气浮中气泡粒径分布的实验研究.doc

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1、密 级公开学 号070381 毕 业 设 计（论 文） 气浮中气泡粒径分布的实验研究 院（系、部）：机械工程学院姓 名：班 级：环071班专 业：环境工程指导教师：孔惠教师职称：讲师 2011 年 5月27日北京北京石油化工学院学位论文电子版授权使用协议 论文滚动轴承的故障诊断与剩余寿命预算系本人在北京石油化工学院学习期间创作完成的作品，并已通过论文答辩。 本人系作品的唯一作者，即著作权人。现本人同意将本作品收录于“北京石油化工学院学位论文全文数据库”。本人承诺：已提交的学位论文电子版与印刷版论文的内容一致，如因不同而引起学术声誉上的损失由本人自负。 本人完全同意本作品在校园网上提供论文目录检

2、索、文摘浏览以及全文部分浏览服务。公开级学位论文全文电子版允许读者在校园网上浏览并下载全文。 注：本协议书对于“非公开学位论文”在保密期限过后同样适用。 院系名称： 机械工程学院 作者签名： 学 号： 070381 2011 年 6 月 17 日北 京 石 油 化 工 学 院毕 业 设 计 （论 文） 任 务 书学院（系、部） 机械工程学院 专业 环境工程 班级 环071 学生姓名 指导教师/职称 孔惠/讲师 1.毕业设计（论文）题目气浮中气泡粒径分布的实验研究2.任务起止日期：2011 年 2 月 21 日 至 2011 年 6 月 10 日3.毕业设计（论文）的主要内容与要求（含课题简介、

3、任务与要求、预期培养目标、原始数据及应提交的成果）(1)课题简介气浮法技术是国内外正在深入研究与不断推广的一种水处理新技术，目前已广泛应用于工业废水、城市污水和生活饮用水。尽管气浮工艺已应用于污水处理多年, 但是对气泡特性的研究直到近年来才引起研究者的注意。进一步研究气浮中气泡粒径分布的相关影响因素，再根据调节影响气浮工作的因素数值以实现气浮的最佳运行效果，对使气浮净化技术达到最佳效果具有重要意义。(2)任务与要求本研究要求对气浮过程中气泡的粒径分布进行研究。建立以多项流泵德国Edur泵为微气泡发生装置的小型实验装置；利用Mastersizer 2000 激光粒度仪，确定采用激光衍射法测量粒径

4、分布的方法；对气浮过程中影响气泡粒径分布的因素如压力、真空度、矿化度、表面张力(PAC)、含油率等参数进行实验研究，综合分析各种参数对气泡粒径大小及分布的影响，并结合理论分析对实验现象进行初步解释。本题目难易适中，工作量适中。能够在一定程度上培养学生独立思考问题、解决问题的能力。(3)应提交的成果 检索资料：中文文献不少于15篇，英文文献不少于3篇； 英文翻译：英文字符不少于2万，译文字数不少于 5000 字； 研究论文：包括试验方案设计、相关试验数据、试验现象及数据分析。4.主要参考文献(1)范欣,何利民,王鑫,等. 多相流泵溶气气浮中气泡粒径分布的实验研究J.工程热物理学报.2010,31

5、(7) :1159-1162(2) 陈福泰,左华,李久义,等.新型气浮装置ES-DAF中气泡粒径分布的表征J.环境科学, 2004, 25(1): 111-113(3) 张东锋,多相流泵溶气气浮处理含油污水的实验研究D:硕士学位论文.北京. 中国石油大学,2009(4) Hudson J.B. Couto, Daniel G. Nunes, Reiner Neumann. Micro-bubble size distribution measurements by laser diffraction techniqueJ.Minerals Engineering, 2009, (22): 33

6、0-3355.进度计划及指导安排第1周 接受任务书，熟悉题目，查阅文献。第2周 补充文献查阅，撰写文献综述初稿。第3周 完成文献综述及开题报告。制作PPT，完成英文翻译。第4周 制定实验方案，熟悉实验仪器，购置实验耗材。第5周 画CAD设计与定制实验装置。第6周 定制实验装置进行调试运行。第7-8周 不同溶气压力对气泡粒径的影响实验。第9周 不同真空度对气泡粒径的影响实验。第10周 矿化度对气泡粒径的影响实验。第11周 表面张力(PAC)对气泡粒径的影响实验。第12周 含油率对气泡粒径的影响实验。第13周 对实验数据进行整理，补充实验，并进行分形维数分析。第14周 整理资料，撰写修改论文，提交

7、论文、原始数据等全部资料。第15周 按照指导教师及评阅教师要求修改论文，制作PPT，准备答辩。第16周 答辩并完成答辩后的修改工作，提交全套资料。任务书审定日期 年 月 日 系（教研室）主任（签字） 任务书批准日期 年 月 日 教学院（系、部）院长（签字） 任务书下达日期 年 月 日 指导教师（签字） 计划完成任务日期 年 月 日 学生（签字） 摘 要气浮净水技术是国内外正在深入研究推广的一种固液分离技术，广泛应用于炼油、造纸、印染、制革、食品、机械等行业的工业废水处理及生活污水处理。本文在系统总结气浮技术的发展和研究现状的基础上，根据加压溶气气浮装置结构简单、操作方便，产生的气泡直径小、分布

8、均匀的优点，以气浮分离理论为指导，设计构建了一套多相流溶气泵加压溶气气浮实验装置，并对影响气浮处理效果的因素进行了实验研究。在清水状况下，通过对真空度（进气量）和压力的调节获得气浮效果最佳参数范围。一定的真空度下，压力越大，气泡粒径越小。加入矿化盐、PAC、煤油对气泡粒径有减小作用，但达到一定浓度后影响不再显著，而起泡剂对气泡粒径并无明显影响。本实验装置产生的气泡粒径范围在3070um，当真空度0.02MPa,出口压力0.40.5MPa时清水气泡粒径可达到40um左右，而加入PAC、煤油的气泡粒径可达到25 um左右。此外利用分形维数来表征气泡密度的相对量大小，实验表明在确定较小粒径的情况下，

9、混合物的分形维数大于清水。马尔文激光粒度仪测量方法简便易行，数据可靠性强，获得的粒径分布参数范围较为理想。总之，本次的工作为气浮技术的更广更好应用提供了一定的基础理论指导。关键词：气浮，气泡粒径分布，激光粒度仪，气液多相泵，分形维数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 extens

10、ively used for waste sewage 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 pr

11、essurized dissolved air 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 o

12、f air flotation are studied 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

13、 particle size of the micro-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, out

14、let pressure 0.4 0.5MPa, 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

15、 is determined by the requirement 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 ran

16、ge. Above all, all the 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目 录第一章 前 言11.1 选题背景11.2 气浮净

17、水技术的发展11.2.1 气浮净水技术的发展历程21.2.2 气浮净水技术简介31.2.3 新型气浮设备简介61.3 气浮理论体系71.3.1 热力学理论71.3.2 动力学理论71.3.3 流体力学理论91.3.4 气浮发生的过程101.4 本文研究的主要内容14第二章 实验装置及测试方法162.1 实验装置162.1.1 气浮系统的选定162.1.2 关键设备型号的确定192.2 气泡粒径的测量202.2.1 测量方法202.2.2 马尔文激光粒度仪简介212.2.3 斯托克斯法求气泡粒径272.3 气泡浓度的测量272.3.1 数学方法计算气泡分形维数272.3.2 软件分析计算气泡分形

18、维数29第三章 气泡粒径分布的清水实验研究303.1 实验操作流程303.2 压力对气泡粒度的影响323.3 真空度对气泡粒度的影响383.4 斯托克斯公式法求气泡粒径423.4.1 气浮柱观察求气泡粒径423.4.2 量筒观察求气泡粒径463.5 显微摄像法测气泡粒径483.6 分形维数的比较493.7 小结51第四章 不同物质对气泡粒径分布影响的实验研究524.1 矿化度对气泡粒径的影响524.1.1 矿化度简介524.1.2 实验操作流程534.1.3 实验数据534.1.4 数据分析564.2 PAC 浓度对气泡粒径的影响564.2.1 PAC简介564.2.2 实验操作流程584.2

19、.3 实验数据584.2.4 数据分析614.3 起泡剂对气泡粒径的影响614.3.1 起泡剂简介614.3.2 实验操作流程614.3.3 实验数据624.3.4 数据分析654.4 含油率对气泡粒径的影响654.4.1 煤油简介654.4.2 实验操作流程654.4.3 实验数据664.4.4 数据分析684.5 小结68第五章 结论与展望525.1 结论725.2 对进一步研究的展望72参 考 文 献74致 谢76附录177附录285声 明87 第一章 前 言1.1 选题背景近年来，全球的环境污染不断恶化，其中水源的不断污染越来越成为一个国家发展刻不容缓的问题。环保部2010年4月21发

20、布的最新数据：2008年我国废水排放总量为571.7亿吨，比上年增加了2.7。污水排放量很大，但污水处理率低：工业废水处理率约80 ，达标排放的只有60。90以上的城市水域受到污染，50左右地下水水质受到污染，50以上的重点城镇的饮用水源不符合标准1。2011年5月13日，国家海洋局在京召开新闻发布会，发布2010年中国海洋环境状况公报2。该报告指出：相比2009年海洋赤潮、绿潮灾害有所减轻，但是海上溢油事故风险加剧。2010年7月16日大连新港石油储备库输油管道爆炸造成大量原油泄漏入海，事故邻近海域和部分敏感功能区受到不同程度影响。如今随着石油工业的发展，陆地油田的不断耗竭，海洋石油产量，尤

21、其是在过去20年间，其占全球石油总产量中的比重已从20%上升到30%以上了。与陆上油田一样，海上油田的油井产出液中也不可避免地含有大量的地层伴生水。20 世纪80 年代初，国内第一套由同济大学设计的日处理l000t 规模的气浮装置，用来处理印染废水获得了成功，标志我国气浮设备的研制与开发迈上了一个新的台阶。气浮技术因其在造纸白液的纤维回收、含油废水的处理；印染、化工、轻工、食品、制药等工业废水物化处理；各类生物处理中生物絮体与水分离(代替二沉池)等方面的适用以及具有处理效率高、效果好、对水质适应广等优点，正在得到深入研究和不断推广。在净水工艺中的应用，气浮技术的进展一直不大，原因在于气泡的尺寸

22、很难控制，后来国外出现了专用释放器，有各种形式的喷嘴、针形阀等，在国内也得到了应用。70年代以后，人们改善了溶气方法，解决了溶气释放中产生的气泡尺寸及其数量这个关键性难题，气浮净水技术才得以采用和逐步推广。1905年，美国专利刊出了加压溶气技术。1907年，H.Norris发明了喷射溶气气浮技术。因此，气浮技术的发展，尤其是针对其中的气泡尺寸及其数量问题的研究，将大大改善水质的处理效果，符合现代人对水质的追求，也将给我们的生活质量带来巨大的影响。1.2 气浮净水技术的发展1.2.1 气浮净水技术的发展历程气浮法是一种历史悠久的固液分离技术，气浮净水技术在国内外应用广泛。其原理是通过某种方式向废

23、水中通入空气，并以微小气泡的形式从水中析出，然后以此为载体，粘附废水中的乳化油、微小悬浮颗粒等污染物质，使其随气泡一起上浮到水面，形成泡沫气、水、颗粒(油)三相混合体，通过收集泡沫或浮渣达到分离杂质、净化废水的目的。气浮技术最早应用于矿冶工业，其方法是先把矿石磨碎成粉粒，加水制成悬浊液，然后加入浮选剂，并通入气泡，使矿石中有用的成份粘附在气泡周围而向上浮起，不能粘附在气泡上的杂质则下沉，从而达到富集有用矿石的目的1。由于它可用于固体与液体，液体与液体，水中不同的固体与固体甚至溶液中离子的分离，而且这种分离技术具有设备简单，分离速度快等特点。因而近年来这种技术理论和应用的研究引起了越来越多的水处

24、理和分析化学等科学工作者的广泛关注。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，1930年瑞典某造纸厂曾试用一种将空气在压力下溶解于白水的水处理中，但上述实验结果均未公开发表和引起足够重视。直到1943 年汉森和高雷斯的英文排水杂志上才公开发表了有关气浮法处理污水的文章。在60 年代，美国出现溶气气浮处理污水的报道，1960 年，第一台叶轮气浮净化器出现在美国长滩油田。上世纪60 年代以前，气浮技术发展较慢，很少见其研究和应用的报道，究其原因主要是制造微气泡的技术没过关，特别是采用分散空气气浮时，产生的气泡不够微细，颗粒的粘附能力很差，大气泡还会产生严重紊流而撞

25、碎絮体。我国是最早研究气浮技术的国家之一。随着工业的发展，特别是石油工业的发展，气浮净水技术被世界各国广泛用于炼油、石油开发、化工、造纸等行业。1963 年哈尔滨建工学院在对齐齐哈尔钢厂煤气发生站含酚废水进行预处理除油研究中用过射流浮选，试验除油效率为80%左右。大庆油田设计院在19631965 年期间，曾在东油库污水站用自制的叶轮浮选机进行过气浮试验，除油效率达到99 .7%，但当时考虑到无定型的叶轮浮选机产品，且混凝除油也有较好的效果，因此从60 年代到80 年代中期，油田开发业一直没用气浮法处理含油废水。我国在60 年代末已有压力溶气装置应用于食盐溶液的净化和石油废水的处理。70 年代气

26、浮技术迅速发展，当采用部分回流溶气气浮法时气法时，显著改善了气浮的地位。在水处理技术中，气浮法(也称浮上法)固-液或液-液分离技术已广泛地应用在下述几个方面：1. 在饮用水处理上，浮上法已成功地应用在处理低浊度、含藻类及一些浮游生物的水处理工艺中。2. 用于石油、化工及机械制造业中的含油(包括乳化油)污水的油水分离中。3. 用于有机及市政污水的物化处理工艺中。4. 用于废水中有用物质的回收，如造纸厂纸浆纤维及填料的回收工艺。5. 与有机废水生物处理相配合用浮上法代替二次沉淀池，特别对于那些易于产生污泥膨胀的生物处理工艺中，可保证处理工作的正常运行。6. 已研究应用在对污水处理厂剩余污泥进行气浮

27、浓缩的处理工艺3。1.2.2 气浮净水技术简介气浮法主要用来处理废水中靠自然沉降或上浮难以去除的乳化油或相对密度接近于水的微小悬浮颗粒。根据气泡产生方式的不同，气浮法可分为电解气浮、散气气浮和溶气气浮法三种，其中部分回流水加压溶气气浮法是一种国内外常用的气浮方法。此外，还有生化气浮、离子气浮等4。(1) 电解气浮电解气浮法是向水中通入510V的直流电压，废水在直流电压的作用下电解产生H2、O2和CO2等的微小气泡。利用电解法产生的气泡密度小，直径1060 um，浮升过程中不会引起水流紊动，浮载能力大，特别适用于脆弱絮凝体的分离。如果采用铝板或钢板作阳极，则电解溶蚀产生的Fe2+和A13+离子经

28、过水解、聚合及氧化，生成具有凝聚、吸附及共沉作用的多核轻基络合物和胶状氢氧化物，有利于水中悬浮物的去除。但由于存在电耗较高，电极板易结垢等问题，目前该法主要用于小规模的工业废水处理和污泥浓缩中。电解气浮除用于固液分离外，还有降低有机物、氧化、和杀菌作用，对废水符合变化适应性强，生成污泥量小，占地面积少，不产生噪声。(2) 机械搅拌气浮机械搅拌气浮是利用机械剪切力，将混合于水中的空气粉碎成细小的气泡，以进行气浮处理的方法。按粉碎气泡方法的不同，散气气浮又分为：水泵吸水管吸气气浮、射流气浮、扩散板曝气气浮以及叶轮气浮等。叶轮气浮法是机械搅拌气浮中最常用的一种，其基本原理为：依靠叶轮的高速旋转形成的

29、负压，吸入气体并将其剪碎，形成微小的气泡，利用气泡携带污水中的污染物质上浮至水面，以净化污水。叶轮高速旋转时，在固定的盖板下形成负压，气体从进气管中吸入，进入水中的气体与循环水流一起被叶轮充分搅拌，在叶轮剪切力作用下，气体被剪碎为微细的气泡并与循环水流一起甩出导向叶轮，经过稳流板消能，气泡携带污染物质垂直上升，进行气浮处理。叶轮气浮法的气浮效果取决于叶轮的转速、浮选剂的投加量和污水在浮选池内的停留时间。叶轮的转速愈高，产生的负压越高，吸入的气量大，并且能够将其剪切成更小的气泡而有利于气浮处理。但转速过高时，提高了油珠和悬浮物的乳化程度，使其以更细小的颗粒存在于水体中，这样反而会使处理效果下降。

30、浮选剂的投加一方面减弱了絮体表面的亲水性，增强其疏水性，以利于气泡与絮体的粘附作用，另一方面降低了气、水界面的界面张力，减小了气泡之间相互兼并的几率，使细小气泡能够稳定地存在于水体中。污水在浮选池中的停留时间，直接影响着气泡与絮体及气泡之间的碰撞接触时间，在气浮处理中，存在着三种不同的碰撞和粘附作用：气泡与絮体之间；气泡与气泡之间；携带气泡的絮体之间。后两种粘附作用会降低水体中的气泡密度，破坏已上升的絮团结构，而不利于气浮处理。如果停留时间太短，粘附气泡的絮体未能上浮至水面就随着出水流出，处理效果不理想；停留时间过长时，气泡之间与携带絮体的气泡之间的兼并量增大，也会降低气浮处理的效果。(3)

31、加压溶气气浮溶气气浮是使空气在一定压力下溶于水中并呈饱和状态，然后使废水的压力骤然降低，这时空气便以微小的气泡从水中析出并进行气浮。这种方法形成的气泡直径只有80u m左右，而且可以人为控制气泡与废水的接触时间，因而处理效果远比散气气浮好，应用也更为广泛。根据气泡从水中析出时所处的压力不同，溶气气浮又可分为两种方式：一种是溶气真空气浮，空气在常压或加压下溶于水中，而在负压下析出；另一种是加压溶气气浮，空气在加压下溶入水中，而在常压下析出。加压溶气气浮广泛地应用于含油污水的处理，通常作为隔油后的处理和过滤或生化处理前的预处理，其气浮装置一般应包含加压溶气系统、微气泡发生系统和悬浮物分离系统等。其

32、中，微气泡发生系统的溶气释放器只有产生微气泡的密度较高，才能提高气浮的净水效果。同济大学于1978年研制成功TS278型低压溶气释放器，陈林峰于1999年研制成功高效溶气释放机4。根据加压方式的不同，加压溶气气浮法具有三种不同的基本流程：全流程溶气气浮、部分溶气气浮和部分回流溶气气浮。全流程溶气气浮法是将全部废水用水泵加压，在泵前或泵后注入空气。在溶气罐内，空气溶解于废水中，然后通过减压阀释放将溶气废水送入气浮池。减压释放后的溶气废水在气浮池内形成许多小气泡，粘附废水中的乳化油滴或悬浮物颗粒，一起上浮至水面，在水面上形成浮渣。用刮板将浮渣排入浮渣槽，最后经浮渣管排出池外。处理后的净化水通过溢流

33、堰和出水管排出。其特点为：溶气量大，增加了油粒或悬浮颗粒与气泡的接触机会；在处理水量相同的条件下，比部分回流溶气气浮所需的气浮池小，减少了基建投资；由于全部废水经过压力泵，所以增加了含油废水的乳化程度，而且所需的压力泵和溶气罐均较其它两种流程大，因此投资和运转动力消耗较大。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。其特点为：较全流程溶气气浮所需的压力泵小，故动力消耗低；压力泵所造成的乳化油量较全流程溶气气浮低； 气浮池的大小与全流程溶气气浮相同，但较部分回流溶气气浮小。部分回流水溶气气浮法是取一部分处理后的净化水回流进行加压溶气，溶气水释放后直接进

34、入气浮池，与气浮池内的含油废水混合，进行气浮处理。回流水量一般为废水的25%50%。目前该溶气气浮法应用比较广泛，具有以下特点：空气溶解度大，供气浮用的气泡数量多，能够确保气浮效果；溶入的气体经骤然减压释放，产生的气泡不仅微细、粒度均匀、密集度大，而且上浮稳定，对液体扰动小；工艺过程及设备比较简单，便于管理和维护；处理效果显著，出水水质稳定；气浮过程中不促进油滴的乳化。不加絮凝剂的情况下，溶气气浮法可以有效去除大于40 um的油滴，对于大量分散的细小油滴和亲水性悬浮颗粒，其去除效果却很差。向待处理污水中加入适量的絮凝剂可以使细小的颗粒聚结变大，同时改善悬浮颗粒的亲水、亲油性，从而提高气浮处理效

35、果。A.I.Zouboulis等5利用溶气气浮装置处理油水乳状液，以氯化铁为絮凝剂，在最佳运行状态下，乳化油滴的去除率大于95。Malik L.Hami等6在溶气气浮法处理炼油厂污水中加入活性炭粉末，取得了良好的处理效果。1.2.3 新型气浮设备简介然而，随着研究的不断进展又相继出现了新型高效气浮设备如：涡凹气浮(Cavitation-Air Flotation)、EDUR 型高效气浮装置(EDURs DAF System)、浅层气浮设备等。(1) 涡凹气浮(Cavitation-Air Flotation)其工作原理是未经处理的污水首先进入装有专利涡凹曝气机的小型充气段。污水在上升的过程中通

36、过充气段，絮体和悬浮物与微气泡充分混合接触，由于气固混合物和液体之间存在密度差，以至产生一个垂直向上的浮力，将固体悬浮物带到水面。上浮过程中散气泡附着到悬浮物上，到达水面后固体悬浮物便依靠这些气泡支撑和维持在水面，通过连续移动的链条刮渣机刮到污泥槽中去除。1997 年3 月美国麦王公司引进首台CAF 涡凹气浮系统，在中国昆明第二造纸厂废水处理厂成功投入并运行成功，结束了中国废水处理中一直沿用压力溶气气浮(DAF)的历史。(2) 浅层气浮设备浅层气浮出现是气浮净水技术的一个重大突破。它改静态进水，动态出水为动态进水，静态出水，利用“零速度”原理，使浮选体在相对静止的环境中垂直浮至水面，上浮路径减

37、至最小，且不受出水流速影响。该技术的特点如下：溶气水质量很高，其气泡直径一般在10m 左右，这就大大增加了微气泡与悬浮物SS 的接触面积和接触点，有利于上浮作用。实践证明：气泡直径越小越不易破裂，这就避免了上浮过程中及上层浮出物因气泡破裂造成悬浮物重新下沉的癖病。超效浅层气浮的第一个关键技术是溶气水的制造。其溶气管构造独特，是其专利技术，体积很小，但溶气效果很好，这是其优于其他气浮形式的关键所在。池子很浅，一般水位控制在400600mm 左右，大大缩短了气浮时间，一般35min 即可完成气浮过程，因此气浮效率比射流深池气浮提高5 倍以上。布水均匀，且释放出的水直接上升，基本无横向流动，避免了横

38、流对上浮作用的影响。靠近池底部有连续运转的沉淀物清除刮板，便于沉淀物及时清除，保证了池底干净及有效气浮水深。(3) EDUR 型高效气浮装置(EDURs DAF System)EDUR 型高效气浮装置吸收了CAF 切割气泡和DAF 稳定溶气的优点，如图1-1所示，整套系统主要由溶气系统、气浮设备、刮渣机、控制系统和配套设备等组成。传统部分回流 DAF 系统的用户都会遇到溶气水不稳定，去除效果不稳定的现象，这主要原因是回流水与空气在溶气管中形不成溶气水，而从溶气管视镜中只看到浮选剂的泡沫。有时溶气管压力高达0.4MPa，而释放出来的溶气水不是大的气泡，就是细小的水珠；有时看起来是乳白色的溶气水，

39、而其实是浮选剂的泡沫，根本达不到净化目的。EDUR 型高效气浮装置不会因为回流水浮选剂太多而造成难以形成溶气水的后果，同时也克服了一般气浮所需回流水泵溶气压力、溶气率低的缺点。1.3 气浮理论体系随着气浮理论的不断丰富和发展，逐渐演变分化出三大理论体系：热力学理论、动力学理论和流体力学理论，分别从不同的角度对气浮过程，气泡/颗粒的粘附机理进行了阐述。1.3.1 热力学理论热力学理论从接触角和表面自由能的角度入手，研究絮体颗粒与微气泡的粘附机理。该理论认为：压力溶气水减压释放后形成的微气泡，其外层包裹着一层透明的弹性水膜，除排列疏松的外层（流动层）泡膜在上浮过程中受浮力和阻力的影响而流动外，其内

40、层(附着层)泡膜与空气一起构成稳定的微气泡而上浮；经过絮凝剂脱稳形成的具有柔性网络结构的絮粒，保留有一定的过剩自由能和憎水基团；二者之间的粘附结合过程是体系自由能降低的热力学自发过程。1.3.2 动力学理论动力学理论从粘附行为的微观过程入手，研究絮体颗粒和微气泡的粘附速度问题。气泡和絮粒的粘附结合主要是以下几种因素综合作用的结果8：(1) 絮粒的网捕、包卷和架桥作用絮粒对气泡的网捕是指两絮粒相互接触并结合变大时，将游离在中间的自由气泡网捕进去，如图1-1A所示；包卷是指动能较大的微气泡撞进大絮粒网络结构的凹槽内，被游动的絮粒所包卷，如图1-1B所示；架桥作用指己粘附有气泡的絮粒之间相互接触时，

41、通过絮粒、气泡或两者的吸附架桥而结合变大，成为夹泡性带气絮粒，如图1-1C所示。A网捕 B包卷 C架桥图1-1 絮粒的网捕、包卷和架桥作用(2)气泡絮粒碰撞粘附由于絮粒与微气泡带有一定的憎水性能，比表面积又很大，并且有剩余的自由界能。因此，它们具有相互吸附而降低各自表面自由能的倾向。在一定的水力条件下，当具有足够动能的微气泡和絮粒相互靠近时，通过分子间的范德华引力而相互吸附，并且彼此挤开对方结合力较弱的外层水膜相互靠近，气泡可以粘附在絮粒外围，也可挤开絮粒中的自由水面而进入内部。絮粒与气泡的粘附点越多，粘附得越牢，如图1-2所示。气体与絮粒的碰撞机理包括布朗运动、截留作用和重力沉淀作用及惯性作

42、用。图1-2 气泡与絮体的碰撞粘附作用(3)微气泡与微絮粒间的聚并。微气泡与絮粒碰撞粘附形成带气絮体，这种有微气泡直接参与凝聚而与絮粒聚并长达的过程称作共聚作用。气泡与絮体的粘附方式包括三种：单气泡粘附单絮体、气泡粘附在絮体周围及气泡粘附在絮粒中间和周围。理想的带气絮体应该将气泡包含在絮体内部，这种絮体在上浮过程中，气泡不会脱落，并继续聚并长大，成为浮渣后也不会轻易下沉，最能够充分发挥气泡与絮粒的共聚作用。(4)表面活性剂的参与作用。水中存在表面活性剂时，会影响微气泡的大小和牢度。洁净的气泡本身具有自动降低表面自由能的倾向，即气泡合并作用。因此，表面张力大的洁净水中的气泡常常不能达到气浮操作所

43、要求的极细的分散度。此外，如果水中表面活性物质很少，气泡壁表面就会由于缺少两亲分子吸附层的包裹而变薄；当气泡浮升到水面以后，水分子很快蒸发，极易使气泡破灭，这样，在水面上就无法形成稳定的气泡泡沫层。为了防止这些现象的产生，当水中缺少表面活性物质时，需要向水中投加表面活性剂以减小液体的表面张力。但是，表面活性剂也会影响絮体的憎水性能，进而影响气浮净水效果。当水中的表面活性剂剂量适中时，絮体的附加憎水基团增加，因此会提高净水效果，但表面活性剂剂量过高时，过量的表面活性剂又会在水中形成大量的胶束，并稳定存在于水中，导致气浮效果变差。对粘附结合现象的理解可以借助动力学模型，主要有群体平衡理论模型和轨迹

44、理论模型。该模型指出了气浮运行效果主要受混凝预处理参数和气浮设计参数的影响。Kitchener、Tambo等7从电位和水化层方面研究，探讨其粘附条件，并且提出了相应的数学模型。单忠健等8从“分离压”的基本概念出发，通过气泡与絮粒间残留水化层性能的测定和计算，探讨了气泡与絮粒粘附过程的机理。罗固源9从界面自由能出发，通过水、气、粒三相界面总自由能的变化计算，探讨了气泡与絮粒粘附时，絮粒与水的接触角与粘附之间的关系，研究了气泡与絮粒粘附过程的条件。1.3.3 流体力学理论流体力学理论从气浮池的水力学特征入手，研究如何创造气泡与絮体粘附、分离的水力条件。气浮池的形状因此也经历了从狭长矩形浅池，逐步发

45、展到圆形深池；气浮池的表面负荷也从23m/h增大到2540m/h(甚至更高)；更为重要的是，气浮池分离区的流态由原来的层流转化为紊流。在这期间，浮滤池、浮沉池、紊流气浮池等应运而生。近年来，J.Haarhoff10、N.S.J.Fawceet11、M.Lundh12等用计算流体力学(CFD)对气浮池内水流特征进行观测和模拟，发现分离区上部存在分层流和三维流动，水力条件对净水效果的重要性认识正逐渐深化。综上所述，气浮技术的三大理论体系中，动力学理论从粘附行为的微观过程入手，研究絮粒成长过程，及气泡、絮粒的碰撞粘附过程，而这些过程直接影响到气浮处理的效果，因此可以预见对这一领域的研究在未来的很长一

46、段时间内都将是气浮理论研究的重要内容。1.3.4 气浮发生的过程在气浮法处理含油污水中，气浮发生的整个过程包括四个基本阶段：气泡的产生；气泡和油滴/絮粒的接触；气泡和油滴/絮粒的粘附；气泡油滴/絮粒共聚体的上浮，撇渣去除。(1)气泡的产生气泡产生的方式主要有三种：向水中通入直流电压，电解产生微气泡，称为电解气浮；通过气体和液体的机械混合产生微气泡，称为扩散气浮，或散气气浮；高压下将气体溶解于水中，形成溶气水，然后在常压下释放形成大量微气泡，称为溶气气浮。气泡的产生方式决定了所产生的气泡的直径和密度，而气泡的直径和密度又决定了气泡和油滴/絮粒的碰撞效率，因而气泡的产生方式直接影响到气浮的处理效果。(2)气泡和油滴/絮粒的接触气浮过程中，气泡和油滴/絮粒必须进行接触，才能发挥气泡的作用。气泡和油滴/絮粒的接触过程是一个基本的水动力学过程。因为一般情况下，油滴/絮粒和气泡的密度比水小，相对于水来说比较容易上浮。通常，气泡的直径要比油滴的直径大，气泡与水的密度差也比油