多相流分离中气浮技术及其进展

气浮技术及其进展作者：简小文，郭勇，郝海保出处：中国船舶与海洋工程网信息中心分类：海洋工程发布时间：2012-3-15 10:33:24【摘要】本文简单介绍了气浮的产生的过程，气浮基本原理以及引气气浮和溶气气浮，着重阐述了近年来气浮新技术：EDUR多相流泵、微气泡发生装置，CFU、FGR以及F-F等。

关键词：气浮技术；多相流泵；微气泡发生装置；CFU；FGR；F-F1. 气浮技术简介气浮技术是在待处理水中通入大量的、高度分散的微气泡，使之作为载体与悬浮在水中的颗粒或絮状物粘附，依靠浮力作用一起上浮到水面，形成浮渣后去除，实现污水净化的方法。

气浮法最早于1905年出现在选矿工业[1]，在水处理领域中，早在1920年，C.L.PECK就考虑用气浮法处理污水，但没有引起足够重视[2]。

上一世纪60年代以前，由于微气泡产生技术的限制，气浮技术发展较为缓慢。

直到70年代以后，随着微气泡产生技术的发展和部分回流溶气法等技术的产生，使得气浮技术得到快速的发展。

特别是近年来，气浮技术得到国内外的高度重视，已广泛的应用于等各种工业废水和城市生活污水处理中[3]。

2. 气浮分离基本原理气浮是利用高度分散的微小气泡作为载体去黏附污水中的悬浮，使其随气泡浮升到水面，气泡破裂后，油滴积聚、聚结后去除。

气浮分离的三个过程：1）．气泡产生的过程。

即在水中产生足够数量的微小气泡。

2）．气泡和悬浮物附着过程。

气泡与悬浮物碰撞、粘附后形成稳定的气、固、液三相接触体。

3）．分离过程。

气泡带着悬浮物上升积聚，气泡破裂，悬浮物积聚、聚结然后排出。

下面详细阐述上述三个过程。

2.1. 气泡产生的过程气浮分离过程中首先需要产生大量细微而均匀的微气泡作为载体，气浮效果的好坏在很大程度上取决于污水中气泡的数量、大小以及分散度。

Kiuru[4]的研究结果表明，气浮工艺中微气泡大小应适当，过大或过小都会影响气浮效果，微气泡直径控制在10 ~100μm 范围内(平均为40μm 左右) 就能够取得满意的净水效果。

Nicholas Owens等[5]认为气泡大小应该小于30μm；James C. Robinson等[6]认为气泡直径应该小于颗粒直径时，除去效率高；马自骏等[7]认为气浮最佳气泡直径为15~30μm。

常用的气泡产生装置有：分散气体法（扩散板、微孔管、喷射器、高速旋转叶轮切割等）、溶气法、电解法等。

2.2. 气泡与悬浮物碰撞、附着过程气泡与悬浮物接触过程非常复杂，涉及到多个学科，在气浮碰撞、附着相关研究中，就油滴与气泡碰撞研究很少，大部分都是对颗粒与气泡之间碰撞效率的研究，但仍有借鉴意义。

T.J. Heindel, F.Bloom[9]等在不考虑设备对气浮影响下，将分散气泡和颗粒的粘附过程是由4个独立的子过程组成：1).颗粒靠近气泡附近时，被气泡捕获；2)捕获后，气泡与颗粒间的液膜逐渐变薄直至破裂后粘附；3)形成稳定的气、液、固三相接触；4)气泡携带颗粒上升到液面聚结、分离。

T.J. Heindel, F.Bloom[8]等对气浮的每个子过程进行了详细分析，得出了计算公式。

充分了解气泡与颗粒的碰撞、附着机理，提高气浮设备的性能有重要指导意义。

近年来出现的一些新的气浮方法（CFU、充气式旋流装置、FGR、FF等），就是在研究气泡与颗粒碰撞的相关机理的基础上，利用各种手段来强化气浮的每个过程，取得了很好的效果。

2.3. 分离过程分离过程为气泡带着悬浮物上升积聚，气泡破裂，悬浮物积聚然后排出。

在此过程中，应尽快使积聚、聚结后的油污刮除，油污层过后会影响积聚和聚结效果，不利于油水分离。

3. 传统气浮方法目前在石油化工含油污水处理当中常采用的气浮方法有：引气气浮和溶气气浮等。

3.1. 引气气浮（Induced Gas Flotation）引气气浮（Induced Gas Flotation）简称IGF，在含油污水当中得到广泛的应用。

IGF通常是采用喷射器产生高速射流，形成负压，将空气卷入射流，通过多次分割、压缩、再分割之后，产生大量微气泡进入气浮池。

引气气浮最大的优势在于其动力设备少、结构简单，运营稳定。

但也存在不足，首先是压损较大，特别是大流量的情况下，能量消耗大；其次产生的气泡尺寸较大，影响气浮效果，通常气泡直径在100μm以上，集中在300μm～500μm左右。

图1.IGF工艺流程图3.2. 溶气气浮（Dissolved Air Flotation）溶气气浮是使空气在一定的压力下溶于水中呈饱和状态，然后使水压力骤降，空气以微小的气泡从水中析出。

容器压力直接影响气泡的数量、大小以及均匀性，压力越高，气泡的分散度也越高、越均匀。

其特点为：气泡直径小（一般为20~100μm）；可人为控制气泡与含油污水接触时间；净化效果比布气气浮好；得到广泛应用。

溶气气浮的缺点是：气浮时间长，动设备多，动力消耗大，维护和运用成本较高等。

容气气浮根据气泡从水中析出时所处的压力不同可分为：容气真空气浮和加压溶气气浮。

其中加压溶气气浮又可以分为：全部进水加压，部分进水加压和部分回流水加压。

图2为部分回流水加压溶气气浮工艺流程图。

气泡主要是通过压缩机将空气压入溶气罐，使之与水充分接触后溶解到水中，达到饱和状态，然后通过减压阀进入常压气浮池中，由于压力骤然降低，使得溶解气以微气泡从水中析出。

图2.部分回流加压溶气气浮工艺流程图4. 气浮技术的新进展随着对含油污水处理要求的提高和处理量的增大，传统气浮装置越来越难以满足生产污水处理的要求，近年来在国内国外出现了一些新气浮技术。

按照气浮的三个过程来划分，首先在气泡产生技术方面有用溶气泵来代替传统溶气方法（德国EDUR多相流泵等），用旋流加微孔管微气泡发生装置来产生微气泡；其次在强化气泡与悬浮物碰撞方面有旋流气浮装置、絮凝气浮（Flocculation-Flotation）等。

4.1. 改变气泡的发生方式EDUR多相流溶气泵如前面所说，传统气浮装置存在释放头易堵塞，水温高溶气效果差、操作维护和运行费用高等诸多缺点[9～10]，针对上述缺点，国内外出现了采用EDUR多相流溶气泵来取代传统的溶气发生装置。

和传统加压溶气气浮技术相比，EDUR溶气泵在进水端吸入空气，利用泵内特制叶轮的多次切割，达到泵内溶气的目的，溶解度可达到100%。

该技术省却了溶气罐、空压机、稳压罐、回流泵、溶气释放头，工程造价低，运行费用低，操作维护简单，去除效率高。

浙江大学环境工程研究所[11]采用EDUR溶气泵去除处理高水温超稠油污水，油和悬浮物去除率均高于95％。

图R溶气气浮工艺流程图微气泡发生装置威瑞泰科技公司与美国多相流系统集成公司（MSI）公司合作开发了一种微气泡发生装置[12]，此装置通过微孔布气和旋流作用能够产生大量直径在50μm以下的微气泡，使得气泡在水中的接触面积大，气泡与悬浮物更容易粘附，提高了除油效率。

图4.微气泡发生装置以及气浮工艺流程图4.2. 旋流气浮组合技术上世纪90年代以来，旋流气浮组合技术得到越来越多的重视。

1983年，ler等设计第一台用于油水分离的充气水力旋流器[13]。

国内褚良银，陈文敏等也对充气水力旋流器进行了研究[7]。

近年来气浮与低旋流离心力场组合技术得到很大的进展，出现了一批紧凑型组合处理设备。

如Epcon、Siemens、TS*group 等公司的紧凑型气浮装置CFU（Compact Flotation Unit），Cyclotech的DSCUF （DeepSweep Compact Flotation Unit），中国石油大学提出的移动式喷射气浮-旋流分离装置等[15]。

CFUCFU即紧凑型气浮装置，是一种组合型高效含油污水处理装置，该装置很好的将旋转离心分离技术和脱气气浮分离技术有效地结合于一体，大幅提高了含油污水处理效率。

在CFU研究和运用方面M-I Epcon[14]公司取得了卓有成效的成果。

图5为Epcon公司CFU装置简图。

含油废水从切向入口进入罐中，经由入口导片在容器内形成旋流，产生的离心力，油滴和气泡等较轻的成分将被压向罐中间，到达内同心筒壁，油滴和气泡因密度小于周围的水而结合并上升，通过气泡的上升对油滴进行浮选；同时，砂子等较重颗粒将向管壁移动，并沿罐壁向罐底下沉，图5.Epcon CFU装置和二级CFU串联工艺流程图以油泥的形式从罐底部排出；由气泡吸附的较小油滴逐渐凝聚，结合产生较大的油滴，最终在气浮室中液体的上层形成油或乳状液的连续层，产生的油气堆积物通过分离管道出口连续不断地被清除；处理过的水由入口导片与内筒之间的间隙流至罐底部，经过水平圆板的缓流后，从罐底部的水出口排出。

Epcon CFU装置单级CFU能够将含油污水的含油量降到15～20ppm，双级CFU能够将含油污水的含油量降到10ppm以下，目前已经在国内外得到广泛的应用。

4.3. 气浮与絮凝组合技术Carissimi and Rubio[15]等提出FGR（Flocs Generation Reactor）和FF （Flocculation-Flotation）气浮系统，并成功应用于污水处理中。

FGRFGR为Flocs Generation Reactor通过一个旋管（螺旋状）发生器来强化气泡与悬浮物的碰撞和粘附。

原理如图6所示：含油污水在加入化学药剂和充入微小气泡（30～70μm）之后，进入旋管，液体开始旋转，流体的动能转化为压能，增大气泡与絮体之间碰撞几率，使得絮体和气泡粘附在一起，经过多次碰撞、粘附之后，形成较大的充气絮团，进入气浮池后，大絮团在浮力作用下快速上升。

图为AMD处理所采用的FGR-FADAT(High Rate Flotation Unit)工艺流程图。

图6.絮体在FGR中产生和增长示意图图7.AMD处理FGR工艺流程图F-F（Flocculation-Flotation）F-F通过特殊设计装置（Z型管或静态混合器），使得微气泡通过时，能够使气泡和悬浮物产生非常轻的絮体（见图8）。

絮体是悬浮物在加入高分子聚合物和注入的微气泡后，在高强度剪切作用（Z型管）和高压头损失（大速度梯度）来产生的。

产生的絮体密度小，直径大（几个毫米），能够快速上浮（只需数秒钟）。

图8.F-F –絮凝-气浮系统(a)管道充气絮凝装置；(b)絮凝装置型式；(c)气浮分离装置；(d) MS-20中混合充气絮体形成。

5. 结语气浮技术是一种高效的污水处理工艺，具有工艺流程简单，抗冲击负荷能力强，处理效果稳定、占地面积小等诸多优点，已经广泛用于各个行业污水处理。

在石油化工行业，随着含油污水处理量和处理要求的增加，气浮技术得到越来越广泛的重视，随着技术的不断发展，其应用范围也在不断扩大，具有广阔的市场前景。