涡凹气浮工艺原理及应用
气浮作为一种高效、快速的固液分离技术，始于选矿。它是利用高度分散的微气泡作为载体粘附废水中的悬浮物，使其密度小于水而上浮到水面以实现同液分离过程。它可用于水中固体与固体、固体与液体、液体与液体乃至溶质中离子的分离[1]。一般来说，气浮法处理工艺要满足以下基本条件[2]：(1) 必须向水中提供足够量的细微气泡；(2) 必须使废水中的污染物质能形成悬浮状态；(3) 必须使气泡与悬浮的物质产生黏附作用。有了上述这三个基本条件，才能完成气浮处理过程，达到污染物质从水中去除的目的。
在污水、废水处理工程中，气浮法已经广泛用于以下几个方面：
(1)石油、化工及机械制造业中的含油废水的油水分离；
(2)废水中有用物质的回收，如造纸废水中的纸浆纤维及填料的回收；
(3)含悬浮固体相对密度接近于1的工业废水的预处理；
(4)取代二沉池进行泥水分离，特别适用于活性污泥絮体不易沉淀或易于产生膨胀的情况；
(5)剩余污泥的浓缩。
1. 涡凹气浮系统的结构及工作原理
涡凹气浮工艺 (Cavitation Air Flotation)系统是世界独创的专利水处理设备，是美国Hydrocal环保公司的专利产品，也被称作THK(Induced Air Flotation)引气气浮，是目前普遍采用和推广的一种投资少、效率高、处理成本低、效率好的污水处理设备[3]。它是专门为去除工业和城市污水中的油脂、胶状物及固体悬浮物（SS）而设计的系统。整个系统由五部分组成，如图所示[4]：
经预处理后的污水流入有涡凹曝气机的小型充气段，污水在上升的过程中通过充气段与曝气机产生的微气泡充分混合，曝气机将水面上的空气通过抽风管道转移到水下。曝气机的工作原理是利用空气输送管道底部散气叶轮的高速转动在水中形成一个真空区，液面上的空气通过曝气机输入水中，填补真空，微气泡随之产生并螺旋型地升到水面，空气中的氧气也随之溶入水中。
由于气水混合物和液体之间密度的不平衡，产生了一个垂直向上的浮力，将SS带到水面。上浮过程中，微气泡会附着到SS上，到达水面后SS便依靠这些气泡支撑和维持在水面。刮泥机沿着整个液面运行，并将SS从气浮槽的进口端推到出口端的污泥排放管道中。污泥排放管道里有水平的螺旋推进器，将所收集的污泥送入集泥池中。净化后的污水流入溢流槽再自流至生化处理部分。
开放的回流管道从曝气段沿着气浮槽的底部伸展。产生微气泡的同时，涡凹曝气机会在有回流管的池底形成一个负压区，这种负压作用会使废水从池底回流至曝气区，然后又返回气浮段。这个过程确保了40%左右的污水回流及没有进水的情况下气浮段仍可进行工作[5]。
2. 涡凹气浮系统运行的影响因素
2.1 污水水质对涡凹气浮机的影响
由于工业废水和污水中一般会含有相当比例的Ca2 、SO42-，而且在气浮过程中会投加一些浮选药剂，涡凹气浮系统运行一段时间后，气浮机轮、轴承处附着一层垢，会使气浮系统的效率降低。
2.2污水流量对处理效果的影响
污水流量对处理效果的影响也是不容忽视的。在气浮机运行时必须保证每间气浮池的配水均匀，流量的变化意味着污染物量的变化，需要及时调整药剂投加量才能取得最好的效果。当污水流量过大时，气浮池水平流速加快，停留时间缩短，对絮凝体上浮分离不利；流速过大会引起分离区水流紊动过大而造成泡絮结合体破碎。当水量过大时应及时调整出水堰高度以防止污水进入浮渣系统[6]。
2.3絮凝剂及pH值对气浮效果的影响
气浮效果的好坏除了受气浮设备性能的影响外，还与絮凝剂的投加量和pH值有关。目前采用的絮凝剂大部分为PAC和PAM系列。絮凝剂投加量并不是越多越好。有机高分子的投加量对絮凝效果有显著影响。实验证明，对于絮凝的发生，存在一个最佳投加量，超过此量时，絮凝效果会下降，超过太多则会起相反的保护作用[7]。而且现采用的絮凝剂多为酸性絮凝剂，有其最适合的pH值。当污水的pH值超过最适合pH值时，会引起絮凝体的溶解或破碎，对气浮分离产生相当不利的影响。因此，在运行过程中，应对进水pH值加以监测和控制。
3. 涡凹气浮法在炼油污水处理中的应用
目前，涡凹气浮工艺在主要用于含油废水、造纸废水及污泥浓缩等方面[8]。下面以涡凹气浮工艺在含油废水中的应用为例，来说明它在实际工程中的应用。
扬子石化含硫原油改建扩建工程竣工后，原污水场能力明显不足，且原污水场界区内已无扩容场地，改造设施应小型化[9]。改造方案在部分回流溶气气浮和涡凹气浮中选择，下表是2种方案的比较：
改造后的工艺流程采用2组涡凹气浮机组，每组处理能力320m3/h，功率7.8kW。新建污水处理装置工艺流程图及进水水质指标：
水质指标：
*: 单位为m3/h
投入使用的涡凹气浮机组运行良好，设备振动及噪音很小；产生的气泡均匀细密；出渣细密，分布均匀；出水清澈，无明显油花。下表为改造前后生产运行数据对比：
*：单位为m3/h；**：无单位
由上表可见，改造后污水处理能力增大，处理效果与改造前基本相同，且改造后出水含油量和COD值均达到设计指标。
改造前后污水处理消耗及成本对比见下表：
由上表可见，改造后污水处理装置电耗及净化风消耗均大幅降低。
通过上述的一系列比较，在炼油污水处理中，涡凹气浮与溶气气浮的处理效果接近；相比溶气气浮，涡凹气浮具有投资少、占地面积小、节能降耗、操作强度低等优势。
4.总结
涡凹气浮工艺作为一种高效的气浮工艺，在水处理、污泥处理方面有着广阔的应用。它的发展依赖于基础理论的研究。在机理方面，如气泡的结构和特征、气泡尺寸放入控制、气泡与絮凝体的黏附条件等均需深入研究；在应用方面，对于工业废水和城市污水以及污泥的处理，应从节约药剂和降低运行费用等方面来深入研究。
参考文献：
[1] Zhu Xi—hai，Ren Xin，Chen Wei—guo，et a1．The tread and present study on Separation techniques by flotation [J]．Technology of Water Treatment (in Chinese)，199l，17(6)：355—360．
[2] 高廷耀，顾国维，周琪．水污染控制工程(第三版，下)[M] ．北京：高等教育出版社，2007
[3] 管晓涛，胡锋平．CAF工艺浓缩剩余活性污泥的可行性研究[J]．环境科学与管理，2006，31(1)：37—39．
[4] 邹茂荣，李长青，张苇．涡凹气浮(CAF)在石化废水处理中的应用[J]．工业用水与废水，2000，31(4)：34-35．
[5] Low E W，Chase H A．Reducing production of excess biomass during wastewater treatment[J]．Water Research，1999，33(5)：1119—1132．
[6] 李健光．涡凹气浮在石化污水预处理中的应用[J]．石油化工安全环保技术，2007，23(3)：38—40．
[7] 管晓涛，胡锋平，徐烈猛，何洪，邓荣森．调理剂对CAF污泥浓缩工艺影响的试验研究[J]．环境污染治理技术与设备，2006，7(11)：89—91．
[8] 朱兆亮，曹相生，孟学征，张杰．气浮净水工艺述评[J]．环境科学与技术，2008，31(8)：55—58．
[9] 马量．涡凹气浮法在炼油污水处理中应用[J]．石化技术与应用，2006，24(2)：142—143．
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