超重力技術(shù)在工業(yè)水處理中的應(yīng)用研究述評(píng)

邵磊，崔偉松

專(zhuān)論與綜述

超重力技術(shù)在工業(yè)水處理中的應(yīng)用研究述評(píng)

邵磊1，崔偉松2

（1.北京化工大學(xué)教育部超重力工程研究中心，北京100029；2.中國(guó)石油天然氣股份有限公司石油化工研究院，北京102206）

超重力技術(shù)通過(guò)轉(zhuǎn)子旋轉(zhuǎn)形成離心力場(chǎng)而模擬產(chǎn)生超重力環(huán)境，在該環(huán)境下液體處于劇烈的湍動(dòng)狀態(tài)，從而使傳質(zhì)效率顯著提升。該技術(shù)對(duì)于氣-液傳質(zhì)受限的過(guò)程展現(xiàn)出獨(dú)特的優(yōu)勢(shì)，并在多種水處理工藝中得以應(yīng)用，取得了良好的效果。對(duì)超重力技術(shù)在有機(jī)廢水和含氨廢水處理、“三廢”治理、水脫氧和海水淡化等工業(yè)水處理領(lǐng)域中的應(yīng)用進(jìn)行了綜述，并對(duì)該技術(shù)的特點(diǎn)和在水處理領(lǐng)域的應(yīng)用前景進(jìn)行了述評(píng)。

超重力；水處理；強(qiáng)化；傳質(zhì)

超重力技術(shù)是一項(xiàng)發(fā)軔于上個(gè)世紀(jì)的高效過(guò)程強(qiáng)化技術(shù)。近年來(lái)，這項(xiàng)技術(shù)在反應(yīng)和分離過(guò)程強(qiáng)化、納米顆粒材料制備等領(lǐng)域成功實(shí)現(xiàn)了工業(yè)應(yīng)用，取得了良好的經(jīng)濟(jì)效益和深遠(yuǎn)的行業(yè)影響〔1-2〕。國(guó)內(nèi)外多家研究機(jī)構(gòu)也嘗試將這項(xiàng)技術(shù)應(yīng)用于工業(yè)水處理中，并取得了令人矚目的進(jìn)展。因此，有必要對(duì)這一技術(shù)在水處理領(lǐng)域的應(yīng)用研究進(jìn)行梳理和分析，為相關(guān)行業(yè)的發(fā)展提供參考。

圖1　逆流RPB的結(jié)構(gòu)

1　超重力技術(shù)的原理

超重力技術(shù)通過(guò)旋轉(zhuǎn)填充床（RPB）來(lái)實(shí)現(xiàn)，因此也被稱為超重力機(jī)。典型的RPB結(jié)構(gòu)如圖1所示。

由圖1可見(jiàn)，充滿填料的轉(zhuǎn)子安裝在一個(gè)靜止的外套中，以每分鐘幾百轉(zhuǎn)至幾千轉(zhuǎn)的速度旋轉(zhuǎn)。液體或漿料由液體入口通過(guò)液體分布器噴入轉(zhuǎn)子的內(nèi)緣，并在離心力的作用下沿著轉(zhuǎn)子的徑向流動(dòng)通過(guò)填料，最終匯集到液體出口流出RPB。氣體由氣體入口引入RPB，從轉(zhuǎn)子的外緣向內(nèi)緣流動(dòng)，并在填料內(nèi)與液體逆流接觸完成氣-液傳質(zhì)過(guò)程，剩余氣體通過(guò)氣體出口流出。

RPB通過(guò)轉(zhuǎn)子旋轉(zhuǎn)所形成的離心力來(lái)模擬超重力環(huán)境。在這種超重力環(huán)境中，不同大小分子間的分子擴(kuò)散和相間傳質(zhì)過(guò)程均比常規(guī)重力場(chǎng)下要快得多，氣-液兩相在比地球重力場(chǎng)大數(shù)百倍至千倍的超重力環(huán)境下的多孔介質(zhì)中流動(dòng)接觸，強(qiáng)大的剪切力把液體分散成微米至納米級(jí)的液膜、液絲和液滴，產(chǎn)生巨大和快速更新的相界面，使相間傳質(zhì)速率比傳統(tǒng)塔器中的提高1～3個(gè)數(shù)量級(jí)，微觀混合和傳質(zhì)過(guò)程得到極大強(qiáng)化。同時(shí)，在超重力條件下不僅整個(gè)反應(yīng)過(guò)程加快，氣體的線速度也可大幅度提高，使單位設(shè)備體積的生產(chǎn)效率提高1～2個(gè)數(shù)量級(jí)，設(shè)備尺寸因此大幅度縮小〔3〕。

利用超重力環(huán)境下傳質(zhì)過(guò)程和微觀混合過(guò)程高度強(qiáng)化的特性，可以將高達(dá)幾十米的化工塔設(shè)備用高不及2m的RPB替代。因此，超重力技術(shù)被認(rèn)為是強(qiáng)化傳遞和多相反應(yīng)過(guò)程的一項(xiàng)突破性技術(shù)，超重力機(jī)也被譽(yù)為“化學(xué)工業(yè)的晶體管”。

2　超重力技術(shù)在有機(jī)廢水處理中的應(yīng)用

2.1超重力法高級(jí)氧化工藝處理有機(jī)廢水

高級(jí)氧化工藝（AOPs）是通過(guò)產(chǎn)生強(qiáng)氧化性的羥基自由基（·OH）進(jìn)行水處理的工藝。在基于臭氧的AOPs中，其關(guān)鍵問(wèn)題是臭氧的吸收效率，將超重力技術(shù)與臭氧AOPs相結(jié)合，則可以顯著提高臭氧的氣-液傳質(zhì)過(guò)程，從而大幅提高該工藝對(duì)有機(jī)廢水的處理效果。

2.1.1印染廢水脫色

印染廢水具有水量大、成分復(fù)雜、色度高等特點(diǎn)。李鑫等〔4〕將RPB與臭氧AOPs相結(jié)合，進(jìn)行了酸性紅B廢水的脫色研究，發(fā)現(xiàn)超重力技術(shù)可以強(qiáng)化高級(jí)氧化過(guò)程。在酸性條件下，采用RPB-O3/Fe2+工藝酸性紅B的脫色率可達(dá)97%以上。采用RPB-O3/ Fenton工藝可使溶液pH迅速降低，表明有較多的酸性紅B被氧化生成有利于生物處理的小分子有機(jī)物，其脫色速率常數(shù)可達(dá)0.138 4min-1。C.C.Lin等〔5〕進(jìn)行了RPB-O3工藝處理活性藍(lán)19的研究，發(fā)現(xiàn)超重力水平對(duì)脫色率有顯著影響，當(dāng)RPB轉(zhuǎn)速為1 748 r/min時(shí)，脫色率可達(dá)89.23%。采用RPB-O3工藝對(duì)活性黑5的研究則發(fā)現(xiàn)RPB單位體積的臭氧傳質(zhì)速率明顯高于攪拌槽式反應(yīng)器，表明RPB具有良好的氣液傳質(zhì)性能〔6〕。N.C.Shang等〔7〕采用RPB-O3工藝處理活性紅120和酸性紅299溶液，這兩種染料溶液的ADMI（美國(guó)染料制造商協(xié)會(huì)）指數(shù)降解率在2min之內(nèi)均可達(dá)到100%，而主要由這兩種染料組成的實(shí)際印染廢水ADMI指數(shù)在處理30min后降解率為93%，表明實(shí)際廢水中存在的其他物質(zhì)的競(jìng)爭(zhēng)作用對(duì)染料的降解有顯著影響。

2.1.2含酚廢水處理

含酚廢水是一類(lèi)危害大、難處理的有機(jī)廢水?；瘜W(xué)氧化法預(yù)處理后接生物處理是一種經(jīng)濟(jì)的酚類(lèi)廢水處理方法。Zeng Zequan等〔8-10〕在RPB中采用不同的臭氧AOPs進(jìn)行處理模擬苯酚廢水的研究，發(fā)現(xiàn)采用RPB-O3/H2O2處理40mg/L的苯酚廢水在H2O2濃度為6.5mmol/L、RPB轉(zhuǎn)速為1 200 r/min時(shí)，苯酚降解率可達(dá)100%；采用RPB-O3/Fe2+體系處理60 mg/L的苯酚廢水，苯酚降解率為57%，B/C從0.2提高到0.59，顯著高于攪拌反應(yīng)器所得結(jié)果；采用RPB-O3/Fenton體系處理100mg/L的苯酚廢水，苯酚降解率比O3體系的苯酚降解率高出約20%，可達(dá)98.3%，B/C從0.2提高到0.58，表明采用超重力技術(shù)強(qiáng)化臭氧AOPs處理酚類(lèi)廢水可顯著改善其可生化性。C.C.Chang等〔11〕在RPB-O3處理工藝中引入催化劑和紫外光輻照強(qiáng)化苯酚溶液的降解效果，發(fā)現(xiàn)兩者均有促進(jìn)作用，但Pt/γ-Al2O3催化劑的影響比較微弱，而紫外光輻照可使RPB-O3工藝對(duì)總有機(jī)碳（TOC）的礦化效率從82%提高至94%。C.H.Ko等〔12〕采用RPB-O3工藝處理愈創(chuàng)木酚溶液，通過(guò)愈創(chuàng)木酚反應(yīng)動(dòng)力學(xué)和臭氧傳質(zhì)速率建立了一個(gè)動(dòng)力學(xué)模型，可以預(yù)測(cè)不同工藝參數(shù)對(duì)愈創(chuàng)木酚、COD和TOC脫除率的影響，并指出RPB-O3工藝非常適合在堿性條件下處理高濃度的愈創(chuàng)木酚廢水。

2.1.3抗生素廢水處理

抗生素廢水是制藥行業(yè)排放的一類(lèi)難降解和具有生物毒性的有機(jī)廢水。各類(lèi)抗生素因具有抗菌性結(jié)構(gòu)和生物毒性，使得傳統(tǒng)生物處理法很難對(duì)其進(jìn)行有效降解，從而殘留于水體中導(dǎo)致自然水體被污染。通過(guò)預(yù)處理提高抗生素廢水可生化性后進(jìn)行生物法處理則是一種可行的工藝。李墨等〔13-14〕在RPB中研究了Fenton工藝與Fenton+O3工藝處理模擬阿莫西林廢水的效果，發(fā)現(xiàn)采用Fenton+O3兩段工藝處理阿莫西林廢水的COD脫除率達(dá)到57.9%，B/C從0增加到0.36，可滿足后續(xù)生化處理要求。將RPB與攪拌釜式反應(yīng)器（STR）進(jìn)行比較研究發(fā)現(xiàn)，RPB-O3/Fenton工藝比STR-O3/Fenton工藝的COD脫除率高114%，B/C高140%，表明RPB對(duì)于臭氧AOPs具有良好的強(qiáng)化效果。

2.1.4焦化廢水處理

焦化廢水是排放量最大的工業(yè)廢水之一，其成分復(fù)雜，種類(lèi)繁多，主要含有苯酚、苯胺和喹啉等難以生物降解的有機(jī)物以及氨氮類(lèi)無(wú)機(jī)物，造成生化處理困難，出水COD和氨氮難以達(dá)標(biāo)排放。魏清等〔15〕研究了RPB-O3/Fenton工藝處理模擬焦化廢水的效果，在O3為30mg/L，pH為6，溫度為25℃，液體流量為20 L/h，氣體流量為5 L/min，轉(zhuǎn)速為1 000 r/min，H2O2為6.5mmol/L，F(xiàn)e2+為0.4mmol/L的條件下，該廢水的COD去除率達(dá)到43.57%，苯酚、苯胺、喹啉和氨氮的去除率分別達(dá)到81.56%、100%、81.17%和100%。進(jìn)一步提高臭氧濃度后，4種污染物的去除率則分別達(dá)到100%、100%、95.68%和100%，B/C達(dá)到0.46。因此，RPB-O3/Fenton工藝可以作為一種預(yù)處理手段，為焦化廢水的生化處理提供適宜的條件。

2.1.5其他有機(jī)廢水處理

C.C.Chang等〔16〕進(jìn)行了鄰苯二甲酸二甲酯的降解研究，發(fā)現(xiàn)RPB-O3工藝結(jié)合Pt/γ-Al2O3催化劑和紫外光輻照可使TOC的礦化效率從45%提高至68%。C.Y.Chiu等〔17〕研究了RPB-O3工藝對(duì)多環(huán)芳烴的處理效果，以萘和卞澤30（月桂醇聚氧乙烯醚）分別為模型污染物和表面活性劑的研究表明，卞澤30對(duì)萘的去除有顯著的不利影響，不添加表面活性劑時(shí)，萘在臭氧氧化及氣體吹脫的共同作用下降解率可達(dá)近100%。劉有智等〔18〕采用RPB-O3/H2O2、RPB-O3/Fe2+和RPB-O3/Fenton等方法對(duì)黑索今（RDX）廢水進(jìn)行處理，20min后RDX去除率達(dá)到97.5%，出水達(dá)國(guó)家一級(jí)排放標(biāo)準(zhǔn)。郭亮等〔19〕采用RPBO3/H2O2工藝對(duì)含硝基苯類(lèi)化合物炸藥廢水處理40min后，硝基苯類(lèi)化合物的去除率可達(dá)99%，出水中硝基苯類(lèi)化合物質(zhì)量濃度小于3mg/L，達(dá)到國(guó)家二級(jí)排放標(biāo)準(zhǔn)。

上述研究表明超重力技術(shù)與高級(jí)氧化工藝結(jié)合處理有機(jī)廢水具有良好的效果，這一新工藝尤其適于進(jìn)行有機(jī)廢水的預(yù)處理，以提高其可生化性，以及對(duì)出水水質(zhì)難于達(dá)標(biāo)的廢水進(jìn)行末端治理。

2.2超重力技術(shù)與其他工藝相結(jié)合處理有機(jī)廢水

將超重力法技術(shù)與其他強(qiáng)化手段或廢水處理技術(shù)相結(jié)合可使廢水的處理效果進(jìn)一步提高。如采用超聲/RPB-O3工藝處理二硝基甲苯（DNT）廢水，硝基化合物和COD去除率分別達(dá)到94.28%和86.5%〔20〕，如將該工藝與酸析處理相結(jié)合，則硝基化合物和COD去除率可達(dá)98.6%和94.04%，B/C可達(dá)0.68〔21〕。采用超聲/RPB-O3工藝處理單偶氮活性艷紅X-3B模擬染料廢水，10min后脫色率達(dá)98%，30min后COD去除率達(dá)81.8%〔22〕。將超重力技術(shù)與電催化相結(jié)合處理含酚廢水，苯酚去除率可達(dá)99.1%，COD去除率可達(dá)24.7%〔23〕。將撞擊流與RPB（IS-RPB）相結(jié)合處理苯酚廢水除酚率可以達(dá)到95%以上〔24〕，對(duì)于苯胺廢水苯胺去除率可以達(dá)到99.5%〔25〕。采用酸析+IS-RPB/Fenton工藝預(yù)處理DNT生產(chǎn)廢水，COD去除率可達(dá)98.95%，硝基化合物去除率達(dá)98.32%，B/C可達(dá)0.65〔26〕。上述耦合工藝處理有機(jī)廢水雖然具有良好的效果，但工藝較為復(fù)雜，動(dòng)力消耗較高，因此在實(shí)際應(yīng)用中需要慎重考評(píng)其經(jīng)濟(jì)性。

2.3超重力法氣提脫除水體中揮發(fā)性有機(jī)物

醋酸丁酯是一種常見(jiàn)的揮發(fā)性有機(jī)物，在其生產(chǎn)和使用過(guò)程中會(huì)產(chǎn)生大量廢水，對(duì)廢水中的醋酸丁酯進(jìn)行回收利用，既可以降低生產(chǎn)成本，也是達(dá)到環(huán)保要求的必然選擇。鄒?？取?7〕采用超重力汽提法進(jìn)行了處理醋酸丁酯的研究，利用蒸汽脫除廢水中的醋酸丁酯，在適宜的工藝條件下，處理后液相出口醋酸丁酯質(zhì)量分?jǐn)?shù)低于70μg/g，脫除率達(dá)到98%以上。與傳統(tǒng)的汽提塔相比該技術(shù)具有占地面積小、效率高、開(kāi)停車(chē)容易、操作彈性大等優(yōu)勢(shì)。

薛翠芳等〔28〕進(jìn)行了RPB氣提處理丙烯腈廢水的研究，采用塑料填料和304不銹鋼填料的研究結(jié)果表明，兩種填料對(duì)于丙烯腈的去除率均可達(dá)60%以上，但不銹鋼填料由于具有較大的有效傳質(zhì)表面積、較強(qiáng)的剪切和分散作用、較優(yōu)的潤(rùn)濕性能，從而比塑料填料的丙烯腈去除率高2.5%～4.8%。

美國(guó)密西根州的海岸警衛(wèi)隊(duì)采用RPB裝置用空氣對(duì)地下水中的苯類(lèi)有機(jī)物進(jìn)行吹脫后，污染物由5×10-4～30×10-4g/kg降至1×10-6g/kg左右。該裝置正常運(yùn)轉(zhuǎn)6 a，直到全部被污染的地下水處理完畢〔29〕。K.Gudena等〔30〕也進(jìn)行了RPB中空氣吹脫地下水中三氯乙烯的研究，與傳統(tǒng)氣提設(shè)備相比，RPB在氣液比、壓降、投資和功耗方面均表現(xiàn)出明顯的優(yōu)勢(shì)，并提出了工業(yè)超重力氣提設(shè)備的優(yōu)化方法，以便在揮發(fā)性有機(jī)物脫除率和成本之間取得平衡。

3　超重力技術(shù)在含氨廢水處理中的應(yīng)用

含氨廢水能夠?qū)е滤w富營(yíng)養(yǎng)化，使藻類(lèi)過(guò)度繁殖，不僅使水質(zhì)惡化，并且氨被氧化生成的硝酸鹽和亞硝酸鹽還會(huì)影響水生生物和人類(lèi)健康，因此，含氨廢水的處理是目前眾多行業(yè)面臨的迫切問(wèn)題之一。

在尿素合成工藝過(guò)程中存在較大量的工藝解析廢水，該廢水一般采用深度水解和解吸相結(jié)合的方法進(jìn)行處理，即通過(guò)高溫高壓（350℃，3.8MPa）的深度水解塔將廢水中的尿素分解為氨和二氧化碳，再通過(guò)解吸塔將氨和二氧化碳脫除。北京化工大學(xué)教育部超重力工程研究中心開(kāi)發(fā)了超重力尿素水解工藝，可以在220～230℃，2.4～2.6MPa的較溫和條件下，將尿素解析廢水中尿素由100mg/L左右降至5 mg/L以下，處理后的水質(zhì)能夠滿足中壓鍋爐用水的要求，不僅具有環(huán)境效益，而且還有經(jīng)濟(jì)效益和社會(huì)效益。該中心還采用超重力汽提技術(shù)，將某合成氨廠的銅洗車(chē)間含氨廢水的氨由20 000～30 000mg/L降至100mg/L以下，在滿足了環(huán)保要求的同時(shí)得到了15%～20%的濃氨水可以利用，解決了困擾企業(yè)的一個(gè)難題〔31〕。

谷德銀等〔32〕采用RPB進(jìn)行了空氣吹脫氨氮廢水的研究，發(fā)現(xiàn)在溫度為10℃，氣液比為1 000，pH為11.0，超重力因子為67的條件下，單級(jí)氨氮脫除率為43.87%，經(jīng)過(guò)8次循環(huán)吹脫后，氨氮脫除率達(dá)到90.1%。針對(duì)不同的氨氮廢水，優(yōu)化RPB空氣吹脫工藝后，單級(jí)氨氮脫除率則可達(dá)75%～85%〔33〕。

4　超重力技術(shù)在“三廢”綜合治理中的應(yīng)用

利用超重力技術(shù)高度強(qiáng)化傳質(zhì)和混合的特點(diǎn)可以達(dá)到廢水、廢氣和固體廢棄物綜合處理的目的。Baochang Sun等〔34〕針對(duì)純堿工業(yè)中產(chǎn)生的大量CaCl2廢液開(kāi)展研究，在研究RPB中耦合吸收NH3和CO2的傳質(zhì)特性基礎(chǔ)上，以RPB為反應(yīng)器，利用模擬CaCl2廢液同時(shí)吸收NH3和CO2兩種氣體，不僅可以達(dá)到CaCl2廢液治理、含氨廢氣利用和CO2減排等多重環(huán)保目的，而且可以生產(chǎn)平均粒徑為50nm左右的納米CaCO3產(chǎn)品，展現(xiàn)出良好的環(huán)境效益和經(jīng)濟(jì)效益。

Shuyuan Pan等〔35-36〕則針對(duì)煉鋼行業(yè)的堿性冷軋廢水（CRW）開(kāi)展研究，在RPB中利用CRW和堿性氧氣轉(zhuǎn)爐（BOF）爐渣吸收CO2，CO2的脫除率可達(dá)96%～99%。這一工藝不僅可以達(dá)到CO2減排的目的，而且可以通過(guò)BOF爐渣的加速碳化使其適于用作建筑材料，同時(shí)還能對(duì)CRW起到很好的中和作用。

5　超重力技術(shù)在水脫氧中的應(yīng)用

5.1在飲料脫氧中的應(yīng)用

飲料中含氧會(huì)影響飲料的品質(zhì)，使口感變差，縮短飲料的保質(zhì)期，因此啤酒、碳酸飲料和果汁等均需要進(jìn)行脫氧處理。同時(shí)，啤酒和碳酸飲料中需要充入CO2（碳酸化）以達(dá)到調(diào)節(jié)風(fēng)味、提供酸性環(huán)境和壓力以防腐等目的。傳統(tǒng)的工藝是采用CO2吹脫啤酒和碳酸飲料中的氧，可同時(shí)實(shí)現(xiàn)脫氧和碳酸化的目的，這一工藝可以將溶解氧脫至1.5～2.5mg/L，但會(huì)造成CO2的大量浪費(fèi)，有時(shí)CO2的利用率僅為10%。

M.J.Brinn〔37〕采用超重力技術(shù)對(duì)上述工藝進(jìn)行了根本的變革。將碳酸飲料的脫氧和碳酸化過(guò)程分解為兩個(gè)工序，先采用超重力技術(shù)進(jìn)行真空脫氧，然后再進(jìn)行碳酸化處理，這一工藝革新帶來(lái)了以下幾個(gè)顯著的效果：可以將飲料中的溶解氧降至0.5mg/L以下，僅為原先工藝的1/3至1/5，使產(chǎn)品的保質(zhì)期延長(zhǎng)；消除了原先系統(tǒng)采用CO2脫氧所產(chǎn)生的CO2廢氣，一般每條生產(chǎn)線每年可節(jié)約CO2約1 000 t；由于灌裝過(guò)程中的起泡現(xiàn)象減輕，碳酸飲料灌裝生產(chǎn)線的生產(chǎn)能力提高了25%～50%，同時(shí)由于灌裝過(guò)程中飲料瓶罐液位過(guò)高或過(guò)低現(xiàn)象的大幅減少，廢水和廢品也隨之減少，因此生產(chǎn)線的生產(chǎn)效率和產(chǎn)品質(zhì)量均明顯提升，生產(chǎn)成本下降。目前這一工藝已在北美和英國(guó)的二十多條碳酸飲料生產(chǎn)線中得到應(yīng)用。

5.2在油田注水脫氧中的應(yīng)用

在二次采油過(guò)程中，通過(guò)注水補(bǔ)充地層壓力來(lái)達(dá)到提高原油采收率的目的，注水的氧質(zhì)量濃度要求小于0.1mg/L，以防止地下管道的腐蝕以及好氧微生物繁殖堵塞油路，因此油田注水脫氧是一項(xiàng)重要的工序。傳統(tǒng)工藝通過(guò)真空和化學(xué)試劑脫氧兩段工藝以保證脫氧效果，而超重力技術(shù)則提供了一種高效的一段脫氧工藝。

周緒美等〔38〕在實(shí)驗(yàn)室研究的基礎(chǔ)上，在勝利油田進(jìn)行了超重力法注水脫氧的工業(yè)試驗(yàn)，利用不含氧的天然氣解吸水中的氧，在氣液比為1.8的條件下RPB可以將水中氧質(zhì)量濃度從5～6mg/L脫除至0.05mg/L以下，脫氧效率達(dá)99%以上。隨后進(jìn)行了工業(yè)應(yīng)用，兩臺(tái)處理量為250 t/h的超重力油田注水脫氧設(shè)備已經(jīng)在勝利油田埕島二號(hào)海上采油平臺(tái)成功運(yùn)行，脫氧機(jī)的工作壓力為0.15～0.20MPa，出口水中氧質(zhì)量濃度可降至0.03mg/L左右。此技術(shù)省去了龐大的真空系統(tǒng)和化學(xué)脫氧劑系統(tǒng)，不僅脫氧效果好，而且具有設(shè)備體積小、流程簡(jiǎn)單、運(yùn)行成本低等優(yōu)點(diǎn)〔39〕。

5.3在鍋爐給水脫氧中的應(yīng)用

鍋爐給水中溶解氧會(huì)引起爐管和系統(tǒng)的氧腐蝕，所以必須嚴(yán)格控制給水中的含氧量。一般中、高壓鍋爐用水主要采用熱力法脫氧，需要較高的脫氧溫度和添加化學(xué)除氧劑以保證脫氧效果。

超重力法鍋爐給水脫氧與油田注水脫氧為同樣的原理，即使用不含氧氣體對(duì)水中的溶解氧進(jìn)行吹脫。陳建銘等〔40〕采用一臺(tái)處理水量10 t/h的超重機(jī)進(jìn)行了鍋爐給水脫氧的現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)研究，利用工廠的廢熱蒸汽或低壓蒸汽（表壓0.3MPa）脫氧，在無(wú)化學(xué)除氧劑的情況下水的氧質(zhì)量濃度可降至5.8～6.8 μg/L，達(dá)到了中、高壓蒸汽鍋爐給水含氧量的要求。經(jīng)過(guò)400 h的連續(xù)運(yùn)轉(zhuǎn)，證實(shí)了超重力技術(shù)具有指標(biāo)穩(wěn)定、操作彈性大的特點(diǎn)。另外，傳統(tǒng)熱力脫氧技術(shù)一般都采用0.6～1.0MPa的中壓蒸汽，而超重力鍋爐水脫氧技術(shù)采用0.3MPa以下的低壓蒸汽或乏汽，使運(yùn)行成本大大降低。

6　超重力技術(shù)在海水淡化中的應(yīng)用

我國(guó)是一個(gè)水資源匱乏的國(guó)家，海水淡化已經(jīng)成為我國(guó)解決淡水資源危機(jī)的重要途徑。王東光等〔41〕提出了將超重力技術(shù)應(yīng)用于低溫多效海水淡化過(guò)程的設(shè)想，搭建了一套超重力海水淡化試驗(yàn)裝置，其中海水淡化機(jī)主要由RPB組成，在RPB內(nèi)構(gòu)建了海水室、換熱室、熱回收室、氣-液交換室、淡水室以及廢氣回收室等，指出超重力海水淡化工藝有如下優(yōu)點(diǎn)：結(jié)構(gòu)緊湊，換熱與散熱面積大；海水在RPB中停留時(shí)間短，不易結(jié)垢，可提高最高蒸發(fā)溫度上限；換熱管內(nèi)、外壁液膜薄，氣膜阻力小，總傳熱系數(shù)高，產(chǎn)水量高；易拆裝，易規(guī)?；糯蟮?。該技術(shù)可望快速生產(chǎn)大量高純淡水，為海水淡化提供了一條新穎的技術(shù)路線。

易郴等〔42〕也進(jìn)行了超重力真空海水淡化技術(shù)的研究，利用機(jī)械能驅(qū)動(dòng)超重力蒸發(fā)室旋轉(zhuǎn)形成真空環(huán)境實(shí)現(xiàn)海水常溫淡化，用液封實(shí)現(xiàn)真空區(qū)域的密封，可降低或節(jié)約真空泵能耗，與自然重力真空蒸餾技術(shù)相比具有設(shè)備緊湊、結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單等優(yōu)點(diǎn)，認(rèn)為該技術(shù)是一種適合風(fēng)能等可再生機(jī)械能源直接驅(qū)動(dòng)的、新型常溫?zé)岱êＫ夹g(shù)。

7　結(jié)語(yǔ)

超重力技術(shù)在多種工業(yè)水處理領(lǐng)域的應(yīng)用已表明這是一項(xiàng)極具發(fā)展?jié)摿Φ男录夹g(shù)。概括而言，該技術(shù)在下列水處理工程中會(huì)展現(xiàn)出特別的優(yōu)勢(shì)：

（1）傳質(zhì)受限的過(guò)程。在臭氧高級(jí)氧化工藝處理有機(jī)廢水、揮發(fā)性有機(jī)物脫除、氨氮廢水處理、水脫氧等水處理過(guò)程中，氣-液傳質(zhì)速率往往對(duì)水處理的效率具有重要的影響，因此利用超重力技術(shù)對(duì)傳質(zhì)的高度強(qiáng)化作用，可以顯著提高相關(guān)水處理過(guò)程的效率和效果。

（2）空間受限的場(chǎng)合。在海上平臺(tái)、艦船、地下巷道的水處理工程中，或現(xiàn)有水處理工藝改造升級(jí)以滿足日趨嚴(yán)格的環(huán)保要求時(shí)，處理工藝的選擇往往受制于空間的局限性，超重力設(shè)備則由于體積小、效率高的特點(diǎn)可顯著節(jié)省空間，在這些場(chǎng)合成為一種具有獨(dú)特優(yōu)勢(shì)的水處理裝置。

（3）對(duì)處理工藝具有苛刻的要求。在處理對(duì)象分散、間歇和水量波動(dòng)大的水處理場(chǎng)合，以及突發(fā)的水污染事故處置中，往往對(duì)處理工藝和設(shè)備的靈活性和適應(yīng)性提出了較高的要求，利用超重力設(shè)備小型、操作簡(jiǎn)便、操作彈性大的特點(diǎn)可形成一種撬裝式水處理裝置和靈活快速的處理工藝，在此類(lèi)場(chǎng)合超重力技術(shù)也將發(fā)揮傳統(tǒng)水處理技術(shù)無(wú)法取代的作用。

為擴(kuò)大超重力技術(shù)在工業(yè)水處理中的應(yīng)用范圍，將來(lái)應(yīng)重點(diǎn)開(kāi)展下述研究工作。

（1）氣-液傳質(zhì)的基礎(chǔ)理論研究。目前關(guān)于RPB中氣-液傳質(zhì)系數(shù)的報(bào)道往往存在較大的差異，需要建立普適性的傳質(zhì)模型和方法論以指導(dǎo)水處理工程中RPB的設(shè)計(jì)。

（2）大型超重力設(shè)備的開(kāi)發(fā)。在處理量大的水處理工程中需要大型的超重力設(shè)備以滿足高通量的要求，因此需要探索和掌握大型RPB的設(shè)計(jì)、密封、動(dòng)平衡等關(guān)鍵技術(shù)。

（3）新型填料的研制。在具有強(qiáng)酸/強(qiáng)堿、高溫、高壓等環(huán)境的水處理工程中，對(duì)RPB中填料的耐腐蝕性能和長(zhǎng)周期運(yùn)行的穩(wěn)定性提出了較高的要求，需要開(kāi)發(fā)能夠滿足極端環(huán)境要求的高性能填料。

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Review on the app lications ofhigh-gravity technology to industrialwater treatment

Shao Lei1，CuiWeisong2
（1.Research Centerof theMinistry ofEducation forHigh Gravity Engineeringand Technology，Beijing University ofChemical Technology，Beijing 100029，China；2.Petrochemical Research Institute，PetroChina，Beijing102206，China）

High-gravity technology createsa simulated high-gravity environmentvia centrifugal force field generated by the rotation of a rotor.Mass transfer can be boosted significantly due to violent turbulence of liquid in such an environment.Thehigh-gravity technology exhibitsuniqueadvantages in the process limited by gas-liquidmass transfer and has been applied to variouswater treatment processeswith good effects.This paper reviews the applications ofhigh-gravity technology to industrialwater treatment fields，such as organic and ammonia-containingwastewater，‘three-waste’treatment，water deoxygenation，and sea water desalination，etc.The characteristics and application prospectof thehigh-gravity technology towater treatment fieldsarealso reviewed.

high-gravity；water treatment；intensification；mass transfer

X703

A

1005-829X（2016）09-0001-06

邵磊（1968—），博士，教授。電話：13641092152，E-mail：shaol@mail.buct.edu.cn。

2016-06-01（修改稿）

高等學(xué)校博士學(xué)科點(diǎn)專(zhuān)項(xiàng)科研基金（20130010110001）