的上浮时间较短。

²       第二阶段颗粒拥挤上浮。这一阶段以边絮凝边上浮为主，自由上浮为辅。这一阶段颗粒间距离较小，颗粒之间互相牵制非常强。颗粒上浮速度变慢。整个水体中泥水界面清晰明了，呈现泥水界面整体上升壮观景象。但这一阶段污泥含水率还较高，不能满足正常浮渣去除的要求。这一阶段上浮时间较长。

²       第三阶段高浓度压缩上浮阶段。在这一阶段絮体间大量的游离水逐渐被挤压出来，虽着时间的推移浮渣变得越来越干。上浮速度最慢，颗粒间距离非常小，这个阶段上浮时间最长。在这个阶段我们可以去除浮渣了。

                        絮体上浮的三阶段理论曲线

综上所诉颗粒上浮的三阶段的理论：{dy}个阶段颗粒的上浮速度最快，其次为第二阶段，第三个阶段上浮速度最慢。从三个阶段的浮渣含水率来看，{dy}个阶段浮渣收集时含水率{zg}，{zh1}一个阶段浮渣含水率{zd1}。从上面图也可以看出若在{dy}个阶段收集处理后的清水则可能因为清水区较小会把悬浮物也带走，收集的浮渣含水率也高不能满足工程需要。只有在{zh1}一个阶段，清水区域{zd0}，浮渣区域最小，浮渣在该阶段被压缩，浮渣含水率{zd1}。清水区域中的悬浮物最少，设备此时发挥的效率{zg}。此时无论收集清水还是收集浮渣都是非常合适的。由上面分析可以得到以下结论：

²       在恒定水深的情况下，保证一定的上浮时间是必须的。只有这样才能保证收集清水收集浮渣在颗粒上浮的第三阶段。

²       三个阶段的上浮速度均不相同，用任何一个阶段的速度都无法完整表述整个浮渣的上浮过程。所以我们导入平均上浮速度的概念既用一定水深之值处以三个阶段的时间和。

     （平均上浮速度）= （1）

由（1）的公式可以看出，在恒定水深的大前提下（回流比、溶气压力，废水水质，加药量等各种因素均相同的情况下），只要掌握住三个阶段的时间和，就可以轻松求出絮体的上浮的平均速度。

²       水的温度、流态。静止的水流为理想的上浮状态，所以分离区的流态设计为层流，使絮体有一个较稳定的上升空间，也是我们气浮设计最重要的工作之一。

²       影响 的主要因素

污水中的粘附气泡的絮体的比重和大小是气浮上浮速度的重要影响因素。

由粘附气泡的絮粒在水中上浮时受力分析可知，在宏观上将受到重力G浮力F等外力的影响。带气絮粒上浮时的速度根据牛顿第二定律可导出在层流区（Re<1）絮体的上浮速度为：（单体颗粒的上浮速度）

 （2）

V_上——带气絮体的上浮速度

g ——9.8m/s²

ρ_水 ——水的密度

ρ_絮 ——带气絮体的密度

d² ——带气絮粒的直径（或特征直径）

u ——水的动力黏度

由上面的公式可以得出影响 的主要因素

²     水与带气絮粒之间的密度差也是重要的影响因素，我们在工程中常说的需要上浮的絮体密度必须小于或等于水的密度其理论依据在此。

²     反应池产生絮体的大小是气浮的上浮速度的最重要影响因素之一。既夹气絮粒的直径（或特征直径）。如果夹气絮粒中气泡所占比例越大则夹气絮粒的密度就越小；其特征直径则相应增大，两者的这种变化可使上浮速度大大提高。实际水流中；带气絮粒大小不一，引起的阻力也不断变化，从而上浮速度也在不断变化上。

沾气泡的絮体在水流中的分析图

由分析图看出粘气泡的絮体在水流中的综合上浮速度是絮体自身的上浮速度和液面的整体下降速度之差造成的。

（3）

我们知道沾气泡的絮体在水流中的综合上浮速度为必须满足以下条件时絮体才能上浮，而不被出水水流带走。

时，（絮体上浮的必要条件）（4）

结论：表面负荷（即分离区液面的下降速度）其最小值等于                                                                

由上面的公式（4）分析可以推导本文最重要的公式 ：

           （5）

即液面的下降速度小于（或等于）絮体平均上浮速度的情况下，浮渣才能保证肯定是上浮的。气浮才能正常工作。所以确定絮体的平均上浮速度是确定气浮表面负荷的关键。想准确经济设计表面负荷，必须准确经济测定絮体的平均上浮速度。在表面负荷概念的引入中提到选取表面负荷大小的{wy}评定标准是悬浮物的去除率。依次类推悬浮物的去除率是选取絮体平均上浮速度的{wy}的评定标准。

由公式（5）可以推导如下重要结论：表面负荷选取小于或等于絮体的平均上浮速度。

（6）

公式（6）是我们下面设计实验表格的理论基础。

去除率指除掉的悬浮物量占总悬浮物量的比值。是污水处理工艺流程中对设备的基本要求。

对总悬浮物的组份按絮体尺寸大小分，大，中，小，极小等多种类颗粒混合组成。各种直径颗粒占总悬浮物的比值随污水种类的不同差异较大。有的污水中大颗粒多，有的小颗粒多，有的则是两者之间的比例大。由上面三阶段理论可以看出，大的颗粒上升速度快可以最早被去除，小颗粒则因上升慢则{zh1}被去除。假如表面负荷参照大颗粒的上升速度来选取则小颗粒就无法被去除而随清水排放了。相反情况，表面负荷参照小颗粒的上升速度来选取则比这小颗粒大的所有颗粒一定会被去除，此时的悬浮物的去除率是较高的。大颗粒上升快，小颗粒则相反。表面负荷的大小和大，小颗粒的上浮速度成正比和去除率成反比。

污水去除率的概念可以按颗粒去除率来考虑。一般情况下，在小的污水去除率的情况下去除的浮渣中大颗粒的悬浮物占总的比例较高。而相反的情况是浮渣中大颗粒的悬浮物占总的比例较低。下面介绍用的方法。

四 实验方法选取表面负荷

在实际工程应用中，测定单颗絮体颗粒的上浮速度是不现实的，也无法操作。（在实验室中，有特定的测试手段才能操作）这是因为污水中悬浮物的颗粒大小不一，形状也千差万别。而且在絮体上浮的三阶段中每个阶段的上浮速度均不相同。在理论分析中导入平均上浮速度的概念。用在一定去除率的前提下测定群体颗粒的平均上浮速度的方法来选取合理的表面负荷。下面用图表来直观选取合理的表面负荷。

l       表面负荷选取的实验装置

了解浮渣上浮的原理后，在工程实践中通过以下的方法来确定气浮的表面负荷。见表面负荷实验装置如：

该实验装置为水深为500MM的筒体，其中上半部分200MM为浮渣层，下半部分为取水样层。实验按下面的步骤和方法来操作；

²       确定废水的性质，进水SS值和出水要求SS值

²       溶气水回流比的确定：根据废水性质为30-200%； 溶气压力范围为200～600kPa；

²       溶气水的制作：采用标准溶气系统产生合格的溶气水；

²       污水的制作：根据污水的性质，选择合适的药剂及浓度充分混合反应，以絮体的大小500-1000um为标准。(絮体反应时间控制在5分钟，药剂和污水的混合强度为G=500-750  1/S，污水絮体的絮凝反应强度为G=70-120 1/S)

²       污水和溶气水混合进入实验装置，如图所示，每进入一次取一次水样检测水样中剩余悬浮物的浓度C1-6（数字为实验次数的标记））原水浓度设定为C0；

²       填制下列实验表格：

表面负荷的实验测定表格

    由上面的表格可以看出，由污水中悬浮物的去除率（%）能够一一对应能去除的悬浮颗粒的平均上浮速度V，和表面负荷三者之间的关系是在一个实验装置内完成。三者之间存在内在统一和联系。三者之间在这个实验中是一个完整的统一体。该实验装置可以很全面的反应污水的上浮性能，悬浮物的驱除率，为气浮表面负荷的选取提供合适的方法。

五 表面负荷选取的应用实例

用气浮来处理印染废水需要解决两方面的问题，一是：印染废水出现泡沫严重影响气浮的使用，在设计表面负荷时必须考虑泡沫的影响。二是表面负荷要精心实验，精心设计。{dy}个泡沫问题不在本文的考虑之列。第二个精心设计表面负荷的实验，实验目的为在进水悬浮物含量为600mg/l时,要求SS的去除率在90%以上的表面负荷。

l        在印染废水表面负荷的实验之前，需确定如下的前提条件。

l        回流泵前接河水，或自来水。解决活性剂对溶气系统的影响。

l        改进溶气系统，改用水力紊动程度小的溶气系统。

l        溶气水工作压力为2.4-2.6KG/CM。

l        建议碱减量污水和含有去油灵的污水单独建池储存，单独处理和单独排放，不要进调节池。若进也是一点一点加入到污水中去，不可突然大量排放。

l        溶气水的回流比为50%。

l        药品采用硫酸亚铁，PAM。

l        进水悬浮物含量为600mg/l,要求SS的去除率在90%以上。

在现场采用废水，用实验装置测定表面负荷的数据如下表格

印染废水表面负荷的实验测定数据表格

 由上面试验可以看出在进水悬浮物含量为600mg/l时,要求SS的去除率在90%以上的表面负荷载在3.6以下。该负荷和书本上的一般设计参数相比偏低。主要原因如下：、

l        泡沫影响气浮的上升的速度，影响絮体之间的粘附，并大，造成表面负荷偏低。

l        废水中COD值在1500以上，其值偏高，在加药絮凝后，也有部分COD析出加入到SS之中，造成气浮载荷偏大。

确定表面负荷q=4M/H ，根据处理量Q，可以确定气浮分离区的表面积A

                  （6）

六 结论：

1.        由于废水种类繁多，即使是同类型的废水，其水质变化也很大。通常的书本上设计参数也只是经验统计值。因此可靠的办法{zh0}采用实验室或现场小型试验取得的结果作为设计依据。 

2.        原水中悬浮物的浓度为C₀，根据处理水质要求的污水中悬浮物的去除率，按照表格选取相应的气浮表面负荷Q，可以查到在2-6分钟里，污水中能够去除的群体悬浮颗粒的平均上浮速度V，污水中群体悬浮颗粒上升速度只要大于的平均上浮速度V，都可以被气浮去除。

3.        停留时间、表明负荷、溶气水回流比、药剂种类及浓度、气温、流态等因素对气浮效果都存在大大小小的影响，各种因素之间是相互影响相互作用的成为一个有机整体。当条件发生大的变化时，需重新进行实验以确定合理的表面负荷参数。

4.        实际应用中，我们在充分考虑到投资与处理效果的情况下，通常取表面负荷在3～9之间的实验数据进行设备的选型和设计。