CN101549231B

CN101549231B - 一种含藻海水的气浮旋分耦合分离方法及其分离装置

Info

Publication number: CN101549231B
Application number: CN2009100765835A
Authority: CN
Inventors: 杨义勇; 季林红; 田尚云; 朱利民
Original assignee: Cosco Shipbuilding Industry Co Ltd; Tsinghua University; China University of Geosciences Beijing
Current assignee: Cosco Shipbuilding Industry Co Ltd; Tsinghua University; China University of Geosciences; China University of Geosciences Beijing
Priority date: 2009-01-09
Filing date: 2009-01-09
Publication date: 2011-08-03
Anticipated expiration: 2029-01-09
Also published as: CN101549231A

Abstract

本发明公开了一种含藻海水的气浮旋分耦合分离方法及其装置，该分离方法包括产生气泡；把气泡通入含藻海水中；气泡与含藻海水混合；旋分，旋分结果是轻相、水相、重相。该分离装置包括气泡发生器，混合器，旋分器，气泡发生器主要包括外管、微孔膜管，微孔膜管插入外管中并与外管密封连接，微孔膜管的外壁与外管的内壁之间构成环形空腔结构，外管的外壁上设有充气口与空气压缩机通过软管连接，气泡发生器与加压水泵之间的管路上安装控制装置和检测装置，气泡发生器通过混合器与旋分器连接，旋分器的三个出口，分别是旋分器底部的底流口，旋分器上端侧部的切向出水口，旋分器顶面的中部插入排藻管，排藻管的出口为旋分器的排藻口。

Description

一种含藻海水的气浮旋分耦合分离方法及其分离装置

技术领域

本发明涉及一种含藻海水的气浮旋分耦合分离方法及其分离装置。

背景技术

目前，气浮是分离含藻水有效的单元方法，气浮方法是在水中通入气体使水中形成大量的微小气泡，并借助微小气泡表面张力特征，使藻类颗粒自动附着在气泡上从而增大分离对象水和藻的密度差，有利于除去水中的藻类，传统的气浮方法是静态的，速度慢，一般需要几十分钟甚至数小时时间，且设备占地面积大；旋分分离是利用离心沉降原理从悬浮液中分离固体颗粒，广泛用于固体和液体、液体和液体分离等重质颗粒物料分级作业中，它具有分离时间短和占地面积小等优点，但藻类在水中是处于悬浮状态的，其比重与水接近，因此，旋分分离目前还没有被应用于含藻水的分离，此外边壁充气式旋分器在国内外有一定研究，但是在旋分器的边壁进行充气会造成旋分器内部流场复杂化，影响了旋分器本身分离重质颗粒的性能。

发明内容

本发明的目的在于改进现有技术的不足，提供一种在不影响旋分器排重的基础上将气浮和旋分两种分离的单元操作有机地结合在一起，发挥气浮与旋分技术的各自优势，达到好的除藻效果和高的除藻效率并实现水中轻质和重质颗粒的分离的含藻海水的气浮旋分耦合分离方法。

本发明的另一个目的在于提供一种气浮旋分耦合分离装置。

本发明提供的含藻海水的气浮旋分耦合分离方法，它包括下列步骤：

第一步：产生气泡；

第二步：含藻海水把气泡带走；

第三步：气泡与含藻海水混合，使得海水中与水密度接近的藻类在界面张力作用与气泡粘附形成含藻水-气泡的均匀混合物，而增加藻类与水的密度差；

第四步：将第三步的气泡海水混合物通入旋分器中进行旋流分离，旋分出粘附藻类的轻相、泥沙重相和水相。

所述第一步具体的是，将压缩空气通过一微孔介质，分割出细碎的气泡。所述微孔介质的孔径0.1-1微米，微孔介质层的厚度为5-30毫米。

通入微孔介质气体的压力为0.25-0.45MPa。

带走气泡的含藻海水的压力大于0.2-0.4MPa。

本发明的一种气浮旋分耦合分离装置，它主要包括气泡发生器，混合器和旋分器，气泡发生器主要包括外管和微孔膜管，微孔膜管插入外管中并与外管密封连接，微孔膜管的外壁与外管的内壁之间构成环形腔室，其与微孔膜管的管腔通过微孔膜管管壁上的微孔连通，气泡发生器上还包括一进气管，其一端与空气压缩机连接，另一端与外管的外壁上的充气接口连接并与环形间隙相通，微孔膜管的一端与加压水泵通过气泡发生器进水管路连接，微孔膜管的另一端出水管路通过混合器与旋分器连接，旋分器具有一个切向进液口和三个出口，该切向进液口与混合器相连接，该三个出口分别是旋分器底部的底流口，旋分器上端侧部的出水口，旋分器顶面的中部插入排藻管，排藻管的出口为旋分器的排藻口。

微孔膜管和外管之间的密封连接结构可以是这样的：包括两个管接头，每个管接头上包括一段管子，其管道与微孔膜管相对且两者管径相当，该管接头的与微孔膜管相邻的一端的管口端面上设有突起的内环，其上设有环形凹槽与微孔膜管的端口相匹配，使得微孔膜管的两端分别插设在两个管接头的所述凹槽中固定，在管接头设置内环的一端沿径向延设有法兰盘，在外管的两端设有法兰盘与管接头上的法兰盘对应，在外管和管接头相邻的端面上设有密封元件，通过螺栓固联管接头和外管上的法兰盘。

为了方便本气泡发生器在管路系统中的连接，在管接头的两个外端管子上设有外螺纹或内螺纹。

管接头的孔径与微孔膜管的孔径之间的差值为5-10mm，以减小流体在管路中的阻力。

外管与微孔膜管之间的环形腔室间隙可为5-50毫米。

微孔膜管的微孔孔径可为0.1-1微米，微孔膜管的管壁厚度可为5-30毫米。

所述混合器为一段管路，该管路的一端连接气泡发生器的出水管路，其另一端连接所述旋分器的切向入口。海水和气泡在该段管路中流动过程中进行接触混合，使得水中的海藻粘附在气泡上。为了使气泡与含藻海水充分接触，该混合器管道的长度可以为0.5-2m，管道直径与旋分器入口直径相同。在混合器的管道中海水和气泡在流动过程中自动混合。

本发明的一种含藻海水的气浮旋分耦合分离方法及其装置，通过设置产生气泡的单独的气泡发生器，并设置单独的混合器，将现有技术中与旋分器合并在一起的气泡发生和混合过程与旋风过程分离，同时，适当控制各个过程的相应参数，可以实现很好的除藻效果并实现水中轻质和重质颗粒的广谱分离，简单易行，投资少，设备紧凑。

附图说明

图1是实施本发明提供的含藻海水的气浮旋分耦合分离装置的结构示意图；

图2为图1所示的分离装置中的气泡发生器的结构示意图。

其中，1：外管，2：充气接口，3：微孔膜管，4：环形空腔，5：管接头，51：内螺纹或外螺纹，52：环形凹槽，6：密封圈，7：液流入口，8：气液混合出口，9：法兰，10：进水管路，11：控制阀，12：出水管路，13：旋分器，14：水泵，15：混合器，16：空气压缩机，17充气管路。

具体实施方式

本发明的一种含藻海水的气浮旋分耦合分离方法，包括下列步骤：

第一步：产生气泡；

第二步：含藻海水把气泡带走；

所述第一步具体的是，将压缩空气通过一微孔介质，分割出细碎的气泡。

具体的，本分离方法是在本发明提供的一种气浮旋分耦合分离装置中进行的，该装置主要包括气泡发生器A，混合器15和旋分器13，如图1所示。气泡发生器(见图2)主要包括外管1和微孔膜管3，微孔膜管3插入外管1中并与外管1密封连接，微孔膜管3的外壁与外管的内壁之间构成环形腔室4，其与微孔膜管3的管腔通过微孔膜管管壁上的微孔连通，气泡发生器A充气管路17的一端与空气压缩机16连接，另一端与外管1的外壁连接并与环形空腔4相通，该充气管路可以是软管，其上设有控制阀11。微孔膜管3的一端与加压水泵14通过气泡发生器进水管路10连接，微孔膜管3的另一端出水管路12通过混合器15与旋分器13连接，旋分器13具有一个切向进液口和三个出口，该切向进液口131与混合器15相连接，该三个出口分别是旋分器底部的底流口132，旋分器上端侧部的出水口133，旋分器顶面的中部插入排藻管134，排藻管的出口为旋分器的排藻口135。

所述气泡发生器中微孔膜管3和外管1之间的密封连接结构是：包括两个管接头5，其包括一段管子，其管道与微孔膜管3相对且两者管径相当，管接头5的与微孔膜管3相邻的一端的管口端面上设有突起的内环，其上设有环形凹槽52与微孔膜管3的端口相匹配，使得微孔膜管3的两端分别插设在两个管接头5的凹槽51中固定，在管接头5设置内环的一端沿径向延设有法兰9，与之相匹配地，在外管1的两端设有法兰9与管接头上的法兰盘9对应，在外管和管接头相邻的端面上设有密封圈6，通过螺栓固联管接头和外管上的法兰。管接头通过其上的内螺纹或外螺纹与进水管路10和出水管路12密封连接。

使用本气浮旋风耦合分离装置分离海水中的细碎的藻类时，含藻海水泵送通过进水管路10和液流入口7，流进微孔膜管3内，空压机将压缩空气先通过外管1上的充气接口2送入环形空腔4，再由环形空腔4通过微孔膜管3上的微孔进入微孔膜管3内，被微孔分割的气流在微孔膜管3内被高速流动的液体剪切流作业下形成微细气泡并随液流进入管道结构的混合器15，在流经混合器15的管道中的过程中，气泡与液体得到了充分接触和混合并与液体中的海藻悬浮颗粒结合，然后，液体旋入旋分器进入分离阶段，最后，海水中的沙石聚集到旋分器下端，结合有海藻悬浮颗粒的气泡从旋分器上部中心出口接入的轻相排出口排出，而得到分离后的清水从旋分器上部的排水口排出。由此就可以将海水处理成清水。气泡的尺寸与待分离颗粒尺寸接近则分离效果越好，例如对于分离海水中10-100微米的藻类颗粒则需要通入10-100微米尺寸的气泡分离效果最好。因此，根据水中难于分离的藻类的大小(通常在20-100微米)和产生气泡的大小，设计所述微孔介质的孔径0.1-1微米，微孔介质的厚度为5-30毫米。管接头的孔径小于微孔膜管内径5-10mm，以减小管路阻力，同时保证对微孔膜管的支撑固定作用。

通入微孔介质气体的压力为0.25-0.45MPa。

带走气泡的含藻海水的压力大于0.2-0.4MPa。

含藻海水的该进水压力可以使旋分器内离心力场强度提高，同时更重要的是可以使海藻颗粒在与气泡碰撞时具有很高的动能，这有利于克服水化层薄化自由能的增加，从而使颗粒在气泡表面的粘附容易实现。

但是如果进水压力过大则使旋分器内的离心力太大，虽然能为藻类颗粒提供大的惯性力，但由于涡流运动产生的剪切力也相应会增大，这个较大的剪切力会促使藻类颗粒脱离气泡，不利于气泡与颗粒聚合体的稳定存在。

所以，该工艺中的进水压力应该处于0.2-0.4MP区间，以保证大小适度的离心力强度，同时也为颗粒与气泡的牢固粘附提供最佳条件，要保证颗粒不致于从气泡上脱落，又要尽量使含藻气泡容易实现径向向内进入旋分器中的泡沫柱区。

通入微孔膜管3的气体的压力为0.25-0.45MPa。带走气泡的含藻海水的压力为0.2-0.4MPa。在处理过程中保持充气压力与进水压力差在0.05-0.07MPa之间，因为该压差范围也可保证气泡尺寸在20-100微米之间，这样有利于分离海水中大部分20-100微米的藻类。

气泡与含藻海水混合比例，可以这样选择：

当海水中含藻浓度为10⁵-10⁶个/米³时，充气流量与进水流量之比应该为0.25-0.5，当气水量比低于0.25则气泡数密度过低，分离效果不理想，高于0.5时，充气量过大会使气体利用率降低，同时分离效率也没有明显提高。

气泡与海水的混合时间一般为0.2s-1s，由于藻类是疏水性颗粒，且气泡与藻类的结合过程中感应时间为10^-3秒，所以当气泡与含藻海水混合时只要保证二者的接触概率及气泡尺寸即可在极短时间内实现粘附。

为了保证气泡与海藻颗粒的结合时间，将混合器管路设计为弯管，即在节省空间的同时保证结合时间

在所述第四步中，旋分器进口物料与水相出口的压力降小于0.2Mpa，可达到0.05Mpa。限制旋分器入口和水相出口之间的压力降，主要是为保证后续处理工艺(如过滤等)中有一定的进水压力，因为在后续工艺中不会再装加压装置，所以要尽量减小本工艺的水头损失，同时也为了降低能耗。该数值越小越好，在本工艺装置中能达到低于0.05MPa的压降。该值的控制主要是通过减小管路阻力，并且把旋分器的入口和水相出口都设计成切向，在水相向上的出口连接一涡壳，该蜗壳壁上沿切向设置水相出口，由此结构可增强出口水流的旋流场。

将空气经过空气压缩机16加压，形成高压气体，高压气体经气泡发生器进气管2进入气泡发生器中，再经过微孔膜管3上的微孔切割形成气泡；微孔膜管的微孔孔径0.1-1微米，微孔膜管的管壁厚度为5-30毫米；含藻海水通过加压水泵3，经过加压水泵后的含藻海水至少增压至0.4Mpa，形成高速含藻海水流，经过气泡发生器进水管4，流入气泡发生器A中的微孔膜管3内；气泡被高速含藻海水流带走经过混合器15，为了使含藻海水与气泡充分混合，通过调整混合器15的长度改变气泡与含藻海水的反应时间，气泡与含藻海水充分混合、接触，并使藻类颗粒与气泡在界面张力的作用下自动粘附在一起，形成气液混合物；气液混合物切向进入旋分器13中高速旋转并产生离心力，这个高速的旋转离心场增加了气泡和藻类颗粒的粘附速度，提高了藻类颗粒和气泡构成的粘附体径向迁移速度，由于藻类颗粒和气泡粘附体的密度明显低于含藻水的密度，其迅速向旋分器13中间集中形成泡沫柱区并汇聚成富含藻类的轻相从排藻口135排出，达标的水相流以二次流形式上升到旋分器的上部并从蜗壳上的切向出水口133排出，水中重质颗粒沿旋分器内壁流向底部并从底流口132排出。

本发明提供的气泡发生器，当微孔膜管3发生堵塞时，只要将充气管路17的控制阀11关闭，将一个充气接口2拆开，微孔膜管3内的高压液流会通过微孔膜管3上的微孔进入环行空腔4，同时会将微孔膜管3上的赌塞物带出，并由拆开的充气接口2排出，从而完成了对气泡发生器的反冲洗工作。

本装置的核心是气泡发生器与脱藻旋分器的有效组合，本发明的方法简单易行、投资少、设备紧凑、占地面积小，无须添加药剂不会产生二次污染，水中的藻可以回收利用，净化后的水可在工业系统内循环使用。

Claims

1.一种含藻海水的气浮旋分耦合分离方法，它包括下列步骤：

第一步：产生气泡；

第二步：含藻海水把气泡带走；

2.根据权利要求1所述的含藻海水的气浮旋分耦合分离方法，其特征在于：所述第一步具体的是，将压缩空气通过一微孔介质，分割出细碎的气泡。

3.根据权利要求2所述的含藻海水的气浮旋分耦合分离方法，其特征在于：通入微孔介质的空气的压力为0.25-0.45Mpa；或者，

带走气泡的含藻海水的压力为0.2-0.4Mpa；或者，

通入微孔介质的气体的压力为0.25-0.45MPa，带走气泡的含藻海水的压力为0.2-0.4Mpa，在处理过程中保持通入气体的压力与进水压力差在0.05-0.07MPa之间；和/或，所述微孔介质的微孔孔径在0.1-1微米；和/或，微孔膜管的管壁厚度为5-30毫米。

4.根据权利要求2或3所述的含藻海水的气浮旋分耦合分离方法，其特征在于：当海水中含藻浓度为10⁵-10⁶个/米³时，充气流量与进水流量之比为0.25-0.5。

5.根据权利要求1或2或3所述的含藻海水的气浮旋分耦合分离方法，其特征在于：气泡与海水的混合时间为0.2s-1s。

6.根据权利要求1或2所述的含藻海水的气浮旋分耦合分离方法，其特征在于：在所述第四步中，旋分器进口物料与水相出口的压力降小于0.2Mpa。

7.一种气浮旋分耦合分离装置，其特征在于：它包括气泡发生器，混合器和旋分器，所述气泡发生器包括外管和微孔膜管，微孔膜管插入外管中并与外管密封连接，微孔膜管的外壁与外管的内壁之间构成环形腔室，其与微孔膜管的管腔通过微孔膜管管壁上的微孔连通，气泡发生器进气管的一端与空气压缩机连接，另一端与外管的外壁连接并与环形间隙相通，微孔膜管的一端与加压水泵通过气泡发生器进水管路连接，微孔膜管的另一端出水管路通过混合器与旋分器连接，旋分器具有一个切向进液口和三个出口，该切向进液口与混合器相连接，该三个出口分别是旋分器底部的底流口，旋分器上端侧部的出水口，旋分器顶面的中心部位插入排藻管，排藻管的出口为旋分器的排藻口。

8.根据权利要求7所述的气浮旋分耦合分离装置，其特征在于：微孔膜管和外管之间的密封连接结构是这样的：包括两个管接头，每个管接头上包括一段管子，其管道与微孔膜管相对且两者管径相当，该管接头的与微孔膜管相邻的一端的管口端面上设有突起的内环，其上设有环形凹槽与微孔膜管的端口相匹配，使得微孔膜管的两端分别插设在两个管接头的所述凹槽中固定，在管接头设置内环的一端沿径向延设有法兰盘，与之相匹配地，在外管的两端设有法兰盘与管接头上的法兰盘对应，在外管和管接头相邻的端面上设有密封元件，通过螺栓固联管接头和外管上的法兰盘。

9.根据权利要求7所述的气浮旋分耦合分离装置，其特征在于：在所述气泡发生器中，所述外管与微孔膜管之间的环形腔室间隙为5-50毫米；或者，所述微孔膜管的微孔孔径在0.1-1微米；或者，微孔膜管的管壁厚度为5-30毫米；

10.根据权利要求8所述的气浮旋分耦合分离装置，其特征在于：所述管接头的孔径小于微孔膜管内径5-10mm。

11.根据权利要求7所述的气浮旋分耦合分离装置，其特征在于：该混合器管道的长度为0.5-2m，管道直径与旋分器入口直径相同；和/或者，该混合器管道为弯曲的管道；或者，在该旋分器中，在水相向上的出口连接一涡壳，该涡壳壁上沿切向设置水相出口。