新型加压溶气罐的研究与应用

摘要：本篇文章研究新型溶气罐的结构和工作原理，得出新型溶气罐通过增加接触面积、延长停留时间、降低液膜厚度来提高溶气效率，增加溶气量。且采用新型溶气罐与采用传统溶气罐的气浮对比试验中，发现新型溶气罐对高浊度的原水的处理效果更好。

关键词：气浮；新型溶气罐；溶气效率；浊度

中图分类号：A715文献标识码： A

Research and application of the new air saturator

Abstract：This paper found that the new air saturator improve the efficiency of dissolved air by increasing the contact area, prolonging the residence time, and reducing the thickness of liquid film through the research on structure and working principle of the new air saturator. And the treatment effect of high turbidity water by using the new air saturator treatment is better than using conventional air saturator.

Key words: Flotation; New air saturator; Efficiency of dissolved air; Turbidity

0引言

气浮工艺是往废水中注入或生产微小气泡，并让这些微小气泡粘附在水中的絮体表面上，使得絮体密度小于溶液而上浮至水面，而达到固液分离的水处理工艺[1-3]。气浮工艺的特点包括：①水力停留时间短，设备体积小，节省空间和投资；②对低温低浊、絮体细碎和藻类较多的污水有较高的去除效果；③可以向原水中充氧降低臭味，并为后续工艺创造良好的溶解氧的条件[4,5]。气浮工艺产生气泡的方式包含：分散空气法，电解法，生物化学法，加压溶气法，真空溶气法和静电喷涂法等[6]。其中加压溶气工艺因其所产生的气泡粒径尺寸小（10~100m之间），气泡粒径均匀、上升速度较慢、对水流的扰动微弱、利于絮体的形成和保护，且产生的气泡数量容易调节等特点，是目前气浮工艺中使用最为广泛的一种方式[7]。加压溶气法的是利用高压下溶液中溶气量大于低压下溶液中溶气量的原理。在高压情况下将空气大量溶入液体中，然后将压力突然降至低压或者常压，使得溶入液体中的空气以微气泡的形式被释放出来，从而进行气浮处理工艺。本篇文章通过研究加压溶气工艺中最重要的设备―溶气罐，来更好的改进和提高加压溶气气浮的应用。

1影响溶气罐的因素

（1）压强

由公式（1）亨利定律可知吸收质在液相中的溶解度与其在气相中的平衡分压成正比[8]。因此溶气罐内的压强大小直接影响到最大溶气量的大小，压强越大则最大溶气量就越大。

（1）

其中：；

；

。

（2）温度

公式（1）中亨利系数E随温度的减小而增大，因此溶气罐内温度越低，则更多的空气溶于液体当中。

（3）单位接触面积和停留时间

空气从气相传递到液相，是传质的过程，也是扩散过程，其传质动力为气液界面两侧的浓度差[9]。由公式（2）得出单位体积的溶液，其与空气接触的表面积越大则溶气速率越高。

（1-10）

其中：空气在水中的溶解速率；

一定温度和气相分压条件下水中空气的溶解度（）；

空气在水中的含量（）；

单位体积下溶液的表面积（）；

气体迁移系数（）。

（4）停留时间

溶气罐内液体的溶气量随着停留时间的增加逐渐接近最大值，但溶气速率逐步降低。这是因为在特定温度和压强下溶液中的空气饱和溶解度与实际溶解度的差值在逐渐缩小，因此两相间的传质动力降低，所以单位时间内的溶气速率下降。

（5）水流状态

怀特曼（Whitman）与刘易斯（Lewis）提出了著名的“双膜理论”[10]来阐明空气如何从气相中转移至液相中。“双膜理论”认为在气相与液相接触面的两侧为层流状态的气膜和液膜，空气以分子状态从气相进到液相中时，主要的传质阻力集中在这两个膜上，尤其是液膜[11]。如公式（3）所示，液膜的厚度与空气的传递速率成反比，液膜越厚则溶气速率越慢[12]。

（3）

其中：空气的传递速率；

空气在液膜中扩散系数；

A 气相与液相接触面表面积；

液膜内空气的浓度梯度 。

2新型溶气罐的结构、工作原理及特点

（1）新型溶气罐结构

新型溶气罐采用双罐结构，外罐的高度为内罐的四分之一，如图1所示。溶气罐外罐上侧连接进水管，外罐体与内罐体通过旋流孔所完成水流的连通。旋流孔的开孔沿着内罐的罐壁呈一定角度斜向开孔。内罐的底部连接出水管。溶气罐的进气方式是由上端的空气管进入内罐上端，并在内罐形成上层高压空气柱。

（2）新型溶气罐工作原理

如图1所示，高压液体从外罐通过旋流孔进入到内罐。在受到了旋流孔的切割与引导后，将进入外罐的单股水流分成多股水流进入内罐，并在内罐壁上形成附壁螺旋流。与内罐中的高压气体充分接触后，形成高压溶气水，再从底部出水口进到气浮系统中，并产生大量微气泡进行水处理。

图1新型溶气罐工作原理图

（3）新型溶气罐特点

新型溶气罐中液体从外罐进入内罐时，将原本的单股水流分割成多股进水水流，并在内壁形成了附壁螺旋流来大幅增加气水接触面面积，提高溶气速率。新型溶气罐还通过附壁螺旋流来延长液体在溶气罐内的停留时间，使得液体溶入更多的气体。并且将单股水流分流成多股水流时水流的紊动程度会得到增强，从而大幅降低液膜厚度，提高溶气罐内液体的溶气速率。因此新型溶气罐通过增大气液接触面面积、延长液体停留时间和增加水流扰动降低液膜厚度三个方面来显著提高溶气罐的溶气效果。

3与传统溶气罐溶气效率对比

（1）试验方法

试验中采用相同容积的新型溶气罐和传统溶气罐在同等条件下进行对比试验。用市政自来水作为加压原水，不进行加药处理。实验时的流量控制为5.0L/min，溶气罐内部压力稳定在0.3Mpa。

（2）试验结果及分析

表1 溶气量测定结果

由表1中的结果可以看出，在相同条件下新型溶气罐的单位释气量达到11.0ml/L，比传统溶气罐8.2ml/L的单位释气量高34.1%。

新型溶气罐溶气量高于传统溶气罐的原因是：（1）将单股水流分成多股水流所形成附壁螺旋流后的旋转液面表面积将大幅增加，随着旋转液面的表面积增加，气液接触面面积也会增加，因此溶气效率相应的增加；（2）附壁螺旋流的流态将延长水流在溶气罐内的停留时间，可以让更多的空气溶于水中；（3）分流水流后使得单股水流的雷诺数值变大，加剧了水流的紊动而降低了液膜厚度，也就提高了溶气效率。

4与传统溶气罐对浊度去除效率对比

（1）试验方法

试验采用相同容积新型溶气罐和传统溶气罐处理不同浊度条件下的污水。原水浊度由低到高依次为：10NTU，30NTU，50NTU，100NTU、150NTU和200NTU。这6种条件下PAC的加药量分别为30mg/L、40mg/L、50mg/L、60mg/L、70mg/L和80mg/L。实验中的溶气罐内压力保持为0.3MPa，实验中采用全流加压溶气工艺，原水处理量为5.0L/min，出水流量控制为4.0L/min，弃废水流量为1.0L/min。实验在出水水质达到稳定后（约30分钟后）取样测定，记录其出水浊度作为实验结果。

（2）试验结果及分析

出水水质稳定后每隔5分钟取一次水样进行测试，共取3次，3次数值的平均值作为实验结果，实验结果如表2和图2所示。

表2 不同气浮工艺出水浊度表

图2三种溶气气浮法处理效果对比图

从表2和图2中可以看出，采用新型溶气罐与采用传统溶气罐的气浮工艺在低浊度10NTU和30NTU的条件下，出水水质比较接近。但当原水浊度达到至50NTU时采用新型溶气罐的气浮处理效果便优于采用传统溶气罐的气浮处理效果，且随着原水浊度的逐渐增加而更加明显。当浊度为50NTU时，采用新型溶气罐处理后的出水浊度为8.39NTU，而采用传统溶气罐处理的为11.4NTU，新型溶气罐的浊度去除率比传统溶气罐提高了5%。而当原水浊度达到200NTU时，新型溶气罐的出水浊度为29.7NTU，传统溶气罐的出水浊度为54.2NTU，新型溶气罐的浊度去除率比传统溶气罐高12%。

新型溶气罐和传统溶气罐在低浊度情况下处理效果十分相近，而高浊度的情况下采用新型溶气罐的处理效果较好。主要是因为新型溶气罐提高了溶气量后。低浊度水由于胶体颗粒较少，溶气量过剩，再增加溶气量不会提升处理效果。但是在中高浊度的情况下，由于溶液中胶体颗粒数量较多，所需要的溶气量相应增大，因此提高溶气量能增加与絮体接触的气泡，提高絮体上升效果，防止浮渣下沉。所以中高浊度条件下新型溶气气浮法的处理效果更好。

5结论与建议

试验结果表明新型溶气罐通过增加气液接触面面积，延长水力停留时间和增加扰动降低液膜厚度三个方面大幅提高了溶气罐的溶气效果，相比传统溶气罐可以提高溶气量30%以上。并在与传统溶气罐的浊度去除试验对比中，新型溶气罐可以改善高浊度水的去除效果，因此新型溶气气浮法能更好的拓展气浮工艺的适应性，改变气浮工艺不适合处理高浊度原水的现状。

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作者简介：钟晨，1987年出生，铁四院助理工程师