序言：本文通過理論和實驗兩方面的分析提供一種在滿足污水處理懸浮物去除率的條件下如何科學合理的選取氣浮表面負荷的方法。

一概述

在給水排水處理工藝程序中，固、液分離技術及其設備是關鍵項目之一。氣浮設備主要應用于所要分離的懸浮物質的密度與水的密度相近，且懸浮物沉降性能較差的廢水設備。

二表面負荷概念的引入

DAF氣浮工藝的主要設計參數包括表面負荷、停留時間、回流比、溶氣壓力等。四種設計參數即有各自的表述含義，同時它們又相互影響互相作用共同起作用。

表面負荷又稱作上升流速，溢流速率，是指處理設備中每平方米水面通過(或處理)的流量。氣浮表面負荷的實質為設備分離區內水流的整體下降速度即為

（m3/m2.h）

表面負荷的大小直接影響到氣浮的處理效果和設備的選型設計。針對不同廢水和不同的處理條件，表面負荷沒有固定的數值可供選取，確定合理的表面負荷對于氣浮設備應用起著關鍵性的作用。表面負荷大則意味著選取的設備表面積小，設備體積小投資小。表面負荷小則相反。

在各種給排水參考書中，在引入表面負荷時都缺少一個重要的輔助評定參數來評價選取值的合理性。本文選取了廢水處理中懸浮物的去除率為重要的輔助評定參數。（另外還有廢水處理的費效比即經濟性等評定參數，此項評定參數現不在本文的討論范圍內）不同水質中的懸浮物在污水處理工程的各個階段的去除率要求也不相同。有的水質中的懸浮物適于氣浮去除。所以懸浮物的去除率也高，有的則相反。對于同一種處理廢水，表面負荷的大小也對應著不同的懸浮物的驅除率。在其他條件相對固定的情況下，小的表面負荷一定對應著高的懸浮物去除率，高的表面負荷則相反。這是本文選取表面負荷的重要依據。表面負荷大小的選擇也直接關系到出水水質。氣浮分離區的表面負荷越大，即在同樣分離面積下，通過的流量越多，分離區水流的穩定狀態越差；絮體上浮的速度越慢，分離的效果越差，出水不清，出水標準越低。

在水處理工程中為了達到對應著的污水懸浮物的去除率則必須選取合適大小的表面負荷來保證。懸浮物的去除率是污水處理工程對氣浮設備的基本要求，也是業主對所購買設備基本要求。選取表面負荷大小的重要評定標準是懸浮物的去除率。

在一些參考書上對表面負荷只有一些數值范圍如3-20m3/m2.h，但沒有提供可操作的方法讓我們在具體的工程實踐中，在滿足污水懸浮物的去除率的前提下如何方便科學選取。

本文通過理論和實驗兩方面的分析提供一種在滿足懸浮物去除率的條件下科學合理的選取氣浮的表面負荷的方法。

三 表面負荷選取的理論依據

l 粘有氣泡的顆粒上浮的三個階段

沾有氣泡的顆粒上浮在水深一定的情況下隨時間的變化分為以下三個階段：（見下圖）（三階段理論是根據生產實踐觀察而來）

2 第一階段  顆粒的自由上浮+部分顆粒邊絮凝邊上浮。這部分以自由上浮為主，邊絮凝邊上浮為輔。這一階段顆粒絮體存在的空間較大，顆粒間距離較大。顆粒上浮滿足單顆粒的克里斯托夫公式，上浮速度較快。這一階段的上浮時間較短。

2 第二階段 顆粒擁擠上浮。這一階段以邊絮凝邊上浮為主，自由上浮為輔。這一階段顆粒間距離較小，顆粒之間互相牽制非常強。顆粒上浮速度變慢。整個水體中泥水界面清晰明了，呈現泥水界面整體上升壯觀景象。但這一階段污泥含水率還較高，不能滿足正常浮渣去除的要求。這一階段上浮時間較長。

2 第三階段 高濃度壓縮上浮階段。在這一階段絮體間大量的游離水逐漸被擠壓出來，雖著時間的推移浮渣變得越來越干。上浮速度最慢，顆粒間距離非常小，這個階段上浮時間最長。在這個階段我們可以去除浮渣了。

                        絮體上浮的三階段理論曲線

綜上所訴顆粒上浮的三階段的理論：第一個階段顆粒的上浮速度最快 ，其次為第二階段，第三個階段上浮速度最慢。從三個階段的浮渣含水率來看，第一個階段浮渣收集時含水率最高，最后一個階段浮渣含水率最低。從上面圖也可以看出若在第一個階段收集處理后的清水則可能因為清水區較小會把懸浮物也帶走，收集的浮渣含水率也高不能滿足工程需要。只有在最后一個階段，清水區域最大，浮渣區域最小，浮渣在該階段被壓縮，浮渣含水率最低。清水區域中的懸浮物最少，設備此時發揮的效率最高。此時無論收集清水還是收集浮渣都是非常合適的。由上面分析可以得到以下結論：

2 在恒定水深的情況下，保證一定的上浮時間是必須的。只有這樣才能保證收集清水收集浮渣在顆粒上浮的第三階段。

2 三個階段的上浮速度均不相同，用任何一個階段的速度都無法完整表述整個浮渣的上浮過程。所以我們導入平均上浮速度的概念既用一定水深之值處以三個階段的時間和。

     （平均上浮速度）=（1）

由（1）的公式可以看出，在恒定水深的大前提下（回流比、溶氣壓力，廢水水質，加藥量等各種因素均相同的情況下），只要掌握住三個階段的時間和，就可以輕松求出絮體的上浮的平均速度。

2 水的溫度、流態。靜止的水流為理想的上浮狀態，所以分離區的流態設計為層流，使絮體有一個較穩定的上升空間，也是我們氣浮設計最重要的工作之一。

2 影響的主要因素

污水中的粘附氣泡的絮體的比重和大小是氣浮上浮速度的重要影響因素。

由粘附氣泡的絮粒在水中上浮時受力分析可知，在宏觀上將受到重力G浮力F等外力的影響。帶氣絮粒上浮時的速度根據牛頓第二定律可導出在層流區（Re<1）絮體的上浮速度為： （單體顆粒的上浮速度）

 （2）

V上——帶氣絮體的上浮速度

g ——9.8m/s2

ρ水 ——水的密度

ρ絮 ——帶氣絮體的密度

d2 ——帶氣絮粒的直徑（或特征直徑）

u ——水的動力黏度

由上面的公式可以得出影響的主要因素

2 水與帶氣絮粒之間的密度差也是重要的影響因素，我們在工程中常說的需要上浮的絮體密度必須小于或等于水的密度其理論依據在此。

2 反應池產生絮體的大小是氣浮的上浮速度的最重要影響因素之一。既夾氣絮粒的直徑（或特征直徑）。如果夾氣絮粒中氣泡所占比例越大則夾氣絮粒的密度就越小；其特征直徑則相應增大，兩者的這種變化可使上浮速度大大提高。實際水流中；帶氣絮粒大小不一，引起的阻力也不斷變化，從而上浮速度也在不斷變化上。

沾氣泡的絮體在水流中的分析圖

由分析圖看出粘氣泡的絮體在水流中的綜合上浮速度是絮體自身的上浮速度和液面的整體下降速度之差造成的。

（3）

我們知道沾氣泡的絮體在水流中的綜合上浮速度為必須滿足以下條件時絮體才能上浮，而不被出水水流帶走。

時，（絮體上浮的必要條件）（4）

結論：表面負荷（即分離區液面的下降速度）其最小值等于                                                                

由上面的公式（4）分析可以推導本文最重要的公式 ：

           （5）

即液面的下降速度小于（或等于）絮體平均上浮速度的情況下，浮渣才能保證肯定是上浮的。氣浮才能正常工作。所以確定絮體的平均上浮速度是確定氣浮表面負荷的關鍵。想準確經濟設計表面負荷，必須準確經濟測定絮體的平均上浮速度。在表面負荷概念的引入中提到選取表面負荷大小的唯一評定標準是懸浮物的去除率。依次類推懸浮物的去除率是選取絮體平均上浮速度的唯一的評定標準。

由公式（5）可以推導如下重要結論：表面負荷選取小于或等于絮體的平均上浮速度。

（6）

公式（6）是我們下面設計實驗表格的理論基礎。

去除率指除掉的懸浮物量占總懸浮物量的比值。是污水處理工藝流程中對設備的基本要求。

對總懸浮物的組份按絮體尺寸大小分，大，中 ，小，極小等多種類顆粒混合組成。各種直徑顆粒占總懸浮物的比值隨污水種類的不同差異較大。有的污水中大顆粒多，有的小顆粒多，有的則是兩者之間的比例大。由上面三階段理論可以看出，大的顆粒上升速度快可以最早被去除，小顆粒則因上升慢則最后被去除。假如表面負荷參照大顆粒的上升速度來選取則小顆粒就無法被去除而隨清水排放了。相反情況，表面負荷參照小顆粒的上升速度來選取則比這小顆粒大的所有顆粒一定會被去除，此時的懸浮物的去除率是較高的。大顆粒上升快，小顆粒則相反。表面負荷的大小和大，小顆粒的上浮速度成正比和去除率成反比。

污水去除率的概念可以按顆粒去除率來考慮。一般情況下，在小的污水去除率的情況下去除的浮渣中大顆粒的懸浮物占總的比例較高。而相反的情況是浮渣中大顆粒的懸浮物占總的比例較低 。下面介紹用的方法。

四 實驗方法選取表面負荷

在實際工程應用中，測定單顆絮體顆粒的上浮速度是不現實的，也無法操作。（在實驗室中，有特定的測試手段才能操作）這是因為污水中懸浮物的顆粒大小不一，形狀也千差萬別。而且在絮體上浮的三階段中每個階段的上浮速度均不相同。在理論分析中導入平均上浮速度的概念。用在一定去除率的前提下測定群體顆粒的平均上浮速度的方法來選取合理的表面負荷。下面用圖表來直觀選取合理的表面負荷。

l 表面負荷選取的實驗裝置

了解浮渣上浮的原理后，在工程實踐中通過以下的方法來確定氣浮的表面負荷。見表面負荷實驗裝置如：

該實驗裝置為水深為500MM的筒體，其中上半部分200MM為浮渣層，下半部分為取水樣層。實驗按下面的步驟和方法來操作；

2 確定廢水的性質，進水SS值和出水要求SS值

2 溶氣水回流比的確定：根據廢水性質為30-200%； 溶氣壓力范圍為200～600kPa； 

2 溶氣水的制作：采用標準溶氣系統產生合格的溶氣水；

2 污水的制作：根據污水的性質，選擇合適的藥劑及濃度充分混合反應，以絮體的大小500-1000um為標準。(絮體反應時間控制在5分鐘，藥劑和污水的混合強度為G=500-750  1/S，污水絮體的絮凝反應強度為G=70-120 1/S)

2 污水和溶氣水混合進入實驗裝置，如圖所示，每進入一次取一次水樣檢測水樣中剩余懸浮物的濃度C1-6（數字為實驗次數的標記））原水濃度設定為C0；

2 填制下列實驗表格：

表面負荷的實驗測定表格

    由上面的表格可以看出，由污水中懸浮物的去除率（%）能夠一一對應能去除的懸浮顆粒的平均上浮速度V，和表面負荷三者之間的關系是在一個實驗裝置內完成。三者之間存在內在統一和聯系。三者之間在這個實驗中是一個完整的統一體。該實驗裝置可以很全面的反應污水的上浮性能，懸浮物的驅除率，為氣浮表面負荷的選取提供合適的方法。

五 表面負荷選取的應用實例

用氣浮來處理印染廢水需要解決兩方面的問題，一是：印染廢水出現泡沫嚴重影響氣浮的使用，在設計表面負荷時必須考慮泡沫的影響。二是表面負荷要精心實驗，精心設計。第一個泡沫問題不在本文的考慮之列。第二個精心設計表面負荷的實驗，實驗目的為在進水懸浮物含量為600mg/l時,要求SS的去除率在90%以上的表面負荷。

l 在印染廢水表面負荷的實驗之前，需確定如下的前提條件。

l 回流泵前接河水，或自來水。解決活性劑對溶氣系統的影響。

l 改進溶氣系統，改用水力紊動程度小的溶氣系統。

l 溶氣水工作壓力為2.4-2.6KG/CM。

l 建議堿減量污水和含有去油靈的污水單獨建池儲存，單獨處理和單獨排放，不要進調節池。若進也是一點一點加入到污水中去，不可突然大量排放。

l 溶氣水的回流比為50%。

l 藥品采用硫酸亞鐵，PAM。

l 進水懸浮物含量為600mg/l,要求SS的去除率在90%以上。

在現場采用廢水，用實驗裝置測定表面負荷的數據如下表格

印染廢水表面負荷的實驗測定數據表格

 由上面試驗可以看出在進水懸浮物含量為600mg/l時,要求SS的去除率在90%以上的表面負荷載在3.6以下。該負荷和書本上的一般設計參數相比偏低。主要原因如下：、

l 泡沫影響氣浮的上升的速度，影響絮體之間的粘附，并大，造成表面負荷偏低。

l 廢水中COD值在1500以上，其值偏高，在加藥絮凝后，也有部分COD析出加入到SS之中，造成氣浮載荷偏大。

確定表面負荷q=4M/H ，根據處理量Q，可以確定氣浮分離區的表面積A

                 （6）

六 結論：

1. 由于廢水種類繁多，即使是同類型的廢水，其水質變化也很大。通常的書本上設計參數也只是經驗統計值。因此可靠的辦法最好采用實驗室或現場小型試驗取得的結果作為設計依據。 

2. 原水中懸浮物的濃度為C0，根據處理水質要求的污水中懸浮物的去除率，按照表格選取相應的氣浮表面負荷Q，可以查到在2-6分鐘里，污水中能夠去除的群體懸浮顆粒的平均上浮速度V，污水中群體懸浮顆粒上升速度只要大于的平均上浮速度V，都可以被氣浮去除。

3. 停留時間、表明負荷、溶氣水回流比、藥劑種類及濃度、氣溫、流態等因素對氣浮效果都存在大大小小的影響，各種因素之間是相互影響相互作用的成為一個有機整體。當條件發生大的變化時，需重新進行實驗以確定合理的表面負荷參數。

4. 實際應用中，我們在充分考慮到投資與處理效果的情況下，通常取表面負荷在3～9之間的實驗數據進行設備的選型和設計。