浮選柱法在含油廢水處理中的應(yīng)用

李中秋，肖 瑜，龔秋實(shí)

（桂林理工大學(xué) 環(huán)境科學(xué)與工程學(xué)院，廣西 桂林541004）

1 引言

浮選指的是從水的懸浮液中浮出固體的過(guò)程。它在細(xì)粒和極細(xì)粒物料分選過(guò)程中應(yīng)用最廣泛，處理效果最好。由于礦石資源越來(lái)越貧乏，如何更好地分選礦石，已經(jīng)成為當(dāng)前社會(huì)迫切需要解決的問(wèn)題。

隨著人類社會(huì)經(jīng)濟(jì)的快速發(fā)展，水污染愈演愈烈，浮選法逐步演變?yōu)橐环N水處理的新技術(shù)。國(guó)內(nèi)外學(xué)者的深入研究，浮選技術(shù)取得了很大提高。石油、造紙、印染、電鍍、化工、化纖、毛紡、皮革、食品等行業(yè)快速發(fā)展的同時(shí)，生產(chǎn)過(guò)程中產(chǎn)生的污水如何得到更好的處理，已是人類不可忽視的問(wèn)題。國(guó)內(nèi)外研究發(fā)現(xiàn)表明，浮選技術(shù)可以很好地解決這一系列問(wèn)題，通過(guò)大量的實(shí)驗(yàn)研究以及實(shí)際的應(yīng)用，浮選法確實(shí)是一種處理水污染的好方法，取得了良好的環(huán)境效益。

浮選法處理含油污水的機(jī)理分為兩個(gè)階段：第一個(gè)階段為選擇吸附階段，在聚合物驅(qū)含油污水中加入煤粉載體，使含油污水中微細(xì)油珠及乳化油吸附到載體上；第二個(gè)階段為柱氣浮分離階段，在浮選柱中油珠及吸附了油的煤粉載體和氣泡碰撞粘附，形成帶氣絮粒上浮，從而使油水分離。

2 含油污水特點(diǎn)

油田含油污水主要包括采油廢水、洗井回水、鉆井污水、井下作業(yè)污水、聯(lián)合站內(nèi)各種原油儲(chǔ)罐的罐底水、將含鹽量較高的原油用其他清水洗鹽后的污水、油區(qū)站場(chǎng)周邊工業(yè)廢水等。含油污水量較大，占油田總水量的2/3左右［1］。

含油污水的主要特點(diǎn)主要有5個(gè)方面：①含油污水中油類的密度一般都小于水的密度；②含油污水中的懸浮固體顆粒粒徑小，但含量很高；③含油污水中細(xì)菌的含量很高；④含油污水中有機(jī)污染物的含量很高；⑤含油污水的礦化度很高。

油田含油污水是一種含有固體雜質(zhì)、液體雜質(zhì)、溶解氣體和溶解鹽類等較復(fù)雜的多相體系［2］。油在水體中的賦存狀態(tài)多種多樣，由于含油污水中油的粒徑大小不一，可分為4種類型，即浮油、分散油、乳化油、溶解油。其中除了浮油比較容易處理之外，其他3種油由于自身的特性，在動(dòng)力學(xué)上具有一定的穩(wěn)定性，很難處理［3］。

3 國(guó)內(nèi)外含油污水處理技術(shù)

由于含油污水自身組成復(fù)雜，故處理好含油污水是一個(gè)復(fù)雜的過(guò)程。大量的研究表明，不同種類的含油廢水要采用不同的處理技術(shù)。含油污水的處理方法有很多，主要包括分離法（重力分離法、過(guò)濾分離法、離心分離法、浮選法），化學(xué)破乳法（凝聚法、鹽析法、氧化還原法），電化學(xué)法，吸附法等［4］。

3.1 分離法

利用油與水之間的比重差以及二者之間的不溶性，使得油與水得到分離。作為處理含油污水的重要方法，分離法又分為重力分離法、過(guò)濾分離法、離心分離法、浮選法等。分離法可以用來(lái)去除含油污水中懸浮態(tài)存在的油，而不同粒徑懸浮態(tài)的油可以通過(guò)不同的分離方法來(lái)處理。含油污水中存在的浮油，部分分散油、重油、油－固體物等不溶于水的物質(zhì)，可以使用重力分離法去除［5］；含油污水中的部分原油和固體懸浮物滯留在細(xì)小濾料構(gòu)成的濾層當(dāng)中，可以使用過(guò)濾分離法來(lái)去除［6］；分散油的顆粒直徑為10～100μm，在水中以懸浮態(tài)存在，這種油類可以使用離心分離法來(lái)去除［7］；對(duì)于顆粒直徑為10～60μm的分散油，乳化油以及細(xì)小的固體懸浮物，浮選法的處理效果最為顯著。值得注意的是，通過(guò)浮選法處理之后的含油污水，其油濃度可以降至20～30mg/L［8-9］，降解幅度很大，但是其處理過(guò)程中產(chǎn)生的浮渣比較難處理［10］。

3.2 化學(xué)破乳法

將含油污水中的污染物質(zhì)通過(guò)化學(xué)反應(yīng)轉(zhuǎn)化為無(wú)毒無(wú)害物質(zhì)，從而達(dá)到凈化廢水的目的。常用的化學(xué)破乳法主要包括凝聚法、鹽析法、氧化還原法。通過(guò)向含油污水中添加絮凝劑，使水解作用后產(chǎn)生的帶正電荷的膠團(tuán)與帶負(fù)電荷的乳化油中和，油粒之間發(fā)生聚集，從而顆粒直徑變大，將直接導(dǎo)致浮力增大，最終實(shí)現(xiàn)油水分離，這個(gè)過(guò)程我們稱之為絮凝法［11］。值得警惕的是，由于大多數(shù)絮凝劑及其在水中殘留的離子會(huì)對(duì)環(huán)境產(chǎn)生極大的危害，所以，要盡量減少這種方法的使用［12］。鹽析法是通過(guò)壓縮油粒與水界面處雙電層的厚度，使油粒脫穩(wěn)，該法操作簡(jiǎn)單，費(fèi)用低，但設(shè)備占地面積大，處理效果不好，作為初級(jí)處理應(yīng)用更為廣泛［13］。通過(guò)使用氧化劑，使得水中的有機(jī)物發(fā)生氧化反應(yīng)，最終達(dá)到去除污染物的目的，這種方法我們稱之為氧化還原法，常用的氧化劑有氧、臭氧、空氣等［14-15］。

3.3 電化學(xué)法

通過(guò)使用可溶性陽(yáng)極，發(fā)生電化學(xué)反應(yīng)，反應(yīng)過(guò)程中，陽(yáng)極周圍生成絮凝劑，陰極周圍產(chǎn)生氣泡，在沉降或氣浮的作用下，最終達(dá)到絮凝體去除的目的［16］。在處理過(guò)程中，由于絮凝體自身比較難被沉降但卻比較容易隨著氣泡上浮，而在氣浮的過(guò)程，大多數(shù)污染物得到很好的去除，因此，適合采用電化學(xué)法處理技術(shù)［17］。

3.4 吸附法

通過(guò)使用多孔的固體，將物質(zhì)從液相中遷移到固相表面。稀有材料種類繁多，其中最常使用的是活性炭，活性炭不僅對(duì)油擁有超強(qiáng)的吸附能力，而且對(duì)于含有污水中的分散油、乳化油以及溶解油也具有很好的吸附能力，同時(shí)對(duì)含油污水中的大多有機(jī)污染物的吸附效果也很顯著。但是，由于活性炭的吸附容量有限，費(fèi)用高，難以循環(huán)使用，所以活性炭一般被用來(lái)處理含油污水多級(jí)處理過(guò)程中的最后一級(jí)，最終含油污水的質(zhì)量濃度可降低至0.1～0.2mg/L［18］。

3.5 其他方法

近20a來(lái)出現(xiàn)了許多新型水污染治理技術(shù)，光催化氧化技術(shù)就是其中最具代表性的一種［19］。這種方法的優(yōu)點(diǎn)是完全礦物化，沒(méi)有污染，效能高，并且?guī)缀蹩梢源呋到馑械挠袡C(jī)物，缺點(diǎn)是對(duì)紫外光的效果很差、光能能耗高、電子－空穴復(fù)合率高、量子產(chǎn)率很低。而對(duì)于一些難降解的有機(jī)污染物質(zhì)，光催化氧化技術(shù)的處理效果非常顯著。

針對(duì)TiO2，ZnO，ZnS和SnO2等半導(dǎo)體材料都已進(jìn)行催化研究［20］，其中TiO2以其高效、穩(wěn)定、價(jià)廉等特性成為最有潛力的光催化材料［21］。將納米TiO2用于各種有機(jī)物催化降解的結(jié)果表明，它對(duì)大多數(shù)有機(jī)物具有良好的催化性能，例如苯［22-23］、甲基藍(lán)［24］、苯酚［25-26］、林丹［27］等，同時(shí)水域可以大面積接受太陽(yáng)光照射，這為利用太陽(yáng)光降解水中油污染提供了可能。用負(fù)載型TiO2固定相光催化降解含油廢水，具有高效、節(jié)能、費(fèi)用低等特點(diǎn)，顯示出了良好的應(yīng)用前景。

含油廢水的處理方法雖然較多，但各種方法都有其局限性，難以得到實(shí)際應(yīng)用及推廣，因此需要以污染物去除率高、處理水質(zhì)穩(wěn)定、技術(shù)成熟、無(wú)二次污染、一次投資及運(yùn)行費(fèi)用低為原則，開(kāi)發(fā)適合含油污水處理的工藝和技術(shù)。

4 浮選柱處理含油污水的優(yōu)勢(shì)

浮選柱具有結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、占地面積小、技術(shù)指標(biāo)好、耗能低、藥劑用量低、建設(shè)周期短、維護(hù)費(fèi)用低、操作控制簡(jiǎn)單等優(yōu)點(diǎn)。石油大學(xué)馮鵬邦［28］等用浮選柱處理含油污水，在實(shí)驗(yàn)裝置上研究了其結(jié)構(gòu)參數(shù)和操作參數(shù)對(duì)浮選性能的影響，研究結(jié)果表明：浮選柱是一種具有高效、節(jié)能等優(yōu)點(diǎn)的含油污水處理裝置，除油率在90%左右，處理污水能耗約為0.117kW·h/m3，比從國(guó)外引進(jìn)的WEMCO充氣浮選機(jī)能耗低50%，2臺(tái)浮選柱的處理能力與1臺(tái)WEMCO浮選機(jī)相當(dāng)。含油污水中懸浮固體含量高、顆粒粒徑小，分離時(shí)通常要求小的氣泡，并且在分離區(qū)中需要安靜的流體動(dòng)力學(xué)環(huán)境。旋流——靜態(tài)微泡浮選柱柱體上部的介質(zhì)充填進(jìn)一步強(qiáng)化了上部靜態(tài)分離環(huán)境，下部的管流礦化進(jìn)一步提高了下部的紊流礦化環(huán)境，從而構(gòu)成從上到下靜態(tài)——湍流——紊流的分選環(huán)境，且旋流——靜態(tài)微泡浮選柱對(duì)微細(xì)粒礦物的分選選擇性好、運(yùn)行可靠性好、產(chǎn)品質(zhì)量穩(wěn)定、設(shè)備機(jī)械故障率低、操作與維護(hù)方便、能耗低。因此，浮選柱法處理含油污水具有很好的應(yīng)用前景。

5 浮選柱法處理含油廢水的常見(jiàn)問(wèn)題

氣含率、氣泡尺寸及分布是相互關(guān)聯(lián)的流體行為學(xué)參數(shù)。壓差法測(cè)量浮選柱氣含率具有可行性，操作簡(jiǎn)單。利用Matlab處理圖像，計(jì)算氣泡尺寸及分布存在一定誤差，誤差主要來(lái)源于3個(gè)方面：①由于柱體是圓形的，存在一定的柱體曲率，柱體邊緣水平方向上物象被放大；②在統(tǒng)計(jì)氣泡直徑大小時(shí)假設(shè)氣泡是球體；③統(tǒng)計(jì)取樣過(guò)程中，為實(shí)現(xiàn)氣泡分割，不可避免地對(duì)圖像進(jìn)行部分人為處理。

循環(huán)壓力不僅在浮選過(guò)程中對(duì)氣含率有所影響。在旋流——靜態(tài)微泡浮選柱中，也給旋流分離段的旋流力場(chǎng)提供動(dòng)力。因此，該因素的調(diào)節(jié)要考慮柱浮選段氣含率，也要考慮旋流分離段對(duì)浮選產(chǎn)品的影響。

浮選柱循環(huán)壓力可以利用變頻調(diào)節(jié)和變流調(diào)節(jié)2種方式進(jìn)行。當(dāng)不改變進(jìn)氣閥門開(kāi)度大小，保持全開(kāi)狀態(tài)時(shí)，氣含率隨著循環(huán)壓力的增大而增大。當(dāng)改變進(jìn)氣閥門開(kāi)度，保持進(jìn)氣量大小不變時(shí)，氣含率隨循環(huán)壓力的增大而減小，減小幅度不是很大。含油污水中的氣含率比清水中的略大。純水不易起泡，且氣泡尺寸較大，而含油污水中含有的石油類物質(zhì)有一定的表面活性，更易于起泡。循環(huán)壓力越大，產(chǎn)生的微泡尺寸越小，數(shù)量越多。

隨著循環(huán)壓力的增大，含油污水中殘余油濃度逐漸降低，懸浮物含量也逐漸降低。當(dāng)循環(huán)壓力達(dá)到一定數(shù)值后，脫油率及懸浮物脫除率達(dá)到最大值，繼續(xù)增加壓力，脫油率及懸浮物脫除率開(kāi)始下降。壓力過(guò)大時(shí)浮選柱內(nèi)會(huì)形成紊流，對(duì)柱體內(nèi)流體產(chǎn)生強(qiáng)烈的擾動(dòng)，破壞氣泡與油滴及固體懸浮顆粒形成的絮團(tuán)，影響了浮選效率。

適當(dāng)增加充氣量有利于浮選時(shí)除油效果的發(fā)揮，但對(duì)除懸浮物效果影響不明顯。氣流量較小時(shí)，氣泡的數(shù)量較多，氣泡和油珠發(fā)生碰撞、附著在油珠上的氣泡數(shù)量逐漸增多，故浮選柱的脫油效率不斷增大。當(dāng)充氣量增大到一定程度，氣泡互相兼并漸趨劇烈，而捕集油珠能力大的較小直徑的氣泡數(shù)量逐漸減少，同時(shí)，充氣量增大，造成柱內(nèi)污水返混劇烈，從而使浮選柱的浮選效率下降。

起泡劑用量增加，脫油率及懸浮物脫除率均呈增加趨勢(shì)。一方面使氣泡的尺寸減小，數(shù)量增加，增加了氣泡與油粒的碰撞幾率；另一方面使油粒絮體的附加憎水基團(tuán)增加，提高了氣泡的粘附數(shù)量及牢度，從而提高浮選效果。

氣泡尺寸受許多因素影響，如氣體、液體及固體顆粒的物理性質(zhì)，氣泡制造技術(shù)的不同類型，氣泡制造裝置和操作條件等。

6 結(jié)語(yǔ)

隨著社會(huì)經(jīng)濟(jì)的發(fā)展，人類社會(huì)對(duì)于環(huán)境的破壞日益嚴(yán)重，人們希望環(huán)境可以得到改善。浮選柱法處理含油污水作為一種新型的水處理技術(shù)，應(yīng)該得到重視，而開(kāi)發(fā)以浮選柱法為處理技術(shù)的水處理設(shè)備刻不容緩。

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