二种柱式气浮法处理纸浆废水的试验研究

丁一刚，任慧，吴元欣，李定或
（武汉化工学院化工系，湖北 武汉 430073）

　　摘　要：采用分散空气法和加压溶气法两种充填式气浮柱处理纸浆废水，通过对工艺参数和结构参数等因素的考察，表明这两种工艺对降低废水化学需氧量CODcr和悬浮物含量SS，提高浮渣污泥因含量都具有明显的效果，且加压溶气法的处理性能优于分散空气法。加压溶气法对SS的去除率达98%，COD_cr、BOD₅的去除率分别为84.3％和79.4％。
　　关键词：纸浆废水；废水处理；气浮；溶解空气；分散空气
　　中图分类号：X703.1；X793
　　文献标识码：A
　　文章编号：1009－2455（2002）03－0021－03

Experimental Study on Two Type Air Flotation Columns Treating Paper Pulp Wastewater
DING Yi-gang, REN Hui, WU Yuan-xin,LI Ding-huo
(Department of Chemical Engineering, Wuhan Institute of Chemical Technology, Wuhan 430073, China)

　　Abstract: Paper pulp wastewater can be treated by dispersed air flotation or by pressurized dissolved air flotation method.From the investigations in process and structure parameters, both methods show remarkable effects in reducing CODcr and SS and increasing the solid content of floating slag. Especially pressurized dissolved air flotation method functions better which can reduce 98% of SS,84.3% of CODcr and 79.4% of BOD₅.
　　Key words: paper pulp wastewater; wastewater treatment; air flotation; dissolved air; dispersed air

　　对纸浆废水进行有效的处理，以提高工艺回用水的水质，是造纸行业面临的热点问题。近十几年来，细小颗粒的柱式分离研究十分活跃，DObby G S，Fnh J A和 Yoon RH等人均有过大量的报道，并在工业应用中取得了一定的进展[1]。传统的气浮处理设备力气浮池，废水中的颗粒与气泡通过碰撞－吸附、气泡顶托及气泡裹夹的接触方式粘附在一起，形成“颗粒-气泡”的复合体而一同升至水面，该过程根据气泡发生的方式可分为电解法、分散空气法和港气法三种[2]。为提高气浮处理设备的性能，本文采用分散空气和加压溶气充填式气浮柱，对纸浆废水的处理进行了研究。

1 试验方法的原理

1.1 分散空气法
　　充填式气浮柱内填充板波纹填料。经化学絮凝处理的废水从柱体某一位置进人，空气从柱底部给入，呈分散状鼓泡流与含絮凝颗粒的水流逆流接触（如图1所示）。由于填料的混合和分散作用，气泡在柱内粒度分布均一，避免了气泡运动过程中聚并、涡流等现象，气泡颗粒的聚集体在上升过程中逐渐趋于饱和，达到气泡负载能力，并随气流从柱顶部排出。
1.2 加压溶气法
　　整个柱体分为浓缩段、分离段和回收段，其中回收段内充填有板波纹填料（如图2所示）。空气在加压下溶入水中形成溶气水，加药后的废水所产生的细小絮凝颗粒与溶气水释放的上升的微气泡在分离段内逆流接触，以增大其碰撞效率。浓缩段内提供良好的平稳流态，絮凝体和微气泡形成的粘附体在浓缩段内聚集向上移动，并在柱内顶部界面处形成泡沫浮渣而排出。回收段内回收极少数未被粘附的絮凝颗粒，柱底清水通过回收段底部排出。

2 试验方法与流程

2.1 废水性质
　　试验样品为某造纸厂提供的纸浆废水（纸机白水），目测为微黄色，浑浊状，白水中含有各种溶解的有机物、无机物和微生物等，并含有大量的纸浆纤维等悬浮物，这些可溶性固形物、悬浮物和活性物质是主要的污染物。废水性质如表1所示。

表1 试验用纸浆废水的性质 纸浆废水 pH CODcr/(mg.L^-1) SS/(mg.L^-1) 1# 6-8.3 760 1010 2# 6-7 2120 3164

2.2 充填式气浮柱处理废水1艺流程
　　试验装置及流程如图3所示。气浮柱体采用有机玻璃制成。纸浆废水由废水泵8输送至带搅拌的絮凝药剂槽7（分散空气法需加入气泡剂），经絮凝后废水由变量泵6从柱中上部给入，空气经压缩机10并计量后从柱底部进入（分散空气法），污泥浮渣随气流从柱顶部排出至浮渣槽，柱底部清水经液面控制装置至清水槽。
　　与分散空气法不同的是，加压溶气法的空气和清水分别经压缩机和清水泵在溶气罐中混合，试验维持溶气罐内压力恒定在0.4－0.45MPa范围内，使空气溶入水中形成溶气水，溶气水经释放器释放后进入填料柱，其流量通过针形间来调节，且处理后的清水可部分循环至清水槽供加压溶气水使用。

3 试验结果及讨论

3.1 分散空气法
3.1.1 填料性能对CODcr去除率（ηCOD）的影响
　　试验采用板波纹填料的处理结果分别如表2所示。表2说明丝网填料要比刺孔填料处理废水效果好，采用丝网填料，CODcr去除率提高28.9％，填料的结构性能，如填料类型、通道大小、波峰及波谷结构尺寸的不同，将会显著影响废水的处理效果。
3.1.2 空气流速Jg对CODcr去除率的影响
　　在进料流速Jf一定，从表3可以看出柱内液面高度 HL为60cm和进料口高度HF为101cm条件下，考察了空气流速人对CODcr去除率的影响，结果见表3。由表3知Jg增加，ηCOD增加；但当Jg增加到一定值时，ηCOD反而下降。从多相流理论可知，一般来说，当Jg增加时，气泡的平均直径增大；根据Espinasa等观点^[3]，气泡负载固体颗粒的最大输送能力随充气量的增加而增加，但受到气泡粒度的制约。可见，气泡直径过大不利于处理指标ηCOD的进一步提高，因而表观气速有一适宜值。

表2 不同填料废水处理结果 填料类型 原纸浆废水（1#） 处理后清水 SS/（mg.L^-1) CODcr/（mg.L^-1) SS/（mg.L^-1) CODcr/（mg.L^-1) 丝网波纹填料 1718.5 755.1 107 134.2 刺孔波纹填料 1718.5 755.1 309 352.5

表3 表观空气流速对废水处理结果的影响 试验方法 试验编号 Jg/(cm.s^-1) H_L/cm H_F/cm ηCOD/% 分散空气法（1#废水） 1 0.0177 60 101 73.04 2 0.0221 60 101 89.7 3 0.0243 60 101 90.4 4 0.0276 60 101 89.65 5 0.0387 60 101 75.44

3.1.3 柱内液面高度HL和进料口高度HF对CODcr去除率的影响
　　浮渣与水体界面以下区域提供了气泡与颗粒的粘附场所，在一定气量和进料量条件下，适宜的流体流型和液面高度确定了颗粒在柱内的停留时间。从表4可看出，随液面高度HL的增加，ηCOD值亦增加，但液面高度并非越高越好，过高的液面会导致气泡上颗粒脱落机会的增多。同时，试验还证实，进料口位于液面以上不仅处理效果较好，且泡沫稳定易于操作。进料口越高，液面至进料口段泡沫的富集能力越强。

表4 柱内液面高度和进料口高度对废水处理结果的影响 试验方法 试验编号 H_L/cm H_F/cm ηCOD/% 分散空气法（1#废水） 1 70 　 39.5 2 76 　 41.3 3 101 　 55.4 4 127 　 71.0 5 　 60 89.5 6 　 70 90.7 7 　 82 92.4 8 　 89 91.7

3.2 加压溶气法
3.2.1 表观流速Jf、溶气水表现流速Jgl及其比例试验
　　试验在溶气水进料口高度为102cm、废水进料口高度为一定的条件下进行，试验结果如表5所示。废水的处理结果，不仅取决于废水进料表观流速Jf的大小，而且也取决于溶气水表观流速人的大小。试验发现，在废水进料Jf一定时，溶气水Jgl相对较小时，悬浮物在浓缩段不能进一步上升而形成浮渣；当溶气水量相对较大时，则浮渣含水量较高或浮渣较稀，浮渣界面不清。表5结出了试验条件下处理指标较好的三组数据。对比表2与表4，试验也表明加压溶气法在CODcr、SS指标上明显优于分散空气法，且浮渣固含量高。
3.2.2 溶气水人口高度Hg1；、废水进料口高度HF组合试验
　　废水进料口、溶气水入口高度组合试验保持溶气水、废水进料量固定不变，其试验结果如表6所示（H、Hd、Hc分别为回收段、分离段和浓缩段长度）。

表5 废水进料表观流速、溶气水表观流速及其比例试验结果 试验方法 试验编号 Jf/(cm.s^-1) Jg1/(cm.s^-1) Jf/Jg₁ SS/(mg.L^-1) Solid/% CODcr/(mg.L^-1) 加压溶气法（2#废水） 1 0.0785 0.1570 0.50 微量 　 64.0 2 0.1361 0.2826 0.48 微量 16.6 35.0 3 0.2198 0.2512 0.88 30.3 8.8 35.7

表6 废水进料口、溶气水入口高度试验结果 试验方法 试验编号 Hr/cm Hd/cm Hc/cm SS/(mg.L^-1) Solid/% CODcr/(mg.L^-1) 加压溶气法（2#废水） 1 76 57 17 101.2 7.4 59.2 2 102 25 23 微量 16.6 35.0 3 76 39 35 15.8 4.3 42.1 4 76 19 55 17.2 4.5 70.1

　　对于同一溶气水进料口，浓缩段高度增加，相应分离段高度减小，清水CODcr值有一适宜范围，浓缩段高度过低或过高，清水CODcr值有所增加，尤其在高度过低时，悬浮物SS含量增加较多，填料柱底部清水出口处水较浑浊，其浓缩段流体的扰动，破坏了浮渣层的浓缩。当溶气水入口相对较高时，且分离段和浓缩段高度适宜时，由于回收段高度相应增加，且分离段和浓缩段床层内压降相应减少，在流体的液速一定时，溶气水中较多的微气泡偏流进人分离段和浓缩段内，使得柱底清水CODcr值和SS值进一步减小，从而提高填料柱的处理效果。
3.2.3 溶气条件下纸浆废水连续试验
　　通过上述药剂、操作条件和结构条件的考察，本试验对溶气条件下填料柱处理纸浆废水进行了连续试验，其试验结果如表7所示。

表7 纸浆废水连续试验结果 水样 CODcr/(mg.L^-1) BOD5/(mg.L^-1) SS/(mg.L^-1) 污泥固含率/% 原水 699 236 1022 　 出水 110 48.6 20 4.27 去除率/% 84.3 79.4 98 　

　　 连续试验结果表明，溶气填料柱处理纸浆废水不仅在CODcr、SS等指标上能取得较为理想的结果，而且对降低废水生化需氧量（BOD5）也具有较好的效果。

4 结论

　　填料结构参数是影响纸浆废水处理指标的最重要的参数。在絮凝药剂浓度一定下，分散空气法的主要影响参数是空气表观流速；对于加压溶气法，其废水处理指标主要取决于溶气水的进口高度和其与废水进料量比例的配合。加压溶气法废水处理指标明显优于分散空气法，不需另加气泡剂，且浮渣固含率较高，避免了污泥的二次污染。

参考文献：

　　[1] Dobby G S and Finch J A.Mixing characteristics of industrial flota tion columns[J].Chem Eng Sci，1985，40（7）：1061－1068.
　　[2] 张大鹏，徐亚同，史家梁.废水的物理处理法-气浮法［J］.上海化工，1998，23（24）：40－41.
　　[3] Espinasa R G，Yianatos J B，Finch J A,et al. SME-AIME[C]. Arizona：ed K Sastry，1988.143.

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　　作者简介：丁一刚（1963-），男，湖北黄冈人，副教授，工学硕士，主要从事多相流反应器技术。