气浮池的设计原理

文章摘要：溶气气浮（DAF）是气浮的一种，它利用水在不同压力下溶解度不同的特性，对全部或部分待处理(或处理后)的水进行加压并加气，增加水的空气溶解量，通入加过混凝剂的水中，在常压情况下释放，空气析出形成小气泡，粘附在杂质絮粒上，造成絮粒整体密度小于水而上升，从而使固液分离。溶气气浮（DAF）适用于处理低浊度、高色度、高有机物含量、低含油量、低表面活性物质含量或具有富藻的水。相对于其它的气浮方式（详见附录1），它具有水力负荷高，池体紧凑等优点。但是它的工艺复杂，电能消耗较大，空压机的噪音大等缺点也限制着它的应用。 1 分类（type）......

溶气气浮（DAF）是气浮的一种，它利用水在不同压力下溶解度不同的特性，对全部或部分待处理(或处理后)的水进行加压并加气，增加水的空气溶解量，通入加过混凝剂的水中，在常压情况下释放，空气析出形成小气泡，粘附在杂质絮粒上，造成絮粒整体密度小于水而上升，从而使固液分离。

溶气气浮（DAF）适用于处理低浊度、高色度、高有机物含量、低含油量、低表面活性物质含量或具有富藻的水。相对于其它的气浮方式（详见附录1），它具有水力负荷高，池体紧凑等优点。但是它的工艺复杂，电能消耗较大，空压机的噪音大等缺点也限制着它的应用。

1 分类（type）

根据不同的划分原则，DAF可以有不同的分类。

1．1 根据气泡从水中析出时所处压力的不同，可分为真空式气浮法与压力溶气气浮法两种。

前者利用抽真空的方法在常压或加压下溶解空气，然后在负压下释放微气泡，供气浮使用；后者是在加压情况下，使空气强制溶于水中，然后突然减压，使溶解的气体从水中释放出来，以微气泡形式粘附上絮粒，一起上浮。

1．1．1 真空式气浮池，虽然能耗低，气泡形成和气泡与絮粒的粘附较稳定；但气泡释放量受限制；而且，一切设备部件，都要密封在气浮池内；气浮池的构造复杂；只适用于处理污染物浓度不高的废水（不高于300mg/l），因此实际应用不多。

1．1．2 压力溶气气浮法是目前国内外最常采用的方法，可选择的基本流程有全流程溶气气浮法、部分溶气气浮法和部分回流溶气气浮法三种。

1．1．2．1 全流程溶气气浮法

全流程溶气气浮法是将全部废水用水泵加压，在溶气罐内，空气溶解于废水中，然后通过减压阀将废水送入气浮池。流程图见图1。

它的特点是：①溶气量大，增加了油粒或悬浮颗粒与气泡的接触机会；②在处理水量相同的条件下，它较部分回流溶气气浮法所需的气浮池小。③全部废水经过压力泵，所需的压力泵和溶气罐均较其他两种流程大，因此投资和运转动力消耗较大。

1．1．2．2 部分溶气气浮法

部分溶气气浮法是取部分废水加压和溶气，其余废水直接进入气浮池并在气浮池中与溶气废水混合。

它的特点是：①与全流程溶气气浮法所需的压力泵小，因此动力消耗低；②气浮池的大小与全流程溶气气浮法相同，但较部分回流溶气气浮法小。

1．1．2．3 部分回流溶气气浮法

部分回流溶气气浮法是取一部分处理后的水回流，回流水加压和溶气，减压后进入气浮池，与来自絮凝池的含油废水混合和气浮，流程见图2。

它的特点是：①加压的水量少，动力消耗省；②气浮过程中不促进乳化；③矾花形成好，后絮凝也少；④气浮池的容积较前两种流程大。

现代气浮理论认为：部分回流加压溶气气浮节约能源，能充分利用浮选（混凝）剂，处理效果优于全加压溶气气浮流程。而回流比为50%时处理效果最佳，所以部分回流（回流比50%）加压溶气气浮工艺是目前国内外最常采用的气浮法。

图2 部分回流溶气气浮法流程图

1．2 根据气浮池中微气泡污泥层（床）有无过滤作用及水的不同流态分为：早期DAF、普通DAF和紊流DAF。（具体内容见附录3）

2 设计原理（design principal）

DAF一般设置在生物处理单元之前，物理处理单元之后，习惯上将其归为物理处理单元。若设为两级浮选，为了方便节约，平面布置时常将一、二级浮选池并列，一、二级浮选池是约有500mm左右的液位差保证污水从一级浮选池流动到二级浮选池，而取消提升泵达到节能效果。体现在竖向布置上，即在设计、施工时必须严格控制刮渣机拖架(板)、可调节堰和除渣槽顶的标高，这一点非常重要，是关键因素之一，否则会严重影响气浮效果(泡沫层无法用机械方法撇除)，这也正是必须采用可调节出水堰的原因所在。

图2 两级浮选池工艺流程图

DAF主要由空气饱和设备（也称压力溶气系统）、空气释放设备（也称溶气释放系统）和气浮池（也称气浮分离系统）等组成。目前,溶气气浮工艺的设计和最佳操作的确定，需要依靠中试和经验。以下，根据各种应用中总结出的经验，分别介绍各个组成部分的设计原理。

2．1 压力溶气系统（包括压力溶气罐、空压机、水泵及其附属设备）

2．1．1 溶气系统占整个气浮过程能量消耗的50%，溶气罐价值占工厂总基建投资的12%，因此优化溶气系统的设计对缩小气浮操作费用是很重要的。

溶气罐多为园筒形,立式布置,容积按废水停留时间25～3min计算，罐中可装设有隔板，瓷环之类，也有用空罐的。

因为溶气罐内水、气相混合，所以一般按压力容器进行设计，罐顶设自动排气阀或罐底设自动减压阀平衡压力，罐内压力一般控制在0.45MPa左右为宜，据此可以确定提升泵、回流泵和空压机的参数。

在国外的设计资料和文献中，认为气水停留时间越长，溶气效率越高。这样就使得溶气罐的体积显得庞大，停留时间有时长达3～5min。国内的研究证实了液膜阻力控制着溶气速率，认为停留时间越长，溶气效果越好的观念不符合实际，因此国内设计参数不同于国外，是以预定的溶气效率为设计指标，以液相过流密度和液相总容量传质系数为参数。

所有研究都表明有填充床的溶气罐比没有填充床的有效，其效率最高可达到99%，但在实际运行中，经常需对溶气罐进行内部检查，因而在很多溶气气浮工艺中常选用没有填充床的系统，而且大部分无填充床的溶气罐常配有内部的或外部的喷射器以提高溶气效率。

2．1．2 加压溶气法有两种进气方式，即泵前进气和泵后进气。

第一种是泵前进气，流程图见图3。当空气吸入量小于空气在该温度下水中的饱和度时，由水泵压水管引出一支管返回吸水管，在支管上安装水力喷射器，废水经过水力喷射器时造成负压，将空气吸入与废水混合后，经吸水管、水泵送入溶气罐。这种方式省去了空压机，气水混合效果好，但水泵必须采用自引方式进水，而且要保持lm以上的水头，其最大吸气量不能大于水泵吸水量的10%，否则，水泵工作不稳定，破坏了水泵应当具有的真空度，会产生气蚀现象。

第二种是泵后进气，流程图见图4。当空气吸入量大于空气在该温度下水中的饱和度时，空气通过空压机在水泵的出水管压入，但也不宜大于水泵吸水量的25% 。这种方法使水泵工作稳定，而且不必要求在正压下工作，但需要由空气压缩机供给空气。为了保证良好的溶气效果，溶气罐的容积也比较大，一般需采用较复杂的填充式溶气罐。

图3 泵前进气流程图

图4 泵后进气流程图

2．1．3 空气注入量的调节是浮选操作的另一关键因素，一般随选择的溶气压力或回流比而变。实验也表明出水质量仅依赖于引入系统的空气总量(气泡尺寸一致时)，而与单独压力或回流比无关。要根据污水水质、浮选（混凝）剂和减压释放器的类型经反复实践而定。

2．1．4溶气罐内水位高低是影响气浮效果的重要因素。水们南宁市，缩小了水气接触部分的窖，溶气效果不好；水位太低则缺乏必要的缓冲水深，气体会穿过水层进入气浮设备形成

大气泡，气浮效果也不佳。推荐水位控制在罐内1/3～1/4左右。

2．1．5 溶气罐内的压力是影响气量的重要因素。一般情况下，压力高，则溶气多，在空压机加气方式中，溶气罐内的压力是由空压机气压和水泵共同决定的。在正运转时，首先要保证足够的水压，但水压和气压又要基本相当。

在采用水射器加气的方式中，保证溶气罐压力的关键是采用合适的水泵，一般水泵压力应在保证额定流量的前提下大于0.3Mpa，溶气罐压力调整可通过调节溶气罐出水阀、水泵出水阀、回流控制阀进行。

2．1．6根据《中华人民共和国国家标准室外排水设计规范》第8.2.7条溶气罐的设计应符合下列要求：

一、溶气罐工作压力宜采用300～500kPa（约为3～5kgf/cm2）；

二、空气量以体积计，可按污水量5～10%计算；

三、污水在溶气罐内停留时间应根据罐的型式确定，一般宜为1～4min，罐内应有促进气水充分混合的措施；

四、采用部分回流的溶气罐宜选用动态式，并应有水位控制措施。

2．1．7有应用中提到，增加一个精密空气稳流器，它的作用是使空气在进入溶气罐的喷头前，确保压力平稳、均一。

回流比是指，当采用部分回流溶气气浮法时，进入溶气罐加压溶气的回流水量与处理水量的比值。回流比一般为废水的25％～50％。但当污水水质较差，且污水水量不大时，可适当加大回流比，以保证出水水质。

2．2 溶气释放系统（主要是释放头）

释放器是该系统的关键装置，它对气泡形成的大小、分布以及对气浮净水效果和运行费用均有明显影响。目前被采用的释放器的释气效率可达99.2%。

2．2．1 以前的研究认为，释气泡的大小与溶气压力有关，低压时形成大气泡居多，不利于气浮。国内最新研究认为：溶气水在减压消能时气泡的释放规律与气泡在静水中的状况不同；低压时大气泡的出现归咎于释放器不良所致。除了要释放出大量稳定的微小气泡，关键是要如何防止堵塞。

目前国内外采用不同类型的释放器,有简单阀门式、针型阀式以及专用释放器（专利）。溶气释放器的专利产品很多,其中效果较好的一般都有以下特点：在喷嘴处有一个瞬间的压降；在释放器的入口处水流方向会突然改变（常为90°）；释放器口径不超过2.5mm,水在释放器中的停留时间＜1.5ms；离开释放器的水流速度逐渐变小；离开释放器的水体会与其前面一挡板发生撞击。任何释放器都不可能只产生微气泡，而一般是产生直径在40～70μｍ之间的

气泡，一些大气泡的产生是不可避免的，尽管这些大气泡的存在会降低系统的运行效率。

2．2．2 根据《中华人民共和国国家标准室外排水设计规范》第8.2.8条溶气释放器的选用应根据含油污水水质、处理流程和释放器性能确定。

2．3 气浮分离系统（气浮池构件）

气浮分离系统的功能是确保一定容积来完成微气泡群与水中杂质的充分混合、接触、粘附以及带气絮粒与清水的分离。

2．3．1为了提高气浮的处理效果，往往向废水中加入混凝剂或气浮剂，投加量因水质不同而异，一般由试验确定。对于铝类絮凝剂，通过提高搅拌强度均可使出水浊度进一步降低。

为保证浮选(混凝)剂的混凝作用，浮选池进水端宜设静态管道混合器和反应室，反应室有效容积约按废水(进水量与回流量的和)停留时间10分钟计算，一般分为三间，迷宫式布置，且每间设搅拌机提高混凝效果，每间中的速度梯度常常是相同的。絮凝池（也即反应室）设计最好提供活塞流状态（紊流堆动状态），可以确保较好的气浮效果。

2．3．2 溶气气浮池的最大建议尺寸可达145m2，相应的产水能力为2900～4350m3/ h，单位面积的产水能力至少提高了一倍。溶气气浮池的深度从1.5m增加到5.0m，且池型由长方形向正方形发展，长宽比在(1.2～2)：1之间。目前运行良好的溶气气浮池的长度最大可达12m，但宽度被限制为8.5m，这主要是因为机械刮渣机的最大跨度为8.5m。

污水在气浮池内的停留时间一般取30～40min，工作水深为15～25m，长宽比不小于4，表面负荷5～10m3/m2?h。

若停留时间太短，水流的冲击力大，浮选罐中的污水牌较强的紊流状态，这样不但不利于气泡与絮体的粘附，反而会将部分已粘附在气泡上的絮体打碎；另外，由于紊流和较短的反应时间，而使投加的部分混凝剂未反应完全时就随出水流出，致使出水中悬浮固体的去除率降低，甚至出现负增长的趋势。

2．3．3

气浮池分2个区:接触区和分离区。

2．3．3．1 设计接触区时，要注意控制絮凝水的上升流速，避免短流、偏流，不致在上浮过程中被水流剪脱已粘附的气泡而影响后续分离效果。通常情况下接触区的上升流速以控制在10～20mm/s为宜,高度以1.5～2.0m为宜,在这种流速和高度下,既保证了絮粒和微气泡的接触时间,又不会造成絮粒因上浮时间过长而破坏或下沉。

合理地布置释放器，使释放水的作用范围遍及全区，能充分、及时地使微气泡下絮粒接触。

2．3．3．2 分离区选择分离速度时，应有利于带气絮粒上浮。对于絮粒大、密度小、不易破碎的带气絮粒一般采取较大的分离速度，反之取较小值。分离区的流速宜在1～3mm/s,流速过小会造成大絮粒因拥挤而沉淀,流速过大会造成带气絮粒和清水的分界面向下延伸,从

而造成絮粒随水流出、水质下降。

对浓度大、浮渣多，在固液分离时形成拥挤上浮现象的应减小上浮速度，否则浮渣层太厚会造成落渣，或因分离区容积过小而影响分离效果。

选取集水系统时，尽可能做到集水均匀，不让上浮较慢的细小带气絮粒流出池外。为此，应避免短流、快部滞流、碰壁回流等不良现象出现。

当溶气气浮池的水力负荷＞10 m3/m2?h时，很容易出现气浮出水携带气泡进入后续滤池的情况，气泡会存在于滤池的上层。虽然有人发现滤池中气泡的存在会有利于水中颗粒的去除，但是它会导致滤池水头损失的急剧升高，从而使滤池运行周期显著缩短，因此应该避免滤池进水中气泡的存在，所以在大幅度提高溶气气浮池水力负荷的同时，必须设置脱气系统（具体内容见附录2）以保证工艺的正常运行。

安装简易，灵巧的刮渣设备，以便刮渣时不致扰动浮渣层而产生落渣，影响出水水质。

2．3．4 国内外气浮池的设计参数变化范围很大，我国主要采用以下参数：

接触区：停留时间＞ 2.0min

表面负荷率36～72 m3/m2?h

分离区：表面负荷率7.2～10.8 m3/m2?h

2．3．5 根据《中华人民共和国国家标准室外排水设计规范》第8.2.9条气浮池可采用矩形或圆形。矩形气浮池的设计应符合下列要求：

一、气浮池应设置反应段，反应时间宜为10～15min；

二、每格池宽不应大于4.5m，长宽比宜为3～4；

三、有效水深宜为2.0～2.5m，超高不应小于0.4m；

四、污水在气浮池分离段停留时间不宜大于1.0h；

五、污水在池内的水平流速不宜大于10mm/s；

六、气浮池端部应设置集沫槽；

七、池内应设刮沫机，刮沫机的移动速度宜为1～5m/min。

2．3．6 气浮模型研究得出了一些新概念，如饮用水气浮处理需针尖大小(数十微米)的絮体。pH对絮体形成和气泡粘附一样重要。在最佳pH时,颗粒的ζ电位接近于0或为负值,可采用较高的溢流流速度(≤15m/h)。气浮池的最佳设计是接触区和分离区呈长窄形状的活塞流反应

器,停留时间分别大于1.5min和5min,这样表面负荷要比传统数值提高许多,而且效率较高。

增加一个射流混合器可以保证隔油池出水与溶气水充分混合后进入浮选池中，使形成的超微气泡均一散布于池中。

因为污水中一般含有毒有害物质，故浮选池结构设计要考虑设防腐层和顶盖板，有条件时可考虑浮选气体的有组织排放。

2．4 正交试验分析得出：回流比、混凝剂投加量和浮选罐（池）的有效停留时间这三个主要参数对气浮效果影响大小的主次关系是：回流比＞混凝剂投加量＞浮选罐（池）的有效停留时间。

溶气罐与气浮池之间的回流水输送管道要短，压力损失要小，从而防止空气从超饱和的水中逸出。

水温降低对溶气气浮效果有不利的影响。

3 应用图纸（drawing）

附录1 其它气浮方式

1、分散空气气浮法。又可分为转子碎气法（也称为涡凹气浮或旋切气浮，见图1）和微孔布气法2种。前者依靠高速转子的离心力所造成的负压而将空气吸入,并于提升上来的废水充分混合后,在水的剪切力的作用下,气体破碎成微气泡而扩散于水中；后者则是使空气通过微孔材料或喷头中的小孔被分割成小气泡而分布于水中。

该法设备简单，但产生的气泡较大，且水中易产生大气泡。大气泡在水中具有较快的上升速度。巨大的惯性力不仅不能使气泡很好地粘附于絮凝体上，相反会造成水体的严重紊流而撞碎絮凝体。所以涡凹气浮要严格控制进气量。气泡的产生依赖于叶轮的高速切割，以及在无压体系中的自然释放，气泡直径大、动力消耗高，尤其对于高水温污水的气浮处理，处理效果难如人意。由于产生的气泡大，更适合处理一些稠油废水，由于大气泡在上浮过程易破裂，

建议设计时污水在“分离室”的停留时间不要超过20分钟，时间越长气泡破裂得越多，可能导致絮凝体重新沉淀到池底。

分散空气气浮法产生的气泡直径均较大,微孔板也易受堵,但在能源消耗方面较为节约,多用于矿物浮选和含油脂、羊毛等废水的初级处理及含有大量表面活性剂废水的泡沫浮选处理。

2、溶气泵气浮法。溶气泵采用涡流泵或气液多相泵，其原理是在泵的入口处空气与水一起进入泵壳内，高速转动的叶轮将吸入的空气多次切割成小气泡，小气泡在泵内的高压环境下迅速溶解于水中，形成溶气水然后进入气浮池完成气浮过程。溶气泵产生的气泡直径一般在20～40μm，吸入空气最大溶解度达到100%，溶气水中最大含气量达到30%，泵的性能在流量变化和气量波动时十分稳定，为泵的调节和气浮工艺的控制提供了极好的操作条件（图2）。

3、电解凝聚气浮法。这种方法是将正负相间的多组电极安插在废水中,当通过直流电时,会产生电解、颗粒的极化、电泳、氧化还原以及电解产物间和废水间的相互作用。当采用可溶电极(一般为铝铁)作为阳极进行电解时,阳极的金属将溶解出铝和铁的阳离子,并与水中的氢氧根离子结合,形成吸附性很强的铝、铁氢氧化物以吸附、凝聚水中的杂质颗粒,从而形成絮粒。这种絮粒与阴极上产生的微气泡(氢气)粘附,得以实现气浮分离。但电解凝聚气浮法存在耗电量较多,金属消耗量大以及电极易钝化等问题,因此,较难适用于大型生产。

4、生物及化学气浮法。生物气浮法是依靠微生物在新陈代谢过程放出的气体与絮粒粘附后浮之水面的；化学气浮法是在水中投加某种化学药剂,借助于化学反应生成的氧、氯、二氧化碳等气体而促使絮粒上浮的。这种气浮法因受各种条件的限制,因而处理的稳定可靠程度较差,应用也不多。

图1 涡凹气浮工艺原理

图2 溶气泵气浮工作原理

附录2 脱气系统

脱气系统分为内部和外部脱气系统两种。

内部脱气系统的关键就是提供一个合并表面（coalescing surface），其形式类似于斜管或斜板沉淀池。此表面不但可促进多余小气泡的合并，产生有较大上升速度的大气泡，另外还可引起二次气浮，即“自由”气泡与残余絮粒的再次粘合，使聚合体浮力大于重力，所以当合并表面设计适当时，可以避免污泥在内部脱气系统内的沉积。

外部脱气系统有很多形式，气浮池与滤池之间的自由跌落水堰和停留池就是其中较简单的两种，较复杂的是设置专门的气泡吹脱柱，气浮出水以下向流形式通过该柱,同时其底部有空气通过扩散器注入。

有研究发现：无脱气系统、设置外部脱气系统和设置内部脱气系统的三种溶气气浮工艺的效果依次增强。当水力负荷为17 m3/m2?h时，三种工艺的出水浊度分别为0.80、0.65和0.60NUT，后续滤池的处理能力分别为360、380和640 m3/m2；当水力负荷为44 m3/m2?h 时，三种气浮工艺出水的浊度分别为3.80、1.85和1.70 NUT，后续滤池的处理能力分别为100、140和180 m3/m2。

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