用于产生微气泡的二氧化硅或氧化铝陶瓷扩散器、其制造方法、及其采用该陶瓷扩散器使用空气浮选方法的废水处理方法

摘要

基于二氧化硅或氧化铝的陶瓷扩散器用于在废水中污染物固液分离时产生微气泡。还公开了制造该扩散器的方法以及将该扩散器用于基于空气浮选的废水处理的方法。该陶瓷扩散器的颗粒尺寸分布可以使得朝中心方向二氧化硅或氧化铝颗粒尺寸增大，而表面上的颗粒尺寸最小。因此约1atm的低空气压力就可以提供能保证废水中污染物迅速浮选的均匀且稳定的微气泡流。此外，该陶瓷扩散器可方便地使用，若无维护问题可以是半永久性的，这增加了其经济优势。此外，使用挤出成型方法生产陶瓷扩散器所带来的生产效率的提高可保证进一步降低成本。

说明书

技术领域

本发明涉及用于产生使废水中污染物固液分离的微气泡的、基于二氧化硅或氧化铝的陶瓷扩散器、以及制造所述扩散器的方法。本发明还涉及基于使用所述扩散器的空气浮选的废水处理方法。

背景技术

膜过滤器通过其微孔过滤分离废水中的污染物、有机物和诸如细菌的微生物颗粒。膜过滤器广泛用于水处理领域中，主要涉及城市和饮用水的处理。然而，它们要经常遭受高度浓缩污染物所引起的堵塞的侵害。

基于空气浮选的水处理最常使用于生物需氧量(BOD)和悬浮固体(SS)水平特别高的来自曝气池的有机废水或污泥的处理。在空气浮选方法中，溶气浮选(DAF)使用最为广泛。溶气浮选法见述于诸如韩国专利公开No.10-0155482和No.10-0351111等现有技术中。然而，该方法有其自身问题。它需要高容量的空气压缩机，因为供给溶解气需要有4-5个大气层的高压。它还需要大的安装场地，并负担高的运行费用。

近来，为了克服上述缺点，基于微气泡的空气浮选法得到了更频繁的使用。在该方法中，为要处理的水提供人为制备的微气泡，以代替加压的过饱和溶解空气所产生的气泡。这些微气泡导致固体污染物上升到上部，最后例如通过撇沫器导致除去所分离的固体。

以均匀的速度产生非常细小的气泡对于基于微气泡的空气浮选方法浮选固体非常重要。可以包括韩国专利公开No.10-0315903和韩国实用新型专利公开No.20-0359766作为形成微气泡的现有技术的实例。然而，这些发明受累于因扩散器复杂设计所引起的维护问题、由于使用高压泵或加压罐导致的经济效益差的问题、以及与无法控制气泡大小有关的适用性有限的问题。

此外，还曾尝试使用电浮选(EF)方法，EF方法中使用电极板形成微气泡。然而，由于EF方法使用了如整流器的特殊电系统，其涉及到高的安装费用。长期运行时它们还受电极板上结垢的困扰。

发明内容

为解决上述问题，本发明的目的是提供包含致密均匀的陶瓷颗粒的基于二氧化硅或氧化铝的陶瓷扩散器，其理想的颗粒分布可保证产生稳定的细小气泡。本发明的目的还包括提供制备所述扩散器的方法。

为了实现上述目的，本发明提供了能够产生微气泡的基于二氧化硅或氧化铝的陶瓷扩散器，用于通过浮选分离污染物，其中所述扩散器为煅烧的二氧化硅或氧化铝粉末压实体(powder compact)。

本发明的扩散器特征在于其具有这样的颗粒尺寸分布：从表面到内部粒径增大。在一个实施方案中，发明的扩散器孔隙尺寸为0.001μm～0.05μm。此外，所述扩散器特征在于其为盘状或管状。所述管状扩散器特征在于其具有16～100cm的长度。

发明的扩散器特征在于所述扩散器所形成的微气泡大小为1～100μm，优选40～60μm。

本发明还提供了制备能够产生微气泡的基于二氧化硅或氧化铝的管状陶瓷扩散器的方法，包括：(a)准备二氧化硅或氧化铝的湿粉末；(b)向挤出机进料湿粉末；(c)在所述挤出机的喷嘴安装振动器；(d)使用振动器在压力下向挤出机中的湿粉末施加振动，形成挤出成型的产品，以及(e)从所述喷嘴移出挤出成型产品，并且在氧化气氛炉中煅烧所述挤出成型的产品。

本发明特征在于所施加的压力为300～600吨。

本发明还提供了制备能够产生微气泡的基于二氧化硅或氧化铝的盘状陶瓷扩散器的方法，包括：(a)准备二氧化硅或氧化铝的湿粉末；(b)向凹面金属模具1填充湿粉末；(c)填充之后向填充的湿粉末插入聚氯乙烯薄膜；(d)在插入的薄膜之上向所述凹面金属模具1填充湿粉末；(e)在第二次填充之后使填充的湿粉末的上表面平整；(f)用压力将凸面金属模具2推入所述湿粉末，以便预成型填充的湿粉末；(g)使用放置在模具1和模具2至少之一的超声振动器11在压力下向预成型的湿粉末施加振动，形成成型的产品，以及(h)从所述模具1和模具2移出成型的产品，并且在氧化气氛炉中煅烧所述的成型产品。

在本发明的一个实施方案中，薄膜的厚度为0.25～0.5mm。在另一个实施方案中，所述超声振动器11放置在(a)所述凸面金属模具2的内部，或(b)固定所述凹面金属模具1的支座22的内部，或(c)所述(a)和(b)两处每个地方各一个。在还一个实施方案中，振动隔离器12放置在(a)所述超声振动器11和固定所述超声振动器11的所述支座22的附近，或(b)加压器(press)23和所述凸面金属模具2内部的超声振动器11的附近，或(c)所述(a)和(b)两处每个地方各一个，以阻止振动向所述支座22和加压器23方向的传导。在本发明的一个实施方案中，移出成型产品包括通过连接到能上下垂直移动的执行器的活塞的移动。此外，所述凹面金属模具2的推动压力为100～200吨，随振动施加的所述压力为10～30吨。

在本发明的一个具体的实施方案中，所述氧化气氛炉的温度为900℃～1,300℃。此外，所述湿粉末为粘结剂溶液与所述陶瓷扩散器所基于的二氧化硅或氧化铝粉末的混合物。在另一个实施方案中，所述振动在频率为20,000～25,000赫兹下施加。

在本发明的一个方面，提供了通过空气浮选处理废水的方法，其中所述陶瓷扩散器产生的微气泡浮选污染物，使得在处理池的上部形成浓缩的污泥层，在处理池的下部形成处理过的水层。在一个实施方案中，在0.8～1.2大气压的压力下通过所述陶瓷扩散器实现曝气。

发明效果

由于本发明的陶瓷扩散器在所述扩散器的制造过程中随着摇动施加压力，所以，所述扩散器具有二氧化硅或氧化铝粉末颗粒尺寸朝中心方向增加的颗粒尺寸分布。因此，约1atm的低空气压力就可以提供能保证废水中污染物迅速漂浮的均匀且稳定的微气泡流。此外，本发明的空气浮选方法不会如用电极板电浮选的情况一样产生结垢。这可以使得可方便地使用本发明的陶瓷扩散器，若无维护问题其可以是半永久性的，由此增加其经济优势。此外，使用发明的挤出成型方法制造所述陶瓷扩散器所带来的生产效率的提高可保证进一步降低成本。

附图说明

图1a所示为本发明盘状陶瓷扩散器的成品照片。图1b所示为本发明管状陶瓷扩散器的成品照片。图1c为发明的盘状陶瓷扩散器的截面图。

图2a所示为本发明盘状陶瓷扩散器产生的气泡的示意图。图2b所示为本发明盘状陶瓷扩散器产生的气泡的照片。图2c所示为本发明管状陶瓷扩散器产生的气泡的示意图。图2d所示为本发明管状陶瓷扩散器产生的气泡的照片。

图3所示为制造发明盘状陶瓷扩散器的装置的操作的垂直剖面图。

图4a所示为紧随引入污泥之后本发明实施例1中微气泡诱发的浮选结果的照片。图4b所示为引入污泥5分钟之后本发明实施例1中微气泡诱发的浮选结果的照片。图4c所示为引入污泥10分钟之后本发明实施例1中微气泡诱发的浮选结果的照片。图4d所示为通过使用微气泡的空气浮选的污泥固/液分离之后的上表面的照片。

图5所示为本发明对比例1的电极板构造的俯视图。

图6所示为比较对比例1中含污垢沉积物的电极板(左)与积垢以前的同一电极板(右)的照片。

附图中附图标记的说明

1：凹面金属模具

2：凸面金属模具

11：超声振动器

12：振动隔离器

21：活塞

22：支座

23：加压器

31：电极板

具体实施方式

以下将更详细地说明本发明。

基于二氧化硅或氧化铝的本发明的陶瓷扩散器产生微气泡，以便使污染物漂浮到上面并将其分离。基于所述二氧化硅或氧化铝的陶瓷扩散器的孔隙尺寸可以选择为0.001μm～0.05μm，依希望产生的气泡大小而定。所述扩散器产生的微气泡的大小为1～100μm，优选40～60μm。这是因为更大的气泡不能有效浮选污染物，导致净化能力急剧下降。

基于二氧化硅或氧化铝的本发明陶瓷扩散器优选为盘或管。尤其是，优选所述管状扩散器具有16～100厘米的长度，因为当发明的扩散器长度超出规定范围时，该陶瓷扩散器内部的空气流动的压力会变得较不均匀。

图1a所示为本发明盘状陶瓷扩散器的成品照片。图1b所示为本发明管状陶瓷扩散器的成品照片。发明的盘状陶瓷扩散器的直径为15.8cm。用于加压所述扩散器内部通道的空气入口(图1a中的中心圆)直径为1英寸，厚度为0.8cm。管状陶瓷扩散器的外径为4.0cm，长度为18cm。图1c所示为根据本发明实施方案的盘状陶瓷扩散器的截面图。

图2a所示为当用于反应器时，根据本发明实施方案的盘状陶瓷扩散器产生气泡的实际情况的示意图。图2b所示为相应的照片。连接到4个盘状扩散器的中心的结构用作空气通道。通过该通道引入的空气升高图1c中所示内部通道中的压力，由此在陶瓷扩散器的整个表面上产生气泡。图2c所示为根据本发明实施方案的管状陶瓷扩散器的示意图，其中显示了该扩散器所产生的气泡。图2d所示为相应的照片。

振动器放置在金属模具或喷嘴处，以便从陶瓷扩散器的表面向中心传导振动。这可使陶瓷扩散器达到理想的粒径分布，其中不但二氧化硅或氧化铝颗粒是致密的，颗粒大小朝中心方向增大，而表面上的颗粒最小。此外，本发明的陶瓷扩散器制造中的半干成型步骤和高温煅烧步骤可生产大小均匀、且结构致密规则的颗粒。

图3所示为制造根据本发明实施方案的盘状陶瓷扩散器的装置操作的垂直剖面图。

在所述陶瓷扩散器的制造中，不含杂质的高度纯化的二氧化硅或氧化铝首先被研磨成细粉。将该粉末与含有如聚乙烯醇(PVA)的有机粘结剂的水溶液混合，形成适合于成型的湿粉末。与二氧化硅制得的陶瓷扩散器相比，氧化铝粉末制得的陶瓷扩散器要求操作时施加相对更高的空气压力，虽然它可产生更细小的气泡并具有优越的强度。与此相反，二氧化硅粉末制得的陶瓷扩散器能在低的空气压力下操作，因此更经济。此外，基于二氧化硅的扩散器对于废水污泥的空气浮选具有足够的强度，即使其可能不如基于氧化铝的扩散器坚固。因此，用于通过空气浮选进行固/液分离而产生微气泡时，这两种类型的陶瓷扩散器均适合并且彼此互补。

1)盘状陶瓷扩散器

湿粉末生产之后的下一步是用该湿粉末预填充凹面金属模具1。将厚度为0.25～0.5mm的薄膜插入该湿粉末中，该薄膜由如聚氯乙烯(PVC)的有机材料制得。所述薄膜的厚度是决定陶瓷扩散器总厚度的决定性因数之一。随着陶瓷扩散器厚度的增加，需要更多的陶瓷粉末，这降低了经济效益。因此，厚度为0.25～0.5mm的薄膜优选用于优化陶瓷粉的用量以及将要产生的气泡的大小分布。在此薄膜之上进行湿粉末的二次填充，均匀平整上表面。然后用加压器在100～200吨的压力下将凸面金属模具2推入所述湿粉末中进行初始挤压，由未煅烧的湿粉末得到预成型的陶瓷扩散器。当加压器的推动压力低于100吨时，会由于二氧化硅或氧化铝粉末压制不充分而产生较大的气泡。当压力超过200吨时，高温成型中会发生陶瓷扩散器破裂。因此，加压器的推动压力优选100～200吨。

在下面步骤中，对预成型的陶瓷扩散器用放置在加压器金属模具上的超声振动器11进行超声振动。产生振动的同时，加压器用10～30吨的压力挤压，形成最终的陶瓷扩散器。10～30吨的压力范围可使振动器11支撑陶瓷扩散器。此外，此压力范围可使颗粒平均分布，而不是大部分向边缘扩散。因此，所述压力范围为优选。

通过凹面金属模具1和凸面金属模具2，超声振动从所述陶瓷扩散器的表面向其中心传导。由于陶瓷粉末组分中的小颗粒的直径和重量小，其朝向振动源运动。这一运动造成了颗粒大小朝中心方向增大、而表面上的颗粒最小的粒径分布，因此得到了理想的陶瓷扩散器。在制造的最后步骤，首先取出凸面金属模具2，随后活塞21向上运动，从凹面金属模具1取出所形成的陶瓷扩散器。

2)管状陶瓷扩散器

制造中使用挤出成型，因为此方法可以每分钟生产多达4米的产品，相当经济。

挤出机填充准备好的湿粉末。在挤出机的喷嘴处安装能在300～600吨压力下挤出湿粉末时产生振动的超声振动器。超出此压力范围，粉末不能均匀分布，产生大小均匀的气泡变得困难。因此挤出成型的步骤优选该压力范围。

在盘状或管状陶瓷扩散器形成之后，将其引入氧化气氛炉中，并在900℃～1,300℃下进行煅烧，得到本发明的陶瓷扩散器。这些陶瓷粉末可熔化的最高限制温度，对于二氧化硅粉末为约1,200℃，对于氧化铝粉末为约1,400℃。在这样高的温度下锻烧可保证得到非常细小的孔隙，这又可导致获得细小的气泡。同时，考虑到这些陶瓷扩散器会放置在废水沉淀池的下部，这些发明的陶瓷扩散器应能经受沉淀池中水的压力，产生气泡，并能经受引入空气的压力。在以上给出的温度范围内，可以实现陶瓷粉末的最佳压制，提供具有要求强度的陶瓷扩散器。因此，锻烧优选在所给温度范围内进行。实际的锻烧方法不必限于特定的方法。

使用超声振动能使陶瓷扩散器获得理想的颗粒尺寸分布，即使在本发明陶瓷扩散器的制造中使用更廉价的相对粗糙的材料代替细小颗粒尺寸的材料。这样的超声振动的频率和持续时间可以根据颗粒的形状和大小适当地调节。在氧化铝或二氧化硅细粉末的情况下，优选每秒振动20,000～25,000次。

现用以下所给的具体实施方案和实施例详细解释本发明。以下实施方案和实施例仅用于示例说明的目的，决非意于用来限定本发明的范围。

<实施例1：使用陶瓷扩散器产生微气泡的空气浮选分离>

用70升的反应器测试本发明的陶瓷扩散器通过微气泡浮选污染物的能力。选用用于常规活性污泥废水处理的混合液悬浮固体(MLSS，约3,000mg/L)作为污染物。在0.8bar压力下将空气引入所述陶瓷扩散器，产生微气泡。将4个盘状陶瓷扩散器垂直放置在反应器的底部。在水面下约1米处进行空气浮选。

使用本发明陶瓷扩散器产生的微气泡空气浮选10分钟的结果在图4a～4d中表示出，其中观察到了污泥上升。如这些图中清楚显示，污泥引入后约10分钟的曝气产生了有效的固/液分离。

<对比例1：使用电极板的电浮选分离>

用70升的反应器测试使用铝或钢电极板电解产生的微气泡浮选污染物的能力。选用用于常规活性污泥废水处理的混合液悬浮固体(约3,000mg/L)作为污染物。将两排由一个阳极和两个阴极构成的电极板31的单元放置在反应器的底部，如图5所示。在水面下约1米处进行空气浮选。

<试验实验例1：测定产生的微气泡的大小>

测量实施例1和对比例1产生的微气泡的大小。产生气泡的大小与经过固/液分离的颗粒大小之间的关系可以决定碰撞效率，从而影响浮选能力。产生的气泡大小用颗粒计数器(LaserTrac Model PC 2400D，Hemtrac，USA)进行测量。

实施例1中陶瓷扩散器的微气泡在0.8bar压力下具有51.67±0.51μm的平均直径。对比例1中电极板的微气泡在电压为220V、电流为450mA、电流密度为89.52A/m²下具有34.43±0.51μm的平均直径。在两个实施例中都形成了大小适合于有效空气浮选的微气泡。然而，在对比例1中，反应器长期运行后电极板上积垢，如图6所示。结垢降低了电极板的效率，这又导致形成更少的微气泡，从而降低了空气浮选能力。

<试验实验例2：流出液中及累积在上部的污泥浓度的测定>

测量实施例1和对比例1中通过微气泡累积在反应器上部的污泥浓度以及反应器流出液中的污泥浓度。两个实施例中的表面加载速率(引入污泥的沉淀池表面积与每小时引入的污泥量之比)类似，实施例1为0.21g/cm²hr，对比例1为0.23g/cm²hr。

在实施例1中，累积污泥的浓度为14,660～23,400mg/L，反应器流出液中的浓度为3～10mg/L。在对比例1中，累积污泥的为18,760～26,760mg/L，流出液污泥的为4～10mg/L。两个实施例中气/固比例(A/S)(与污泥浮选效率有关)类似，实施例1为0.004～0.009，对比例1为0.005～0.01。换言之，在两个实施例中大量污染物都通过空气浮选得到分离。然而，在对比例1中，反应器长期运行后电极板上积垢。这导致产生较少的微气泡和减小的浮选能力，其表现在流出液中悬浮固体(SS)量的增加，可高达约90mg/L。在这样的情况下难以令人满意地达到排水水质规定标准。

如以上所示，在对比例1的情况下电极板应定期更换，以防止电极板上污垢沉积物所引起的浮选能力下降。这增加了对比例1所用方法的维护和运行费用负担。事实上，根据对比例1的包括能力为100吨/天的反应器电费的每年运行和维护费用合3,543,000韩元，按照每3个月更换一次电极板的计划。这是根据实施例1的相应反应器的运行和维护费用的约4.5倍，根据实施例1的费用为789,000韩元。

工业应用

本发明的陶瓷扩散器，由于其制造方法包括在压力下施加振动，其可以实现二氧化硅或氧化铝颗粒大小朝中心方向增大、而表面上的颗粒最小的粒径分布。因此约1atm的低空气压力就可以提供能保证废水中污染物迅速浮选的均匀且稳定的微气泡流。此外，本发明的空气浮选方法不会如用电极板电浮选的情况一样遭受结垢。这可以使发明的陶瓷扩散器方便地使用，若无维护问题可以是半永久性的，增加了其经济优势。此外，使用发明的挤出成型方法生产所述陶瓷扩散器所带来的生产效率的提高可保证进一步降低成本。