序言：本文通過(guò)理論和實(shí)驗(yàn)兩方面的分析提供一種在滿足污水處理懸浮物去除率的條件下如何科學(xué)合理的選取氣浮表面負(fù)荷的方法。

一概述

在給水排水處理工藝程序中，固、液分離技術(shù)及其設(shè)備是關(guān)鍵項(xiàng)目之一。氣浮設(shè)備主要應(yīng)用于所要分離的懸浮物質(zhì)的密度與水的密度相近，且懸浮物沉降性能較差的廢水設(shè)備。

二表面負(fù)荷概念的引入

DAF氣浮工藝的主要設(shè)計(jì)參數(shù)包括表面負(fù)荷、停留時(shí)間、回流比、溶氣壓力等。四種設(shè)計(jì)參數(shù)即有各自的表述含義，同時(shí)它們又相互影響互相作用共同起作用。

表面負(fù)荷又稱作上升流速，溢流速率，是指處理設(shè)備中每平方米水面通過(guò)(或處理)的流量。氣浮表面負(fù)荷的實(shí)質(zhì)為設(shè)備分離區(qū)內(nèi)水流的整體下降速度即為

（m3/m2.h）

表面負(fù)荷的大小直接影響到氣浮的處理效果和設(shè)備的選型設(shè)計(jì)。針對(duì)不同廢水和不同的處理?xiàng)l件，表面負(fù)荷沒(méi)有固定的數(shù)值可供選取，確定合理的表面負(fù)荷對(duì)于氣浮設(shè)備應(yīng)用起著關(guān)鍵性的作用。表面負(fù)荷大則意味著選取的設(shè)備表面積小，設(shè)備體積小投資小。表面負(fù)荷小則相反。

在各種給排水參考書中，在引入表面負(fù)荷時(shí)都缺少一個(gè)重要的輔助評(píng)定參數(shù)來(lái)評(píng)價(jià)選取值的合理性。本文選取了廢水處理中懸浮物的去除率為重要的輔助評(píng)定參數(shù)。（另外還有廢水處理的費(fèi)效比即經(jīng)濟(jì)性等評(píng)定參數(shù)，此項(xiàng)評(píng)定參數(shù)現(xiàn)不在本文的討論范圍內(nèi)）不同水質(zhì)中的懸浮物在污水處理工程的各個(gè)階段的去除率要求也不相同。有的水質(zhì)中的懸浮物適于氣浮去除。所以懸浮物的去除率也高，有的則相反。對(duì)于同一種處理廢水，表面負(fù)荷的大小也對(duì)應(yīng)著不同的懸浮物的驅(qū)除率。在其他條件相對(duì)固定的情況下，小的表面負(fù)荷一定對(duì)應(yīng)著高的懸浮物去除率，高的表面負(fù)荷則相反。這是本文選取表面負(fù)荷的重要依據(jù)。表面負(fù)荷大小的選擇也直接關(guān)系到出水水質(zhì)。氣浮分離區(qū)的表面負(fù)荷越大，即在同樣分離面積下，通過(guò)的流量越多，分離區(qū)水流的穩(wěn)定狀態(tài)越差；絮體上浮的速度越慢，分離的效果越差，出水不清，出水標(biāo)準(zhǔn)越低。

在水處理工程中為了達(dá)到對(duì)應(yīng)著的污水懸浮物的去除率則必須選取合適大小的表面負(fù)荷來(lái)保證。懸浮物的去除率是污水處理工程對(duì)氣浮設(shè)備的基本要求，也是業(yè)主對(duì)所購(gòu)買設(shè)備基本要求。選取表面負(fù)荷大小的重要評(píng)定標(biāo)準(zhǔn)是懸浮物的去除率。

在一些參考書上對(duì)表面負(fù)荷只有一些數(shù)值范圍如3-20m3/m2.h，但沒(méi)有提供可操作的方法讓我們?cè)诰唧w的工程實(shí)踐中，在滿足污水懸浮物的去除率的前提下如何方便科學(xué)選取。

本文通過(guò)理論和實(shí)驗(yàn)兩方面的分析提供一種在滿足懸浮物去除率的條件下科學(xué)合理的選取氣浮的表面負(fù)荷的方法。

三 表面負(fù)荷選取的理論依據(jù)

l 粘有氣泡的顆粒上浮的三個(gè)階段

沾有氣泡的顆粒上浮在水深一定的情況下隨時(shí)間的變化分為以下三個(gè)階段：（見(jiàn)下圖）（三階段理論是根據(jù)生產(chǎn)實(shí)踐觀察而來(lái)）

2 第一階段  顆粒的自由上浮+部分顆粒邊絮凝邊上浮。這部分以自由上浮為主，邊絮凝邊上浮為輔。這一階段顆粒絮體存在的空間較大，顆粒間距離較大。顆粒上浮滿足單顆粒的克里斯托夫公式，上浮速度較快。這一階段的上浮時(shí)間較短。

2 第二階段 顆粒擁擠上浮。這一階段以邊絮凝邊上浮為主，自由上浮為輔。這一階段顆粒間距離較小，顆粒之間互相牽制非常強(qiáng)。顆粒上浮速度變慢。整個(gè)水體中泥水界面清晰明了，呈現(xiàn)泥水界面整體上升壯觀景象。但這一階段污泥含水率還較高，不能滿足正常浮渣去除的要求。這一階段上浮時(shí)間較長(zhǎng)。

2 第三階段 高濃度壓縮上浮階段。在這一階段絮體間大量的游離水逐漸被擠壓出來(lái)，雖著時(shí)間的推移浮渣變得越來(lái)越干。上浮速度最慢，顆粒間距離非常小，這個(gè)階段上浮時(shí)間最長(zhǎng)。在這個(gè)階段我們可以去除浮渣了。

                        絮體上浮的三階段理論曲線

綜上所訴顆粒上浮的三階段的理論：第一個(gè)階段顆粒的上浮速度最快 ，其次為第二階段，第三個(gè)階段上浮速度最慢。從三個(gè)階段的浮渣含水率來(lái)看，第一個(gè)階段浮渣收集時(shí)含水率最高，最后一個(gè)階段浮渣含水率最低。從上面圖也可以看出若在第一個(gè)階段收集處理后的清水則可能因?yàn)榍逅畢^(qū)較小會(huì)把懸浮物也帶走，收集的浮渣含水率也高不能滿足工程需要。只有在最后一個(gè)階段，清水區(qū)域最大，浮渣區(qū)域最小，浮渣在該階段被壓縮，浮渣含水率最低。清水區(qū)域中的懸浮物最少，設(shè)備此時(shí)發(fā)揮的效率最高。此時(shí)無(wú)論收集清水還是收集浮渣都是非常合適的。由上面分析可以得到以下結(jié)論：

2 在恒定水深的情況下，保證一定的上浮時(shí)間是必須的。只有這樣才能保證收集清水收集浮渣在顆粒上浮的第三階段。

2 三個(gè)階段的上浮速度均不相同，用任何一個(gè)階段的速度都無(wú)法完整表述整個(gè)浮渣的上浮過(guò)程。所以我們導(dǎo)入平均上浮速度的概念既用一定水深之值處以三個(gè)階段的時(shí)間和。

     （平均上浮速度）=（1）

由（1）的公式可以看出，在恒定水深的大前提下（回流比、溶氣壓力，廢水水質(zhì)，加藥量等各種因素均相同的情況下），只要掌握住三個(gè)階段的時(shí)間和，就可以輕松求出絮體的上浮的平均速度。

2 水的溫度、流態(tài)。靜止的水流為理想的上浮狀態(tài)，所以分離區(qū)的流態(tài)設(shè)計(jì)為層流，使絮體有一個(gè)較穩(wěn)定的上升空間，也是我們氣浮設(shè)計(jì)最重要的工作之一。

2 影響的主要因素

污水中的粘附氣泡的絮體的比重和大小是氣浮上浮速度的重要影響因素。

由粘附氣泡的絮粒在水中上浮時(shí)受力分析可知，在宏觀上將受到重力G浮力F等外力的影響。帶氣絮粒上浮時(shí)的速度根據(jù)牛頓第二定律可導(dǎo)出在層流區(qū)（Re<1）絮體的上浮速度為： （單體顆粒的上浮速度）

 （2）

V上——帶氣絮體的上浮速度

g ——9.8m/s2

ρ水 ——水的密度

ρ絮 ——帶氣絮體的密度

d2 ——帶氣絮粒的直徑（或特征直徑）

u ——水的動(dòng)力黏度

由上面的公式可以得出影響的主要因素

2 水與帶氣絮粒之間的密度差也是重要的影響因素，我們?cè)诠こ讨谐Ｕf(shuō)的需要上浮的絮體密度必須小于或等于水的密度其理論依據(jù)在此。

2 反應(yīng)池產(chǎn)生絮體的大小是氣浮的上浮速度的最重要影響因素之一。既夾氣絮粒的直徑（或特征直徑）。如果夾氣絮粒中氣泡所占比例越大則夾氣絮粒的密度就越?。黄涮卣髦睆絼t相應(yīng)增大，兩者的這種變化可使上浮速度大大提高。實(shí)際水流中；帶氣絮粒大小不一，引起的阻力也不斷變化，從而上浮速度也在不斷變化上。

沾氣泡的絮體在水流中的分析圖

由分析圖看出粘氣泡的絮體在水流中的綜合上浮速度是絮體自身的上浮速度和液面的整體下降速度之差造成的。

（3）

我們知道沾氣泡的絮體在水流中的綜合上浮速度為必須滿足以下條件時(shí)絮體才能上浮，而不被出水水流帶走。

時(shí)，（絮體上浮的必要條件）（4）

結(jié)論：表面負(fù)荷（即分離區(qū)液面的下降速度）其最小值等于                                                                

由上面的公式（4）分析可以推導(dǎo)本文最重要的公式 ：

           （5）

即液面的下降速度小于（或等于）絮體平均上浮速度的情況下，浮渣才能保證肯定是上浮的。氣浮才能正常工作。所以確定絮體的平均上浮速度是確定氣浮表面負(fù)荷的關(guān)鍵。想準(zhǔn)確經(jīng)濟(jì)設(shè)計(jì)表面負(fù)荷，必須準(zhǔn)確經(jīng)濟(jì)測(cè)定絮體的平均上浮速度。在表面負(fù)荷概念的引入中提到選取表面負(fù)荷大小的唯一評(píng)定標(biāo)準(zhǔn)是懸浮物的去除率。依次類推懸浮物的去除率是選取絮體平均上浮速度的唯一的評(píng)定標(biāo)準(zhǔn)。

由公式（5）可以推導(dǎo)如下重要結(jié)論：表面負(fù)荷選取小于或等于絮體的平均上浮速度。

（6）

公式（6）是我們下面設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)表格的理論基礎(chǔ)。

去除率指除掉的懸浮物量占總懸浮物量的比值。是污水處理工藝流程中對(duì)設(shè)備的基本要求。

對(duì)總懸浮物的組份按絮體尺寸大小分，大，中 ，小，極小等多種類顆?；旌辖M成。各種直徑顆粒占總懸浮物的比值隨污水種類的不同差異較大。有的污水中大顆粒多，有的小顆粒多，有的則是兩者之間的比例大。由上面三階段理論可以看出，大的顆粒上升速度快可以最早被去除，小顆粒則因上升慢則最后被去除。假如表面負(fù)荷參照大顆粒的上升速度來(lái)選取則小顆粒就無(wú)法被去除而隨清水排放了。相反情況，表面負(fù)荷參照小顆粒的上升速度來(lái)選取則比這小顆粒大的所有顆粒一定會(huì)被去除，此時(shí)的懸浮物的去除率是較高的。大顆粒上升快，小顆粒則相反。表面負(fù)荷的大小和大，小顆粒的上浮速度成正比和去除率成反比。

污水去除率的概念可以按顆粒去除率來(lái)考慮。一般情況下，在小的污水去除率的情況下去除的浮渣中大顆粒的懸浮物占總的比例較高。而相反的情況是浮渣中大顆粒的懸浮物占總的比例較低 。下面介紹用的方法。

四 實(shí)驗(yàn)方法選取表面負(fù)荷

在實(shí)際工程應(yīng)用中，測(cè)定單顆絮體顆粒的上浮速度是不現(xiàn)實(shí)的，也無(wú)法操作。（在實(shí)驗(yàn)室中，有特定的測(cè)試手段才能操作）這是因?yàn)槲鬯袘腋∥锏念w粒大小不一，形狀也千差萬(wàn)別。而且在絮體上浮的三階段中每個(gè)階段的上浮速度均不相同。在理論分析中導(dǎo)入平均上浮速度的概念。用在一定去除率的前提下測(cè)定群體顆粒的平均上浮速度的方法來(lái)選取合理的表面負(fù)荷。下面用圖表來(lái)直觀選取合理的表面負(fù)荷。

l 表面負(fù)荷選取的實(shí)驗(yàn)裝置

了解浮渣上浮的原理后，在工程實(shí)踐中通過(guò)以下的方法來(lái)確定氣浮的表面負(fù)荷。見(jiàn)表面負(fù)荷實(shí)驗(yàn)裝置如：

該實(shí)驗(yàn)裝置為水深為500MM的筒體，其中上半部分200MM為浮渣層，下半部分為取水樣層。實(shí)驗(yàn)按下面的步驟和方法來(lái)操作；

2 確定廢水的性質(zhì)，進(jìn)水SS值和出水要求SS值

2 溶氣水回流比的確定：根據(jù)廢水性質(zhì)為30-200%； 溶氣壓力范圍為200～600kPa； 

2 溶氣水的制作：采用標(biāo)準(zhǔn)溶氣系統(tǒng)產(chǎn)生合格的溶氣水；

2 污水的制作：根據(jù)污水的性質(zhì)，選擇合適的藥劑及濃度充分混合反應(yīng)，以絮體的大小500-1000um為標(biāo)準(zhǔn)。(絮體反應(yīng)時(shí)間控制在5分鐘，藥劑和污水的混合強(qiáng)度為G=500-750  1/S，污水絮體的絮凝反應(yīng)強(qiáng)度為G=70-120 1/S)

2 污水和溶氣水混合進(jìn)入實(shí)驗(yàn)裝置，如圖所示，每進(jìn)入一次取一次水樣檢測(cè)水樣中剩余懸浮物的濃度C1-6（數(shù)字為實(shí)驗(yàn)次數(shù)的標(biāo)記））原水濃度設(shè)定為C0；

2 填制下列實(shí)驗(yàn)表格：

表面負(fù)荷的實(shí)驗(yàn)測(cè)定表格

    由上面的表格可以看出，由污水中懸浮物的去除率（%）能夠一一對(duì)應(yīng)能去除的懸浮顆粒的平均上浮速度V，和表面負(fù)荷三者之間的關(guān)系是在一個(gè)實(shí)驗(yàn)裝置內(nèi)完成。三者之間存在內(nèi)在統(tǒng)一和聯(lián)系。三者之間在這個(gè)實(shí)驗(yàn)中是一個(gè)完整的統(tǒng)一體。該實(shí)驗(yàn)裝置可以很全面的反應(yīng)污水的上浮性能，懸浮物的驅(qū)除率，為氣浮表面負(fù)荷的選取提供合適的方法。

五 表面負(fù)荷選取的應(yīng)用實(shí)例

用氣浮來(lái)處理印染廢水需要解決兩方面的問(wèn)題，一是：印染廢水出現(xiàn)泡沫嚴(yán)重影響氣浮的使用，在設(shè)計(jì)表面負(fù)荷時(shí)必須考慮泡沫的影響。二是表面負(fù)荷要精心實(shí)驗(yàn)，精心設(shè)計(jì)。第一個(gè)泡沫問(wèn)題不在本文的考慮之列。第二個(gè)精心設(shè)計(jì)表面負(fù)荷的實(shí)驗(yàn)，實(shí)驗(yàn)?zāi)康臑樵谶M(jìn)水懸浮物含量為600mg/l時(shí),要求SS的去除率在90%以上的表面負(fù)荷。

l 在印染廢水表面負(fù)荷的實(shí)驗(yàn)之前，需確定如下的前提條件。

l 回流泵前接河水，或自來(lái)水。解決活性劑對(duì)溶氣系統(tǒng)的影響。

l 改進(jìn)溶氣系統(tǒng)，改用水力紊動(dòng)程度小的溶氣系統(tǒng)。

l 溶氣水工作壓力為2.4-2.6KG/CM。

l 建議堿減量污水和含有去油靈的污水單獨(dú)建池儲(chǔ)存，單獨(dú)處理和單獨(dú)排放，不要進(jìn)調(diào)節(jié)池。若進(jìn)也是一點(diǎn)一點(diǎn)加入到污水中去，不可突然大量排放。

l 溶氣水的回流比為50%。

l 藥品采用硫酸亞鐵，PAM。

l 進(jìn)水懸浮物含量為600mg/l,要求SS的去除率在90%以上。

在現(xiàn)場(chǎng)采用廢水，用實(shí)驗(yàn)裝置測(cè)定表面負(fù)荷的數(shù)據(jù)如下表格

印染廢水表面負(fù)荷的實(shí)驗(yàn)測(cè)定數(shù)據(jù)表格

 由上面試驗(yàn)可以看出在進(jìn)水懸浮物含量為600mg/l時(shí),要求SS的去除率在90%以上的表面負(fù)荷載在3.6以下。該負(fù)荷和書本上的一般設(shè)計(jì)參數(shù)相比偏低。主要原因如下：、

l 泡沫影響氣浮的上升的速度，影響絮體之間的粘附，并大，造成表面負(fù)荷偏低。

l 廢水中COD值在1500以上，其值偏高，在加藥絮凝后，也有部分COD析出加入到SS之中，造成氣浮載荷偏大。

確定表面負(fù)荷q=4M/H ，根據(jù)處理量Q，可以確定氣浮分離區(qū)的表面積A

                 （6）

六 結(jié)論：

1. 由于廢水種類繁多，即使是同類型的廢水，其水質(zhì)變化也很大。通常的書本上設(shè)計(jì)參數(shù)也只是經(jīng)驗(yàn)統(tǒng)計(jì)值。因此可靠的辦法最好采用實(shí)驗(yàn)室或現(xiàn)場(chǎng)小型試驗(yàn)取得的結(jié)果作為設(shè)計(jì)依據(jù)。 

2. 原水中懸浮物的濃度為C0，根據(jù)處理水質(zhì)要求的污水中懸浮物的去除率，按照表格選取相應(yīng)的氣浮表面負(fù)荷Q，可以查到在2-6分鐘里，污水中能夠去除的群體懸浮顆粒的平均上浮速度V，污水中群體懸浮顆粒上升速度只要大于的平均上浮速度V，都可以被氣浮去除。

3. 停留時(shí)間、表明負(fù)荷、溶氣水回流比、藥劑種類及濃度、氣溫、流態(tài)等因素對(duì)氣浮效果都存在大大小小的影響，各種因素之間是相互影響相互作用的成為一個(gè)有機(jī)整體。當(dāng)條件發(fā)生大的變化時(shí)，需重新進(jìn)行實(shí)驗(yàn)以確定合理的表面負(fù)荷參數(shù)。

4. 實(shí)際應(yīng)用中，我們?cè)诔浞挚紤]到投資與處理效果的情況下，通常取表面負(fù)荷在3～9之間的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行設(shè)備的選型和設(shè)計(jì)。