溶氣式氣浮法（DAF）中氣泡和顆粒的特性會影響氣泡與顆粒之間的碰撞效率，以及懸浮物的去除率。在本篇論文中，氣泡和顆粒的碰撞效率因數(shù)（αbp）是根據(jù)軌跡分析計(jì)算。認(rèn)為在DAF中最重要的參數(shù)是氣泡和顆粒兩者的表面特性(Z)電位）。另一個(gè)重要因素是氣泡和顆粒的大小。根據(jù)顆粒和氣泡的大小，顆粒密度對abp有正或負(fù)的影響。溶液的離子強(qiáng)度對αbp稍有影響。這—理論得出的結(jié)論可以用來對DAF工藝洲與當(dāng)前實(shí)際生產(chǎn)運(yùn)行中存在的某些問題作一解釋。

前言：

　　溶氣式氣浮工藝的有效性已在眾多領(lǐng)域的應(yīng)用中得到證實(shí)，也包括在飲用水處理工藝的應(yīng)用。但是，對氣泡和顆粒基本特性的您并不多。九十年代的種群平衡紊流模型和單收集碰撞模型，雖可用來作些解釋，但均未能說明DAF設(shè)計(jì)運(yùn)行中氣泡和顆粒大小和表面電荷對其產(chǎn)生的影響。
　　在本篇論文中，氣泡和顆粒的碰撞效率（αbp）劇在DAF工藝應(yīng)用中遇到的大量運(yùn)行參數(shù)，運(yùn)用軌跡分析計(jì)算得出。

　　方法：
　　在低雷諾數(shù)流態(tài)下，上升氣泡和下沉顆粒的運(yùn)動與碰撞，可用流體動力學(xué)和顆粒（粒間）作用力的等式來說明。

　　 氣泡與顆粒之間的碰撞效率因數(shù)(αbp)如圖1所示，其內(nèi)容與1991年所用的不同沉淀中碰撞效率因數(shù)的定義相似。主要區(qū)別是：αbp的定義有兩種情況：（1）當(dāng)氣泡大于顆粒時(shí)；（2）當(dāng)顆粒大于氣泡時(shí)。而在不同沉淀情況下，僅第一種情況被認(rèn)為較大的顆粒落在較小顆粒的上方。這個(gè)區(qū)別是由數(shù)學(xué)簡化形成的。因?yàn)榇朔绞街惺褂玫氖谴笮”嚷省煞N情況的理論定義相同。
　　軌跡分析的主要方程式見式（1）

　　式中L、G和M為流體動力學(xué)函數(shù)，是依據(jù)中心與中心的分離距離（S）和顆粒與氣泡（或氣泡和顆粒）的大小比值（λ）求出。r和θ是在極坐標(biāo)上的位置，V是顆粒速度，D是擴(kuò)散系數(shù)，k是波爾茲曼常數(shù)，T是絕對溫度序，Φ是粒間作用力。
　　用DLVO理論可詳細(xì)描述兩個(gè)帶電荷膠體顆粒之間的反應(yīng)。通常以勢能WT表示總干擾，以范德華能引力VA和電干擾VR的總合計(jì)算，見式（2），（3）

　　A為哈梅克常數(shù)，在水系統(tǒng)，其范圍在3.5×10-13－8.0 ×10-13爾格。
　　對于兩個(gè)表面電位不同的不相等的顆粒Φ1和Φ2來說，它們間的電干擾可用等式（4）描述

　　這里ε相對介電常數(shù)，A1是較大顆粒的半徑，x是德拜——休克耳互補(bǔ)長度系數(shù)。
　　總干擾能量VT取決于DAF工藝中氣泡與顆粒溶液中的各種理化參數(shù)。
　　結(jié)果與討論
　　在αbp的計(jì)算中，對氣泡—顆粒—溶液系統(tǒng)的基礎(chǔ)特性作了調(diào)查，其中包括氣泡的大小及表面電荷，顆粒的大小及表面電荷和密度，溶液的離子強(qiáng)度。如表1所示，對每一參數(shù)作了一組軌道分析。
　　普通DAF采用表中的標(biāo)準(zhǔn)數(shù)值，其它數(shù)值則視這些參數(shù)對αbp的影響而作變動。

表1 αbp計(jì)算中使用的各種參數(shù) 標(biāo)準(zhǔn)實(shí)例 1.氣泡大小 2.氣泡Z電位 3.顆粒大小 4.顆粒Z電位 5.顆粒密度 6.離子強(qiáng)度 氣泡大小（μm） 60 20-120 - - 60,90 - - Zeta電位（mV) -25 - -150～+10 - - - - 顆粒大小（μm） 15，60，150 - - 12～150 15,150 - - zeta電位（mV) 0-30 - - - -30～+10 - - 密度（g/cm³) 1.2 - - 1.2,2.0 - 1.01～2.65 - 溶液離子強(qiáng)度（M） 0.001 - - - - - 0.00001-0.1

　　顆粒大小和顆粒的Z電位均取決于原水特性和混凝條件，如藥劑投加量和絮凝時(shí)間。
　　氣泡大小的影響
　　氣泡大小對αbp的影響如圖2所示。
　　混凝狀態(tài)對DAF所起作用是很大的。在穩(wěn)定條件下（ξp=-30m＼mV），碰撞效率非常低而在不穩(wěn)定條件下（ξp=0mV）則會較其高出1－2個(gè)數(shù)量級。能獲得最高碰撞效率的最佳氣泡大小取決于顆粒的大小。對較小顆粒來說，只需要較小的氣泡即可達(dá)到較高碰撞效率。同樣，較大顆粒，則需要較大氣泡。顆粒與氣泡大小的最佳比值大約在2－1之間。

　　 氣泡Z電位對αbp的影響如圖3所示，其中以3種大小的顆粒（dp=15 一15μm，60μm，150μm）、穩(wěn)定和不穩(wěn)定顆粒以及按表1所注明的所有其它條件舉例。在不穩(wěn)定狀態(tài)下，碰撞效率高。在穩(wěn)定狀態(tài)，隨氣泡Z電位的變化會出現(xiàn)非常明顯的變化。
　　顆粒大小的影響
　　顆粒大小對碰撞效率參數(shù)的影響如圖4所示，其以兩種顆粒密度（Qp＝1.2g/cm³和2g／cm³）為例。其余群同前。同樣，按照顆粒的混凝條件，碰撞效率存在很大差異。
　　在DAF的實(shí)際運(yùn)行中。顆粒的大小是依絮凝時(shí)間，混合條件而定。與傳統(tǒng)水處理工藝相比，DAF不要求或很少要求有絮凝時(shí)間郵對于如何能根據(jù)顆粒特性來選擇最佳絮凝時(shí)間這點(diǎn)，目前尚未有標(biāo)準(zhǔn)提出。
　　顆粒Z電位的影響
　　顆粒Z電位測撞效率參數(shù)的影響示于圖5，以兩種顆粒和兩種氣泡為例。按照顆粒Z電位，碰撞效率分為兩個(gè)區(qū)域。負(fù)Z電位，碰撞效率非常低；反之，則急劇上升，大顆粒更明顯。
　　在DAF運(yùn)行中，欲達(dá)到較好的碰撞效率，建議使用藥劑稍微過量些。
　　顆粒密度的影響
　　顆粒密度的影響示于圖6。同樣，在不穩(wěn)定狀態(tài)下，其影響很明顯。建議，按照礬花大小和絮凝時(shí)間，預(yù)處理的目標(biāo)應(yīng)根據(jù)要進(jìn)附理的顆粒的強(qiáng)度來選擇。

　　溶液離子強(qiáng)度的影響
　　溶液離子強(qiáng)度的影響示于圖7。對于穩(wěn)定條件下，離子強(qiáng)度不會有影響。在不穩(wěn)定條件下，當(dāng)顆粒電荷為零，同時(shí)氣泡電荷為負(fù)值時(shí)，碰撞效率αbp隨離子強(qiáng)度的增加，稍有減少。

結(jié)論

　　DAF中顆粒與氣泡碰撞效率因數(shù)，流體動力學(xué)和粒間作用力的關(guān)系，根據(jù)軌道分析計(jì)算。每一參數(shù)對αbp的影響本文已作了計(jì)算和討論。
　　控制DAF碰撞效率的最為明顯的參數(shù)是氣泡和顆粒的靜電狀態(tài)。對氣泡攜帶相反電荷的氣泡與顆粒碰撞時(shí)，可以得到最大的碰撞效率。最佳氣泡大小取決于顆粒大小。最佳顆粒大小隨顆粒密度而變化。溶液的離子強(qiáng)度對碰撞效率的影響不大。

　　用本研究的結(jié)論可以解釋DAF設(shè)計(jì)運(yùn)行中當(dāng)前的問題。另外，可按照絮凝時(shí)間和礬花的Z電位，有目的的調(diào)整預(yù)處理，可最有效地達(dá)到DAF凈水效果。本文主張不僅通過改變水中顆粒特性，還要通過改變顆粒和氣泡的特性，才能達(dá)到這一目標(biāo)。

摘譯自 AQUA，2002-1
（何玲 譯 馮新校）