新型制漿造紙過程水處理系統(tǒng)
——VoxSton

Juhani Pylkkanen

(SansOx有限公司,芬蘭赫爾辛基,00260)

?

·過程水處理系統(tǒng)·

新型制漿造紙過程水處理系統(tǒng)
——VoxSton

Juhani Pylkkanen

(SansOx有限公司,芬蘭赫爾辛基,00260)

介紹了一種新型的制漿造紙過程水處理系統(tǒng)VoxSton, 該系統(tǒng)由2個(gè)離心分離器、1個(gè)螺旋分離器和2個(gè)渦流浮選單元組成。該過程水處理系統(tǒng)可以將污泥中的纖維等固形物分離,并將其壓縮至高達(dá)30%的固含量,對(duì)廢水進(jìn)行清潔處理后回收或排放。該處理系統(tǒng)在大多數(shù)情況下,可以直接在排污口對(duì)污泥進(jìn)行連續(xù)或每日間歇式處理,而不需要均衡和預(yù)沉淀處理。該過程水處理系統(tǒng)的目標(biāo)是循環(huán)利用工藝水,并盡可能地收集不同的可再利用成分。與現(xiàn)有的水處理系統(tǒng)相比,該過程水處理系統(tǒng)在節(jié)約能耗和占地面積的同時(shí),還可以節(jié)約50%左右的運(yùn)行成本,且投資成本更低。

工藝水；過程水處理系統(tǒng)；節(jié)能；節(jié)約成本

VoxSton系統(tǒng)是一種新型制漿造紙過程水處理系統(tǒng),由SansOx有限公司和Rannan Teollisuuskone Oy公司共同開發(fā),由2個(gè)SaoxFuge離心分離器、1個(gè)Milston螺旋分離器和2個(gè)VoxFlotation渦流浮選單元組成。VoxSton系統(tǒng)可從污泥中分離出纖維等固形物,并將其壓縮至高達(dá)30%的固含量,廢水經(jīng)清潔處理后可回用或外排。第一次試運(yùn)行就成功地將制漿造紙污泥進(jìn)行了階段性處理。

VoxSton系統(tǒng)首次成功地將制漿造紙污泥分階段處理。該系統(tǒng)的特點(diǎn)是可以直接在排污口對(duì)污泥進(jìn)行連續(xù)或每日間歇式處理,而不需要均衡和預(yù)沉淀處理。與現(xiàn)有的系統(tǒng)相比,VoxSton系統(tǒng)在節(jié)約能耗和占地面積的同時(shí),還可節(jié)約50%左右的運(yùn)行成本,且投資成本更低。

1 VoxSton系統(tǒng)介紹

新型制漿造紙過程水處理概念——VoxSton系統(tǒng)包含了以下幾個(gè)工段和設(shè)備：①SaoxFuge離心分離器(SaoxFuge Centrifugal Separator),通過一級(jí)或兩級(jí)篩板可使固形物含量從0.5%提高至5%。②Milston螺旋分離器(Milston Screw Separator),用于固形物分離,固形物含量高達(dá)30%。③VoxFlotation渦流浮選單元(VoxFlotation Vortex Flotation),用于絮凝、絮狀物的分離,并凈化SaoxFuge和Milston分離過程產(chǎn)生的水。

VoxSton系統(tǒng)的工藝流程如圖1所示。

圖1 VoxSton過程水處理系統(tǒng)流程圖

圖2 SaoxFuge DN100離心分離器

1.1 SaoxFuge離心分離器

SaoxFuge離心分離器結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、可靠,沒有移動(dòng)部件,分離過程連續(xù)、均勻。該分離器的分離效率取決于設(shè)備的離心力和基于液體黏度和液體間密度差的沉降效果。液流沿SaoxFuge管的螺旋路徑流動(dòng),并產(chǎn)生強(qiáng)大的離心力。離心加速度取決于液體流速和螺旋管曲率半徑,其離心加速度值高達(dá)1000g(g為重力加速度,g=9.81 m2/s)。液流在SaoxFuge離心管中可被加壓到1.0 MPa(10 bar),使流動(dòng)更順暢,達(dá)到合理的高流動(dòng)速度。SaoxFuge離心分離器結(jié)構(gòu)如圖2所示。

圖3 Milston HERO 1及其對(duì)制漿造紙污泥分離實(shí)驗(yàn)效果圖

1.2 Milston螺旋分離器

Milston螺旋分離器是一個(gè)結(jié)構(gòu)緊湊、高效的螺旋分離器,可處理各種污泥和紙漿,可固定安裝、移動(dòng)應(yīng)用,也可手動(dòng)控制、完全自動(dòng)化運(yùn)行；其特點(diǎn)是堅(jiān)固耐用、性能可靠、易于維護(hù),并配有可使之保持清潔的內(nèi)部清洗系統(tǒng)。圖3是Milston HERO 1及其對(duì)制漿造紙污泥分離實(shí)驗(yàn)效果圖,Milston HERD 1的污泥分離能力達(dá)75 m3/h。

1.3 VoxFlotation

SansOx公司開發(fā)的渦流浮選分離技術(shù)(Vortex Flotation Separation)是一種獨(dú)特的分離方法：含有顆粒的液體連續(xù)地以漩渦形式流動(dòng),在液體流和渦流浮選流的入口形成氣泡,氣泡以最佳的角度旋轉(zhuǎn)并穿過渦流,渦流中的顆粒輕輕地附著在旋轉(zhuǎn)的氣泡上,并

圖4 VoxFlotation結(jié)構(gòu)示意圖

圖5 VoxFlotation工作原理圖

被帶到分離器表面。SansOx公司將這種渦流浮選分離命名為VoxFlotation。VoxFlotation的結(jié)構(gòu)示意圖和其工作原理圖分別如圖4和圖5所示。由圖5可知,氣泡順暢地穿過液體和顆粒的混合流體。渦流造成氣泡和固形物的旋轉(zhuǎn)，提高了氣泡對(duì)顆粒物質(zhì)的附著能力。

被處理液體在進(jìn)入渦流浮選階段之前,先由SansOx公司研發(fā)的OxTube進(jìn)行曝氣處理。OxTube曝氣可瞬時(shí)產(chǎn)生高濃度的溶解氧氣,形成大量平均直徑0.1 mm的氣泡,顯著降低表面張力和液體黏度[1]。圖6所示為OxTube充氣水流與非充氣水流效果圖。圖7為湖水中使用OxTube高效曝氣的反應(yīng)效果圖。

圖6 OxTube充氣水流與非充氣水流效果圖

圖7 湖水中使用OxTube高效曝氣的反應(yīng)效果

圖8 OxTube DN100的氣體溶解性能

OxTube的處理工藝包括氣體與化學(xué)品的進(jìn)料和混合、氣體溶解,在需要額外氣泡的情況下,加入壓縮空氣。OxTube處理器可以連續(xù)并快速地在數(shù)秒鐘內(nèi)完成處理,包括化學(xué)品(如混凝劑)的混合、氣體(如氧氣)的溶解,并直接在液體流中產(chǎn)生大量的絮凝物,以及空氣和反應(yīng)氣體形成的微氣泡。OxTube處理過程中的氧氣濃度在1 s內(nèi)就可達(dá)到100%,在2016年安裝的OxTube DN100中,可以持續(xù)達(dá)到最高氧氣濃度55 mg O2/L(2.1℃)。圖8為OxTube DN100的氣體溶解性能。

1.3.1 VoxFlotation的浮選原理

氣泡-顆粒吸附機(jī)理非常復(fù)雜,分為碰撞、吸附、解吸3個(gè)步驟。顆粒碰撞在氣泡的碰撞管中進(jìn)行,受氣泡速率和碰撞管半徑的影響。碰撞管相當(dāng)于顆粒與氣泡碰撞的一個(gè)區(qū)域。

氣泡對(duì)顆粒的吸附受顆粒和氣泡間誘導(dǎo)時(shí)間的控制。只有顆粒和氣泡的接觸時(shí)間大于誘導(dǎo)時(shí)間時(shí),才發(fā)生吸附。且誘導(dǎo)時(shí)間受流動(dòng)速率、顆粒和氣泡的大小、顆粒和氣泡間的力等因素的影響。

當(dāng)表面張力超過剪切力和引力時(shí),顆粒和氣泡發(fā)生解吸過程。這些力都非常復(fù)雜,在分子水平上才能顯出不同。機(jī)械浮選槽通過葉輪產(chǎn)生較高的剪切力,大部分引力存在于浮選槽的收集區(qū)和自凈區(qū)。

氣泡吸附到液面由固相、液相和氣相的界面能決定,具體計(jì)算見楊氏方程(Young-Duprè方程(式(1)),亦稱潤(rùn)濕方程[2]。

γlvcosθ=(γsv-γsl)

(1)

式中,γlv為液-氣相界面的表面能；γsv為固-氣相界面的表面能；γsl為固-液相界面的表面能；θ為接觸角,是氣、液、固三相交點(diǎn)處氣-液界面的切線與固-液交界線之間的夾角。

浮選回收率R常用來(lái)描述浮選過程的捕集效率,受碰撞概率及浮選氣泡對(duì)顆粒吸附的影響，見式(2)[3- 4]。

(2)

1.3.2VoxFlotation的優(yōu)點(diǎn)

VoxFlotation的設(shè)計(jì)原則基于上述浮選理論、新型及現(xiàn)有系統(tǒng)經(jīng)驗(yàn),尤其是經(jīng)過驗(yàn)證的OxTube溶解性能。

VoxFlotation的優(yōu)點(diǎn)主要有：

(1)液體在流動(dòng)過程中不斷進(jìn)行混合、溶解和浮選分離,可提高反應(yīng)性能并降低能耗(見圖1、圖4和圖5)。

(2)持續(xù)的化學(xué)品混合和氣體溶解,可在數(shù)秒內(nèi)完成(見圖1、圖4、圖6和圖8)。

(3)氣泡分布均勻、數(shù)量巨大,尺寸小且可控,氣泡平均直徑可低至0.1mm(見圖6)。

(4)液體流中富含空氣和反應(yīng)氣體形成的混合氣泡,可提高分離性能(見圖6和圖7)。

(5) 如需產(chǎn)生較大氣泡,可在液流中額外加入壓縮空氣,氣泡尺寸和數(shù)量可控(見圖4和圖6)。

(6) 微氣泡和渦流產(chǎn)生的旋轉(zhuǎn)效應(yīng)提高了固-氣界面的表面能γsv,使附著在氣泡上的固形物增加(見式(1)和圖5)。

(7)氣體溶解降低了固-液界面的表面能γsl,液體的表面張力和黏度可降低10%～14%,使附著在氣泡上的固形物增加(見式(1)、圖5和圖6)。

(8)渦流把氣泡和固形物向干流集中,降低剪切力和重力對(duì)解吸的影響(見圖5)。

(9)高碰撞概率Nc、小尺寸氣泡db、高密度的空氣及反應(yīng)氣體氣泡可提高浮選過程的收集效率(浮選回收率R)(見圖5、圖6和式(2))。

(10)浮選槽中的渦流提供足夠的誘導(dǎo)時(shí)間使顆粒吸附到氣泡上,同時(shí),減小浮選槽尺寸(見圖4和圖5)。

(11)渦流可以使浮選槽長(zhǎng)時(shí)間保持清潔,降低維護(hù)成本。

(12)沒有旋轉(zhuǎn)及運(yùn)動(dòng)元件,如混合/溶解用的葉輪,降低了維護(hù)成本和能耗。

(13)渦流可防止菌群、BOD、發(fā)酵產(chǎn)物和沉積物在底部與邊壁上的滋生和增長(zhǎng)。

(14)高效的氧氣溶解、液體中較高的氧氣濃度和連續(xù)處理可使COD快速降低。

2 VoxSton系統(tǒng)處理效果

采用VoxSton水處理系統(tǒng)和傳統(tǒng)水處理系統(tǒng)對(duì)5000m3/d制漿造紙過程水進(jìn)行處理,處理成本及效果對(duì)比見表1。

由表1可知,與傳統(tǒng)水處理系統(tǒng)相比,VoxSton

表1 VoxSton水處理系統(tǒng)和傳統(tǒng)水處理系統(tǒng)的比較

系統(tǒng)可以節(jié)約占地面積,節(jié)省空間,并顯著降低能耗；此外,運(yùn)行成本也降低50%左右,且投資成本更低。

3 結(jié) 語(yǔ)

VoxSton水處理系統(tǒng)可在大多數(shù)情況下直接從排污口連續(xù)或間歇地處理污泥,而不需要均衡和預(yù)沉淀步驟。與現(xiàn)有的水處理系統(tǒng)相比,VoxSton水處理系統(tǒng)在節(jié)約能耗和占地面積的同時(shí),還可節(jié)省約50%的運(yùn)行成本,投資成本更低。

[1] Ville Laakso. Sompasaari Project[S]. 2015.

[2] Kawatra S K. Flotation Fundamentals[S]. MTU Chemistry.

[3] Nguyen A V, Ralston J, Schalze H J. On modelling of bubble-particle attachment probability in flotation[J]. International Journal of Mineral Processing, 1998, 53(4): 225.

[4] Shahbazi B, Rezai B. Koleini S M J. Bubble-particle collision and attachment probability on fine particles flotation[J]. Chemical Engineering and Processing, 2010, 49(6): 622. CPP

(責(zé)任編輯：董鳳霞)

New Pulp and Paper Process Water Treatment System—VoxSton

Juhani Pylkkanen

(SansOxLtd.,Helsinki,Finland, 00260)(E-mail: info@sansox.fi)

A new industrial process water treatment system is presented in this paper. The system consists of two centrifugal separators, a screw separator and two vortex flow flotation units. It can separate the solids like fibers out from the sludge and press them to dry matter content of up to 30 percent and clean the sludge water for recycling or discharge to nature. The treatment system can in the most cases treat process sludge continuously or daily basis directly from the process outlet without equalization and precipitation. The objective using thin system is to recycle the process water and collect different ingredients for reuse as much as possible. The system saves energy and space as well as operational costs roughly 50 percent compared to present advanced systems. The capital costs are estimated to be lower too．

process water; water treatment system; energy conservation; cost saving

2016- 09- 02(修改稿)

Juhani Pylkkanen先生，總工程師。

TS79

A

10.11980/j.issn.0254- 508X.2016.12.013