立式微旋流氣浮除油裝置實(shí)驗(yàn)研究

于璐，王增麗，王振波，李強(qiáng)

中國石油大學(xué)（華東）新能源學(xué)院，山東青島 266580

隨著石油開采年限增加以及開采方式的變化，含油污水乳化程度嚴(yán)重，處理量及處理難度加大，隨著環(huán)保要求日益嚴(yán)格[1]，對含油污水處理提出更高要求。目前含油污水的常用處理技術(shù)有重力分離、混凝沉降、離心分離、粗?；劢Y(jié)和氣浮等，其中氣浮技術(shù)的發(fā)展主要體現(xiàn)在兩個(gè)方面：一方面是提高分離區(qū)表面負(fù)荷率，另一方面是將其它分離工藝與氣浮工藝相結(jié)合，強(qiáng)化浮選性能，如旋流氣浮和電解氣浮等[2-3]。目前單一的傳統(tǒng)處理方式已很難達(dá)到要求，旋流氣浮工藝作為一種將旋流與氣浮耦合的分離技術(shù)，可以通過適當(dāng)?shù)男鲌鰪?qiáng)化氣泡與油滴的碰撞和粘附來達(dá)到提高浮選效率的目的[4]。

旋流氣浮工藝按照離心加速度可分為充氣式水力旋流氣?。ˋSH）和緊湊型旋流氣?。–FU）[5-6]，其中緊湊型旋流氣浮最大的特點(diǎn)是利用低強(qiáng)度旋流場強(qiáng)化油滴與氣泡的碰撞和粘附。相對溫和的旋流場使氣泡與油滴獲得適量的碰撞能量，避免能量過剩影響后續(xù)的粘附。此外，弱旋流場中污水的停留時(shí)間較長，氣泡運(yùn)移緩和，對油滴能夠充分地浮選，油水分離效果較好[7-8]。

李永豐等[9]使用攝像氣泡檢測技術(shù)，對旋流氣浮用射流、微孔兩種氣泡發(fā)生裝置進(jìn)行室內(nèi)實(shí)驗(yàn)，對兩種氣泡發(fā)生裝置產(chǎn)生的氣泡直徑分布進(jìn)行了檢測，但并未對氣泡發(fā)生方式提出改進(jìn)意見。吳翔[10]將射流原理與微孔材料相結(jié)合，用微孔管取代傳統(tǒng)射流發(fā)泡器的吸氣室，從而改善了氣泡流的尺寸。Fujikawa 等[11]利用旋轉(zhuǎn)擴(kuò)散板來提高微孔對氣泡的剪切效果，并調(diào)節(jié)其旋轉(zhuǎn)轉(zhuǎn)速及微孔進(jìn)氣量，以實(shí)現(xiàn)對氣泡尺寸和數(shù)量的控制。上述研究對生成氣泡的質(zhì)量有一定改善，但缺乏對氣泡釋放后續(xù)過程的研究，因此需要在氣泡的分布、擴(kuò)散以及二次切割破碎方面進(jìn)行探究。鄧超等[12]在對微納米氣泡發(fā)生裝置的技術(shù)進(jìn)展及研究現(xiàn)狀中提到，將不同原理的微納米氣泡發(fā)生技術(shù)進(jìn)行科學(xué)合理的結(jié)合，可有效地提高氣泡量和集中氣泡尺寸分布。夏福軍等[13]通過實(shí)驗(yàn)考察微氣泡旋流浮選裝置處理含聚采出水的處理效果和效率，從而檢驗(yàn)其作為油田聚驅(qū)采出水濾前處理技術(shù)的可行性。劉劍飛等[14]通過現(xiàn)場試驗(yàn)考察進(jìn)水流量和曝氣量對旋流氣浮除油裝置除油效果的影響，但研究不夠全面，沒有對其它有重要影響的因素進(jìn)行探究。

本工作針對目前含油污水處理問題，采用氣浮-旋流耦合處理技術(shù)，設(shè)計(jì)開發(fā)了一種新型的多管式微旋流氣浮除油裝置，并通過射流器與分布盤的組合優(yōu)化微氣泡發(fā)生過程，對生成氣泡進(jìn)行二次切割破碎，并加強(qiáng)氣泡在氣浮器內(nèi)的分布和擴(kuò)散，提高空間均勻性，利用射流氣浮技術(shù)進(jìn)行除油實(shí)驗(yàn)，并研究了各參數(shù)對氣浮裝置除油效果的影響規(guī)律，為氣浮-旋流組合技術(shù)的應(yīng)用提供實(shí)驗(yàn)基礎(chǔ)，這對后續(xù)的氣浮理論體系研究和氣浮除油應(yīng)用具有重要的意義。

1 實(shí)驗(yàn)部分

1.1 實(shí)驗(yàn)流程

采用氣浮-旋流組合處理技術(shù)，并通過射流器與分布盤的組合優(yōu)化微氣泡發(fā)生過程，利用射流氣浮技術(shù)進(jìn)行除油實(shí)驗(yàn)，實(shí)驗(yàn)流程如圖1 所示。如圖1 所示，配好一定濃度的油水混合物，攪拌充分后經(jīng)潛水泵10 抽吸至氣浮器中，打開并調(diào)節(jié)氣浮池的回流水閥門，使氣浮池內(nèi)保持液面基本恒定。首先通過變頻器啟動立式高壓離心泵2，調(diào)節(jié)射流器8 的進(jìn)水流量，射流器出水后將射流器進(jìn)氣口閥門打開并調(diào)節(jié)氣體流量至所需氣液比，在射流器文丘里管的作用下，氣體被吸入與高速水流進(jìn)行充分混合，并在射流器喉管內(nèi)相互摻混、切割，形成無數(shù)均勻細(xì)小的氣泡，由射流器釋放至分布盤進(jìn)行二次切割與擴(kuò)散，水中的氣泡與油滴接觸粘附，在浮力的作用下上浮至氣浮池水面，處理后的凈水則經(jīng)過底部的排水口回流至水箱1 中，打開取樣口13 閥門進(jìn)行取樣，進(jìn)行后續(xù)水中含油量的測量。

圖1 微旋流氣浮實(shí)驗(yàn)流程Fig.1 Microcyclone air flotation experiment process

1.2 實(shí)驗(yàn)裝置

多管式微旋流氣浮除油裝置主要分為進(jìn)水系統(tǒng)、射流氣浮系統(tǒng)、微旋流分離系統(tǒng)以及油含量測定系統(tǒng)4 個(gè)模塊。

1.2.1 射流氣浮系統(tǒng)

射流氣浮系統(tǒng)位于整個(gè)裝置的下半部分，主體結(jié)構(gòu)是由射流器與分布盤組成。射流器（見圖2）設(shè)計(jì)在現(xiàn)有文丘里管的基礎(chǔ)上進(jìn)行改進(jìn)，采用“內(nèi)部走水，外部環(huán)繞氣體”的管部結(jié)構(gòu)，將單一氣體吸入口改為均勻環(huán)繞式吸入方式，增大氣體吸入量，使氣液兩相更好地混合，在高速流的作用下，破碎效果更明顯，從而產(chǎn)生的微氣泡數(shù)量更多，粒徑更小。進(jìn)行多次水射器實(shí)驗(yàn)測試，通過顯微鏡引流觀察微氣泡的分布情況，平均氣泡粒徑如圖3 所示，氣泡粒徑主要為20～60 μm，滿足旋流氣浮所需微氣泡尺寸的要求。

圖2 射流器結(jié)構(gòu)Fig.2 Schematic diagram of the jet

圖3 氣泡粒徑分布情況Fig.3 Bubble size distribution

噴嘴下方連接分布盤，分布盤由上下兩盤相對設(shè)置，盤面結(jié)構(gòu)主要為徑向均勻分布的非連續(xù)式環(huán)形溝槽，其中上盤面設(shè)置有點(diǎn)陣排列的微孔，用于釋放射流器產(chǎn)生的微氣泡，如圖4 所示。分布盤對微氣泡進(jìn)一步切割破碎，并通過盤面上的發(fā)散型溝槽以及上盤面微孔進(jìn)行釋放，有效擴(kuò)大微氣泡的分布面積，提高空間均勻度，增大氣泡與油滴接觸面積，加強(qiáng)分離。

1.2.2 微旋流分離系統(tǒng)

旋流管結(jié)構(gòu)包括旋流導(dǎo)葉、大旋流筒、小旋流筒和固定筋板，旋流導(dǎo)葉由通孔和葉片組成，采用3 個(gè)旋流管的結(jié)構(gòu)形式，多個(gè)旋流管之間并聯(lián)工作，相互之間干擾小，并且分離效率高。旋流場強(qiáng)化氣浮的作用主要體現(xiàn)在兩方面：一方面，在常規(guī)氣浮的重力場中，水力環(huán)境十分平穩(wěn)，氣泡與油滴的碰撞主要基于不同的上浮速度，具有隨機(jī)性，而在旋流場中，氣泡與油滴在向心力作用下產(chǎn)生徑向速度差，沿徑向方向做“向心運(yùn)動”，產(chǎn)生定向、有序碰撞，顯著提高兩者的碰撞幾率；另一方面，在重力場中，密度低的油滴慣性較小，難以偏離液相的流線與氣泡碰撞；而旋流場可以提高油滴運(yùn)動的慣性，促使其偏離流線與氣泡發(fā)生碰撞與粘附。

1.3 含油濃度測量方法

含油濃度由UV-9000 紫外分光光度計(jì)測量，具體步驟參考標(biāo)準(zhǔn)HJ 970-2018《水質(zhì)石油類的測定紫外分光光度法》。實(shí)驗(yàn)前進(jìn)行了油品的敏感波長的測定，根據(jù)掃描曲線設(shè)置波長為221 nm 進(jìn)行測量，并通過配置標(biāo)準(zhǔn)溶液繪制標(biāo)準(zhǔn)曲線，由曲線擬合出公式為y=0.123x+0.000 4，方差（R2）為0.998，后續(xù)計(jì)算含油濃度需參考該公式的截距和斜率，再經(jīng)過石油醚（分析純）萃取、脫水和吸附等步驟完成吸光度的測定[15]。

2 結(jié)果與討論

2.1 分布盤結(jié)構(gòu)參數(shù)實(shí)驗(yàn)

分布盤對射流器產(chǎn)生的微氣泡進(jìn)行二次切割破碎并對氣泡進(jìn)行分散，其決定著微氣泡的粒徑、數(shù)量以及空間均勻度，這些因素對氣浮器的分離能力以及除油效率起著至關(guān)重要的作用，因此為了探究分布盤對微氣泡的影響并確定最佳的分布盤布置形式，針對分布盤間距以及分布盤孔徑進(jìn)行了對比實(shí)驗(yàn)，實(shí)驗(yàn)主要對生成氣泡的粒徑進(jìn)行測量記錄，并通過計(jì)算處理得出氣泡平均粒徑，從而體現(xiàn)分布盤結(jié)構(gòu)參數(shù)對生成氣泡質(zhì)量的影響。在分布盤孔徑為4 mm 下，不同盤間距下氣泡平均粒徑如表1 所示。

表1 分布盤間距對氣泡平均粒徑影響Table 1 Effect of spacing between distribution panel on mean particle size of bubbles

隨著分布盤間距的增大，氣泡平均粒徑先減小后增大，氣泡粒徑最小為42 μm，此時(shí)分布盤間距為6 mm。當(dāng)分布盤間距過小時(shí)，從射流器噴出的溶氣水得不到及時(shí)的釋放，造成氣泡之間的聚并現(xiàn)象；而分布盤間距過大時(shí)，兩盤對溶氣水的約束不夠，氣泡在盤面間的二次剪切破碎效果不明顯，因此氣泡粒徑較大。確定分布盤間距為6 mm 后，探究了分布盤孔徑對氣泡平均粒徑的影響規(guī)律，結(jié)果如表2 所示。

表2 分布盤孔徑對氣泡平均粒徑影響Table 2 Effect of hole diameter of distribution panel on mean particle size of bubbles

孔徑過大，溶氣水在下分布盤的反沖擊作用下，大部分會從上盤的開孔中直接釋放，從兩盤中間釋放的氣泡數(shù)量減少，這是造成氣泡粒徑較大的原因；孔徑過小，小粒徑微氣泡不能及時(shí)從開孔中擴(kuò)散到氣浮器，造成氣泡在盤面的聚并。綜合分析后，確定上孔板孔徑為4 mm，分布盤間距為6 mm，此時(shí)氣泡分布范圍較大且平均粒徑較小。

2.2 射流氣浮除油效果實(shí)驗(yàn)

采用射流氣浮生成氣泡的方法進(jìn)行除油實(shí)驗(yàn)，通過改變部分操作參數(shù)以及進(jìn)水含油濃度，運(yùn)用控制變量法，探究不同因素對除油效率的影響規(guī)律，并找出最佳的運(yùn)行工況，實(shí)驗(yàn)所用的污水為柴油與水按比例配成的含油污水。

2.2.1 采出水沉降實(shí)驗(yàn)

為了進(jìn)一步了解含油污水的油水分離性質(zhì)，以及更直觀清楚地認(rèn)識傳統(tǒng)沉降除油措施所能達(dá)到的分離效果，在除油實(shí)驗(yàn)之前，開展了含油污水的沉降實(shí)驗(yàn)。配置含油濃度為200 mg/L 的樣品，進(jìn)行靜置沉降分離，不同沉降時(shí)間與污水中剩余含油濃度變化的關(guān)系曲線，如圖5 所示。由圖5 可以看出，隨著沉降時(shí)間的延長，污水中剩余的含油量呈下降趨勢但變化不大。在沉降進(jìn)行的前期，剩余含油量下降迅速，在前10 min 內(nèi)降至163 mg/L。隨后，含油濃度下降趨勢逐漸緩慢，當(dāng)沉降時(shí)間達(dá)到240 min 后，污水的含油濃度由200 mg/L 降到142 mg/L，其去除率較小，說明污水中的油滴呈懸浮狀態(tài)，僅靠簡單的延長沉降時(shí)間，很難達(dá)到較高的去除率。

圖5 不同沉降時(shí)間下含油濃度的變化Fig.5 Variation of oil concentration under different sedimentation time

2.2.2 處理量的影響

處理量是指氣浮設(shè)備對含油污水的除油能力的一個(gè)評價(jià)指標(biāo)，處理量越大代表著除油工作效率越高，但在設(shè)備體積一定的情況下，處理量與停留時(shí)間呈負(fù)相關(guān)，因此需要通過實(shí)驗(yàn)研究氣浮設(shè)備處理量與含油污水處理效率的關(guān)系。

在研究過程中，取樣時(shí)間關(guān)乎著整個(gè)研究結(jié)果的可靠性與科學(xué)性，在進(jìn)行實(shí)驗(yàn)時(shí)需要在設(shè)備到達(dá)穩(wěn)定運(yùn)行的狀態(tài)之后，因此在其它除油實(shí)驗(yàn)之前研究了處理時(shí)間對出口含油濃度的影響。入口含油濃度設(shè)置為200 mg/L，在5 種處理量的工況下探究了不同處理時(shí)間的除油效果，結(jié)果如圖6 所示。由圖6 可知，隨著處理時(shí)間的推移，出口含油濃度先下降后逐漸平緩趨于穩(wěn)定，而不同處理量下趨于穩(wěn)定的時(shí)間節(jié)點(diǎn)也不同。但從整體來看，在各種處理量下，處理時(shí)間大于15 min，出口含油濃度都趨于穩(wěn)定。說明在設(shè)備運(yùn)行15 min 后已達(dá)到穩(wěn)定狀態(tài)，此時(shí)進(jìn)行取樣測量所得結(jié)果可以反映此時(shí)工況下的除油效果。因此，處理時(shí)間設(shè)置為15 min，可以避免取樣的隨機(jī)性以及瞬時(shí)值，保證結(jié)果的穩(wěn)定性和可靠度。

圖6 處理時(shí)間對出口含油濃度的影響Fig.6 Effect of treatment time on outlet oil concentration

在進(jìn)水含油濃度為200 mg/L、氣液比為15%、處理時(shí)間為15 min、pH 值為7 的條件下，分別調(diào)節(jié)進(jìn)水流量為0.5～2.5 m3/h，研究了處理量與除油效率的關(guān)系，結(jié)果如圖7 所示。從圖7 可以看出，隨著處理量即污水入口流量的增加，出口含油濃度先下降后上升，而除油效率先升后降。在入口流量為0.5 m3/h 時(shí)，除油效率為67.8%，隨著流量逐漸增大，除油效率也逐步升高。這是由于本裝置是利用了氣浮旋流的耦合作用，當(dāng)流量過小時(shí)，在旋流分離區(qū)旋流強(qiáng)度弱，而隨著處理量的增大，污水流速增大，旋流強(qiáng)度也逐漸增大。從流場受力角度分析，油滴與氣泡受到離心力與向心浮力的作用，并且兩種力都與旋流角速度呈正比關(guān)系0，旋流強(qiáng)度的增強(qiáng)，使得角速度增大，因此離心力和向心浮力也隨之增大，既增大了氣泡與油滴的碰撞幾率，也加強(qiáng)了氣泡油滴粘附體與水相的分離，因此除油效率升高。當(dāng)處理量達(dá)到1.5 m3/h 時(shí)，出口的含油濃度為39.4 mg/L，除油效率為80.3%，此時(shí)的除油效率達(dá)到最高值，隨后除油效率不斷下降，在處理量達(dá)到2.5 m3/h 時(shí)，出口含油濃度升到70.72 mg/L。

圖7 處理量對除油效率的影響Fig.7 Effect of influent flow rate on oil removal efficiency

從氣浮產(chǎn)生作用的機(jī)理分析原因：（1）處理量越大意味著含油污水在氣浮設(shè)備中停留時(shí)間越短，將會導(dǎo)致氣泡與油滴無法充分接觸并完全粘附；（2）從流場受力分析可知，處理量越大會導(dǎo)致氣浮設(shè)備中流場的湍動程度加劇，影響氣泡與油滴的接觸和粘附；（3）處理量越大設(shè)備內(nèi)水流速越快，流場湍動程度加劇，導(dǎo)致氣泡被水流夾帶從而導(dǎo)致氣浮設(shè)備中氣泡數(shù)量減少，也會造成氣泡的聚并。因此綜合考慮經(jīng)濟(jì)性和氣浮設(shè)備工作效率，后續(xù)實(shí)驗(yàn)選取處理量為1.5 m3/h 的條件下研究其它參數(shù)對氣浮除油效果的影響。

2.2.3 氣液比的影響

氣液比是指氣浮設(shè)備中吸入氣體與溶氣水的體積之比，是氣浮設(shè)備參數(shù)中較為重要的一項(xiàng)。為了研究氣浮裝置氣液比與含油污水處理效率的關(guān)系，在流量為1.5 m3/h、其他條件不變的情況下，進(jìn)行了氣液比為10%～30%條件下的氣浮除油實(shí)驗(yàn)，測試了氣浮設(shè)備出口處的含油濃度，結(jié)果如圖8 所示。從圖8 可以看出，隨著氣液比的增大，氣浮設(shè)備的除油效率先增大后減小。當(dāng)氣液比小于15%時(shí)，隨著氣液比的增大，氣浮除油效率逐漸升高，在氣液比為15%時(shí)除油效率最高，達(dá)到80.3%，這是由于當(dāng)氣液比較小時(shí)，水中的氣體含量并未達(dá)到飽和，隨著氣量的增大即氣液比的提升，水中微細(xì)氣泡數(shù)量增多、密度增大，氣泡與油滴的接觸幾率不斷提高，故除油效率不斷提高。當(dāng)氣液比大于15%時(shí)，隨著氣液比的增大，氣浮除油效率逐漸降低，這是由于此時(shí)水中氣泡密度逐漸達(dá)到極限，水中溶氣量達(dá)到飽和，溶氣效率降低，并且氣泡發(fā)生聚并現(xiàn)象，導(dǎo)致水中微小氣泡密度下降，氣泡與油滴或懸浮物的接觸幾率降低，從而導(dǎo)致氣浮除油效率的下降。因此最終確定氣液比為15%，能夠同時(shí)保證經(jīng)濟(jì)性和較高的除油效率。

圖8 氣液比對除油效率的影響Fig.8 Effect of gas-liquid ratio on oil removal efficiency

2.2.4 進(jìn)水含油濃度的影響

通過改變不同的進(jìn)口含油濃度，可以對氣浮設(shè)備的含油污水處理能力以及對水質(zhì)變化的適應(yīng)性進(jìn)行評估。為了研究進(jìn)水含油濃度對氣浮裝置的除油效率的影響，保持其他參數(shù)不變，在氣液比為15%的條件下，分別配置濃度為100～300 mg/L 的含油污水，對氣浮設(shè)備出口的含油濃度進(jìn)行測量，實(shí)驗(yàn)結(jié)果如圖9 所示。由圖9 可以看出，處理后含油濃度最低為33.65 mg/L，最高為71.2 mg/L，說明本實(shí)驗(yàn)氣浮設(shè)備對進(jìn)水含油濃度的變化具有較大的適用范圍。在進(jìn)水含油量低于200 mg/L 的情況下，隨著進(jìn)水含油量的增加，氣浮除油效率逐漸上漲，當(dāng)進(jìn)水含油濃度為200 mg/L 時(shí)，除油效率最高，達(dá)到80.3%，這是由于水中含油量增大意味著水中油滴密度逐漸增大，這會直接導(dǎo)致氣泡與油滴接觸和粘附幾率增加，因此氣浮設(shè)備的除油效率逐漸增大。當(dāng)進(jìn)水含油濃度大于200 mg/L 后，隨著濃度的繼續(xù)增加，除油效率反而降低，原因在于此時(shí)進(jìn)水含油濃度已超出該氣浮裝置的處理量范圍，水中微氣泡無法滿足粘附小油滴的需求，造成部分油滴無法成功與氣泡形成絮狀粘附體，出口含油濃度迅速增大，氣浮設(shè)備除油的能力已達(dá)到飽和狀態(tài)。

圖9 進(jìn)水含油濃度對除油效率的影響Fig.9 Effect of influent oil concentration on oil removal efficiency

2.2.5 pH 值的影響

在氣浮除油過程中，pH 值會影響含油污水中油滴的尺寸、油水界面張力和氣泡-油滴混凝程度等各方面因素，而且溶液中的酸堿離子也會影響氣泡和油滴的吸附聚集。通過加鹽酸（HCl）和氫氧化鈉（NaOH）來控制含油污水的pH 值，測試不同pH值環(huán)境下射流器氣浮設(shè)備處理含油污水的除油效率，結(jié)果如圖10 所示。由圖可知，隨著氣浮器中含油污水pH 值的升高，出口含油濃度先減小后增大。當(dāng)氣浮器中含油污水的pH 值呈中性偏弱堿性時(shí)，氣浮設(shè)備的除油效果最好。從圖中曲線可以看出，堿性廢水中油的去除率高于酸性廢水，因此在工業(yè)應(yīng)用上，處理酸性采出水時(shí)，應(yīng)先加入適量堿性藥劑調(diào)節(jié)采出水pH 值至堿性條件下，然后進(jìn)行后續(xù)的油水分離過程。此外，一般絮凝劑在pH 值為6～8 時(shí)具有良好的絮凝效果，所以弱堿性的環(huán)境有利于脫油。因此，在用氣浮法處理含油污水時(shí)，應(yīng)先調(diào)節(jié)污水的酸堿度，使其盡量接近弱堿性，以便提高氣浮器除油效率。

圖10 pH 值對除油效率的影響Fig.10 Effect of pH value on oil removal efficiency

3 結(jié)論

采用射流器連接雙分布盤的結(jié)構(gòu)形式，對氣泡進(jìn)行分布擴(kuò)散和再破碎，改善生成氣泡的質(zhì)量，降低氣泡平均粒徑，在分布盤孔徑為4 mm、間距為6 mm 時(shí)，氣泡平均粒徑可達(dá)到40 μm 左右。氣浮裝置處理含油污水的效率隨著含油污水處理量的增加先升后降，處理量為1.5～2.0 m3/h 時(shí)處理效果較佳；射流氣浮較佳氣液比為15%，繼續(xù)增大氣液比時(shí)，雖然氣泡量增多但粒徑會增大；在進(jìn)水含油濃度為200 mg/L 時(shí)裝置除油效率較高，但出口含油濃度在入口含油濃度為100 mg/L 時(shí)較小，接近30 mg/L；氣浮器中含油污水的pH 值呈中性偏弱堿性時(shí)，氣浮設(shè)備除油效率較高。在不加破乳劑的前提下，當(dāng)進(jìn)水含油濃度為200 mg/L、氣液比為15%、進(jìn)水流量為1.5 m3/h、pH 值為6～8 時(shí)，出口含油濃度為39.4 mg/L，除油率達(dá)到80.3%。