颗粒和气泡的特性对气浮法有效性的影响

　　溶气式气浮法（DAF）中气泡和颗粒的特性会影响气泡与颗粒之间的碰撞效率，以及悬浮物的去除率。在本篇论文中，气泡和颗粒的碰撞效率因数（αbp）是根据轨迹分析计算。认为在DAF中最重要的参数是气泡和颗粒两者的表面特性(Z)电位）。另一个重要因素是气泡和颗粒的大小。根据颗粒和气泡的大小，颗粒密度对abp有正或负的影响。溶液的离子强度对αbp稍有影响。这—理论得出的结论可以用来对DAF工艺洲与当前实际生产运行中存在的某些问题作一解释。

前言：

　　溶气式气浮工艺的有效性已在众多领域的应用中得到证实，也包括在饮用水处理工艺的应用。但是，对气泡和颗粒基本特性的您并不多。九十年代的种群平衡紊流模型和单收集碰撞模型，虽可用来作些解释，但均未能说明DAF设计运行中气泡和颗粒大小和表面电荷对其产生的影响。
　　在本篇论文中，气泡和颗粒的碰撞效率（αbp）剧在DAF工艺应用中遇到的大量运行参数，运用轨迹分析计算得出。

　　方法：
　　在低雷诺数流态下，上升气泡和下沉颗粒的运动与碰撞，可用流体动力学和颗粒（粒间）作用力的等式来说明。

　　 气泡与颗粒之间的碰撞效率因数(αbp)如图1所示，其内容与1991年所用的不同沉淀中碰撞效率因数的定义相似。主要区别是：αbp的定义有两种情况：（1）当气泡大于颗粒时；（2）当颗粒大于气泡时。而在不同沉淀情况下，仅第一种情况被认为较大的颗粒落在较小颗粒的上方。这个区别是由数学简化形成的。因为此方式中使用的是大小比率。两种情况的理论定义相同。
　　轨迹分析的主要方程式见式（1）

　　式中L、G和M为流体动力学函数，是依据中心与中心的分离距离（S）和颗粒与气泡（或气泡和颗粒）的大小比值（λ）求出。r和θ是在极坐标上的位置，V是颗粒速度，D是扩散系数，k是波尔兹曼常数，T是绝对温度序，Φ是粒间作用力。
　　用DLVO理论可详细描述两个带电荷胶体颗粒之间的反应。通常以势能WT表示总干扰，以范德华能引力VA和电干扰VR的总合计算，见式（2），（3）

　　A为哈梅克常数，在水系统，其范围在3.5×10-13－8.0 ×10-13尔格。
　　对于两个表面电位不同的不相等的颗粒Φ1和Φ2来说，它们间的电干扰可用等式（4）描述

　　这里ε相对介电常数，A1是较大颗粒的半径，x是德拜——休克耳互补长度系数。
　　总干扰能量VT取决于DAF工艺中气泡与颗粒溶液中的各种理化参数。
　　结果与讨论
　　在αbp的计算中，对气泡—颗粒—溶液系统的基础特性作了调查，其中包括气泡的大小及表面电荷，颗粒的大小及表面电荷和密度，溶液的离子强度。如表1所示，对每一参数作了一组轨道分析。
　　普通DAF采用表中的标准数值，其它数值则视这些参数对αbp的影响而作变动。

表1 αbp计算中使用的各种参数 标准实例 1.气泡大小 2.气泡Z电位 3.颗粒大小 4.颗粒Z电位 5.颗粒密度 6.离子强度 气泡大小（μm） 60 20-120 - - 60,90 - - Zeta电位（mV) -25 - -150～+10 - - - - 颗粒大小（μm） 15，60，150 - - 12～150 15,150 - - zeta电位（mV) 0-30 - - - -30～+10 - - 密度（g/cm³) 1.2 - - 1.2,2.0 - 1.01～2.65 - 溶液离子强度（M） 0.001 - - - - - 0.00001-0.1

　　颗粒大小和颗粒的Z电位均取决于原水特性和混凝条件，如药剂投加量和絮凝时间。
　　气泡大小的影响
　　气泡大小对αbp的影响如图2所示。
　　混凝状态对DAF所起作用是很大的。在稳定条件下（ξp=-30m＼mV），碰撞效率非常低而在不稳定条件下（ξp=0mV）则会较其高出1－2个数量级。能获得最高碰撞效率的最佳气泡大小取决于颗粒的大小。对较小颗粒来说，只需要较小的气泡即可达到较高碰撞效率。同样，较大颗粒，则需要较大气泡。颗粒与气泡大小的最佳比值大约在2－1之间。

　　 气泡Z电位对αbp的影响如图3所示，其中以3种大小的颗粒（dp=15 一15μm，60μm，150μm）、稳定和不稳定颗粒以及按表1所注明的所有其它条件举例。在不稳定状态下，碰撞效率高。在稳定状态，随气泡Z电位的变化会出现非常明显的变化。
　　颗粒大小的影响
　　颗粒大小对碰撞效率参数的影响如图4所示，其以两种颗粒密度（Qp＝1.2g/cm³和2g／cm³）为例。其余群同前。同样，按照颗粒的混凝条件，碰撞效率存在很大差异。
　　在DAF的实际运行中。颗粒的大小是依絮凝时间，混合条件而定。与传统水处理工艺相比，DAF不要求或很少要求有絮凝时间邮对于如何能根据颗粒特性来选择最佳絮凝时间这点，目前尚未有标准提出。
　　颗粒Z电位的影响
　　颗粒Z电位测撞效率参数的影响示于图5，以两种颗粒和两种气泡为例。按照颗粒Z电位，碰撞效率分为两个区域。负Z电位，碰撞效率非常低；反之，则急剧上升，大颗粒更明显。
　　在DAF运行中，欲达到较好的碰撞效率，建议使用药剂稍微过量些。
　　颗粒密度的影响
　　颗粒密度的影响示于图6。同样，在不稳定状态下，其影响很明显。建议，按照矾花大小和絮凝时间，预处理的目标应根据要进附理的颗粒的强度来选择。

　　溶液离子强度的影响
　　溶液离子强度的影响示于图7。对于稳定条件下，离子强度不会有影响。在不稳定条件下，当颗粒电荷为零，同时气泡电荷为负值时，碰撞效率αbp随离子强度的增加，稍有减少。

结论

　　DAF中颗粒与气泡碰撞效率因数，流体动力学和粒间作用力的关系，根据轨道分析计算。每一参数对αbp的影响本文已作了计算和讨论。
　　控制DAF碰撞效率的最为明显的参数是气泡和颗粒的静电状态。对气泡携带相反电荷的气泡与颗粒碰撞时，可以得到最大的碰撞效率。最佳气泡大小取决于颗粒大小。最佳颗粒大小随颗粒密度而变化。溶液的离子强度对碰撞效率的影响不大。

　　用本研究的结论可以解释DAF设计运行中当前的问题。另外，可按照絮凝时间和矾花的Z电位，有目的的调整预处理，可最有效地达到DAF净水效果。本文主张不仅通过改变水中颗粒特性，还要通过改变颗粒和气泡的特性，才能达到这一目标。

摘译自 AQUA，2002-1
（何玲 译 冯新校）