本發(fā)明涉及水或廢水處理過程，且更具體地涉及利用溶氣浮選來去除懸浮固體的過程。

背景技術(shù)：

溶氣浮選（daf）過程是已知的。常規(guī)的daf過程包括將凝聚劑注入水中，使凝聚劑與水混合，將絮凝劑注入水中，使絮凝劑混合在水中，且然后將凝聚且絮凝的水引導(dǎo)到下述這樣的區(qū)中：在其處加壓的水（通常被稱為白水）被注入并與待澄清的水混合。在白水已與凝聚且絮凝的水混合后，將水引導(dǎo)至分離區(qū)，其通過溶氣浮選過程將固體與水分離。

用于澄清的浮選的基本原理基本上相同，而不管所使用的技術(shù)如何。通過將氣體或空氣引入正被處理的水，實(shí)現(xiàn)了固體從正被處理的水的分離。氣泡通常在水池底部附近注入，該水池含有待從液相分離的固體和絮凝顆粒。氣泡經(jīng)由表面附著附著在這些固體上，并且進(jìn)而導(dǎo)致顆粒上升到表面。形成并已浮到表面的絮狀顆粒形成污泥的離散層，其被稱為“覆蓋層”或“漂浮物”。這種污泥的覆蓋層能夠通過液壓消耗或通過機(jī)械刮擦來去除。

利用化學(xué)品的daf過程的缺點(diǎn)或短處之一是實(shí)施和操作這樣的過程的成本。溶氣浮選系統(tǒng)的示例和典型應(yīng)用可有助于理解與化學(xué)品添加相關(guān)的成本。例如，廢水廠可以包括初級沉淀池、移動床生物反應(yīng)器（mbbr）和用于從來自mbbr單元的流出物去除懸浮固體的溶氣浮選系統(tǒng)。在這個示例中，假設(shè)daf單元被設(shè)計(jì)成每天處理26240立方米廢水。daf單元包括凝聚階段、絮凝階段和浮選階段。化學(xué)品（諸如凝聚劑、例如氯化鐵，和絮凝劑、諸如聚合物）被注入到在浮選區(qū)或階段上游的水中。在這個示例中，分離區(qū)中的速度或鏡面速率（mirrorrate）約為7.6m/h。由于添加了凝聚劑和絮凝劑，所以針對總體懸浮固體的去除的平均效率可為大約90％。然而，通常觀察到，當(dāng)不添加化學(xué)品時，總體懸浮固體去除效率顯著降低。

此外，在溶氣浮選過程中適當(dāng)?shù)貙?shí)施凝聚劑和絮凝劑的注入常常是具有挑戰(zhàn)性的。如果沒有適當(dāng)?shù)貙?shí)施，則在daf中的總體懸浮固體去除效率下降。例如，如果在白水和正被處理的水之間的接觸時間太短，則去除效率就會受到影響。同樣，如果速度梯度（g）不合適，則懸浮固體的去除效率降低。

常規(guī)的daf系統(tǒng)以各種方式在世界各地使用。例如，它們用來處理飲用水，以用于去除藻類、浮動材料、油，并處理顯現(xiàn)顏色（腐殖的和黃腐物質(zhì)類型）的物質(zhì)、以及未凈化的水中存在的膠體物質(zhì)。此外，常規(guī)的daf系統(tǒng)用于海水淡化、海水的預(yù)處理以用于去除藻類、油、膠體物質(zhì)和造成堵塞膜的顆粒。最后，常規(guī)的daf系統(tǒng)在廢水處理中廣泛用于去除懸浮固體。

這些常規(guī)的daf系統(tǒng)和過程具有缺點(diǎn)。首先，它們通常在分離區(qū)中產(chǎn)生低的鏡面速度或速率，通常小于10m/h，并且因此為了達(dá)到期望的處理能力，系統(tǒng)必須被設(shè)計(jì)成占據(jù)更大的面積。此外，常規(guī)的daf系統(tǒng)需要通過使用凝聚和絮凝的特定階段（在其中注入化學(xué)試劑）來制備和調(diào)整處理待去除的物質(zhì)。如上所述，消耗的化學(xué)品昂貴并且驅(qū)動混合器所消耗的能量是昂貴的。

因此，存在對于在無需添加化學(xué)品的情況下既有效又高效的daf系統(tǒng)和過程的需要。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)要素：

本發(fā)明涉及一種用于澄清水或混合液的溶氣浮選過程。在一個實(shí)施例中，代替在分離區(qū)上游注入凝聚劑或絮凝劑（如在溶氣浮選過程中常規(guī)的那樣），本發(fā)明不使用凝聚劑或絮凝劑，但是仍達(dá)到與使用化學(xué)品（即凝聚劑和絮凝劑）的常規(guī)daf過程所達(dá)到的那些相當(dāng)?shù)目傮w懸浮固體（tss）去除效率。

在一個實(shí)施例中，本發(fā)明提供了一種daf過程，其中不注射化學(xué)品，然而在分離區(qū)中達(dá)到的鏡面速率為至少20m/h，其中具有超過80％的tss去除效率。

在其他實(shí)施例中，將凝聚劑和/或絮凝劑直接注入到daf的混合區(qū)中或加壓白水中，該加壓白水進(jìn)而從一個或多個噴嘴被噴射到混合區(qū)中。

仍然在某些情況下，本發(fā)明的溶氣浮選系統(tǒng)和過程被用于從流入水或混合液中去除磷和tss二者。在這種情況下，使聚合物形式的絮凝劑和諸如氯化鐵的凝聚劑與水或混合液混合。

本發(fā)明的其他目的和優(yōu)點(diǎn)將從以下描述和附圖的研究中變得顯而易見，附圖僅僅是對本發(fā)明的說明。

附圖說明

圖1示出了根據(jù)本發(fā)明的溶氣浮選系統(tǒng)。

圖2示出了替代的溶氣浮選系統(tǒng)，其提供了以下這樣的裝置：其用于將諸如凝聚劑或絮凝劑的化學(xué)品注入到加壓白水中，或直接注入到被引入到溶氣浮選系統(tǒng)的入口區(qū)中的供給中。

圖2a是圖2中所示的daf系統(tǒng)的替代視圖，其提供，經(jīng)由擴(kuò)散器將凝聚劑和/或絮凝劑注入到混合區(qū)中。

圖3是示出在移動床生物反應(yīng)器的下游使用本發(fā)明的daf系統(tǒng)和過程的示意圖。

圖4是示出在不同時間段操作并且不使用化學(xué)品的本發(fā)明的daf過程的典型測試結(jié)果的圖。

具體實(shí)施方式

進(jìn)一步參考附圖，浮選型澄清系統(tǒng)在其中被示出并且總體上由附圖標(biāo)記10表示。如本文中隨后將討論的，澄清系統(tǒng)10被設(shè)計(jì)成，接收包含懸浮固體的水或混合液，并通過空氣浮選的過程，澄清系統(tǒng)被設(shè)計(jì)成，從水或混合液中去除懸浮固體。

如圖所描繪的，澄清系統(tǒng)10包括池14。池14包括底部和周圍的側(cè)部。在池中形成分離區(qū)16。在一些情況下，分離區(qū)16被稱為浮選區(qū)。在分離區(qū)16的上游設(shè)置有混合或接觸區(qū)18。如圖所示，池14包括壁20，其將池分隔并形成分離區(qū)16和混合區(qū)18。

澄清水提取區(qū)22形成在池14的底部或分離區(qū)16的下部部分中。其能夠采取各種形式。在一個實(shí)施例中，澄清水提取區(qū)包括室24，其包括穿孔頂部。分離區(qū)16中的澄清的水進(jìn)入室24的穿孔頂部并被從出口25引導(dǎo)出。

設(shè)置有流入物供給管線26。其通向位于混合區(qū)18上游的入口區(qū)28。穿孔板30將入口區(qū)28與混合區(qū)18分開。在溶氣浮選過程期間，將水或混合液泵送到入口區(qū)28中并且向上穿過穿孔板30到混合區(qū)18中。

澄清系統(tǒng)10包括用于在壓力下將白水注入到混合區(qū)18中的加壓白水生成系統(tǒng)34。白水注入系統(tǒng)包括設(shè)置在穿孔板30上方的混合區(qū)18的下部部分中的一個或多個噴嘴32。用于生成白水的系統(tǒng)在本領(lǐng)域中是公知的。例如，典型的白水生成系統(tǒng)包括白水泵，其泵送來自分離區(qū)16的底部的澄清的水通過預(yù)過濾器。從預(yù)過濾器，澄清的水或白水被引導(dǎo)到保持容器并且從保持容器向下引導(dǎo)到噴嘴32，在噴嘴32處白水被噴射到混合區(qū)18中。

如本文中隨后將討論的，系統(tǒng)和過程將導(dǎo)致絮狀物升高到分離區(qū)16中的水的表面。污泥刮板38圍繞澄清系統(tǒng)10的上部部分設(shè)置。污泥刮板38能夠在澄清系統(tǒng)的頂部上前后運(yùn)動，并且包括刮板，該刮板用于接合水的上部表面上的污泥覆蓋層并將污泥刮到污泥出口40，污泥在該污泥出口40處從澄清系統(tǒng)10排出。

在一個實(shí)施例中，澄清系統(tǒng)10被設(shè)計(jì)成在無化學(xué)品添加的情況下絮凝并去除懸浮固體。這將在下面更詳細(xì)地討論。在諸如期望去除磷的其他實(shí)施例中，添加諸如凝聚劑或絮凝劑的化學(xué)品。然而，當(dāng)添加化學(xué)品時，優(yōu)選的是將化學(xué)品直接或經(jīng)由白水注入系統(tǒng)添加到混合區(qū)18中。

圖2示出了能夠?qū)⒛蹌┗蛐跄齽┨砑拥剿械亩喾N方式的一個示例。這里，設(shè)置兩條化學(xué)品供給管線50和52。每條管線均包括控制閥54、56。注意，供給管線50被安裝到白水供給管線36中。通過關(guān)閉閥56，化學(xué)品能夠被引導(dǎo)通過控制閥54和供給管線50進(jìn)入到白水供給管線36中。通過關(guān)閉閥54，凝聚劑或絮凝劑能夠在混合區(qū)18上游的一點(diǎn)處被引導(dǎo)通過控制閥56和管線52到流入水中。

存在將凝聚劑或絮凝劑注入到混合區(qū)18中的其他方式和裝置。例如，擴(kuò)散器60能夠設(shè)置在噴嘴32的上方或下方，并操作地連接到凝聚劑和/或絮凝劑的供應(yīng)源。參見圖2a。能夠設(shè)置化學(xué)品供給泵，用于將凝聚劑和/或絮凝劑從供應(yīng)源泵送到擴(kuò)散器中。在一個實(shí)施例中，擴(kuò)散器60或者用于將凝聚劑或絮凝劑注入到混合區(qū)18中的其他裝置能夠放置在噴嘴32上方大約5至大約20cm處。在其他實(shí)施例中，化學(xué)品添加系統(tǒng)能夠被設(shè)計(jì)成將凝聚劑注入到混合區(qū)18的一個區(qū)域中，同時將絮凝劑注入到混合區(qū)18的另一區(qū)域中。在其他實(shí)施例中，化學(xué)品添加系統(tǒng)能夠被設(shè)計(jì)成將凝聚劑或絮凝劑之一注入到白水供給管線36中，同時將另一種直接注入到混合區(qū)18中。

已大體描述了澄清系統(tǒng)10。美國專利8,753,508示出并描述了一種澄清系統(tǒng)和一種用于澄清水的過程。美國專利8,753,508的公開通過引用明確并入本文中。

簡要回顧澄清過程，流入水或混合液通過管線26被引導(dǎo)至入口區(qū)28中。應(yīng)注意的是，流入水可以是未凈化的水，即未經(jīng)處理的水，或者其可以是已經(jīng)歷過預(yù)處理過程的水。例如，可以在mbbr過程的下游采用本發(fā)明的澄清系統(tǒng)10。參見圖3。在這種情況下，引入到管線26中的流入水（例如混合液）被稱為混合液。

水在壓力下被向上泵送通過穿孔板30到混合區(qū)18中。在混合區(qū)中水與白水混合，所述白水已經(jīng)經(jīng)歷加壓，并且一旦從噴嘴射出，就被減壓。在待處理的水和射出的白水之間的接觸時間能夠變化。在一個示例中，接觸時間為大約2-5分鐘。減小氣泡尺寸會提高捕獲效率。白水生成系統(tǒng)34可操作以提供用于去除流入水中的懸浮固體的溶氣浮選過程。尤其，白水生成系統(tǒng)從出口25或分離區(qū)16的底部提取澄清的水的一部分，并對該水加壓以形成所謂的白水。壓力下的該白水被泵送通過管線36到噴嘴32。噴嘴被設(shè)計(jì)成將白水（包括小氣泡（直徑小于50微米））注入到混合區(qū)18中，其中，氣泡與來自收集區(qū)28的水混合。水中的懸浮固體附著到氣泡并形成有浮力的絮狀物。包括聚結(jié)的懸浮固體的絮狀物在混合區(qū)18中隨附著的氣泡向上升起。

如圖1中看到的，例如，混合區(qū)18中的水連同絮狀物一起越過壁20的上部邊緣到分離區(qū)16中。在分離區(qū)16中，絮狀物和氣泡繼續(xù)上升到包含在分離區(qū)中的水上的上部表面。絮狀物在水的上部表面上形成污泥層或污泥覆蓋層。保持在分離區(qū)16的下部部分中的水是澄清的水。該澄清的水進(jìn)入澄清水室24，并從其經(jīng)由出口25被引導(dǎo)出池14。如上所述，白水生成系統(tǒng)利用一部分澄清的流出物以生成用于注入到混合區(qū)18中的加壓白水。

在早些的討論中指出，化學(xué)品的使用如何大大增加空氣浮選澄清過程的成本。建造凝聚和絮凝池或其他結(jié)構(gòu)以適應(yīng)凝聚和絮凝過程的資金成本是重大的。此外，還有用于輸送、混合和監(jiān)測化學(xué)品的設(shè)備。這也是昂貴的。發(fā)明人已經(jīng)發(fā)現(xiàn)，空氣浮選澄清過程能夠在沒有凝聚劑或絮凝劑的情況下進(jìn)行，但仍然實(shí)現(xiàn)與依賴凝聚劑和絮凝劑的常規(guī)daf過程的那些tss去除效率相當(dāng)?shù)膖ss去除效率。

本文所述的不使用凝聚和絮凝的過程的驚人表現(xiàn)能夠通過絮凝條件來解釋。在絮凝步驟中，形成了大量的微絮狀物，并且這些微絮狀物之間交會以形成大絮狀物的可能性由對應(yīng)于低湍流（低速度梯度g）的水的機(jī)械攪動產(chǎn)生。原理是微絮狀物生長成更大的聚集體使相分離加速。因此，一切都相同，絮狀物的直徑的增加促進(jìn)絮凝，并且速度梯度g不能太高，因?yàn)樾鯛钗锟赡苡捎谔叩募羟辛Χ黄茐摹?/p>

在常規(guī)daf過程中通常用于絮凝階段的速度梯度（g）的值為<100秒^-1，且更具體地約60秒^-1。速度梯度由下式給出：

其中：

p：由攪拌器的葉片耗散的功率[w]

v：由廢水或混合液流體所占的體積[m3]

μ：水的動態(tài)粘度[pa]。

在daf系統(tǒng)中，在凝聚和絮凝之后，水進(jìn)入接觸區(qū)。在接觸區(qū)中，絮凝顆粒通過微氣泡浮動到浮選水池的表面。微氣泡經(jīng)由表面附著附著到絮狀顆粒，并通過部分空氣飽和的加壓再循環(huán)流的減壓產(chǎn)生。該再循環(huán)流是澄清的流出物流的一部分（通常為流出物流動的8-12％）。

再循環(huán)流借助再循環(huán)泵再循環(huán)并被加壓。再循環(huán)流的減壓通過噴嘴發(fā)生，所述噴嘴固定到位于接觸區(qū)的入口處的母管。澄清的水在其穿過管道時被收集，并離開在可調(diào)節(jié)堰之上的單元進(jìn)入到澄清的水池中。

在daf過程中，顆粒捕獲效率是氣泡尺寸（除了其他之外）的函數(shù)。用于通過注入來實(shí)現(xiàn)固液分離的浮選使用細(xì)小氣泡（<50微米），所述細(xì)小氣泡將是非常輕質(zhì)的聚集體并具有高的速度。通過在5-7巴的壓力下使澄清的水的一部分再循環(huán)來實(shí)現(xiàn)細(xì)小氣泡的產(chǎn)生。通過將待處理的水直接注入到接觸或混合區(qū)18中，與細(xì)小氣泡的注入相關(guān)的湍流導(dǎo)致如下確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：水的動態(tài)粘度0.001pa.s

本過程在分離區(qū)中提供高的速度或鏡面速率（20-60m/h），并且與用于廢水處理的常規(guī)daf系統(tǒng)相比，允許更小的工廠占地面積。例如，考慮10m³/h的流動速率和2分鐘的接觸時間。這導(dǎo)致接觸區(qū)域的體積為0.33m³。計(jì)算得到24.2s^-1的g值。這證實(shí)，在沒有化學(xué)品的情況下操作本發(fā)明的daf系統(tǒng)10并且實(shí)現(xiàn)有利的tss去除效率是合理的。也就是說，這證實(shí)，在混合或接觸區(qū)18中的這些流體動力學(xué)條件下，能夠?qū)崿F(xiàn)絮凝過程的成功實(shí)施，其足以在氣泡和絮狀物之間產(chǎn)生碰撞。

下面的表1示出在類似于圖1中所示的daf系統(tǒng)的daf系統(tǒng)中執(zhí)行的一系列測試。測試兩個流入物流動速率：20m³/h和28m³/h。測試的加壓白水再循環(huán)率為10％、15％、20％和25％。測試了兩個tss流入物濃度。一個稱為中等濃度，其中tss入口濃度為250mg/l。第二個tss入口濃度，稱為高tss濃度，為500mg/l。

在沒有化??學(xué)試劑的情況下的表現(xiàn)（手動采樣）

2013年1月至2月

所有tss去除效率均超過80％。大多數(shù)在93-96％的范圍內(nèi)。所有鏡面或速度速率都超過20m/h。相當(dāng)多的測試顯示鏡面速率在30-35m/h的范圍內(nèi)。對用于在不使用凝聚劑或絮凝劑的情況下澄清混合液或水的溶氣浮選過程來說，這是令人驚訝的。

在這些測試中，污泥的濃度在35-40g/l的范圍內(nèi)。tss在80-84％的范圍內(nèi)。

圖4是在三個時間段內(nèi)進(jìn)行的三個測試的圖解表示，以確定在不添加化學(xué)品的情況下執(zhí)行本過程時本發(fā)明的溶氣浮選系統(tǒng)10的tss去除效率。尤其，這些測試的流入物流動為28m³/h。15％澄清水再循環(huán)被用于白水。在這三次測試期間的平均鏡面速率為32.2m/h。注意，在時間段1中，流入水中的tss的濃度相對較高，有時測量超過400mg/l。如圖4所示，在所有三個測試中，tss在出口處的濃度小于20mg/l。這些是在沒有采用化學(xué)品的情況下進(jìn)行的測試。

進(jìn)行的測試需要mbbr過程，然后進(jìn)行溶氣浮選過程（根據(jù)圖1中所示的系統(tǒng)），其中一些測試在有化學(xué)品的情況下進(jìn)行，而一些在沒有化學(xué)品的情況下進(jìn)行。基于測試，假設(shè)去除總體懸浮固體的一個優(yōu)選方法是在不使用化學(xué)品的情況下采用白水的15％再循環(huán)。另一個優(yōu)選的過程是向白水的10％再循環(huán)提供1mg/l劑量的聚合物。在需要去除tss和磷二者的情況下，這些測試表明，期望的方法是采用10％的白水再循環(huán)，并且給予混合區(qū)18中的水1mg/l的聚合物和50mg/l的氯化鐵。

當(dāng)然，在不脫離本發(fā)明的本質(zhì)特征的情況下，本發(fā)明可以以與本文具體闡述的那些不同的方式進(jìn)行。本實(shí)施例在所有方面被認(rèn)為是說明性的而不是限制性的，并且在所附權(quán)利要求的含義和等同范圍內(nèi)的所有改變都旨在被包含在其中。