采用溶气浮选来去除悬浮固体的水处理过程的制作方法

本发明涉及水或废水处理过程，且更具体地涉及利用溶气浮选来去除悬浮固体的过程。

背景技术：

溶气浮选（daf）过程是已知的。常规的daf过程包括将凝聚剂注入水中，使凝聚剂与水混合，将絮凝剂注入水中，使絮凝剂混合在水中，且然后将凝聚且絮凝的水引导到下述这样的区中：在其处加压的水（通常被称为白水）被注入并与待澄清的水混合。在白水已与凝聚且絮凝的水混合后，将水引导至分离区，其通过溶气浮选过程将固体与水分离。

用于澄清的浮选的基本原理基本上相同，而不管所使用的技术如何。通过将气体或空气引入正被处理的水，实现了固体从正被处理的水的分离。气泡通常在水池底部附近注入，该水池含有待从液相分离的固体和絮凝颗粒。气泡经由表面附着附着在这些固体上，并且进而导致颗粒上升到表面。形成并已浮到表面的絮状颗粒形成污泥的离散层，其被称为“覆盖层”或“漂浮物”。这种污泥的覆盖层能够通过液压消耗或通过机械刮擦来去除。

利用化学品的daf过程的缺点或短处之一是实施和操作这样的过程的成本。溶气浮选系统的示例和典型应用可有助于理解与化学品添加相关的成本。例如，废水厂可以包括初级沉淀池、移动床生物反应器（mbbr）和用于从来自mbbr单元的流出物去除悬浮固体的溶气浮选系统。在这个示例中，假设daf单元被设计成每天处理26240立方米废水。daf单元包括凝聚阶段、絮凝阶段和浮选阶段。化学品（诸如凝聚剂、例如氯化铁，和絮凝剂、诸如聚合物）被注入到在浮选区或阶段上游的水中。在这个示例中，分离区中的速度或镜面速率（mirrorrate）约为7.6m/h。由于添加了凝聚剂和絮凝剂，所以针对总体悬浮固体的去除的平均效率可为大约90％。然而，通常观察到，当不添加化学品时，总体悬浮固体去除效率显著降低。

此外，在溶气浮选过程中适当地实施凝聚剂和絮凝剂的注入常常是具有挑战性的。如果没有适当地实施，则在daf中的总体悬浮固体去除效率下降。例如，如果在白水和正被处理的水之间的接触时间太短，则去除效率就会受到影响。同样，如果速度梯度（g）不合适，则悬浮固体的去除效率降低。

常规的daf系统以各种方式在世界各地使用。例如，它们用来处理饮用水，以用于去除藻类、浮动材料、油，并处理显现颜色（腐殖的和黄腐物质类型）的物质、以及未净化的水中存在的胶体物质。此外，常规的daf系统用于海水淡化、海水的预处理以用于去除藻类、油、胶体物质和造成堵塞膜的颗粒。最后，常规的daf系统在废水处理中广泛用于去除悬浮固体。

这些常规的daf系统和过程具有缺点。首先，它们通常在分离区中产生低的镜面速度或速率，通常小于10m/h，并且因此为了达到期望的处理能力，系统必须被设计成占据更大的面积。此外，常规的daf系统需要通过使用凝聚和絮凝的特定阶段（在其中注入化学试剂）来制备和调整处理待去除的物质。如上所述，消耗的化学品昂贵并且驱动混合器所消耗的能量是昂贵的。

因此，存在对于在无需添加化学品的情况下既有效又高效的daf系统和过程的需要。

技术实现要素：

本发明涉及一种用于澄清水或混合液的溶气浮选过程。在一个实施例中，代替在分离区上游注入凝聚剂或絮凝剂（如在溶气浮选过程中常规的那样），本发明不使用凝聚剂或絮凝剂，但是仍达到与使用化学品（即凝聚剂和絮凝剂）的常规daf过程所达到的那些相当的总体悬浮固体（tss）去除效率。

在一个实施例中，本发明提供了一种daf过程，其中不注射化学品，然而在分离区中达到的镜面速率为至少20m/h，其中具有超过80％的tss去除效率。

在其他实施例中，将凝聚剂和/或絮凝剂直接注入到daf的混合区中或加压白水中，该加压白水进而从一个或多个喷嘴被喷射到混合区中。

仍然在某些情况下，本发明的溶气浮选系统和过程被用于从流入水或混合液中去除磷和tss二者。在这种情况下，使聚合物形式的絮凝剂和诸如氯化铁的凝聚剂与水或混合液混合。

本发明的其他目的和优点将从以下描述和附图的研究中变得显而易见，附图仅仅是对本发明的说明。

附图说明

图1示出了根据本发明的溶气浮选系统。

图2示出了替代的溶气浮选系统，其提供了以下这样的装置：其用于将诸如凝聚剂或絮凝剂的化学品注入到加压白水中，或直接注入到被引入到溶气浮选系统的入口区中的供给中。

图2a是图2中所示的daf系统的替代视图，其提供，经由扩散器将凝聚剂和/或絮凝剂注入到混合区中。

图3是示出在移动床生物反应器的下游使用本发明的daf系统和过程的示意图。

图4是示出在不同时间段操作并且不使用化学品的本发明的daf过程的典型测试结果的图。

具体实施方式

进一步参考附图，浮选型澄清系统在其中被示出并且总体上由附图标记10表示。如本文中随后将讨论的，澄清系统10被设计成，接收包含悬浮固体的水或混合液，并通过空气浮选的过程，澄清系统被设计成，从水或混合液中去除悬浮固体。

如图所描绘的，澄清系统10包括池14。池14包括底部和周围的侧部。在池中形成分离区16。在一些情况下，分离区16被称为浮选区。在分离区16的上游设置有混合或接触区18。如图所示，池14包括壁20，其将池分隔并形成分离区16和混合区18。

澄清水提取区22形成在池14的底部或分离区16的下部部分中。其能够采取各种形式。在一个实施例中，澄清水提取区包括室24，其包括穿孔顶部。分离区16中的澄清的水进入室24的穿孔顶部并被从出口25引导出。

设置有流入物供给管线26。其通向位于混合区18上游的入口区28。穿孔板30将入口区28与混合区18分开。在溶气浮选过程期间，将水或混合液泵送到入口区28中并且向上穿过穿孔板30到混合区18中。

澄清系统10包括用于在压力下将白水注入到混合区18中的加压白水生成系统34。白水注入系统包括设置在穿孔板30上方的混合区18的下部部分中的一个或多个喷嘴32。用于生成白水的系统在本领域中是公知的。例如，典型的白水生成系统包括白水泵，其泵送来自分离区16的底部的澄清的水通过预过滤器。从预过滤器，澄清的水或白水被引导到保持容器并且从保持容器向下引导到喷嘴32，在喷嘴32处白水被喷射到混合区18中。

如本文中随后将讨论的，系统和过程将导致絮状物升高到分离区16中的水的表面。污泥刮板38围绕澄清系统10的上部部分设置。污泥刮板38能够在澄清系统的顶部上前后运动，并且包括刮板，该刮板用于接合水的上部表面上的污泥覆盖层并将污泥刮到污泥出口40，污泥在该污泥出口40处从澄清系统10排出。

在一个实施例中，澄清系统10被设计成在无化学品添加的情况下絮凝并去除悬浮固体。这将在下面更详细地讨论。在诸如期望去除磷的其他实施例中，添加诸如凝聚剂或絮凝剂的化学品。然而，当添加化学品时，优选的是将化学品直接或经由白水注入系统添加到混合区18中。

图2示出了能够将凝聚剂或絮凝剂添加到水中的多种方式的一个示例。这里，设置两条化学品供给管线50和52。每条管线均包括控制阀54、56。注意，供给管线50被安装到白水供给管线36中。通过关闭阀56，化学品能够被引导通过控制阀54和供给管线50进入到白水供给管线36中。通过关闭阀54，凝聚剂或絮凝剂能够在混合区18上游的一点处被引导通过控制阀56和管线52到流入水中。

存在将凝聚剂或絮凝剂注入到混合区18中的其他方式和装置。例如，扩散器60能够设置在喷嘴32的上方或下方，并操作地连接到凝聚剂和/或絮凝剂的供应源。参见图2a。能够设置化学品供给泵，用于将凝聚剂和/或絮凝剂从供应源泵送到扩散器中。在一个实施例中，扩散器60或者用于将凝聚剂或絮凝剂注入到混合区18中的其他装置能够放置在喷嘴32上方大约5至大约20cm处。在其他实施例中，化学品添加系统能够被设计成将凝聚剂注入到混合区18的一个区域中，同时将絮凝剂注入到混合区18的另一区域中。在其他实施例中，化学品添加系统能够被设计成将凝聚剂或絮凝剂之一注入到白水供给管线36中，同时将另一种直接注入到混合区18中。

已大体描述了澄清系统10。美国专利8,753,508示出并描述了一种澄清系统和一种用于澄清水的过程。美国专利8,753,508的公开通过引用明确并入本文中。

简要回顾澄清过程，流入水或混合液通过管线26被引导至入口区28中。应注意的是，流入水可以是未净化的水，即未经处理的水，或者其可以是已经历过预处理过程的水。例如，可以在mbbr过程的下游采用本发明的澄清系统10。参见图3。在这种情况下，引入到管线26中的流入水（例如混合液）被称为混合液。

水在压力下被向上泵送通过穿孔板30到混合区18中。在混合区中水与白水混合，所述白水已经经历加压，并且一旦从喷嘴射出，就被减压。在待处理的水和射出的白水之间的接触时间能够变化。在一个示例中，接触时间为大约2-5分钟。减小气泡尺寸会提高捕获效率。白水生成系统34可操作以提供用于去除流入水中的悬浮固体的溶气浮选过程。尤其，白水生成系统从出口25或分离区16的底部提取澄清的水的一部分，并对该水加压以形成所谓的白水。压力下的该白水被泵送通过管线36到喷嘴32。喷嘴被设计成将白水（包括小气泡（直径小于50微米））注入到混合区18中，其中，气泡与来自收集区28的水混合。水中的悬浮固体附着到气泡并形成有浮力的絮状物。包括聚结的悬浮固体的絮状物在混合区18中随附着的气泡向上升起。

如图1中看到的，例如，混合区18中的水连同絮状物一起越过壁20的上部边缘到分离区16中。在分离区16中，絮状物和气泡继续上升到包含在分离区中的水上的上部表面。絮状物在水的上部表面上形成污泥层或污泥覆盖层。保持在分离区16的下部部分中的水是澄清的水。该澄清的水进入澄清水室24，并从其经由出口25被引导出池14。如上所述，白水生成系统利用一部分澄清的流出物以生成用于注入到混合区18中的加压白水。

在早些的讨论中指出，化学品的使用如何大大增加空气浮选澄清过程的成本。建造凝聚和絮凝池或其他结构以适应凝聚和絮凝过程的资金成本是重大的。此外，还有用于输送、混合和监测化学品的设备。这也是昂贵的。发明人已经发现，空气浮选澄清过程能够在没有凝聚剂或絮凝剂的情况下进行，但仍然实现与依赖凝聚剂和絮凝剂的常规daf过程的那些tss去除效率相当的tss去除效率。

本文所述的不使用凝聚和絮凝的过程的惊人表现能够通过絮凝条件来解释。在絮凝步骤中，形成了大量的微絮状物，并且这些微絮状物之间交会以形成大絮状物的可能性由对应于低湍流（低速度梯度g）的水的机械搅动产生。原理是微絮状物生长成更大的聚集体使相分离加速。因此，一切都相同，絮状物的直径的增加促进絮凝，并且速度梯度g不能太高，因为絮状物可能由于太高的剪切力而被破坏。

在常规daf过程中通常用于絮凝阶段的速度梯度（g）的值为<100秒^-1，且更具体地约60秒^-1。速度梯度由下式给出：

其中：

p：由搅拌器的叶片耗散的功率[w]

v：由废水或混合液流体所占的体积[m3]

μ：水的动态粘度[pa]。

在daf系统中，在凝聚和絮凝之后，水进入接触区。在接触区中，絮凝颗粒通过微气泡浮动到浮选水池的表面。微气泡经由表面附着附着到絮状颗粒，并通过部分空气饱和的加压再循环流的减压产生。该再循环流是澄清的流出物流的一部分（通常为流出物流动的8-12％）。

再循环流借助再循环泵再循环并被加压。再循环流的减压通过喷嘴发生，所述喷嘴固定到位于接触区的入口处的母管。澄清的水在其穿过管道时被收集，并离开在可调节堰之上的单元进入到澄清的水池中。

在daf过程中，颗粒捕获效率是气泡尺寸（除了其他之外）的函数。用于通过注入来实现固液分离的浮选使用细小气泡（<50微米），所述细小气泡将是非常轻质的聚集体并具有高的速度。通过在5-7巴的压力下使澄清的水的一部分再循环来实现细小气泡的产生。通过将待处理的水直接注入到接触或混合区18中，与细小气泡的注入相关的湍流导致如下确定的速度梯度的形成：

p（w）=q白水（m3/s）×p白水（m）×g（m/s²）×i'（kg/m3）

p白水：7巴：70m

g：9.8m/s²

i'：1000kg/m3

μ：水的动态粘度0.001pa.s

本过程在分离区中提供高的速度或镜面速率（20-60m/h），并且与用于废水处理的常规daf系统相比，允许更小的工厂占地面积。例如，考虑10m³/h的流动速率和2分钟的接触时间。这导致接触区域的体积为0.33m³。计算得到24.2s^-1的g值。这证实，在没有化学品的情况下操作本发明的daf系统10并且实现有利的tss去除效率是合理的。也就是说，这证实，在混合或接触区18中的这些流体动力学条件下，能够实现絮凝过程的成功实施，其足以在气泡和絮状物之间产生碰撞。

下面的表1示出在类似于图1中所示的daf系统的daf系统中执行的一系列测试。测试两个流入物流动速率：20m³/h和28m³/h。测试的加压白水再循环率为10％、15％、20％和25％。测试了两个tss流入物浓度。一个称为中等浓度，其中tss入口浓度为250mg/l。第二个tss入口浓度，称为高tss浓度，为500mg/l。

在没有化​​学试剂的情况下的表现（手动采样）

2013年1月至2月

所有tss去除效率均超过80％。大多数在93-96％的范围内。所有镜面或速度速率都超过20m/h。相当多的测试显示镜面速率在30-35m/h的范围内。对用于在不使用凝聚剂或絮凝剂的情况下澄清混合液或水的溶气浮选过程来说，这是令人惊讶的。

在这些测试中，污泥的浓度在35-40g/l的范围内。tss在80-84％的范围内。

图4是在三个时间段内进行的三个测试的图解表示，以确定在不添加化学品的情况下执行本过程时本发明的溶气浮选系统10的tss去除效率。尤其，这些测试的流入物流动为28m³/h。15％澄清水再循环被用于白水。在这三次测试期间的平均镜面速率为32.2m/h。注意，在时间段1中，流入水中的tss的浓度相对较高，有时测量超过400mg/l。如图4所示，在所有三个测试中，tss在出口处的浓度小于20mg/l。这些是在没有采用化学品的情况下进行的测试。

进行的测试需要mbbr过程，然后进行溶气浮选过程（根据图1中所示的系统），其中一些测试在有化学品的情况下进行，而一些在没有化学品的情况下进行。基于测试，假设去除总体悬浮固体的一个优选方法是在不使用化学品的情况下采用白水的15％再循环。另一个优选的过程是向白水的10％再循环提供1mg/l剂量的聚合物。在需要去除tss和磷二者的情况下，这些测试表明，期望的方法是采用10％的白水再循环，并且给予混合区18中的水1mg/l的聚合物和50mg/l的氯化铁。

当然，在不脱离本发明的本质特征的情况下，本发明可以以与本文具体阐述的那些不同的方式进行。本实施例在所有方面被认为是说明性的而不是限制性的，并且在所附权利要求的含义和等同范围内的所有改变都旨在被包含在其中。