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重金属废水处理中气浮器设计的应用

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摘要:本文从废水中重金属去除的原理出发,分析原气浮装置存在的不足,选择了气浮机的设计方案,设置了气浮机的相关参数和配置。该气浮机能有效去除废水中重金属和悬浮物,为废水的循环利用提供了保障基础,为环保事业作出了贡献。

关键词:废水;气浮机;重金属;悬浮物

引言

中核建中核燃料元件有限公司虽然一直以来都遵章守纪,做到了各种废水、废气的达标排放,但是随着国家环境保护法的颁布实施,对于节能减排的要求越来越高,特别是在水资源有限的今天,废水的循环再利用,减少废水的排放具有十分重要的意义。因此该公司对于废水的处理也提出了更高的要求,特别是废水中重金属离子的含量、水中悬浮物的含量必须接近或达到自来水的标准。在废水处理生产线中针对废水中重金属离子和悬浮物的处理,配置了1台气浮装置,但是使用效果非常差,处理后的废水远达不到循环再利用的要求。因此针对废水的实际情况,设计一台气浮器用于处理废水中的重金属离子和悬浮物,减少试剂的使用量,减少沉降设备和厂房空间的投入,同时为废水的循环再利用提供可靠保障条件十分必要。

1原气浮装置的状况

原气浮装置属水泵吸水管吸入空气气浮设备,主要由罐体、进水分布装置、气泡产生装置(含爆气头)、涡流泵、刮渣装置、出水调节装置等组成,其结构简图如图1所示。水泵吸水管吸入空气气浮是一种最简单的气浮方法,由于水泵工作特性的限制,吸入的空气量不宜过多,一般不大于吸入量的10%(按体积计),否则将破坏水泵吸入管的负压工作。另外,气泡在水泵内被破坏的不够完全,粒度大,气浮效果不好。从原气浮装置投入使用以来,经过多次试验,均达不到气浮的效果,后又将原32NPD15Z型自吸式精密不锈钢涡流泵改为40NPD22Z型自吸式精密不锈钢涡流泵,又经过多次试验仍达不到气浮的效果。

2含重金属的废水处理原理

废水中的重金属多以离子的形式存在,无法用物理方法进行处理,因此通常采用化学方法进行处理。其原理是:向废水中投加硫化钠或硫化氢等硫化物,使重金属离子与硫离子反应,生成难溶的金属硫化物沉淀,该方法称为硫化物沉淀法。重金属离子与硫离子有很强的亲和力,能生成容度积的硫化物,因此用硫化物除去废水中溶解性的重金属离子是一种有效的处理方法。由于重金属硫化物的粒度细微,大部分悬浮于废水中,要达到较好的去除效果,一方面加入的处理试剂硫化钠必须按一定比例过量,另一方面废水的静置时间必须足够长,保证悬浮于废水中的重金属硫化物的粒度细微全部沉淀。如此一来,既要增加硫化钠的使用量,又要增加沉降设备、增加厂房的空间。因此采用辅助设备降低废水中重金属离子的含量,减少处理试剂的加入量,缩短静置沉淀时间,减少沉降设备和厂房的资金投入非常必要。

3气浮器的设计

3.1气浮原理及方案选择

气浮法就是向废水中通入空气,并以微小气泡形式从水中析出成为载体,使废水中的微小悬浮颗粒等污染物质粘附在气泡上,随气泡一起上浮到水面,形成泡沫--气、水、颗粒三相混合体,通过收集泡沫或浮渣达到分离杂质、净化废水的目的。根据各种处理方法的工艺复杂程度、投资大小并结合生产实际情况,本次设计选用溶解空气气浮法中的部分回流溶气气浮法。

3.2工艺设计计算

气浮工艺是取一部分去除重金属离子后的出水回流进行加压和溶气,减压后直接进入气浮池,与来自絮凝池的含重金属离子废水混合后气浮,气浮流程示意图如图2所示。

3.2.1供气量与空压机选型(1)气浮所需空气量计算:Qg=Q×R′×Ac×Φ=10×0.2×40×1.2=96.0L/h式中,Qg为气浮所需空气量,L/h;Q为气浮池设计水量,m3/h,取10;R′为实验条件下的回流比,废水中取0.2;Ac为实验条件下的释气量,L/m3,取40;Φ为水温校正系数,为1.1~1.3(主要考虑水的粘度影响,试验时水温与冬季水温相差大者取高值),本设计取1.2。(2)压溶气水量的计算:式中,Qp为加压溶气水量,m3/h;n为溶气效率,对装阶梯环填料的溶气罐查表得98%;P为选定的溶气压力,MPa,取0.4;Kt为溶解度系数,根据水温,查表得0.206。(3)空压机额定气量计算:Q′g=Φ×Qg÷60÷1000=1.2×96÷60÷1000=1.92×10-3m3/min

3.2.2溶气罐的计算

选用上海同济大学水处理技术开发中心附属工厂生产的TR-300型溶气罐,采用阶梯环填料。(1)溶气罐直径计算:式中,Dd为溶气罐内径,m;I为过流密度,这里取填料罐I=3000m3/(m2•d)。(2)溶气罐高度计算:H=2H1+H2+H3+H4式中,H1为罐顶、底封头高,m,按[JB1154-73]规定,封头高度与公称直径的关系为H1=h1+h2+δ,其中,h1为曲面高度;h2为直边高度,δ为壁厚。由Dd=130m,查表得h1=25mm,h2=75mm,δ=6mm,则H1=25+75+6=106mm。H2为布水区高度,取250mm;H3为贮水区高度,取1000mm;H4为填料层高度,当采用阶梯环时,可取1000~1300mm,本次取1200mm。则H=2H1+H2+H3+H4=2×106+250+1000+1200=2662mm。验证高径比:H/D=2662÷130=20.5,符合高径比应大于2.5~4的要求。

3.2.3气浮池的设计

气浮池计算草图如图3所示,气浮池分为接触室和分离室两部分,中间用挡板分隔开。式中,Ts为分离室内停留时间,取25min。(3)气浮池有效水深的计算:h2=νs×Ts=1.35m式中,νs为水流上升速度,为1.5~3.0mm/s,本次设计取2mm/s。因此,气浮池高度H0取1.5m。(4)分离区面积As和长度L2的计算: As=Vs/H0=4.84÷1.5=3.2m2取池宽B=1.2m,则分离区长度为L2=3.2÷1.2=2.6m。(5)接触区面积Ac和长度L1的计算:Ac=Vc/H0=1.0÷1.5=0.67m2取池宽B=1.2m,则接触区长度为L1=0.67÷1.2=0.56m。则气浮机长度为L=2.6+0.56=3.16m。(6)其它相关尺寸。经过计算或参照标准选取,各相关尺寸如表1所示。

4试用效果

气浮机应用后分别对其前后水中重金属含量、悬浮物含量进行了分析,其检测结果如表2所示。从表2中数据可知,气浮机对重金属的处理效率能达到75%以上,对悬浮物的处理效率能达到85%以上。使用中从气浮机出来的水不再有混浊的现象,是清澈透明的,而且在清水池的静止时间由以前的48h缩短为8h,同时在清水池底部产生的沉淀物只有以前的1/5。气浮机具有处理去除重金属的效能,因此进入气浮机的废水中的重金属含量可以较以前适当高一些,从而减少了硫化钠和硫酸亚铁试剂的使用量,经计算两种试剂的使用量可分别减少18%和15%。

5结语

实际应用证明,气浮机的设计满足使用要求,气浮机的应用能有效去除废水中的悬浮物,并能适当去除废水中的重金属,为废水的循环利用提供了保障基础,为环保事业作出了贡献。

参考文献

[1]郑铭.环保设备-原理•设计•应用[M].第二版,北京:化学工业出版社,2006.

[2]刘天奇.三废处理工程技术(废水卷)[M].北京:化学工业出版社,2001.

[3]罗辉.环保设备设计与应用[M].北京:高等教育出版社,1997.

[4]高廷耀,顾国维,周琪.水污染控制工程(下册)[M].高等教育出版社,2007.

作者:曹兴文 单位:中核建中核燃料元件有限公司

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