一種含藻海水的氣浮旋分耦合分離方法及其分離裝置的製作方法

2023-08-08 17:08:46

專利名稱：一種含藻海水的氣浮旋分耦合分離方法及其分離裝置的製作方法
技術領域：
本發明涉及一種含藻海水的氣浮旋分耦合分離方法及其分離裝置。
背景技術：
目前，氣浮是分離含藻水有效的單元方法，氣浮方法是在水中通入氣體使 水中形成大量的微小氣泡，並藉助微小氣泡表面張力特徵，使藻類顆粒自動附 著在氣泡上從而增大分離對象水和藻的密度差，有利於除去水中的藻類，傳統 的氣浮方法是靜態的，速度慢， 一般需要幾十分鐘甚至數小時時間，且設備佔 地面積大；旋分分離是利用離心沉降原理從懸浮液中分離固體顆粒，廣泛用於 固體和液體、液體和液體分離等重質顆粒物料分級作業中，它具有分離時間短 和佔地面積小等優點，但藻類在水中是處於懸浮狀態的，其比重與水接近，因 此，旋分分離目前還沒有被應用於含藻水的分離，此外邊壁充氣式旋分器在國 內外有一定研究，但是在旋分器的邊壁進行充氣會造成旋分器內部流場複雜 化，影響了旋分器本身分離重質顆粒的性能。

發明內容
本發明的目的在於改進現有技術的不足，提供一種在不影響旋分器排重的 基礎上將氣浮和旋分兩種分離的單元操作有機地結合在一起，發揮氣浮與旋分 技術的各自優勢，達到好的除藻效果和高的除藻效率並實現水中輕質和重質顆 粒的分離的含藻海水的氣浮旋分耦合分離方法。
本發明的另一個目的在於提供一種氣浮旋分耦合分離裝置。
本發明提供的含藻海水的氣浮旋分耦合分離方法，它包括下列步驟
第一步產生氣泡；
第二步含藻海水把氣泡帶走；
第三步氣泡與含藻海水混合，使得海水中與水密度接近的藻類在界面張 力作用與氣泡粘附形成含藻水一氣泡的均勻混合物，而增加藻類與水的密度 差；
第四步將第三步的氣泡海水混合物通入旋分器中進行旋流分離，旋分出 粘附藻類的輕相、泥沙重相和水相。
所述第一步具體的是，將壓縮空氣通過一微孔介質，分割出細碎的氣泡。 所述微孔介質的孔徑0.1-1微米，微孔介質層的厚度為5-30毫米。通入微孔介質氣體的壓力為0.25-0.45MPa。 帶走氣泡的含藻海水的壓力大於0.2-0.4MPa。
本發明的一種氣浮旋分耦合分離裝置，它主要包括氣泡發生器，混合器和 旋分器，氣泡發生器主要包括外管和微孔膜管，微孔膜管插入外管中並與外管 密封連接，微孔膜管的外壁與外管的內壁之間構成環形腔室，其與微孔膜管的 管腔通過微孔膜管管壁上的微孔連通，氣泡發生器上還包括一進氣管，其一端 與空氣壓縮機連接，另一端與外管的外壁上的充氣接口連接並與環形間隙相 通，微孔膜管的一端與加壓水泵通過氣泡發生器進水管路連接，微孔膜管的另 一端出水管路通過混合器與旋分器連接，旋分器具有一個切向進液口和三個出 口，該切向進液口與混合器相連接，該三個出口分別是旋分器底部的底流口， 旋分器上端側部的出水口，旋分器頂面的中部插入排藻管，排藻管的出口為旋 分器的排藻口。
微孔膜管和外管之間的密封連接結構可以是這樣的包括兩個管接頭，每 個管接頭上包括一段管子，其管道與微孔膜管相對且兩者管徑相當，該管接頭 的與微孔膜管相鄰的一端的管口端面上設有突起的內環，其上設有環形凹槽與 微孔膜管的埠相匹配，使得微孔膜管的兩端分別插設在兩個管接頭的所述凹 槽中固定，在管接頭設置內環的一端沿徑向延設有法蘭盤，在外管的兩端設有 法蘭盤與管接頭上的法蘭盤對應，在外管和管接頭相鄰的端面上設有密封元 件，通過螺栓固聯管接頭和外管上的法蘭盤。
為了方便本氣泡發生器在管路系統中的連接，在管接頭的兩個外端管子上 設有外螺紋或內螺紋。
管接頭的孔徑與微孔膜管的孔徑之間的差值為5-10mm，以減小流體在管 路中的阻力。
外管與微孔膜管之間的環形腔室間隙可為5-50毫米。
微孔膜管的微孔孔徑可為0.1-1微米，微孔膜管的管壁厚度可為5-30毫米。 所述混合器為一段管路，該管路的一端連接氣泡發生器的出水管路，其另 一端連接所述旋分器的切向入口。海水和氣泡在該段管路中流動過程中進行接 觸混合，使得水中的海藻粘附在氣泡上。為了使氣泡與含藻海水充分接觸，該 混合器管道的長度可以為0.5-2m,管道直徑與旋分器入口直徑相同。在混合器 的管道中海水和氣泡在流動過程中自動混合。
本發明的一種含藻海水的氣浮旋分耦合分離方法及其裝置，通過設置產生 氣泡的單獨的氣泡發生器，並設置單獨的混合器，將現有技術中與旋分器合併在一起的氣泡發生和混合過程與旋風過程分離，同時，適當控制各個過程的相 應參數，可以實現很好的除藻效果並實現水中輕質和重質顆粒的廣譜分離，簡 單易行，投資少，設備緊湊。


圖1是實施本發明提供的含藻海水的氣浮旋分耦合分離裝置的結構示意
圖2為圖1所示的分離裝置中的氣泡發生器的結構示意圖。
其中，1:外管，2:充氣接口， 3:微孔膜管，4:環形空腔，5:接頭，
51:內螺紋或外螺紋，52:環形槽，6:密封圈，7:液流入口 ， 8:氣液混合
出口， 9:法蘭，10:進水管路，11:控制閥，12:出水管路，13:旋分器，
14:水泵，15:混合器，16:空壓機，17充氣管路。
具體實施例方式
本發明的一種含藻海水的氣浮旋分耦合分離方法，包括下列步驟
第一步產生氣泡；
第二步含藻海水把氣泡帶走；
第三步氣泡與含藻海水混合，使得海水中與水密度接近的藻類在界面張 力作用與氣泡粘附形成含藻水一氣泡的均勻混合物，而增加藻類與水的密度 差；
第四步將第三步的氣泡海水混合物通入旋分器中進行旋流分離，旋分出 粘附藻類的輕相、泥沙重相和水相。
所述第一步具體的是，將壓縮空氣通過一微孔介質，分割出細碎的氣泡。 具體的，本分離方法是在本發明提供的一種氣浮旋分耦合分離裝置中進行 的，該裝置主要包括氣泡發生器A，混合器15和旋分器13，如圖1所示。氣 泡發生器(見圖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 並與外管1密封連接，微孔膜管3的外壁與外管的內壁之間構成環形腔室4， 其與微孔膜管3的管腔通過微孔膜管管壁上的微孔連通，氣泡發生器A充氣管 路17的一端與空氣壓縮機16連接，另一端與外管1的外壁連接並與環形空腔 4相通，該充氣管路可以是軟管，其上設有控制閥ll。微孔膜管3的一端與加 壓水泵14通過氣泡發生器進水管路10連接，微孔膜管3的另一端出水管路12 通過混合器15與旋分器13連接，旋分器13具有一個切向進液口和三個出口， 該切向進液口 131與混合器15相連接，該三個出口分別是旋分器底部的底流 口 132，旋分器上端側部的出水口 133，旋分器頂面的中部插入排藻管134，排藻管的出口為旋分器的排藻口 135。
所述氣泡發生器中微孔膜管3和外管1之間的密封連接結構是包括兩個 管接頭5，其包括一段管子，其管道與微孔膜管3相對且兩者管徑相當，管接 頭5的與微孔膜管3相鄰的一端的管口端面上設有突起的內環，其上設有環形 凹槽52與微孔膜管3的埠相匹配，使得微孔膜管3的兩端分別插設在兩個 管接頭5的凹槽51中固定，在管接頭5設置內環的一端沿徑向延設有法蘭9， 與之相匹配地，在外管1的兩端設有法蘭9與管接頭上的法蘭盤9對應，在外 管和管接頭相鄰的端面上設有密封圈6，通過螺栓固聯管接頭和外管上的法蘭。 管接頭通過其上的內螺紋或外螺紋與進水管路IO和出水管路12密封連接。
使用本氣浮旋風耦合分離裝置分離海水中的細碎的藻類時，含藻海水泵送 通過進水管路IO和液流入口 7，流進微孔膜管3內，空壓機將壓縮空氣先通過 外管1上的充氣接口 2送入環形空腔4，再由環形空腔4通過微孔膜管3上的 微孔進入微孔膜管3內，被微孔分割的氣流在微孔膜管3內被高速流動的液體 剪切流作業下形成微細氣泡並隨液流進入管道結構的混合器15，在流經混合器 15的管道中的過程中，氣泡與液體得到了充分接觸和混合併與液體中的海藻懸 浮顆粒結合，然後，液體旋入旋分器進入分離階段，最後，海水中的沙石聚集 到旋分器下端，結合有海藻懸浮顆粒的氣泡從旋分器上部中心出口接入的輕相 排出口排出，而得到分離後的清水從旋分器上部的排水口排出。由此就可以將 海水處理成清水。氣泡的尺寸與待分離顆粒尺寸接近則分離效果越好，例如對 於分離海水中10-100微米的藻類顆粒則需要通入10-100微米尺寸的氣泡分離 效果最好。因此，根據水中難於分離的藻類的大小(通常在20-100微米)和產 生氣泡的大小，設計所述微孔介質的孔徑0.1-1微米，微孔介質的厚度為5-30 毫米。管接頭的孔徑小於微孔膜管內徑5-10mm，以減小管路阻力，同時保證 對微孔膜管的支撐固定作用。
通入微孔介質氣體的壓力為0.25-0.45MPa。 帶走氣泡的含藻海水的壓力大於0.2-0.4MPa。
含藻海水的該進水壓力可以使旋分器內離心力場強度提高，同時更重要的 是可以使海藻顆粒在與氣泡碰撞時具有很高的動能，這有利於克服水化層薄化 自由能的增加，從而使顆粒在氣泡表面的粘附容易實現。
但是如果進水壓力過大則使旋分器內的離心力太大，雖然能為藻類顆粒提 供大的慣性力，但由於渦流運動產生的剪切力也相應會增大，這個較大的剪切 力會促使藻類顆粒脫離氣泡，不利於氣泡與顆粒聚合體的穩定存在。所以，該工藝中的進水壓力應該處於0.2-0.4MP區間，以保證大小適度的 離心力強度，同時也為顆粒與氣泡的牢固粘附提供最佳條件，要保證顆粒不致 於從氣泡上脫落，又要儘量使含藻氣泡容易實現徑向向內進入旋分器中的泡沫 柱區。
通入微孔膜管3的氣體的壓力為0.25-0.45MPa。帶走氣泡的含藻海水的壓 力為0.2-0.4MPa。在處理過程中保持充氣壓力與進水壓力差在0.05-0.07 MPa 之間，因為該壓差範圍也可保證氣泡尺寸在20-100微米之間，這樣有利於分離 海水中大部分20-100微米的藻類。
氣泡與含藻海水混合比例，可以這樣選擇
當海水中含藻濃度為105-106個/米3時，充氣流量與進水流量之比應該為 0.25-0.5，當氣水量比低於0.25則氣泡數密度過低，分離效果不理想，高於0.5 時，充氣量過大會使氣體利用率降低，同時分離效率也沒有明顯提高。
氣泡與海水的混合時間一般為0.2s-ls，由於藻類是疏水性顆粒，且氣泡與 藻類的結合過程中感應時間為10—3秒，所以當氣泡與含藻海水混合時只要保證 二者的接觸概率及氣泡尺寸即可在極短時間內實現粘附。
為了保證氣泡與海藻顆粒的結合時間，將混合器管路設計為彎管，即在節 省空間的同時保證結合時間
在所述第四步中，旋分器進口物料與水相出口的壓力降小於0.2Mpa，可達 到0.05Mpa。限制旋分器入口和水相出口之間的壓力降，主要是為保證後續處 理工藝(如過濾等)中有一定的進水壓力，因為在後續工藝中不會再裝加壓裝 置，所以要儘量減小本工藝的水頭損失，同時也為了降低能耗。該數值越小越 好，在本工藝裝置中能達到低於0.05MPa的壓降。該值的控制主要是通過減小 管路阻力，並且把旋分器的入口和水相出口都設計成切向，在水相向上的出口 連接一渦殼，該蝸殼壁上沿切向設置水相出口，由此結構可增強出口水流的旋 流場。
將空氣經過空氣壓縮機1加壓，形成高壓氣體，高壓氣體經氣泡發生器進 氣管2進入氣泡發生器中，再經過微孔膜管3上的微孔切割形成氣泡；微孔膜 管的微孔孔徑0.1-1微米，微孔膜管的管壁厚度為5-30毫米；含藻海水通過加 壓水泵3，經過加壓水泵後的含藻海水至少增壓至O .4 Mpa，形成高速含藻海 水流，經過氣泡發生器進水管4，流入氣泡發生器5中的微孔膜管52內；氣泡 被高速含藻海水流帶走經過混合器6，為了使含藻海水與氣泡充分混合，通過 調整混合器6的長度改變氣泡與含藻海水的反應時間，氣泡與含藻海水充分混合、接觸，並使藻類顆粒與氣泡在界面張力的作用下自動粘附在一起，形成氣 液混合物；氣液混合物切向進入旋分器13中高速旋轉並產生離心力，這個高
速的旋轉離心場增加了氣泡和藻類顆粒的粘附速度，提高了藻類顆粒和氣泡構 成的粘附體徑向遷移速度，由於藻類顆粒和氣泡粘附體的密度明顯低於含藻水
的密度，其迅速向旋分器13中間集中形成泡沫柱區並匯聚成富含藻類的輕相 從排藻口 135排出，達標的水相流以二次流形式上升到旋分器的上部並從蝸殼 上的切向出水口 133排出，水中重質顆粒沿旋分器內壁流向底部並從底流口 132 排出。
本發明提供的氣泡發生器，當微孔膜管3發生堵塞時，只要將充氣管路17 的控制閥11關閉，將一個充氣接口 2拆開，微孔膜管3內的高壓液流會通過 微孔膜管3上的微孔進入環行空腔4，同時會將微孔膜管3上的賭塞物帶出， 並由拆開的充氣接口 2排出，從而完成了對氣泡發生器的反衝洗工作。
本裝置的核心是氣泡發生器與脫藻旋分器的有效組合，本發明的方法簡單 易行、投資少、設備緊湊、佔地面積小，無須添加藥劑不會產生二次汙染，水 中的藻可以回收利用，淨化後的水可在工業系統內循環使用。
權利要求
1.一種含藻海水的氣浮旋分耦合分離方法，它包括下列步驟第一步產生氣泡；第二步含藻海水把氣泡帶走；第三步氣泡與含藻海水混合，使得海水中與水密度接近的藻類在界面張力作用與氣泡粘附形成含藻水-氣泡的均勻混合物，而增加藻類與水的密度差；第四步將第三步的氣泡海水混合物通入旋分器中進行旋流分離，旋分出粘附藻類的輕相、泥沙重相和水相。
2. 根據權利要求1所述的含藻海水的氣浮旋分耦合分離方法，其特徵在於所 述第一步具體的是，將壓縮空氣通過一微孔介質，分割出細碎的氣泡。
3. 根據權利要求2所述的含藻海水的氣浮旋分耦合分離方法，其特徵在於通 入微孔介質的空氣的壓力為0.25-0.45Mpa;或者，帶走氣泡的含藻海水的壓力大於0.2-0.4Mpa;或者，通入微孔介質的氣體的壓力為0.25-0.45MPa，帶走氣泡的含藻海水的壓力為 0.2-0.4Mpa，在處理過程中保持通入氣體的壓力與進水壓力差在0.05-0.07 MPa之間； 和/或，所述微孔介質的微孔孔徑在0.1-1微米；和/或，微孔膜管的管壁厚度為5-30
4. 根據權利要求2或3所述的含藻海水的氣浮旋分耦合分離方法，其特徵在於 當海水中含藻濃度為105-106個/米3時，充氣流量與進水流量之比為0.25-0.5。
5. 根據權利要求1或2或3所述的含藻海水的氣浮旋分耦合分離方法，其特徵 在於氣泡與海水的混合時間為0.2s-ls。
6. 根據權利要求1或2所述的含藻海水的氣浮旋分耦合分離方法，其特徵在於 在所述第四步中，旋分器進口物料與水相出口的壓力降小於0.2Mpa。
7. —種氣浮旋分耦合分離裝置，其特徵在於它包括氣泡發生器，混合器和旋 分器，所述氣泡發生器包括外管和微孔膜管，微孔膜管插入外管中並與外管密封連 接，微孔膜管的外壁與外管的內壁之間構成環形腔室，其與微孔膜管的管腔通過微 孔膜管管壁上的微孔連通，氣泡發生器進氣管的一端與空氣壓縮機連接，另一端與 外管的外壁連接並與環形間隙相通，微孔膜管的一端與加壓水泵通過氣泡發生器進 水管路連接，微孔膜管的另一端出水管路通過混合器與旋分器連接，旋分器具有一 個切向進液口和三個出口，該切向進液口與混合器相連接，該三個出口分別是旋分器底部的底流口，旋分器上端側部的出水口，旋分器頂面的中心部位插入排藻管， 排藻管的出口為旋分器的排藻口 。
8. 根據權利要求7所述的氣浮旋分耦合分離裝置，其特徵在於微孔膜管和 外管之間的密封連接結構是這樣的包括兩個管接頭，每個管接頭上包括一段管子， 其管道與微孔膜管相對且兩者管徑相當，該管接頭的與微孔膜管相鄰的一端的管口 端面上設有突起的內環，其上設有環形凹槽與微孔膜管的埠相匹配，使得微孔膜 管的兩端分別插設在兩個管接頭的所述凹槽中固定，在管接頭設置內環的一端沿徑 向延設有法蘭盤，與之相匹配地，在外管的兩端設有法蘭盤與管接頭上的法蘭盤對 應，在外管和管接頭相鄰的端面上設有密封元件，通過螺栓固聯管接頭和外管上的 法蘭盤。
9. 根據權利要求7所述的氣浮旋分耦合分離裝置，其特徵在於在所述氣泡發 生器中，所述外管與微孔膜管之間的環形腔室間隙為5-50毫米；或者，所述微孔膜 管的微孔孔徑在0.1-1微米；或者，微孔膜管的管壁厚度為5-30毫米；或者，所述管接頭的孔徑小於微孔膜管內徑5-10mm。
10. 根據權利要求7所述的氣浮旋分耦合分離裝置，其特徵在於該混合器管道的長度為0.5-2m，管道直徑與旋分器入口直徑相同；和/或者，該混合器管道為彎 曲的管道；或者，在該旋流器中，在水相向上的出口連接一渦殼，該蝸殼壁上沿切向設置水相出口。
全文摘要
本發明公開了一種含藻海水的氣浮旋分耦合分離方法及其裝置，該分離方法包括產生氣泡；把氣泡通入含藻海水中；氣泡與含藻海水混合；旋分，旋分結果是輕相、水相、重相。該分離裝置包括氣泡發生器，混合器，旋分器，氣泡發生器主要包括外管、微孔膜管，微孔膜管插入外管中並與外管密封連接，微孔膜管的外壁與外管的內壁之間構成環形空腔結構，外管的外壁上設有充氣口與空氣壓縮機通過軟管連接，氣泡發生器與加壓水泵之間的管路上安裝控制裝置和檢測裝置，氣泡發生器通過混合器與旋分器連接，旋分器的三個出口，分別是旋分器底部的底流口，旋分器上端側部的切向出水口，旋分器頂面的中部插入排藻管，排藻管的出口為旋分器的排藻口。
文檔編號B01D21/26GK101549231SQ20091007658
公開日2009年10月7日 申請日期2009年1月9日 優先權日2009年1月9日
發明者季林紅, 朱利民, 楊義勇, 田尚雲 申請人:中國地質大學(北京);清華大學;中遠造船工業公司