摘 要：本报告结合气浮设备的工作原理、结构、优缺点、应用情况等方面介绍了几种常用的气浮设备的应用情况。对国内外同类设备进行了比较，并对应用情况作了简单的介绍。同时介绍了气浮法净水技术，对气浮技术在废水处理中的应用作了综述。包括处理石油化工及机械制造业中的含油废水、处理造纸废水、处理电镀废水和含重金属离子废水、处理印染废水和洗毛废水、处理制革废水、城市生活污水和富营养化的前驱物等。并讨论了气浮设备的研究和应用的发展趋势，最后展望气浮法的发展前景。
1气浮净水技术
1.1气浮净水技术历史背景及原理
气浮净水技术是一种历史悠久的高效固液分离技术,始于选矿。该项技术在水处理领域颇受国内外学者的关注并得以迅速发展。其根据气泡的产生方式不同,可分为电解凝聚气浮、散气气浮和溶气气浮等。其中部分加压式溶气浮是国内外最常用的气浮法,在某些方面可以作为替代沉淀的新技术。
气浮净水技术产生于20世纪40 年代，主要用于去除密度与水相近、无法自然沉降又难于自然上浮的悬浮杂质，具有分离效率高、设备简单等优点。该技术起初发展较为缓慢，直到70 年代微气泡产生技术的提高才得以迅速发展，现已被广泛应用于含油废水和印染废水的处理、纸浆脱墨、土壤改良、藻类和重金属离子的去除等方面。气浮净水过程可以简单地概括为：水中的疏水性杂质与散布于水中的疏水性微小气泡在一定水力条件下碰撞，通过分子间的范德华力粘附在一起，在浮力作用下上浮到水面而除去;此外，它也包括水中较大的亲水性絮凝体通过网捕、架桥以及包卷等作用俘获微小气泡，借助浮力作用上浮到水面而被除去的过程
1.2气浮净水技术的影响因素
1.2.1容器系统
溶气系统占气浮过程能量消耗的50 %,溶气罐价值占有溶气气浮工厂总基建投资的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。加压的溶气方式很多,例如,在压力溶气罐中将空气溶入水中,将水滴流过填料层、将水喷入空罐中,用射流器吸入空气,用循环泵的吸水管吸入空气等方式。其中气液多相介质泵作为一种新兴的溶气方式,能产生大量稳定的微小气泡,直径在30μm以下,有利于提高气浮效率。它取代了传统的溶气气浮法溶气系统中的溶气罐、空压机和释放器,减少了投资费用,减小了噪声,正逐渐在气浮设备上广泛应用。
1.2.2释气系统
该系统关键装置是释放器,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,后者属于专利技术。我国研制成功的TS、TJ、TV型释放器,可有效避免微细气泡并大,在2-3 kg/cm²的条件下仍能满足气浮净水的需要。同样冶金部建筑研究总院设计的YJH型喷头在2-3 kg/cm²工作压力下,甚至可将溶解气体转换成直径1-0.1μm的微气泡,具有更高的优越性。
1.2.3分离系统
分离系统主要是指气浮池构件,它反应了浮渣与清水的分离效果、分离速度(表面负荷率m³/m²˙h)和投资费。基本形式有圆形(竖流式)和矩形(平流式)。前者主要用于小型气浮工厂中进行废水处理和污泥浓缩。后者在饮用水处理中应用较为普遍。这主要是因为:矩形的气浮池结构较简单;建造方便且节省占地;便于和絮凝池连接,并且进水口处的水流更平缓。目前,溶气气浮池的深度从1.5 m增加到5.0 m,并且池型由长方形向正方形发展,长宽比在(1.2-2)∶1之间。
通常气浮池分为接触区和分离区。其中接触区式实现释气水中的微细气泡群与絮凝水中絮粒结合、碰撞、粘附的场所,它能否形成良好上浮性、脱水性与稳定性的带气絮粒,将直接影响气浮净水的效果。分离区是将带气絮粒与清水进行分离的场所,必须确定合适的分离速度确保上浮时水面上的浮渣不被扰动。对于出水的设计和操作也必须保持平稳的水力条件,气浮池的停留时间是依据表面负荷率和池深而设计,一般为5-15min。
1.2.4排渣方式
溶气气浮池的排渣方式主要分为两种:机械刮渣和水力溢渣。机械刮渣是根据浮渣形成的速度,从而借助刮渣机进行定期刮渣。在水处理领域,部分式或全长式刮渣机和沿边刮渣机得以广泛的应用。另外还有一些溶气气浮工艺直接利用其后续滤池反冲水进行水力溢渣,这种方式的优点是:提高了水厂的产水率,节省了能耗;当水源水隐孢子虫卵囊含量过高时,采用此排渣方法可以避免增加额外处理费用以去除滤池反冲水中的隐孢子虫卵囊。但是要以损失较多水量和低的浮渣固含量(少于0.2 %)为代价。
2.气浮设备
2.1气浮设备的工作原理
气浮设备是一类在水中通入或产生大量的微细气泡，使空气以高度分散的微小气泡形式附着在悬浮物颗粒上，造成密度小于水的状态，利用浮力原理使其浮在水面，从而实现固-液分离的水处理设备。气浮方式可分为散气气浮、溶气气浮(包括真空气浮法)与电解气浮法。目前在给水、工业废水和城市污水处理方面都有应用。气浮设备较其它固-液分离设备具有投资少、占地面极小、自动化程度高、操作管理方便等特点。在实践中应根据废水处理工艺、废水的水质水量等特点进行有针对性的选择与使用。污水处理技术中，气浮法应用于几方面：
⑴石油、化工及机械制造业中的含油污水的油水分离
⑵工业废水处理
⑶污水中有用物质回收
⑷取代二次沉淀池，特别是用于易于产生活性污泥膨胀的情况
⑸剩余活性污泥的浓缩
2.2气浮设备的工艺特点及适用范围
2.2.1气浮设备的工艺特点
目前压力溶气气浮法的气浮装置应用最广。与其他气浮装置相比，该气浮设备具有以下优点：
⑴ 加压条件下，空气的溶解度大，供气浮用的气泡数量多，能够确保气浮效果;
⑵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，对液体扰动微小，因此特别适用于对疏松絮凝体、细小颗粒的固液分离;
⑶气浮设备的工艺过程及设备比较简单，便于管理、维护。
2.2.2气浮设备的使用范围
⑴ 适合分离地面水中的细小悬浮物、藻类及微絮体;
⑵ 可回收工业废水中的有用物质，如造纸废水中的纸浆纤维及填料;
⑶ 可代替二沉池，分离和浓缩剩余活性污泥，特别适用于那些易于产生污泥膨胀的生化处理工艺中;
⑷ 适合分离回收含有废水中的悬浮油和乳化油;
⑸ 适合分离回收以分子或离子状态存在的目的。
延伸阅读：
2.3常用气浮设备
2.3.1加压溶气气浮设备
加压溶气气浮设备是将空气在一定压力的作用下溶解于处理水中，压力一般为0.2-0.6 MPa，然后骤然减至常压，溶解于水的空气便以微小气泡形式(气泡直径一般为 20~100 μm)从水中逸出，与水中的悬浮物粘附一起浮至水面形成浮渣，再由刮渣机排入浮渣槽得以去除，清水则由气浮池下部流出，实现固-液分离。见图2-1。
1.吸水井 2.水泵 3.空压机 4.压力溶气罐 5.溶气释放器 6.气浮池
加压溶气气浮设备主要由溶气系统、释气系统及分离系统等三部分组成。根据废水中所含悬浮物的种类、性质以及处理程度的不同，又可分为全部加压溶气气浮、部分加压溶气气浮和部分回流加压溶气气浮三种。加压溶气气浮设备的气泡细微、粒度均匀、密集度大，气浮处理效果显著、稳定，而且整个工艺过程及设备比较简单，便于管理、维护，因此应用较为广泛，可用于多种废水处理，尤其适用于含油废水的处理。
目前加压力溶气气浮法应用最广。与其它气浮设备相比，具有以下特点：
⑴在加压条件下，空气溶解度大，供气浮用的气泡数量多，能够确保气浮效果;
⑵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，因此特别适用于对疏松絮凝体、细小颗粒的固液分离;
⑶工艺过程及设备比较简单，便于管理、维护;
⑷特别是部分回流式，处理效果显著、稳定，并能较大地节约能耗。
2.3.2电气浮设备
电气浮设备早在 20 世纪 70 年代已有应用，是通过电解水产生的H2、02或Cl2等微小气泡吸附水中的污染物，并上浮用以去除水中污染物的一种水处理方法。按阳极材料是否溶解，可分为电解气浮和电凝聚气浮。前者电极不溶解，仅电解产生气浮所需的气泡;后者电极溶解，同步产生气泡(H2)以及多核羟基络合物、氢氧化物(铁、铝等)等絮凝剂。电气浮装置示意图如途2-2所示电解法产生的气泡尺寸远小于溶气气浮和散气气浮产生的气泡尺寸，而且不产生紊流。该设备去除的污染物范围广，对有机物废水除降低BOD外，还有氧化、脱色和杀菌作用，对废水负载变化的适应性强，生成污泥量少，占地少，不产生噪声。近年来发展很快。电解气浮设备目前尚存在电解能耗及极板损耗较大，运行费用较高等问题，因此限制了该种设备的推广使用。
电气浮具有污染物去除效率高、无二次污染、占地少、无噪声、设备简单、无动力设备、易实现自动化等优点，而且电气浮设备去除的污染物范围广，能有效降解废水中的 COD、NH3-N，同时还有其他气浮设备备无法实现的氧化、脱色和杀菌等作用，能够获得更高的除油效率，抗冲击负荷能力强，产生污泥量少，与其他气浮法相比具有一定的优势，近年应用较多。但其存在能耗大、电极易钝化、运行费用较高等缺点，从而在一定程度上制约其发展。目前，大部分关于电气浮应用的报道主要是关于油田含油废水的处理，或是与二级生化等技术联用处理生活污水，或是在乳化液废水处理方面的应用。但是，由于电气浮设备的能耗较大，一般只用于小规模的废水处理场所，如小城镇生活污水、中小型工厂的含油废水处理等，较难适用于大型生产。
2.3.3涡凹气浮系统
涡凹气浮(CAF)系统是由美国研制的主要去除工业和城市污水中的油脂、胶状物及固体悬浮物的专利水处理设备。与传统的溶气气浮相比，它具有设备投资少(不需压力容器、空压机、循环泵等设备)、占地面积小、能耗少、气浮效果好(石油类、固体悬浮物的去除率超过80%)以及操作简单等优点。该系统的结构如图2-3所示。预处理后的废水首先进入系统的充气段 A，与曝气机产生的微气泡充分混合后进入气浮段 B，分离后的浮渣上浮至液面后间断地被链条刮泥机C清除。净化后的污水经溢溜槽流出。
1.链条式刮泥机(刮泥系统C) 2.专利曝气机(充气段A) 3.气浮槽(气浮段B) 4.槽底回流管路
(部分水回流系统) 5.螺旋推进式固体排放机(固体废物排放系统)
该系统的主要特点在于其专利曝气机的应用及槽底的回流作用。曝气机的工作原理是利用空气输送管底部散气叶轮的高速旋转形成负压，将空气吸入水中，随之产生微气泡，微气泡与杂质粘附后螺旋上浮到液面。槽底的回流管路使气浮槽内的液体(40%左右)因气浮槽底部与充气段底部之间的压差而流向充气段再次曝气，增加了杂质颗粒与微气泡的粘附机率。此外，涡凹气浮在制革、玻璃纤维、乳品、汽车喷漆、造纸和炼油等行业的废水处理工程中均有应用，处理效果良好。涡凹气浮还可应用在污泥浓缩上，具有污泥停留时间短、无污泥中磷的释放，有利于污水处理厂对出水的TP 控制等特点，应用较为广泛。
2.3.4高效浅池气浮设备
高效浅池气浮设备的出现，是气浮净水技术的一个重大突破。它改传统气浮的静态进水动态出水，为动态进水静态出水，应用“零速原理”，使浮选体在相对静止的环境中垂直浮上水面，实现固-液分离的。“零速原理”使上浮路程减至最小，且不受出水流速的影响，上浮速度达到或接近理论最大值，污水在净化池中的停留时间由传统气浮的30-40分钟减至仅需3-5分钟，极大地提高了处理效率，设备体积随之大幅减小，且可架空、叠装、设置于建筑物上，少占地或不占地。随着布水装置的旋转，将事先与污水均匀混合的气泡能十分均匀地充满整个净化池，不存在气浮死区和气泡不均匀区，从而大大提高了净化效率。
浅池气浮设备是将进水口、出水口和气浮刮渣斗安装在绕气浮池中央回转的回转机上。回转机架和刮渣斗均由电机带动并可无级调速。用同进水流速一致的速度旋转。废水从池中心的旋转进水器进水，通过进水配水器布水，进水配水器的移动速度可以和进水流速相同。使原水进入池内产生零速度，按此“零速原理”进水不会对池内水流产生扰乱。使池内颗粒的沉浮在一种超静的状态下进行，从而大大提高了气浮池的效率。螺旋状的刮泥装置对水体的扰动极小，且刮起的仅为已充分分离的浮渣，含固率高。与其它气浮设备相比有以下特点：
⑴采用“浅池理论”、“零速原理”、“新溶气机理”设计;
⑵水力停留时间短，只有3-5分钟，池深不超过700mm;
⑶微气泡极小，密度极高，不需事先将它们凝聚为很大矾花，固可大大减少加药量，极大的降低运行成本;
⑷微细气泡与絮粒的沾附发生于包括接触区在内的整个气浮分离过程;
⑸强制布水，进出水都是静态的;
⑹清水的排出是在固液分离以后进行的，浮渣瞬时隔离排除，水体扰动小;
⑺出渣含固率高达3%-5%，悬浮物去除率达99.5%，池底设有刮泥板，自动刮除沉降污泥;
⑻采用的溶气管设计独特，体积小，溶气效率高，操作方便，占地面积小;
⑼设备运行效率高，稳定性好，处理量大，一次性投资少;
⑽溶气水和药剂加入点的合理选用，保证实现共聚气浮;
⑾具有多项调节功能，能随处理水质水量的变化而变化。
浅池气浮是工业废水物化处理中新型高效气浮处理设备，广泛适用于造纸白水回收、制革、纺织、制皂、食品、碳黑、纤维制品、采油、啤酒、市政污水回用等领域。和加药设备、溶气设备、泵等辅助设备合理配置可使废水中的悬浮物总量降低90%以上。而气浮水力停留时间只有3-5nim。采用本设备能大幅度降低投资和运行费用，节约大量的耕地，当用于处理大规模污水时尤为显著。国内外加压溶气气浮处理设备性能比较和浅池气浮设备在造纸工业的应用情况分别见表1、表2。
延伸阅读：
表1 国内外加压容器气浮设备性能比较
表2 高效浅池气浮设备的实际应用情况
由表1可见，各项数据表明浅池气浮处理效果优于曝气气浮，在浅池气浮中离子气浮的COD、SS处理技术指标及使用效果更佳。
从表2统计数据分析，浅池气浮设备悬浮物的去除率达92.8%以上，COD的去除率为65.3%以上，处理设施对SS的去除效果较为明显，此外，数据表明浅池气浮设备的处理能力在300-850m3/h以上。
2.4其他气浮设备
2.4.1射流气浮设备
射流气浮装置是近年来出现的一种污水处理设备。污水从喷嘴高速喷出时,在喷嘴的吸入室形成负压,气体被吸入;在混合段,污水携带的气体被剪切成微细气泡;在气浮池中,油珠和固体颗粒附着在气泡上上浮。射流气浮装置能耗仅相当于机械搅拌叶轮气浮的二分之一,产生气泡直径小,且制造、安装、维修方便,具有很好的应用前景。王振欧等将压缩空气溶气改为喷射吸气溶气,从而加速了空气的溶解,缩短了溶气时间,同时降低了能耗。
水射器可替代空压机加气,水自水泵加压后,部分回流至水泵,在水泵压水管道和进水管道间形成回路。在回流管上安装水射器,由水射器吸入空气,空气和水在水泵内初步混合,大气泡得到一定程度的破碎,输至溶气罐形成溶气水(压力由水泵控制,维持在0.13-0.14MPa),再通过管道输送至气浮池。和空压机加压溶气相比,节省了设备投资和运行费用。溶气罐内不装填料,也不需控制水位,操作简便,气浮效果稳定。北京科技大学研制的ITU型浮选柱,采用水射流技术,吸气量稳定,水与气体混合充分,粒子和气泡的碰撞在下导管中进行,分离过程在柱体内进行,为紊流碰撞、静态分离创造了良好的条件,是一种有发展前途的高效除油设备。
2.4.2充气水力旋流器
充气水力旋流器 (Air-SpargedHydrocyelone，ASH)是美国人Miller 于 20 世纪 80 年代初针对选矿工业发明的一种离心浮选分离设备，它将溶气气浮与水力旋流器的流动特征结合在一起，在固液分离方面的研究和应用已比较成熟，而在油水分离方面的研究则待深入。ASH通过利用不互溶介质间的密度差而将其离心分离。待分离的含油污水在一定压力下自ASH顶部沿切线方向进入，由于器壁的限制而形成旋流由上向下流动;空气则由外侧夹套进入，通过多孔管壁进人流场，被高速旋转流体的剪切作用分割成大量的细小气泡。水中的油滴与气泡相互碰撞和吸附，在离心力作用下进入中心的泡沫柱，进而垂直向上流入溢流管形成溢流排走;净化后的水体被甩至旋流器器壁，最终经底流口排走。整个过程实现了浮选和旋流的结合，提高了油滴的去除效率。其结构如图2-4所示。
20世纪 80年代已经有学者尝试将 ASH 用于污水处理领域，主要处理含油污水和去除挥发性有机物，有的学者也尝试将ASH用于其他类型污水处理中。在希腊罗德岛某网板印刷厂的废水处理过程中，通过浮选槽和两级ASH的组合流程后，总悬浮物(TSS)和铜的去除率分别达到了79%和 56%，处理后的水可达到排放标准。美国国防部2003年的一份报告中记录，某海军基地利用一套处理能力为50g/min的两级 ASH浮选装置可将油、油脂和总有机物(TRPH) 的去除率均达到或超过 87%，水成膜泡沫(AFFF)的平均去除率超过 90%。
虽然 ASH 具有很多优势，但是也存在一些问题。气液体积比、分流比在很大程度上影响ASH的处理效果，而且ASH内部流场的建立必须有足够的进料速度，以产生足够的离心加速度。ASH的多孔管有被堵塞的危险，而且难于进行完全彻底的清洗疏通，这也就使其无法进行长时间连续运转。除此之外，ASH所能分离最小粒径为 4 μm左右，小于 4 μm的悬浮物质，无法达到分离的效果，而且在油水分离方面，若参数设置不当，油滴很容易破碎乳化成更小的颗粒，增加分离的难度。研究表明，进料量 5.0 m3/h、气液体积比为 0.30-0.35、分流比为0.16-0.18 能够得到较好的分离效果。在油水分离、水中挥发性有机物的去除等方面ASH表现出高去除率、高选择性、短停留时间以及低成本等优势都使其显示出巨大的应用潜力，然而ASH要想真正在工业上成功应用，尚需进行大量的研究工作。
延伸阅读：
原标题：解析气浮设备及生物水处理装置
