气浮

《环工综合实验（1）》

（溶气气浮实验）

实验报告

专业环境工程

班级卓越环工1101

姓名周亦圆

指导教师余阳

成绩

东华大学环境科学与工程学院实验中心

二0一三年十一月

实验题目溶气气浮实验实验类别综合

实验室1141 实验时间2013年11月28日18 时~21:20时

实验环境温度: 湿度: 同组人数8 本实验报告由我独立完成，绝无抄袭！承诺人签名

一、实验目的

1、了解加压溶气系统和设备各部分的组成、运行过程、操作和控制要点、溶气水释放的表现特征以及浮渣的形成。

2、加深对悬浮颗粒浓度、操作压力与澄清效果间关系的理解。

二、实验仪器及设备

1、气浮装置(由蓄水池、进水泵、气浮池、清水池、溶气加压泵、溶气罐、溶气释放器、流量计等组成)。

2、锥形瓶250mL、漏斗75mmD、100mL量筒各11个；定性滤纸一盒；快速水分测定仪；烧杯若干等。

三、实验原理

1、气浮净水方法目前环境工程和排水工程中日益广泛应用的一种水处理方法。

该法主要用于处理水中相对密度小于或接近于1的悬浮杂质，如乳化油、羊毛脂、纤维以及其他各种有机或无机的悬浮絮体等。因此气浮法在自来水厂、城市污水处理厂以及炼油厂、食品加工厂、造纸厂、毛纺厂、印染厂、化工厂等的水处理中都有应用。气浮法具有处理效果好、周期短、占地面积小以及处理后的浮渣中固体物质含量较高等优点；但也存在设备多、操作复杂、动力消耗大的缺点。2、气浮法就是使空气以微小气泡的形式出现于水中并慢慢自下而上地上升，在上升过程中，气泡与水中污染物接触，并把污染物黏附于气泡上（或气泡附于污染物上），从而形成密度小于水的气水结合物浮升到水面，使污染物质从水中分离出去。

3、产生密度小于水气、水结合物的主要条件如下：

（1）水中污染物质具有足够的憎水性;

（2）加入水中的空气所形成气泡直径不宜大于70μm;

（3）气泡与水中污染物质应有足够的接触时间。

4、气浮法按水中气泡产生的方法分为布气气浮、溶气气浮和电气气浮几种。由于布气气浮一般气浮直径较大、气浮效果较差，而电气浮气泡直径虽不大但耗电较多，因此目前应用气浮法的工程中，以加压溶气气浮法最多。

5、加压溶气气浮法就是使空气在一定压力的作用下溶解于水，并达到饱和状态，然后使加压水表面压力突然减到常压，此时溶解于水中的空气便以微小气泡的形式从水中逸出来。这样产生了供气浮用的合格的微小气泡

6、影响加压溶气气浮的因素很多，如空气在水中溶解量、气泡直径的大小、气浮时间、水质、药剂种类与加药量、表面活性物质种类、数量等。因此，采用气浮法进行水质处理时，常需通过实验测定一些有关的设计运行参数。

思考题：

1、采用氯化铁作为混凝气浮的混凝剂可行吗？染色废水混凝气浮选用的混凝剂有何讲究？

答：可行。三氯化铁为褐色晶体，极易溶解，Fe3+ 在水溶液中以水合离子Fe(H2O)63+的形态存在，当溶液的PH值增大，水合铁离子会发生配位水分子的离解，即水解反应生成各种羟基铁离子。形成的絮凝体较紧密，易沉淀。

目前国内用于印染废水的无机混凝剂有硫酸亚铁、氯化铁、聚合硫酸铁、硫酸铝、氯化铝、碱式氯化铝（PAC）、含镁脱色剂、Fenton试剂、改性膨润土等。其中以铁盐、镁盐、铝盐以及硅、钙元素的化合物为主。印染废水种类繁多，混凝剂应结合具体废水的性质,如染料品种、色度、废水pH值等,选择合适的混凝剂进行混凝气浮。以下是几种不同混凝剂的适用废水种类。

①铝系混凝剂：PAC对深蓝色印染废水的处理效果较好，对红色废水（低浓度）的处理效果比较差。碱式氯化铝处理酸性染料、分散性染料及直接染料的印染废水的效果较好。且当PH值大于4时，适用铝系混凝剂更有利于吸附印染废水中悬浮的胶体杂质。

②铁系混凝剂：铁盐混凝剂其混凝作用机理与铝盐相似。但铁较铝有更强的亲OH—能力，因此，水解的速度远远快于铝盐，铁盐中Fe3+对非水溶性染料在.PH 值5~11的范围内色度去除率高。硫酸亚铁辅以适当的助凝剂，对不溶性染料和大部分水溶性染料均有较好的脱色效果。

③镁及其它混凝剂：镁盐和碱生成带正电荷的氢氧化镁沉淀，强烈吸附带负电荷的阴离子染料而使染料废水得以脱色。尤其对含磺酸基团的水溶性染料具有良好的处理效果。镁盐在一定的PH溶液中发生水解反应，生成各种羟基络合物。在高PH值（10.4~12.4）时，经水解反应生成具有聚合作用的物质氢氧化镁胶体；在低PH值时，Mg2+，MgOH+可在多种表面上发生专属吸附作用。

④复合混凝剂：除了铁盐、镁盐、铝盐无机混凝剂外，还有高效复合混凝剂，它对水溶性染料废水脱色效果良好。聚硅酸盐是一类新型无机高分子混凝剂，把铝盐或铁盐引入到聚硅酸中制成混凝剂可预先羟基化聚合后再混合，也可先混合再聚合，这类混凝剂具有聚硅酸和聚铝或聚铁的优点，混凝脱稳性能远超过单独的聚硅酸或聚金属离子，同聚硅酸相比，不但提高了稳定性，且增加了电中和

能力，同聚金属离子相比，则增强了黏结架桥效能。

现介绍几种混凝剂及其使用条件：

（1）硫酸铝

①有固、液两种形态，一般使用固态硫酸铝。

②根据其中不溶于水的物质的含量，可分为精制和粗制两种

③精制硫酸铝含有不同数量的结晶水，常用的是Al2(SO4)3·18H2O ，含无水硫酸铝50%～52%，含Al2O3约15%，密度1.62，外观为白色结晶体

④粗制硫酸铝中有效氧化铝含量基本与精制相同，主要是不溶于水的物质含量高，废渣较多， 价格较低，但质量不稳定，且因不溶于水的杂质含量高，酸度较高，腐蚀性较强，溶解与投加设备需考虑防腐。

适用条件

硫酸铝适用于水温为20～40℃，pH=4～8的水质条件，当pH=4～7时，主要去除水中有机物，pH=5.7～7.8时，主要去除水中悬浮物，pH=6.4～7.8时，主要处理浊度高，色度低（小于30度）的水

优缺点

硫酸铝使用方便，混凝效果较好，不会给处理后的水质带来不良影响。但是当水温低时水解困难，形成的絮体较松散。

（2）聚合氯化铝（PAC ）

聚合氯化铝又名碱式氯化铝或羟基氯化铝，是一种无机高分子混凝剂。它是以铝灰或含铝矿物作为原料，采用酸溶或碱溶法加工而成，其中含氧化铝(Al2O3)10％以上，不溶物<1％，其化学式为[Al2(OH)nC16-n]m ，其中n ＝1～5，m ≤10，是m 个A12(OH)nCl6-n （羟基氯化铝）单体的聚合物。

100%3l

A OH ?=n n

B 聚合氯化铝可看成是AlCl3在一定的条件下经水解、聚合逐步转化成Al(OH)3沉淀物过程中的各种中间产物。

聚合氯化铝作为混凝剂处理废水的特点：

①对污染严重或低浊度、高浊度、高色度的原水都可达到较好的混凝效果； ②温度适应性好，pH 值适用范围宽，可在pH=5～9之间使用；

③矾花形成快，颗粒大而重，沉淀性能好，投药量—般比硫酸铝低；

④其碱化度比其他铝盐、铁盐高，因此药液对设备的侵蚀作用小，且处理后水的pH值和碱度下降较小。

（3）三氯化铁

①三氯化铁（FeCl3·6H2O）是一种常用的混凝剂，是黑褐色的结晶体，有强烈吸水性，极易溶于水。

②和铝盐相似，在一定的条件下，Fe3+通过水解、聚合可形成多种成分的配合物或聚合物，如单核组分Fe(OH)2+、 Fe(OH)2+及多核组分Fe2(OH)24+、Fe3(OH)45+等，以至Fe(OH)3沉淀物。其混凝机理亦与硫酸铝相似。

优缺点：

①形成的矾花比重大，易沉降，在低温、低浊时仍有较好效果，适宜的pH 值范围也较宽。

②溶液具有强腐蚀性，处理后的水的色度比用铝盐高。

（4）聚合硫酸铁（PFS）

①聚合硫酸铁的化学式为[Fe2(OH)n(SO4)3-n/2]m，英文缩写为PFS。

②它与聚合铝盐都是具有一定碱化度的无机高分子聚合物，且作用机理也颇为相似。适宜水温10～50℃，pH 5.0～8.5，但在pH 4~11的范围内均可使用。

优点

与普通铁盐相比，它具有投加剂量小，絮体生成快，对水质的适应范围广以及水解时消耗水中碱度少等一系列优点，因而在废水处理中的应用越来越广泛。（5）有机高分子混凝剂

①高分子混凝剂分为人工合成和天然两类，常用的是人工合成的混凝剂。

②高分子混凝剂一般都是线型高分子聚合物，它们的分子呈链状，并由很多链节组成，每一链节为一化学单体，各单体以共价键结合。

③聚合物的分子量是各单体的分子量的总和，一个聚合物分子中单体的总数称聚合度。

④高分子混凝剂溶于水中，将生成大量的线型高分子，当高分子聚合物的单体含有可离解官能基团时，沿链状分子长度就会有大量可离解基团，基团离解即形成高聚物离子。

这里介绍一种高分子混凝剂：聚丙烯酰胺（PAM）

①聚丙烯酰胺（PAM）是一种最重要的和使用最多的高分子混凝剂，也称为三号絮凝剂

②当原水浊度低时，宜先投加其它凝混剂，后投聚丙烯酰胺(相隔半分钟为宜)，使杂质颗粒先行脱稳到一定程度，为聚丙烯酰胺大离子的絮凝作用创造有利条件

③当原水浊度较高时，宜先投聚丙烯酰胺，后投其它混凝剂，让聚丙烯酰胺先在较高浊度水中充分发挥作用，吸附一部分胶粒，使浊度有所降低，其余胶粒由其它混凝剂脱稳，再由聚丙烯酰胺吸附，这样可降低其它混凝剂的剂量。

④聚丙烯酰胺是由丙烯酰胺聚合而成，其中还剩有少量未聚合的丙烯酰胺单体。这种单体是有毒的，故产品中的单体残留量应严格控制。有的国家规定混凝剂中单体丙烯酰胺的含量须在0.2％以下；有的国家规定不得超过0.05％。

2、压力溶气气浮法是目前国内外最常采用的方法，可选择的基本流程有全流程溶气气浮法、部分溶气气浮法和部分回流溶气气浮法三种。这三种气浮方法有什么区别，你认为哪种气浮方法最好？

答：（1）全流程溶气气浮法流程是使全部经混凝后的废水全部经溶气罐加压溶气,将全部废水进行加压溶气，再经过减压装置释放进入气浮池进行固液分离分离。与其他两个流程相比，其电耗高，但因不另加溶气水，所以气浮池容积小(流程见图如下)。

（2)部分溶气气浮法流程是将一部分已经混凝的废水进行加压溶气,然后使之经释放器释放,并与待处典单城水混合而实现气浮。此流程可缩小气浮系统的装置

及降低动力费用，但易打碎絮体而影响净水效果,且控制也此困难（流程简图如下）。

（3）部分回流溶气气浮法是指用水泵将部分气浮出水提升到溶气罐，加压到0.3~0.55MPa，同时注入压缩空气使之过饱和，然后瞬间减压，原来容积在水中的空气骤然释放，产生出大量的微细气泡，从而使被除去物质与微细气泡结合在一起。其特点为：①在加压条件下，空气的溶解度大，供气浮用的气泡数量多，能保证气浮的效果。②溶入水中的气体经急骤减压后，可以释放出大量的尺寸微细、粒度均匀、密集稳定的微气泡。微气泡集群上浮过程稳定，对水流的扰动较小，可以确保气浮效果，特别适用于细小颗粒和疏松絮体的固液分离过程。③工艺流程及设备比较简单，管理维修方便，处理效果稳定，并且节能效果显著。④加压气浮产生的微气泡可以直接参与凝聚并和微絮粒一起共聚长大，因此可以节约混凝剂的用量（流程简图如下）。

我认为部分回流溶气气浮法最好。此法是取一部分出水回流进行加压和溶气，减压后直接进入气浮池，与来自絮凝池的含油废水混合和气浮。回流量一般为含油废水的25%-100%。其特点为：①加压的水量少，动力消耗少；②气浮过程中不促进乳化；③矾花形成好，出水中絮凝也少；④气浮池

的容积较前两种流程大。为了提高气浮的处理效果，往往向废水中加入混凝剂或气浮剂，投加量因水质不同而异。

四、实验步骤

（一）

1.配置50ppm分散大红溶液12升，每隔2分钟加入10%硫酸铝溶液5ml，并缓慢搅拌，直至产生矾花，配置成混凝水，并测定混凝水的SS，以确定后续实验气固比。

2.向4根分离柱分别注入880mm（气浮柱）、990mm （气浮柱）、1056mm （气浮柱）、1320mm高度（沉淀柱）的混凝水，并静置5分钟，使得分离柱中的混凝水矾花重新凝结。

3.打开三根气浮分离柱阀门，分别向气浮柱缓慢注入加压溶气水，各柱注入量到终线1320mm刻度止。

4.10分钟后记录各分离柱浮渣或沉渣高度。

5.将各分离柱的浮渣或沉渣放出，测含固率（渣干重与渣体积的比值）。

（二）确定溶气释气量

1.调节调节瓶使得密闭大细口瓶内加满自来水，并加满后调节三通塞赶走计量管中的空气。

2.调节三通旋塞，密闭大细口瓶与外界空气隔绝，倒去量筒中水后通入1升压力溶气水。

3.调节三通旋塞，使得大密闭细口瓶与调节瓶联通，密闭大细口瓶中的空气进入到计量管中，使得调节瓶水位与计量管水位相平，读出1升溶气水释放出的空气体积。

实验注意事项

(1)溶气水释放量速度应该适量，提高气浮效果。

五、实验记录及原始数据

（1）混凝水SS的测定

溶液体积/mL

空白滤纸重量/g实验结束后滤纸

总重量/g

数据0.505 0.513 100

表1

（2）浮渣体积的测定

体积/mL 880 990 1050

高度/mm 32.0 23.0 31.0

表2

（2）浮渣干重的测定

浮渣重量/g

体积滤纸重量/g 实验结束后滤纸

总重量/g

1056 0.513 0.635 0.122

990 0.494 0.623 0.129

880 0.492 0.609 0.117

表3

(4) 1L溶气水的释气量为79.5mL，空气密度为1.29g/L、分离柱的直径为5cm。

六、数据处理及结论

（1）混凝水SS的测定：

SS=0.008/100=0.08g/mL

(2)根据表2和表3可知：

880mL分离柱的含固率为：0.117/（π*2.52 *32）=1.86*10-4g/mL

990mL分离柱的含固率为：0.129/（π*2.52 *23）=2.86*10-4g/mL 1050mL分离柱的含固率为：0.122/（π*2.52 *31）=2.00*10-4g/mL

（3）1升溶气水释放出的空气体积：79.5mL

1000g水的释气量:0.103g

七、思考题

1、应用已掌握的知识分析你取得释气量测定结果的正确性，你有更好的测定溶气释气量的办法吗？请思考。

答：实验中释气量的测定才能在一定误差，实际释气量Vg是一定体积加压溶气水在实验现场气压条件下所释出的空气体积,可实测得出,单位为毫升;理论溶气量Vc是一定体积加压溶气水的饱和溶气量(理论值)与实验现场气压条件下的饱和溶气量(理论值)之差,根据亨利定律可由下式计算得出,单位为毫升:

Vc=k*p*W

式中: W为加压溶气水的体积,mL;p为绝对压力,单位为MPa;k为空气的温度溶解系数,随水温变化而变化,其值由参考文献[]提供的数据经计算列入表1[6].

表1 各温度条件下的空气溶解系数

水温

（。C)

0 10 20 30 40 50

K值0.038 0.029 0.024 0.021 0.018 0.015

所以理论值为Vg=0.025*3.5*1.29=0.112875g

2、电解凝聚气浮废水处理发明已久，但并未大量推广使用，与加压溶气气浮相比，其有何优缺点？请分析说明。

答：电解凝聚气浮废水处理的原理是废水一般含有多种成分的电解质溶液,具有一定的导电性。在外加电流情况下,废水的化学成分,不溶性杂质的性质和状态,将随着发生变化。在外加电压的作用下“牺牲阳极”产生的胶体絮凝剂(如Al3+、Fe3+)，使废水中的胶体有机粒子、微细固体悬浮物产生的絮凝作用形成絮团。借助于电化学反应在阳极产生的絮凝作用,以及金属离子的形式进入溶液中经过水解聚合作用,可产生多核羟基络合物及氢氧化物,作为絮凝剂对水中悬浮物及胶

体进行絮凝处理。也通过阴极、阳极产生的H

2、O

2

等微小气泡产生的气浮作用除

去,使废水中的CODcr、悬浮物等有效降低,从而达到废水净化。其主要应用为：（1）电凝聚气浮在含油废水处理中的应用

水环境中石油类污染主要来自采油,石油化工、焦化、冶炼等行业,石油类碳氢化合物等浮于水体表面影响空气与水体界面交换,导致水体缺氧,破坏水中生态平

衡,而油类的氧化作用又将加速水体的恶化。因此,含油废水的处理对于保护水资源、维持生态平衡和促进经济发展都有重要的意义。

曹福等提出应用电凝聚法处理轧钢产生的含油乳化液的有关工艺。研究表明,当pH为6,电流密度为4mA/cm2,电解时间为40min,投盐质量浓度为1. 25g/,l 极板间距为1cm的条件下, CODcr的去除率达到99. 5%。另外徐科等采用电凝聚气浮技术处理炼油厂废水,取得了很好的效果,他们认为电气浮利用电解分解作用和初生态的微小气泡的上浮作用,破坏乳化油并使油珠附着在气泡表面,而使其上浮去除。San- tos.MarcosR.G成功应用电化学方法处理含油废水, 采用Ti/Ru0. 34Ti0. 66O2电极电解含油废水,认为CODcr的去除主要有以下因素: 1)直接在电极表面上氧化油; 2)通过间接氧化含油废水产生平行反应; 3)电气浮产生的微小气泡浮上聚集悬浮油滴。当电流密度为100 mA /cm2,温度为50°C时, CODcr 最大去除率为57%。

（2）电凝聚气浮在印染废水中的应用

在纺织行业中,染色及加工成品阶段会产生大量的废水,该废水中的有机组分大多以芳烃及杂环化合物为母体,并带有显色基团(-N=N-、-N=O-)及极性基团(如-SO3Na、-OH)。电凝聚气浮法处理印染废水具有脱色率高,适应色谱范围较广等优点,经过该工艺处理,废水的多项指标均能达到排放标准。

杨岳平等研究了电凝聚气浮法处理毛纺染色废水的可行性及其处理效果,研究表明:电凝聚法对废水的色度和CODcr具有良好的去除效果,其去除率分别达到最高的98%和53%。丁忠浩等采用电凝聚法对高浓度印染废水进行处理,CODcr 的去除率达到90%以上。何晓莉等采用圆柱形的电解槽,这种设计将流体的传质与电凝聚气浮结合起来,可以高效分离悬浮物,絮体和废水在反应器底部充分混合,反应器内安装的刮板可定时清除极板上的絮团。并可连续运行,易实现自动化控制。有废水需要处理的单位，也可以到污水宝项目服务平台咨询具备类似污水处理经验的企业。

（3）电凝聚气浮在垃圾填埋场渗滤液的应用

垃圾渗滤液成分复杂,有机物浓度高,常规生物处理很难使其达标排放,是一种极难处理的废水,采用电凝聚工艺预处理垃圾渗滤液可以有效去除水中大分子有机物,减少后续处理工艺的负担。

高艳娇等研究了电凝聚法去除垃圾渗滤液中有机污染物的试验。在最佳条件下对垃圾渗滤液CODcr 的去除率可以达到65. 4%。并得出影响电凝聚处理效果的主要因素有极板材料,电解时间和电流强度。王刚等采用电凝聚法作为垃圾渗滤液前处理,且研究中采用槽底曝气装置,起到了搅拌和气浮的作用,当处理进水COD浓度为9399. 3mg/,l电流密度为1. 2A/ dm2,极板间距为10mm,处理时间为40min时, COD的去除率达到43. 3%,NH3-N的处理效率最高可达80. 1%。

（4）电凝聚气浮技术在造纸行业的应用

造纸工业的污染量为我国十大工业污染量之首, 因此,造纸废水中污染物的治理是人们十分关注和重视的问题,幸福堂等采用电凝聚法处理造纸中段废水水,探讨了影响CODcr去除率的各种因素,得出最佳工艺条件,研究表明:该法可使造纸中段废水的CODcr从1264mg/l降至112mg/,l CODcr去除率达到91. 7%. （5）电凝聚气浮在含磷废水中的应用

磷是地球系统中维系生命的主要元素之一,也是构成生物体并参与新陈代谢过程必不可少的元素。但水体中如果磷含量超过20mg/L,就会导致水体富营养化,造成藻类大量繁殖,藻体死亡后分解会使水体产生霉味和臭味,影响鱼类等水生生物的生存。张惠灵等采用电凝聚对含磷废水的处理结果表明:该技术有很好的除磷效果,并进行了动力学分析,得出电凝聚对磷的去除符合一级反应,确立了磷浓度与电解时间、除鳞单位耗能与电流密度之间的关系。

部分回流溶气气浮法是取一部分出水回流进行加压和溶气，减压后直接进入气浮池，与来自絮凝池的含油废水混合和气浮。回流量一般为含油废水的

25%-100%。其特点为：①加压的水量少，动力消耗少；②气浮过程中不促进乳化；③矾花形成好，出水中絮凝也少；④气浮池的容积较前两种流程大。为了提高气浮的处理效果，往往向废水中加入混凝剂或气浮剂，投加量因水质不同而异。

与加压溶气气浮相比，电解凝聚气浮废水处理的优点为：

①设备体积小,占地少②无二次污染③自动化程度高,污泥量少,后期处理简单等。④有较好的杀菌、消毒效果。

与加压溶气气浮相比，电解凝聚气浮废水处理的不足之处为：

①电极钝化：电凝聚过程中,当金属阳极工作一段时间以后,其表面会形成一层致密的、不溶性、导电性较差的氧化膜,它能够减弱或完全停止阳极金属的溶解,当电流强度较高时,电极钝化更为严重。

②成本问题：电解凝聚气浮的费用主要有设备投资费和运行费用。投资多为小型设备,投资不高,运行费用主要包

括:电费、盐耗、材耗和人工费,这是成本增加的主要因素,和其它处理工艺相比,该工艺主要存在电耗高、极板消耗快等不利因素[。