3.3.3 气浮浓缩技术
3.3.3.1 气浮浓缩原理
气浮浓缩最早出现于1957年的美国，目前，已得到越来越广泛的应用。该浓缩手段一般适用于活性污泥（相对密度为1.005）和生物过滤法污泥（相对密度为1.025）等颗粒相对密度接近或小于1的轻质污泥。
气浮浓缩利用固体与水的密度差而产生浮力，使固体颗粒在此浮力作用下上浮，从而使其从水体中分离，达到污泥浓缩的目的。通常固体颗粒与水的密度差越大，浓缩效果越好。对于密度小于1g/cm3的固体颗粒可以直接进行上浮分离。对于密度大于1g/cm3的固体颗粒则可以通过采取改变密度的方法使其小于1g/cm3。在改变固体密度的方法中，将空气附着在固体颗粒的表面的方法最为经济，该法可以改变固体密度，产生上浮动力。空气从水中释放的过程中会形成许多微细的气泡，活性污泥虽然是亲水性的，但由于能形成絮体，絮体的捕集作用和吸附作用使污泥颗粒周围附着大量气泡，所以污泥颗粒的密度降低，从而强制上浮，完成污泥的浓缩过程，这就是气浮浓缩污泥的原理。一般认为，固体负荷是影响浮泥浓度的主要因素，而且对于活性较强、沉降性能和压缩性能较好的污泥，其相应的气浮浓缩性能也较好。
相对于重力浓缩法来说，气浮浓缩法的优势在于其占地面积较省，固液分离效果较好，得到的浓缩污泥含水率较低，可以使活性污泥的含水率从99%以上降低到94%～97%，从而达到较高的固体通量。此外，气浮浓缩的水力停留时间较短，一般为30～120min，而且由于浓缩池中的污泥处于好氧环境，避免了厌氧腐败和放磷的问题，因而分离液中含固率和磷的含量都比重力浓缩低，但气浮浓缩池的污泥贮存能力较小、动力消耗大，操作要求也比重力浓缩高，而且浮渣中有10%～20%的空气，需要有脱气措施，才能不影响输送设备和计量设备的工作。该法适合于人口密度高、土地稀缺的地区。
气浮浓缩时可采用絮凝剂，以利于在水中形成易于吸附或俘获空气泡的表面及构架，改变气体-液体界面、固体-液体界面的性质，使其易于互相吸附，提高气浮浓缩的效果。由于絮凝剂会影响曝气池中活性污泥的正常处理，因此如果气浮浓缩后的污泥用于回流曝气池时，则不宜采用絮凝剂。絮凝剂可选用铝盐、铁盐、活性二氧化硅等无机絮凝剂，亦可选用聚丙烯酰胺（PAM）等有机高分子聚合电解质絮凝剂。所使用的絮凝剂种类和用量宜通过试验决定。
3.3.3.2 气浮浓缩的设备及工艺过程
根据气泡的形成方式，气浮浓缩可以分为压力溶气气浮、生物溶气气浮、真空气浮、化学气浮、电解气浮等几种工艺类型。其中，压力溶气气浮、生物溶气气浮和涡凹气浮工艺在污泥浓缩方面已出现了不少研究或实际应用的报道，而其他几种气浮工艺正在研究探索中。
（1）压力溶气气浮浓缩
压力溶气气浮（DAF）是基于在一定温度下空气在水中的溶解度与压力成正比的亨利定律而开发出的一种气浮工艺。其具体操作是先在一定的压力条件下使空气溶解在水中，再使压力降低，当压力恢复到常压时，溶解在水中的过饱和空气就会从水中释放出来，产生大量直径仅有10～100μm的微气泡，从而达到固液分离的效果。此类气浮工艺的污泥浓缩效果好，效率高，在不投加调理剂的情况下亦可使污泥的含固率增加到3%以上，如果在气浮浓缩前投加调理剂，则污泥的含固率可以达到4%以上。
压力溶气气浮装置一般由3部分组成，分别为压力溶气系统、溶气释放系统及气浮分离系统。压力溶气气浮浓缩装置如图3-25所示。
图3-25 压力溶气气浮浓缩装置［1］
其中压力溶气系统主要包括压力溶气槽、空压机、水泵及其他辅助设备。溶气释放系统功能是将压力溶气水通过消能、减压的方式，使溶入水中的气体以微气泡的形式释放出来，并迅速又均匀地附着到污泥絮体上，其主要构成部分为溶气释放器（或穿孔管、减压阀）及溶气水管路。气浮分离系统一般可分为平流式和竖流式两种类型，其中平流式加压气浮浓缩装置如图3-26所示。
图3-26 平流式加压气浮浓缩装置［1］
在平流式加压气浮浓缩装置中，污泥和压力溶气水在位于气浮浓缩池一端的进水室内混合，压力溶气水释放出来的微气泡附着在污泥颗粒上，使其上浮至池上部，并以平流方式流入分离池，然后在分离池中澄清液与固体得到分离。上浮到表面的浮渣用刮泥机去除并送至浮渣室。在分离池中沉淀下来的污泥将被集中到污泥斗之后排出。澄清液则通过设置在池底部的集水管汇集，越过溢流堰，经处理后排出。
竖流式加压气浮浓缩装置如图3-27所示，在浓缩装置的中间设置圆形进泥室，安装在中心旋转轴上，用于对流入污泥所具有的能量进行衰减，此外进泥室还对流入污泥起均化作用。压力溶气水与污泥悬浮液一同进入进泥室，释放出的微气泡附着在污泥絮体上后，污泥絮体上浮，然后借助刮泥板把浮渣收集排出。未上浮而沉淀下来的污泥依靠旋转耙收集起来，从排泥管排出。澄清液则从底部收集后排出。刮泥板、旋转耙也同进泥室一样，安装在中心旋转轴上，依靠中心轴的旋转以同样的速度旋转。
图3-27 竖流式加压气浮浓缩装置［1］
在压力溶气气浮浓缩污泥时，较多采用出水部分回流的设计。通过气浮浓缩工艺处理后的澄清液悬浮物浓度不超过0.1%，部分澄清液回流，并在溶气罐中压入压缩空气，从而进行新一轮的气浮浓缩过程。其工艺流程如图3-28所示。
图3-28 出水部分回流的压力溶气气浮浓缩工艺流程［10］
1—溶气罐；2—加压泵；3—压缩空气；4—出流；5—减压阀；6—浮渣排除；
7—气浮浓缩池；8—刮渣机械；9—进泥室
利用压力溶气气浮浓缩法对剩余活性污泥进行浓缩处理时具有占地面积小、卫生条件好、浓缩效率高等优点，并且通过在浓缩过程中充氧还可以避免富磷污泥释磷现象的发生，但该工艺所需设备多，维护管理复杂，运行费用高，这是对其大规模应用的主要障碍。最早的压力溶气气浮主要应用于采矿工业，从20世纪20年代开始在工业废水处理领域投入使用，随后又逐渐开始了将其应用于城市污水处理厂的污水处理和污泥浓缩领域的新尝试，目前已广泛用于剩余活性污泥浓缩中，并以其突出的优越性成为最常采用的污泥气浮浓缩工艺。在我国，对利用压力溶气气浮浓缩法处理城市污水处理厂剩余污泥的研究始于20世纪80年代，截至目前已获得了一系列的工艺参数。例如，上海北郊污水处理厂以剩余污泥为对象，进行了溶气气浮浓缩技术的小试和中试研究，主要设计和运行参数分别为气固比As为0.01～0.025，溶气压力为0.25～0.35MPa，固体负荷为350～450kg/（m2·d）。成都三瓦窑污水处理厂也采用了压力溶气气浮浓缩二沉池剩余污泥，主要设计和运行参数分别为进泥含水率为99.4%，出泥含水率为96%，溶气压力为0.5MPa，气固比为0.015，负荷为50kg/（m2·d），水力负荷为1.1m3/（m2·h）。
（2）生物溶气气浮浓缩
生物溶气气浮浓缩利用了污泥的自身反硝化能力，主要操作是在污泥中加入硝酸盐，污泥进行反硝化作用，产生气体并附着于污泥颗粒表面，使污泥在气体浮力作用下上浮，进而实现浓缩。生物溶气气浮工艺的污泥浓缩效果受多种因素的影响，主要有硝酸盐浓度、温度、碳源、初始污泥浓度、泥龄、运行时间等。
该法最终得到的浓缩污泥中所含气体少，并且污泥浓缩后可以达到较高的含固率，污泥浓度是重力浓缩法的1.3～3倍，甚至对膨胀污泥也有较好的浓缩效果，以利于污泥的后续处理。此外，相比于重力浓缩工艺和压力溶气气浮工艺，生物溶气气浮浓缩法的日常运行费用较低、能耗较小，而且设备简单、操作管理方便，但水力停留时间（HRT）比压力溶气气浮工艺长，且需消耗硝酸盐。
1983年，瑞典Simona Cizinska开发了生物溶气气浮污泥浓缩工艺，经过多年的研究及发展，该气浮工艺在污泥浓缩领域已有实际应用，比如，捷克的Pisek、Milevsko污水处理厂和瑞典的Bjornlunda污水处理厂开展了生物溶气气浮污泥浓缩生产性试验，结果显示，通过浓缩处理后，试验样品的MLSS分别从6.2g/L、10.7g/L和3.5g/L浓缩到59.4g/L、59.7g/L和66.7g/L，浓缩过程每增加1g/L浓度的MLSS，将消耗N
分别为17.2mg、16.7mg和29.7mg，浓缩时间为4～24h。目前在我国，生物溶气气浮浓缩也已有应用。
（3）涡凹气浮浓缩（CAF）
涡凹气浮系统的显著特点是不需要预先进行溶气，而是利用涡凹曝气机直接将“微气泡”注入水中，散气叶轮把“微气泡”均匀地分布于水中，再通过涡凹曝气机的抽真空作用实现污水回流，具有污泥停留时间短、污泥浓缩效果好、浓缩污泥脱水性能好、设备简单、操作方便、费用低、污泥无磷的释放等特点，适宜于低浓度剩余活性污泥的浓缩。
目前，该气浮浓缩工艺在国内也已有相关研究，如胡锋平等进行了基于CAF-5型涡凹气浮设备处理南昌市朝阳洲污水处理厂剩余污泥的浓缩试验。在应用方面，自1997年3月引进了首台涡凹气浮浓缩系统，并在昆明第二造纸厂废水处理工程投入运行以来，系统运行正常。但总的来说，涡凹气浮浓缩在国内污泥处理领域的应用还不多。
3.3.3.3 气浮浓缩设备的设计要点和参数
气浮浓缩池的设计内容主要包括溶气比、回流比、气浮浓缩池表面积、表面水力负荷。此外，还有深度、空气量、溶气罐压力等。
（1）溶气比的确定
气浮时有效空气质量与污泥中固体物质量之比称为溶气比或气固比，用Aa/S表示，计算公式如下：
无回流时，用全部污泥加压：
（3-15）
有回流时，用回流水加压：
（3-16）
式中，
为气浮时有效空气总质量与入流污泥中固体物总质量之比，即溶气比，一般为0.005～0.060之间，常用0.03～0.04，或通过气浮浓缩试验确定；Aa为气浮池充入气体量，mg/h；S为入流污泥固体量，mg/h；Sa为常压（1atm，0.1MPa）条件下空气在水中的饱和溶解度，mg/L，其值等于在0.1MPa下空气在水中的溶解度（以容积计，单位为L/L）与空气密度（mg/L）的乘积，参考数值见表3-10；P为溶气罐压力（绝对压力），取值范围一般为0.2～0.4MPa，当用上述两式时，以0.2～0.4MPa代入；R为回流比，等于压力溶气水的流量与入流污泥流量Q0之比，R≥1，取值范围一般为1.0～3.0；f为空气在回流水中的饱和浓度，%，在气浮系统中，取值范围一般为50%～80%；C0为入流污泥固体浓度，mg/L。
气浮效果随溶气比的增加而提高，一般以0.03～0.1为宜（质量比）。
上述两式的等式右侧分子是空气的质量浓度，mg/L；分母是固体物质量浓度，mg/L；式中的“-1”是由于气浮是在大气压下操作。
表3-10 空气溶解度及密度参考值［1］
（2）回流比R
溶气比确定以后，根据上述方程式可计算出R值。无回流时，不必计算R。
（3）气浮浓缩池的表面积
气浮浓缩池的表面积A可根据下式计算：
无回流时：
（3-17）
有回流时：
（3-18）
式中，A为气浮浓缩池的表面积，m2；q为气浮浓缩池表面水力负荷，参见表3-11，m3/（m2·d）或m3/（m2·h）；Q0为入流污泥量，m3/d或m3/h。
表面积A求出后，需用固体负荷校核。如不能满足，则应采用固体负荷求得的面积。
（4）气浮浓缩池表面水力负荷及表面固体负荷
气浮浓缩池表面水力负荷及表面固体负荷可参考表3-11。
表3-11 气浮浓缩池表面水力负荷及表面固体负荷［1］
