氣液混合泵氣浮系統(tǒng)氣泡粒徑分布實(shí)驗(yàn)研究

傅金祥，李麥雨，魯勇朝，張延平，由 昆，金 星，羅 迪，王勇勇

（1.沈陽建筑大學(xué)市政與環(huán)境工程學(xué)院，遼寧沈陽 110168；2.喀什大學(xué)土木工程學(xué)院，新疆喀什 844006）

氣浮技術(shù)是利用分散的微氣泡黏附水中的污染物，使其密度小于水而上浮至表面，達(dá)到污染物去除的效果，被廣泛用于礦物浮選、污水凈化、含油廢水處理等，具有很好的處理效果〔1〕。其中氣泡粒徑是影響氣浮效果的主要因素之一〔2〕。R. H. YOON〔3〕指出減小氣泡粒徑比、增大氣速會(huì)更有助于提高浮選效率，原因是由于產(chǎn)生的氣泡小、數(shù)量多，增大了氣泡與絮體的接觸面積，從而能夠達(dá)到更好的效果。此外B. LAKGHOM等〔4〕表示浮選去除污染物的最佳粒徑會(huì)隨氣泡粒徑的增大而增大，即小顆粒污染物的去除需保持一個(gè)較小的氣泡粒徑范圍。常用的溶氣氣浮法（DAF）是通過空壓機(jī)將氣體在高壓溶氣罐溶解到水中，通過水泵提升至氣浮池，釋放后可產(chǎn)生粒徑為70～100 μm的微氣泡〔5〕。隨著水泵技術(shù)的發(fā)展，氣液混合泵被應(yīng)用到氣浮工藝中，在該系統(tǒng)中吸水與吸氣同時(shí)進(jìn)行，氣體在泵內(nèi)溶解，省略了空壓機(jī)與高壓溶氣罐，更加節(jié)能減耗〔6〕，且能夠產(chǎn)生粒徑更小的微氣泡，更有助于提高氣浮效率〔7?8〕。例如華洪基等〔9〕將煉油廠老三套處理工藝改造為氣液混合泵氣浮工藝，氣浮效果大大提高，且成本降低了約1.43萬元/a。朱兆亮等〔10〕使用氣液混合泵氣浮系統(tǒng)處理低濃度二級(jí)出水，成功使出水濁度＜0.5 NTU、COD＜20 mg/L、TP＜0.5 mg/L，遠(yuǎn)好于傳統(tǒng)氣浮系統(tǒng)處理效果。

本實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)氣液混合泵應(yīng)用于部分回流加壓溶氣氣浮系統(tǒng)，對(duì)其系統(tǒng)內(nèi)氣泡粒徑分布規(guī)律進(jìn)行研究，探討了不同運(yùn)行條件對(duì)氣浮池混合區(qū)與分離區(qū)氣泡粒徑分布的影響，擇選出最優(yōu)參數(shù)，并進(jìn)行實(shí)際處理效果分析，優(yōu)化氣泡粒徑分布云圖并為計(jì)算流體動(dòng)力學(xué)（CFD）模擬提供了更加真實(shí)的流體模型，為正確引導(dǎo)氣浮工藝與泵業(yè)的發(fā)展提供參考。

1 實(shí)驗(yàn)裝置與方法

1.1 氣浮裝置

實(shí)驗(yàn)采用平流式氣浮池（1 400 mm×150 mm×800 mm），使用部分回流加壓溶氣氣浮工藝，采用2個(gè)TS型溶氣釋放頭，設(shè)于混合區(qū)底部中心位置，水泵使用20QY?1DS型氣液混合泵，并配有1個(gè)小型的氣液分離罐，用于排放氣液混合泵未溶解的大氣泡。在氣浮池的混合區(qū)垂直方向等距開設(shè)6個(gè)取樣口，分別距釋放頭中心100、200、300、400、500、600 mm；分離區(qū)水平方向等距開設(shè)6個(gè)取樣口，平行于混合區(qū)最后一個(gè)取樣口，水平方向距釋放頭中心130、300、470、640、810、980 mm，用于觀測水樣，氣浮流程見圖1。

圖1 氣浮池流程Fig.1 Flow chart of air flotation tank

1.2 測量裝置

微氣泡粒徑的測量方法有電導(dǎo)探針法〔11〕、光纖探針法〔12〕、聲學(xué)法〔13〕、圖像法〔14?15〕和光散射法〔16〕等。R.PéREZ-GARIBAY等〔15〕采用圖像法測量觀測微氣泡尺寸，但其是通過在氣浮裝置上安裝窺視孔的方法進(jìn)行顯微觀測，測樣點(diǎn)較多時(shí)，測量較為不便。本實(shí)驗(yàn)對(duì)其進(jìn)行改良，使含氣水流經(jīng)獨(dú)立的觀測器，使用電子顯微鏡進(jìn)行拍攝，圖片經(jīng)Image J軟件處理即可得到微氣泡的面積，最后利用Excel處理得出氣泡直徑。

觀測器使用亞克力板制作的長方體扁平透明容器，左端進(jìn)水口使用軟管與氣浮池取樣口連接，右端出水口使用軟管排水。

1.3 實(shí)驗(yàn)方法

連接觀測器與氣浮池取樣口，打開取樣口閥門，使含氣水流過觀測器，待水流穩(wěn)定后關(guān)閉閥門，立即使用電子顯微鏡進(jìn)行拍攝。當(dāng)閥門關(guān)閉后，觀測器內(nèi)氣泡會(huì)吸附在上側(cè)內(nèi)表面，可便于顯微鏡對(duì)焦，為了防止隨時(shí)間推移出現(xiàn)氣泡聚并或變形的現(xiàn)象，操作需迅速，保證在1 min內(nèi)拍攝15～20張不同位置的氣泡，拍攝完成后，清除觀測器內(nèi)氣泡，進(jìn)行下一輪拍攝。最終保證每個(gè)取樣口的氣泡數(shù)量有1 500個(gè)左右。

電子顯微鏡與電腦連接，使用配套的軟件可實(shí)現(xiàn)拍攝、保存等操作。而氣泡在吸附前后會(huì)因表面張力發(fā)生一定的變形，氣泡粒徑會(huì)發(fā)生變化，但隨著氣泡粒徑的減少，這種變形的程度就會(huì)越小〔17〕。氣液混合泵產(chǎn)生的氣泡粒徑一般在50～100 μm，可忽略因變形作用導(dǎo)致的氣泡粒徑變化。

拍攝的圖片整體呈黃褐色，使用Image J軟件進(jìn)行處理，得到只有黑白色的圖片，軟件通過計(jì)算黑色部分面積即可得出氣泡的粒徑分布情況。

通過單因素實(shí)驗(yàn)研究水力負(fù)荷、溶氣壓力、回流比以及進(jìn)氣比對(duì)微氣泡粒徑分布的影響，其中水力負(fù)荷的變化通過調(diào)節(jié)進(jìn)水量來實(shí)現(xiàn)，水力負(fù)荷計(jì)算見式（1）。

式中：q0——水力負(fù)荷，m3/（m2·h）；

Q——進(jìn)水流量，m3/h；

A——?dú)飧〕乇砻娣e，A=0.15 m2。

根據(jù)氣浮池設(shè)計(jì)規(guī)范〔18〕，氣浮池水力負(fù)荷一般為5.4～9.0 m3/（m2·h）、溶氣壓力采用0.2～0.4 MPa、回流比取5%～10%，故實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)進(jìn)水量分別為0.4、0.6、0.8、1.0、1.2 m3/h，即水力負(fù)荷分別為2.67、4、5.33、6.67、8 m3/（m2·h）；溶氣壓力分別為0.28、0.30、0.32、0.34、0.36 MPa；回流比分別為20%、30%、40%、50%、60%、70%、80%；進(jìn)氣比分別為2%、4%、6%、8%、10%，并選擇水力負(fù)荷為5.33 m3/（m2·h），溶氣壓力為0.32 MPa，回流比為50%，進(jìn)氣比為6%作為基準(zhǔn)條件。

2 結(jié)果與討論

2.1 水力負(fù)荷對(duì)氣泡粒徑分布的影響

混合區(qū)不同水力負(fù)荷條件下氣泡的粒徑分布見圖2。

圖2 混合區(qū)不同水力負(fù)荷條件下的粒徑分布Fig.2 Particle size distribution under different hydraulic loads in mixing zone

由圖2可知，在不同水力負(fù)荷條件下，混合區(qū)微氣泡粒徑多數(shù)保持在50～100 μm，最小為20 μm，并且隨著取樣位置高度的增加，氣泡所受水壓降低，粒徑有小幅度增加，且其離散程度也在變大。但當(dāng)水力負(fù)荷為2.67 m3/（m2·h）時(shí)，氣泡粒徑有明顯的增大，在500 mm和600 mm處已有多數(shù)氣泡粒徑超過了100 μm，最大達(dá)到了150 μm。此時(shí)其主要原因是在低水力負(fù)荷條件下，混合區(qū)流量小，流速低，使微氣泡有更多的時(shí)間發(fā)生聚并，導(dǎo)致氣泡粒徑增加。

混合區(qū)在不同取樣點(diǎn)、不同水力負(fù)荷條件下氣泡的平均粒徑見圖3。

由圖3可知，在混合區(qū)微氣泡平均粒徑會(huì)隨著高度的升高而增大，隨著水力負(fù)荷的升高而減小，當(dāng)水力負(fù)荷高于5.33 m3/（m2·h）時(shí)，氣泡平均粒徑保持穩(wěn)定在70～80 μm。

圖3 混合區(qū)不同取樣點(diǎn)在不同水力負(fù)荷條件下的平均粒徑Fig. 3 Average particle size at different locations of mixing zone under different hydraulic load conditions

分離區(qū)不同水力負(fù)荷條件下的氣泡粒徑分布見圖4。

圖4 分離區(qū)不同水力負(fù)荷條件下的粒徑分布Fig.4 Particle size distribution under different hydraulic loads in separation zone

由圖4可知，當(dāng)水力負(fù)荷小于5.33 m3/（m2·h）時(shí)，由于水流速較慢，氣泡很快在水面消散，無法充滿整個(gè)分離區(qū)，因此不需要對(duì)該條件下的氣泡粒徑進(jìn)行檢測。當(dāng)水力負(fù)荷為5.33 m3/（m2·h）時(shí)，整體氣泡粒徑比較穩(wěn)定，多數(shù)保持在100 μm以下，只有在水平距釋放頭810 mm以上時(shí)，氣泡粒徑才有小幅度增加。當(dāng)水力負(fù)荷大于5.33 m3/（m2·h）時(shí)，微氣泡粒徑普遍偏大，并且此時(shí)流速相對(duì)較快，在分離區(qū)末端發(fā)生氣泡堆積，加速了氣泡聚并作用，導(dǎo)致整體氣泡粒徑達(dá)到100 μm左右。

分離區(qū)在不同位置、不同水力負(fù)荷條件下氣泡的平均粒徑見圖5。

圖5 分離區(qū)不同取樣點(diǎn)在不同水力負(fù)荷條件下的平均粒徑Fig. 5 Average particle size at different locations of separation zone under different hydraulic load conditions

對(duì)比圖3（混合區(qū)）可知，分離區(qū)氣泡平均粒徑分布規(guī)律與混合區(qū)相反，氣泡平均粒徑隨水力負(fù)荷的增加而增加。原因是隨著水力負(fù)荷的增加，氣泡在分離區(qū)的堆積作用會(huì)愈發(fā)明顯，致使氣泡間碰撞幾率增大，最終導(dǎo)致氣泡整體粒徑的上升。因此，氣液混合泵氣浮系統(tǒng)的水力負(fù)荷需要保持在一個(gè)適中水平，才能保證氣浮池產(chǎn)生均勻且細(xì)小的氣泡。

2.2 溶氣壓力對(duì)氣泡粒徑分布的影響

在混合區(qū)不同溶氣壓力條件下，氣泡粒徑隨著高度的增加均保持增大的趨勢，其粒徑分布見圖6。

圖6 混合區(qū)不同溶氣壓力條件下的粒徑分布Fig.6 Particle size distribution under different dissolved gas pressure in mixing zone

由圖6可知，在氣泡高度大于500 mm時(shí)，氣泡粒徑增幅速率變大，但多數(shù)氣泡粒徑都保持在50～100 μm，最小粒徑為20 μm，最大不超過110 μm，氣泡離散程度較小。

混合區(qū)在不同位置、不同溶氣壓力條件下的氣泡平均粒徑見圖7。

圖7 混合區(qū)不同取樣點(diǎn)在不同溶氣壓力條件下的平均粒徑Fig. 7 Average particle size of different sampling points in the mixing area under different dissolved gas pressure

由圖7可知，隨著溶氣壓力的增大，同一位置的氣泡平均粒徑也在增大，在溶氣壓力大于0.32 MPa時(shí)，增長速度略有下降，當(dāng)再升高壓力時(shí)，對(duì)氣泡粒徑的影響效果甚微，最終使氣泡粒徑保持在65～80 μm。

分離區(qū)在不同溶氣壓力條件下的氣泡平均粒徑分布見圖8。

由圖8可知，在分離區(qū)氣泡粒徑同樣保持上升的趨勢，尤其是在水平距釋放頭640 mm之后，由于氣泡的堆積作用，發(fā)生大量聚并，使氣泡粒徑大幅度增加，氣泡最大已經(jīng)達(dá)到180 μm。

圖8 分離區(qū)不同溶氣壓力條件下的粒徑分布Fig.8 Particle size distribution under different dissolved gas pressure in separation zone

分離區(qū)在不同位置、不同溶氣壓力條件下的氣泡平均粒徑見圖9。

由圖9可知，在水平距釋放頭640 mm以內(nèi)，氣泡平均粒徑相對(duì)穩(wěn)定，但當(dāng)距離大于810 mm時(shí)，氣泡平均粒徑隨溶氣壓力的增大呈現(xiàn)先降低后升高的趨勢，在0.34 MPa處出現(xiàn)最小值100 μm。整體來看，將溶氣壓力保持為0.34 MPa時(shí)，氣泡分布較為均勻且細(xì)小，能起到很好的浮選效果。

圖9 分離區(qū)不同取樣點(diǎn)在不同溶氣壓力條件下的平均粒徑Fig. 9 Average particle size at different positions of separation zone under different dissolved gas pressure

2.3 回流比對(duì)氣泡粒徑分布的影響

混合區(qū)不同回流比條件下的氣泡粒徑分布見圖10。

由圖10可知，在混合區(qū)不同回流比條件下，隨著高度的上升，氣泡粒徑同樣保持著上升的趨勢，并且大部分氣泡粒徑均保持在50～100 μm，最小粒徑可達(dá)20 μm。但在回流比為20%時(shí)，氣泡粒徑整體偏高，在高度超過300 mm以上時(shí)，最大粒徑已經(jīng)達(dá)到170 μm。當(dāng)回流比在30%～60%時(shí)，整體氣泡粒徑增長較為緩慢，粒徑分布平均；在回流比超過60%時(shí)，氣泡粒徑隨高度增加有著明顯的升高，分析原因?yàn)榛亓鞅仍龃螅瑢?dǎo)致混合區(qū)水流流速變大，水流更加紊亂，促進(jìn)了氣泡間的聚并，致使氣泡粒徑增長較快。

圖10 混合區(qū)不同回流比條件下的粒徑分布Fig.10 Particle size distribution under different reflux ratio in mixing zone

混合區(qū)不同取樣點(diǎn)在不同回流比條件下的平均粒徑見圖11。

由圖11可知，在同一位置，隨著回流比的增大，氣泡平均粒徑呈現(xiàn)先降低后升高的趨勢，在回流比為40%時(shí)，氣泡平均粒徑整體較小，并且分布均勻，主要分布在60～70 μm；而在回流比為20%時(shí)，由于回流水較少，導(dǎo)致氣液混合泵溶氣效果變差，致使混合區(qū)氣泡平均粒徑較大。

圖11 混合區(qū)不同取樣點(diǎn)在不同回流比條件下的平均粒徑Fig. 11 Average particle size of different sampling points in mixing zone under different reflux ratio

由于回流比為20%時(shí)，回流流量較小，氣泡在擴(kuò)散至分離區(qū)之前就已經(jīng)上升到水面消散，導(dǎo)致在分離區(qū)并不能檢測到氣泡。分離區(qū)不同回流比條件下的氣泡粒徑分布見圖12。

圖12 分離區(qū)不同回流比條件下的粒徑分布Fig.12 Particle size distribution under different reflux ratio in separation zone

由圖12可知，較混合區(qū)來說，分離區(qū)的氣泡粒徑均有一定幅度的升高，最小粒徑為30 μm，并在分離區(qū)保持著上升的趨勢，尤其在回流比大于60%時(shí)，已有部分氣泡粒徑超過100 μm，在回流比為80%時(shí)，由于流量較大，水流的沖擊作用也變大，使到達(dá)分離區(qū)最遠(yuǎn)端的氣泡發(fā)生折回，加速了氣泡間的聚并，致使整體氣泡粒徑達(dá)到了100 μm以上，最大粒徑達(dá)到了230 μm。

分離區(qū)不同取樣點(diǎn)在不同回流比條件下的平均粒徑見圖13。

圖13 分離區(qū)不同取樣點(diǎn)在不同回流比條件下的平均粒徑Fig. 13 Average particle size of different sampling points in the separation area under different reflux ratio

由圖13可知，每一位置的氣泡平均粒徑隨著回流比的增加先減小后增大。在回流比為40%時(shí)，氣泡平均粒徑保持著最小值，且分布較為均勻；在回流比高于60%時(shí)，氣泡平均粒徑增長較快，分布也較為紊亂。因此，將回流比設(shè)為40%能更好地將氣泡粒徑保持在80～100 μm的較小范圍。

2.4 進(jìn)氣比對(duì)氣泡粒徑分布的影響

混合區(qū)不同進(jìn)氣比條件下的氣泡粒徑分布見圖14。

由圖14可知，在混合區(qū)不同進(jìn)氣比條件下，氣泡粒徑隨高度增加呈現(xiàn)出緩慢上升的趨勢，多數(shù)粒徑在40～80 μm，最小可達(dá)20 μm。從箱型圖的上下限間距還可以看出，隨著進(jìn)氣比的增加，氣泡粒徑的分布向不均勻的趨勢發(fā)展。這是由于氣液混合泵溶解的氣量增大，會(huì)有更多的溶解氣以氣泡團(tuán)的形式在釋放頭處析出，致使氣泡在較低位置時(shí)便發(fā)生大量的聚并，增大了混合區(qū)水流的紊亂程度，使氣泡粒徑分布不均勻。

圖14 混合區(qū)不同進(jìn)氣比條件下的粒徑分布Fig.14 Particle size distribution under different inlet air ratio in mixing zone

混合區(qū)不同取樣點(diǎn)在不同進(jìn)氣比條件下的平均粒徑見圖15。

由圖15可知，在氣泡高度低于400 mm時(shí)，氣泡平均粒徑分布較為混亂，除了受到溶氣量增大的影響，還受到底部橫向進(jìn)水的影響，使低位置區(qū)域呈現(xiàn)一種旋流狀態(tài)，氣泡粒徑分布變得紊亂，但總體仍隨進(jìn)氣比的增大保持著上升的趨勢，并在進(jìn)氣比為8%時(shí)趨于穩(wěn)定，平均分布在70～80 μm。

圖15 混合區(qū)不同取樣點(diǎn)在不同進(jìn)氣比條件下的平均粒徑Fig. 15 Average particle size at different sampling points in mixing zone under different inlet air ratio

分離區(qū)不同進(jìn)氣比條件下的粒徑分布見圖16。

圖16 分離區(qū)不同進(jìn)氣比條件下的粒徑分布Fig.16 Particle size distribution under different inlet air ratio in separation zone

由圖16可知，在分離區(qū)不同進(jìn)氣比條件下，氣泡粒徑整體較混合區(qū)有一定增長，并隨距離的增加保持著上升的趨勢。在進(jìn)氣比小于6%時(shí)，多數(shù)氣泡粒徑保持在60～100 μm，當(dāng)進(jìn)氣比大于6%時(shí)，最大粒徑已超過150 μm。

分離區(qū)不同取樣點(diǎn)在不同進(jìn)氣比條件下的平均粒徑見圖17。

圖17 分離區(qū)不同取樣點(diǎn)在不同進(jìn)氣比條件下的平均粒徑Fig. 17 Average particle size of different sampling points in the separation area under different inlet air ratio

由圖17可知，在分離區(qū)每一位置氣泡平均粒徑都隨進(jìn)氣比的增大呈現(xiàn)先上升后下降的趨勢，在進(jìn)氣比為8%時(shí)氣泡平均粒徑達(dá)到最大值100 μm，且在分離區(qū)末端980 mm處，氣泡平均粒徑達(dá)到125 μm。整體來看，進(jìn)氣比為6%時(shí)能夠產(chǎn)生細(xì)密且均勻的微氣泡。

2.5 最佳運(yùn)行條件處理效果分析

實(shí)驗(yàn)采用氣液混合泵氣浮系統(tǒng)處理模擬煉油廠高度乳化含油廢水，在使微氣泡保持均勻細(xì)小的最佳運(yùn)行條件下，投加混凝劑聚合氯化鋁（PAC）（50 mg/L）與助凝劑聚丙烯酰胺（PAM）（2 mg/L），其運(yùn)行結(jié)果見圖18。

圖18 氣浮除油效果Fig. 18 Oil removal effect of air flotation

由圖18可知，氣浮池進(jìn)水油質(zhì)量濃度穩(wěn)定保持在800 mg/L，運(yùn)行15 min時(shí)，出水油質(zhì)量濃度為325.78 mg/L，除油率僅為60.53%，而運(yùn)行30 min之后，出水油質(zhì)量濃度穩(wěn)定在210 mg/L左右，除油效率達(dá)到73%。在該條件下氣浮+混凝處理能夠在30 min內(nèi)達(dá)到穩(wěn)定，并去除了廢水中大部分乳化油，具有良好的處理效果。

3 結(jié)論

在氣液混合泵氣浮系統(tǒng)中，氣泡粒徑隨著水流的方向在逐漸增大，多數(shù)氣泡粒徑保持在50～100 μm，最小為20 μm，小于常規(guī)溶氣氣浮的氣泡粒徑。

在混合區(qū)：（1）氣泡粒徑隨水力負(fù)荷的增加而減小，主要分布在70～90 μm；（2）氣泡粒徑隨溶氣壓力的增大而增大，當(dāng)溶氣壓力大于0.32 MPa時(shí)，氣泡粒徑開始穩(wěn)定在70～80 μm；（3）氣泡粒徑隨回流比的增加呈現(xiàn)先降低后升高的趨勢，當(dāng)回流比為40%時(shí)氣泡粒徑保持在最小的范圍60～70 μm；（4）氣泡粒徑隨進(jìn)氣比的增大而增大，在300 mm高度以下時(shí)，氣泡粒徑分布紊亂，在進(jìn)氣比為6%時(shí)達(dá)到70 μm并維持穩(wěn)定。

在分離區(qū)：（1）氣泡粒徑隨水力負(fù)荷的增加而增加，氣泡粒徑保持在60～100 μm，最小為30 μm；（2）當(dāng)水平距釋放頭640 mm以內(nèi)時(shí)，氣泡粒徑隨溶氣壓力的增大而增大，當(dāng)距離大于640 mm時(shí)，氣泡粒徑呈現(xiàn)先降低后升高的趨勢，并在0.34 MPa處出現(xiàn)最小值90～100 μm；（3）氣泡粒徑隨回流比的增加同樣呈現(xiàn)先降低后升高的趨勢，但降低程度較小，氣泡粒徑保持在80～100 μm；（4）氣泡粒徑隨進(jìn)氣比的增加呈現(xiàn)先上升后下降的趨勢，在進(jìn)氣比為8%時(shí)達(dá)到最大值100 μm。

氣液混合泵氣浮系統(tǒng)產(chǎn)生均勻且細(xì)小的最佳狀態(tài)微氣泡的運(yùn)行條件：水力負(fù)荷為5.33 m3/（m2·h），溶氣壓力為0.34 MPa，回流比為40%，進(jìn)氣比為6%，且在此條件下能夠達(dá)到73%的除油率。