新型制浆造纸过程水处理系统——VoxSton

Juhani Pylkkanen

(SansOx有限公司,芬兰赫尔辛基,00260)



·过程水处理系统·

新型制浆造纸过程水处理系统
——VoxSton

Juhani Pylkkanen

(SansOx有限公司,芬兰赫尔辛基,00260)

介绍了一种新型的制浆造纸过程水处理系统VoxSton, 该系统由2个离心分离器、1个螺旋分离器和2个涡流浮选单元组成。该过程水处理系统可以将污泥中的纤维等固形物分离,并将其压缩至高达30%的固含量,对废水进行清洁处理后回收或排放。该处理系统在大多数情况下,可以直接在排污口对污泥进行连续或每日间歇式处理,而不需要均衡和预沉淀处理。该过程水处理系统的目标是循环利用工艺水,并尽可能地收集不同的可再利用成分。与现有的水处理系统相比,该过程水处理系统在节约能耗和占地面积的同时,还可以节约50%左右的运行成本,且投资成本更低。

工艺水；过程水处理系统；节能；节约成本

VoxSton系统是一种新型制浆造纸过程水处理系统,由SansOx有限公司和Rannan Teollisuuskone Oy公司共同开发,由2个SaoxFuge离心分离器、1个Milston螺旋分离器和2个VoxFlotation涡流浮选单元组成。VoxSton系统可从污泥中分离出纤维等固形物,并将其压缩至高达30%的固含量,废水经清洁处理后可回用或外排。第一次试运行就成功地将制浆造纸污泥进行了阶段性处理。

VoxSton系统首次成功地将制浆造纸污泥分阶段处理。该系统的特点是可以直接在排污口对污泥进行连续或每日间歇式处理,而不需要均衡和预沉淀处理。与现有的系统相比,VoxSton系统在节约能耗和占地面积的同时,还可节约50%左右的运行成本,且投资成本更低。

1 VoxSton系统介绍

新型制浆造纸过程水处理概念——VoxSton系统包含了以下几个工段和设备：①SaoxFuge离心分离器(SaoxFuge Centrifugal Separator),通过一级或两级筛板可使固形物含量从0.5%提高至5%。②Milston螺旋分离器(Milston Screw Separator),用于固形物分离,固形物含量高达30%。③VoxFlotation涡流浮选单元(VoxFlotation Vortex Flotation),用于絮凝、絮状物的分离,并净化SaoxFuge和Milston分离过程产生的水。

VoxSton系统的工艺流程如图1所示。

图1 VoxSton过程水处理系统流程图

图2 SaoxFuge DN100离心分离器

1.1 SaoxFuge离心分离器

SaoxFuge离心分离器结构简单、可靠,没有移动部件,分离过程连续、均匀。该分离器的分离效率取决于设备的离心力和基于液体黏度和液体间密度差的沉降效果。液流沿SaoxFuge管的螺旋路径流动,并产生强大的离心力。离心加速度取决于液体流速和螺旋管曲率半径,其离心加速度值高达1000g(g为重力加速度,g=9.81 m2/s)。液流在SaoxFuge离心管中可被加压到1.0 MPa(10 bar),使流动更顺畅,达到合理的高流动速度。SaoxFuge离心分离器结构如图2所示。

图3 Milston HERO 1及其对制浆造纸污泥分离实验效果图

1.2 Milston螺旋分离器

Milston螺旋分离器是一个结构紧凑、高效的螺旋分离器,可处理各种污泥和纸浆,可固定安装、移动应用,也可手动控制、完全自动化运行；其特点是坚固耐用、性能可靠、易于维护,并配有可使之保持清洁的内部清洗系统。图3是Milston HERO 1及其对制浆造纸污泥分离实验效果图,Milston HERD 1的污泥分离能力达75 m3/h。

1.3 VoxFlotation

SansOx公司开发的涡流浮选分离技术(Vortex Flotation Separation)是一种独特的分离方法：含有颗粒的液体连续地以漩涡形式流动,在液体流和涡流浮选流的入口形成气泡,气泡以最佳的角度旋转并穿过涡流,涡流中的颗粒轻轻地附着在旋转的气泡上,并

图4 VoxFlotation结构示意图

图5 VoxFlotation工作原理图

被带到分离器表面。SansOx公司将这种涡流浮选分离命名为VoxFlotation。VoxFlotation的结构示意图和其工作原理图分别如图4和图5所示。由图5可知,气泡顺畅地穿过液体和颗粒的混合流体。涡流造成气泡和固形物的旋转，提高了气泡对颗粒物质的附着能力。

被处理液体在进入涡流浮选阶段之前,先由SansOx公司研发的OxTube进行曝气处理。OxTube曝气可瞬时产生高浓度的溶解氧气,形成大量平均直径0.1 mm的气泡,显著降低表面张力和液体黏度[1]。图6所示为OxTube充气水流与非充气水流效果图。图7为湖水中使用OxTube高效曝气的反应效果图。

图6 OxTube充气水流与非充气水流效果图

图7 湖水中使用OxTube高效曝气的反应效果

图8 OxTube DN100的气体溶解性能

OxTube的处理工艺包括气体与化学品的进料和混合、气体溶解,在需要额外气泡的情况下,加入压缩空气。OxTube处理器可以连续并快速地在数秒钟内完成处理,包括化学品(如混凝剂)的混合、气体(如氧气)的溶解,并直接在液体流中产生大量的絮凝物,以及空气和反应气体形成的微气泡。OxTube处理过程中的氧气浓度在1 s内就可达到100%,在2016年安装的OxTube DN100中,可以持续达到最高氧气浓度55 mg O2/L(2.1℃)。图8为OxTube DN100的气体溶解性能。

1.3.1 VoxFlotation的浮选原理

气泡-颗粒吸附机理非常复杂,分为碰撞、吸附、解吸3个步骤。颗粒碰撞在气泡的碰撞管中进行,受气泡速率和碰撞管半径的影响。碰撞管相当于颗粒与气泡碰撞的一个区域。

气泡对颗粒的吸附受颗粒和气泡间诱导时间的控制。只有颗粒和气泡的接触时间大于诱导时间时,才发生吸附。且诱导时间受流动速率、颗粒和气泡的大小、颗粒和气泡间的力等因素的影响。

当表面张力超过剪切力和引力时,颗粒和气泡发生解吸过程。这些力都非常复杂,在分子水平上才能显出不同。机械浮选槽通过叶轮产生较高的剪切力,大部分引力存在于浮选槽的收集区和自净区。

气泡吸附到液面由固相、液相和气相的界面能决定,具体计算见杨氏方程(Young-Duprè方程(式(1)),亦称润湿方程[2]。

γlvcosθ=(γsv-γsl)

(1)

式中,γlv为液-气相界面的表面能；γsv为固-气相界面的表面能；γsl为固-液相界面的表面能；θ为接触角,是气、液、固三相交点处气-液界面的切线与固-液交界线之间的夹角。

浮选回收率R常用来描述浮选过程的捕集效率,受碰撞概率及浮选气泡对颗粒吸附的影响，见式(2)[3- 4]。

(2)

1.3.2VoxFlotation的优点

VoxFlotation的设计原则基于上述浮选理论、新型及现有系统经验,尤其是经过验证的OxTube溶解性能。

VoxFlotation的优点主要有：

(1)液体在流动过程中不断进行混合、溶解和浮选分离,可提高反应性能并降低能耗(见图1、图4和图5)。

(2)持续的化学品混合和气体溶解,可在数秒内完成(见图1、图4、图6和图8)。

(3)气泡分布均匀、数量巨大,尺寸小且可控,气泡平均直径可低至0.1mm(见图6)。

(4)液体流中富含空气和反应气体形成的混合气泡,可提高分离性能(见图6和图7)。

(5) 如需产生较大气泡,可在液流中额外加入压缩空气,气泡尺寸和数量可控(见图4和图6)。

(6) 微气泡和涡流产生的旋转效应提高了固-气界面的表面能γsv,使附着在气泡上的固形物增加(见式(1)和图5)。

(7)气体溶解降低了固-液界面的表面能γsl,液体的表面张力和黏度可降低10%～14%,使附着在气泡上的固形物增加(见式(1)、图5和图6)。

(8)涡流把气泡和固形物向干流集中,降低剪切力和重力对解吸的影响(见图5)。

(9)高碰撞概率Nc、小尺寸气泡db、高密度的空气及反应气体气泡可提高浮选过程的收集效率(浮选回收率R)(见图5、图6和式(2))。

(10)浮选槽中的涡流提供足够的诱导时间使颗粒吸附到气泡上,同时,减小浮选槽尺寸(见图4和图5)。

(11)涡流可以使浮选槽长时间保持清洁,降低维护成本。

(12)没有旋转及运动元件,如混合/溶解用的叶轮,降低了维护成本和能耗。

(13)涡流可防止菌群、BOD、发酵产物和沉积物在底部与边壁上的滋生和增长。

(14)高效的氧气溶解、液体中较高的氧气浓度和连续处理可使COD快速降低。

2 VoxSton系统处理效果

采用VoxSton水处理系统和传统水处理系统对5000m3/d制浆造纸过程水进行处理,处理成本及效果对比见表1。

由表1可知,与传统水处理系统相比,VoxSton

表1 VoxSton水处理系统和传统水处理系统的比较

系统可以节约占地面积,节省空间,并显著降低能耗；此外,运行成本也降低50%左右,且投资成本更低。

3 结 语

VoxSton水处理系统可在大多数情况下直接从排污口连续或间歇地处理污泥,而不需要均衡和预沉淀步骤。与现有的水处理系统相比,VoxSton水处理系统在节约能耗和占地面积的同时,还可节省约50%的运行成本,投资成本更低。

[1] Ville Laakso. Sompasaari Project[S]. 2015.

[2] Kawatra S K. Flotation Fundamentals[S]. MTU Chemistry.

[3] Nguyen A V, Ralston J, Schalze H J. On modelling of bubble-particle attachment probability in flotation[J]. International Journal of Mineral Processing, 1998, 53(4): 225.

[4] Shahbazi B, Rezai B. Koleini S M J. Bubble-particle collision and attachment probability on fine particles flotation[J]. Chemical Engineering and Processing, 2010, 49(6): 622. CPP

(责任编辑：董凤霞)

New Pulp and Paper Process Water Treatment System—VoxSton

Juhani Pylkkanen

(SansOxLtd.,Helsinki,Finland, 00260)(E-mail: info@sansox.fi)

A new industrial process water treatment system is presented in this paper. The system consists of two centrifugal separators, a screw separator and two vortex flow flotation units. It can separate the solids like fibers out from the sludge and press them to dry matter content of up to 30 percent and clean the sludge water for recycling or discharge to nature. The treatment system can in the most cases treat process sludge continuously or daily basis directly from the process outlet without equalization and precipitation. The objective using thin system is to recycle the process water and collect different ingredients for reuse as much as possible. The system saves energy and space as well as operational costs roughly 50 percent compared to present advanced systems. The capital costs are estimated to be lower too．

process water; water treatment system; energy conservation; cost saving

2016- 09- 02(修改稿)

Juhani Pylkkanen先生，总工程师。

TS79

A

10.11980/j.issn.0254- 508X.2016.12.013