新型气浮装置简介

1.涡凹气浮

涡凹气浮(Cavitation Air Flotation，简称CAF)系统是一种性能优良的新型机械碎气气浮技术，是美国麦王环保能源集团(Mc Wong International Inc.)成员企业Hydrocal公司的一体化专利产品，也是美国商务部和环保局的出口推荐技术，美国麦王环保能源集团成员企业韩国裕泉环保工程公司也生产该类设备。

如图1所示，CAF系统主要由曝气装置、刮渣装置和排渣装置组成，其中曝气装置主要是带有专利性质的涡凹曝气机，刮渣装置主要由刮渣机和牵引链条组成，排渣装置主要为螺旋推进器。经过预处理后的污水流入装有涡凹曝气机的小型曝气段，涡凹曝气机底部散气叶轮的高速转动在水中形成一个真空区，从而将液面上的空气通过抽风管道输入水中，由叶轮高速转动而产生的三股剪切作用把空气粉碎成微气泡，空气中的氧气也随之溶入水中；固体悬浮物与微气泡粘附后上浮到水面，并通过呈辐射状的气流推动力将其驱赶到刮泥机附近。刮泥机由电机-齿轮传动装置驱动，齿轮传动装置装在槽的一边；刮泥机沿着整个槽的液面宽度移动，将漂浮的固体悬浮物刮到倾斜的金属板上，再将其从气浮槽的进口端推到出口端的污泥排放管道中。污泥排放管道内水平安装有螺旋输送器，将所收集的污泥送入集泥池中；螺旋输送器通常也由刮渣机的马达一同驱动。净化后的污水经由金属板下方的出口进入溢流槽，溢流堰用来控制整个气浮槽的水位，以确保槽中的液体不会流入污泥排放管道内。

图1  涡凹曝气系统结构与工作原理示意图

开放式的回流管道从曝气段沿气浮槽的底部伸展，涡凹曝气机在产生微气泡的同时，也会在有回流管的池底形成一个负压区，这种负压作用会使废水从池底回流至曝气段，然后又返回气浮段。这个过程确保了30～50%左右的污水回流，即整套系统在没有进水的情况下仍可工作。与DAF相比，CAF具有以下优点：

①节省投资

CAF系统通过专利曝气机来产生微气泡，不需要压力容气罐、空压机、循环泵等设备，因而设备投资少，占地面积小。处理量200m3/h的CAF系统占地面积仅为36.15m2。

②运行费用低

CAF系统的耗电量仅相当于DAF系统的1/8～1/10，节约运行成本约40%～90%。处理量200m3/h的CAF系统仅耗电5.435kW，而DAF系统耗电高达65kW。CAF系统没有复杂设备，自动化程度高，人工操作及维修工作量极少。

③处理效果显著

CAF系统产生的微气泡是DAF系统的4倍， SS去除率可超过90%；通过投加合适的化学药剂，对COD和BOD的去除率可达60%以上；而DAF系统对COD及BOD的去除率只能达35%左右。CAF系统还能促进硫化物的氧化，减少污水中的含硫量。

2.Edur型高效气浮装置

Edur型高效气浮装置吸收了CAF切割气泡和DAF稳定溶气的优点，如图2所示，整套系统主要由溶气系统、气浮设备、刮渣机、控制系统和配套设备等组成，这里主要介绍溶气系统。

系统采用德国Edur泵业有限公司的气液多相流泵作为回流泵，将空气和回流水一起从泵进口管道直接吸入，利用该泵特殊的叶轮结构，高速旋转的多级叶轮将吸入的空气多次切割成小气泡，并将切割后的小气泡在泵内的高压环境中瞬间溶解于回流污水中。再经过减压阀释放成乳白色的溶气水，使絮凝颗粒上浮，从而达到净化的目的。

图2  Edur加压溶气气浮系统结构示意图

气液多相流泵水平安装，泵和电机同轴，采用机械密封。开式叶轮结构使得在长时间停机或处于临界运行状况时，没有轴向力；导流器的使用则保证了运行条件下的良好动力学性能和高效率。气液多相流泵在泵内建立压力的过程中产生气液两相充分混合并达到饱和，目前每台泵的最大气液比为35%，最大流量为65m3/h，气体的溶解度为100%，平均气泡直径小于20μm。

整个溶气系统采用整体型结构以便于安装，运行稳定性几乎不受液体流量和气液比波动的影响，这为气浮工艺的控制提供了极好条件；同时系统的气水比可自动调节，平衡气水比，使溶气系统达到最佳状况。功能特点如下：①边吸水边吸气、泵内加压混合、气液溶解效率高、微细气泡≤20μm；②气液多相流泵取代了常规加压泵、空压机、大型溶气罐、射流器及溶气释放器等；③低压运行，溶气效率高达99％，释气率高达99％；④溶气水溶解效率80～100％、比传统溶气气浮效率高3倍；⑤性能长期稳定、易操作易维护、低噪音；⑥多层排泥，确保出水效果；⑦控制与维护简便。

3.超效浅层气浮(Krofta气浮设备)

该技术由Milos Krofta博士(1912～2002)于20世纪70年代发明，随之被广泛应用于水处理行业，简称为Krofta工艺。

(1) Krofta气浮工艺流程

如图3所示，典型的Krofta气浮工艺系统整套装置由圆形浅池静止部分、中央旋转部分及溶气水制备系统等组成。中央旋转部分包括进水口、配水器、加压水入口、加压水配水器、出水口和螺旋污泥斗，这些组件都安放在旋转支架上；在支架外缘装有可调减速机，通过主动轮驱动，使支架绕中心沿池体外缘的圆形轨道以与进水流速一致的速度转动。行走部分和泥斗的转动由调速电机驱动，中心滑环供电。

图3  Krofta气浮工艺系统组成示意图

图4所示为Krofta气浮装置的池体结构示意图。原水从池中心的旋转接头进入，通过橡胶联接管-原水配水器出水管布水；加压水从加压水进口进入，通过加压水管路到加压水配水器布水。清水由固联在旋转清水容器壁上的澄清水排出管排出，隔板将刚布下的原水和已分离的清水完全隔开。专利技术的螺旋泥斗(Spiral scoop)对水体扰动极小，在某一时刻刮起的总是池内浮起时间最长的浮渣，浮渣靠重力作用排放到静止的中央污泥井中；螺旋泥斗亦可分别选用一斗、二斗或三斗的结构形式。螺旋泥斗自转周期t及斗子个数与螺旋泥斗公转周期T和浮渣厚薄之间有严格的匹配关系，可以通过调速电机灵活、机动地进行调节。

图4  Krofta气浮池本体结构示意图

1-原水进口；2-清水出口；3-悬浮污泥出口；4-循环清水出口；5-加压水进口；6-旋转接头；7-橡胶联接管；8-加压水管路；9-加压水配水器；10-原水配水器；11-配水器出水管；12-流量控制渠；13-减涡挡板；14-调高挡板；15-流量控制渠外壁；16-旋转支架驱动电机；17-支架驱动轮；18-轮子支撑圈；19-螺旋泥斗轴；20-池壁；21-池底支撑结构；22-清水容器壁；23-污泥井；24-溢流堰；25-旋转支架结构；26-旋转螺旋泥斗；27-螺旋泥斗驱动电机；28-澄清水排出管；29-电滑环；30-观察窗；31-沉淀物去除池；32-排空口；33-沉淀物排出口；34-水位控制调节手轮

(2)Krofta气浮工艺在气浮理论上的三大突破

①“零速原理”

在Krofta气浮装置中，除池体、溢流圈、中央污泥井外，其它各部分都以与进水流速相同的速度沿池体旋转。原水配水器转动时，在池体中腾出的空间由原水进水来补充；同时清水出水侧应挤走的水体空间，由澄清水排出管同步排出。池内的其它水体不会因进水和出水而引起扰动，而是保持零速，即所谓“零速原理”，该理论的应用是Krofta气浮装置的关键。

静态进水、静态出水而使得颗粒的悬浮和沉降在静态下进行。浮选体在相对静止的环境中垂直上浮，不仅能使浮选体的上浮速度达到或接近理论最大值，且出水流速在理论上可不受限制，它意味着气浮效率可以接近理论上的极限。

此外，随着布水装置的旋转，事先与污水充分混合的气泡能均匀地充满整个气浮池，微细气泡与絮粒的粘附发生在整个气浮分离过程中，没有“气浮死区”。

②“浅池理论”

传统气浮池分离区的有效水深通常为2.1～2.4m，而Krofta气浮装置的有效水深只有0.42m，因此相对而言称其为“浅池”，这一浅池结构的应用，称为“浅池理论”。该理论的应用大幅度减少了设备制造费用，缩小了设备占用空间。以同样处理量7000m3/d的造纸废水为例，传统气浮池的占用面积约为155m2，Krofta气浮池的占用面积约为51m2。

因为零速原理的应用和进出水的彻底分开，所以当出水管开始出水时，气浮的过程已完成，对应常规气浮池的高度分布图来看，即安全段h3、悬浮物低密区h4两段不需要设置，因此可以说没有“零速度”就没有浅池。

若按絮粒的上升速度为6mm/s，0.42m有效水深所需上升时间仅为70s。Krofta气浮装置的停留时间定为2～3min，已考虑了很大的工作裕量。

③新的溶气机理

在Krofta工艺中，通过溶气管(Air Dissolving Tube，ADT)来提高溶气效率。如图5所

图5  溶气管结构示意图

示，先把压缩空气切割成微细气泡，然后在扰动非常剧烈的情况下与加压水混合和溶解。空气在溶气管内以两种形式存在，一种形式是溶解在水中(停留时间是8～12s)；另一种形式是微细气泡以游离状态夹裹、混合在水中。所形成的微细气泡数量远远大于常规DAF工艺。溶气管的特殊结构使其没有填料堵塞的问题，也没有控制控制溶气罐内水位高低的问题。

原水、溶气水和药剂在加入气浮池本体前，已在一段管道内充分混合，气泡及时均匀地弥散在悬浮颗粒中，避免了常规DAF工艺中因多个阀门或溶气释放器开启度不一而造成的气泡不均匀现象，也避免了因设置反应室而带来的浮浆腐烂问题。