200 MW 燃?xì)饬黠L(fēng)洞降溫水除油技術(shù)研究與實(shí)踐

曹知紅，李彥良，張 凱，田 寧

（北京航天長征飛行器研究所，北京 100076）

0 引言

200 MW燃?xì)饬黠L(fēng)洞試驗(yàn)系統(tǒng)采用氧氣和煤油作為燃料，為了防止氧腔進(jìn)油造成設(shè)備燒損，在每次關(guān)車階段通過氮?dú)獯党Ｗo(hù)噴注器，將殘留的煤油吹向下游。此部分殘油會(huì)附著在試驗(yàn)艙、擴(kuò)壓器等設(shè)備表面。為了保證試驗(yàn)安全，試驗(yàn)后需要將試驗(yàn)艙擴(kuò)壓器表面附著的煤油沖洗排出，因此形成油水混合物，每次試驗(yàn)形成的混合物量約為5 t，其中含煤油量約為5 kg。油水混合物沉積在擴(kuò)壓器擴(kuò)張段下游，風(fēng)洞系統(tǒng)示意如圖1 所示。試驗(yàn)后清理產(chǎn)生的油水混合物不滿足污水排放標(biāo)準(zhǔn)，噸箱存放后集中處理等臨時(shí)措施不能滿足高頻次試驗(yàn)的需求，噸箱等耗材消耗量較大，且存在運(yùn)輸、儲(chǔ)存等一系列問題，因此，需要研究高效且成本低廉的油水分離方案。

圖1 風(fēng)洞系統(tǒng)示意圖

油水分離主要是根據(jù)水和油的密度差或者化學(xué)性質(zhì)不同，利用重力沉降原理或者其他物化反應(yīng)去除雜質(zhì)或完成油份和水份的分離。已知的油水分離方法主要有重力式分離、離心式分離、電分離、吸附分離、氣浮分離等，上述方法可以分為物理法和化學(xué)法兩類。重力式分離是典型的物理油水分離技術(shù)，由于油、氣、水的相對(duì)密度不同，組分一定的油水混合物在一定的壓力和溫度下，當(dāng)系統(tǒng)處于平衡時(shí)就會(huì)形成一定比例的油、氣、水相。當(dāng)相對(duì)較輕的組分處于層流狀態(tài)時(shí)，較重組分液滴根據(jù)斯托克斯公式的運(yùn)動(dòng)規(guī)律沉降，重力式沉降分離設(shè)備即根據(jù)這一基本原理進(jìn)行設(shè)計(jì)。王國棟等研究了臥式油水分離器的分離特性和流動(dòng)規(guī)律[1]。阻截吸附除油是一種新型的除油技術(shù)，屬于化學(xué)除油技術(shù)。不同于“吸附除油”的油水分離技術(shù)理念，阻截吸附技術(shù)立足于用化學(xué)方法研發(fā)出的一種復(fù)合改性“HK”特材，這種空間態(tài)阻截膜處于水飽和的工況下，具有對(duì)油和水具有極為敏感的鑒別區(qū)分、拒絕油料粘附的反彈、向阻截膜施以單向水壓時(shí)能讓水粒有導(dǎo)向地置換通過等能力，從而表現(xiàn)出“水過油不過”的特殊功能屏障效應(yīng)。

本文針對(duì)200 MW燃?xì)饬黠L(fēng)洞產(chǎn)生的油水混合物除油的需求，對(duì)比了阻截吸附、化學(xué)分解、沉淀池等多種油水分離技術(shù)，結(jié)合風(fēng)洞系統(tǒng)實(shí)際情況提出了適宜的解決方案。

1 需求分析

目前國內(nèi)污水排放主要參照GB 8978—1996《污水綜合排放標(biāo)準(zhǔn)》，按照標(biāo)準(zhǔn)分級(jí)，試驗(yàn)廠區(qū)污水排放為排入設(shè)置二級(jí)污水處理廠的城鎮(zhèn)排水系統(tǒng)污水，宜執(zhí)行三級(jí)標(biāo)準(zhǔn)，石油等二類污染物最高允許排放濃度見表1。

表1 第二類污染物最高允許排放濃度 單位：mg/L

200 MW燃?xì)饬黠L(fēng)洞單次試驗(yàn)產(chǎn)生油水混合物為5 t，其中含煤油量為5 kg，因此初期排放石油類質(zhì)量濃度約為1 000 mg/L，超出石油類三類標(biāo)準(zhǔn)排放限值20 mg/L 較多。除煤油外，其他污染物取樣檢測結(jié)果見表2，檢測水樣為試驗(yàn)后擴(kuò)壓器下游積水上、中、下三層取樣。對(duì)比國標(biāo)可見，下層水懸浮物也不達(dá)標(biāo)。

表2 水樣污染物質(zhì)量濃度檢測結(jié)果 單位：mg/L

因此，風(fēng)洞試驗(yàn)系統(tǒng)污水處理的需求為在試驗(yàn)周期（通常為5 d）內(nèi)完成5 t 污水油水分離，并降低水中懸浮物的含量，達(dá)到可排放標(biāo)準(zhǔn)。

2 方案選擇

2.1 氣浮法

氣浮法除油技術(shù)多用于油庫含油污水處理。油庫含油污水日排放量較大，達(dá)到250 m3左右，其處理措施為靜置至油水分離后進(jìn)入污水處理系統(tǒng)。油水分離經(jīng)過三個(gè)步驟，首先經(jīng)過油水分離池靜置不少于5 h，之后收集浮在水面的油污，將水排入濾水池，再由濾水池排入凈水池，最后在凈水池中靜置不少于3 h后，排入污水處理系統(tǒng)。

污水處理系統(tǒng)包括調(diào)節(jié)池、氣浮池、核桃殼過濾器、CASS（周期循環(huán)活性污泥系統(tǒng)）池、清水池。油污水經(jīng)管道自流進(jìn)入調(diào)節(jié)池，均衡水量水質(zhì)后經(jīng)泵進(jìn)入氣浮池浮選分離，將破乳后的油及懸浮物通過氣浮原理從水中分離出來。氣浮池出水由提升泵提升至核桃殼過濾器進(jìn)行過濾處理，之后進(jìn)入CASS 池去除污水中的有機(jī)物，出水由加壓泵提升壓力進(jìn)入多介質(zhì)過濾器，達(dá)到排放標(biāo)準(zhǔn)。污水處理工藝流程如圖2 所示。

圖2 氣浮法流程圖

2.2 阻截吸附技術(shù)

阻截吸附除油系統(tǒng)由阻截除油罐和掃描凝聚罐組成，阻截除油罐通過膜分離原理實(shí)現(xiàn)油水分離，掃描凝聚罐通過活性炭吸附水中的溶解油，并再次通過HKA 膜進(jìn)行油隔離。其工藝原理圖如圖3 所示。

圖3 阻截吸附法工藝原理圖

含油廢水首先進(jìn)入富集阻截除油罐，該罐具有高效率油水分離性能的HKB-Z 型管式阻截膜除油單元，利用該HK 阻截膜“水過油不過”的選擇性阻截分離特性，高效阻截分離去除來水中的油等憎水性雜質(zhì)，水則置換滲透過膜，被阻截在除油膜單元外的油微粒經(jīng)過一段時(shí)間的富集、凝聚增長成大油粒后按罐內(nèi)設(shè)計(jì)的水力通道匯集于罐頂?shù)募推髦羞m時(shí)排出。

富集阻截除油罐出水自壓進(jìn)入掃描凝聚阻截禁油罐，該罐為雙室結(jié)構(gòu)，上室裝有炭基掃描凝聚填料，其經(jīng)過功能化改性的顆粒表面能夠高選擇性吸附凝聚水中的“溶解油”，流經(jīng)該填料層的水中分散的石油類分子被捕捉吸附在填料顆粒表面并累積凝聚成油膜，當(dāng)油膜生長到一定厚度時(shí)在水流沖刷下變形、脫落成油粒回到水中，使“溶解油”轉(zhuǎn)化成易于阻截分離的油粒。下室裝有高阻截精度的HKA-Z 型管式阻截除油膜單元，高精度阻截去除經(jīng)上室掃描凝聚填料表面凝聚富集后再被水流沖脫又回到水中的油粒，分離出的油從中間排油通道排除。掃描凝聚阻截禁油罐出水即可穩(wěn)定滿足出水水質(zhì)要求。

實(shí)現(xiàn)阻截除油的物質(zhì)基礎(chǔ)是一種特殊功能纖維——HK 纖維，該種雙層結(jié)構(gòu)功能纖維的表面功能結(jié)構(gòu)中有序密布著豐富的強(qiáng)極性官能基團(tuán)。當(dāng)HK 纖維遇水時(shí)，極性的水分子即與纖維表層的官能基團(tuán)發(fā)生強(qiáng)電性締合（鍵能高于水分子間的氫鍵），從而在纖維表面形成較穩(wěn)定的締合水膜。將HK 纖維以足夠的密度組織成膜型材料—HK 阻截膜，當(dāng)該HK 阻截膜浸入水中時(shí)，滲入膜結(jié)構(gòu)空隙中的水分子即與纖維上的官能基團(tuán)形成鍵締合，這個(gè)過程叫做HK 膜的水合活化。當(dāng)含油的水要透過這層水合活化的HK 阻截膜時(shí)，來水一側(cè)的水分子必須與膜結(jié)構(gòu)中的締合水分子發(fā)生置換透過，而油等憎水性分散質(zhì)則不能與膜內(nèi)締合水發(fā)生置換而被阻截在膜外，從而成功地實(shí)現(xiàn)了油水分離，這種效應(yīng)被定義為動(dòng)態(tài)選擇阻截膜效應(yīng)，也就是“水過油不過”。

2.3 化學(xué)分解技術(shù)

化學(xué)分解技術(shù)采用化學(xué)絮凝法，通過無機(jī)絮凝劑對(duì)水中的油進(jìn)行絮凝沉淀，利用無機(jī)膠體和有機(jī)聚合物之間進(jìn)行架橋，形成復(fù)合膠體網(wǎng)鏈并產(chǎn)生黏結(jié)、吸附和卷掃等作用，從而使有機(jī)質(zhì)中的活性基、有機(jī)物得以去除。通常采用聚硫酸鐵、聚氯化鋁等作為絮凝劑。

該方案一般包括沉砂池、絮凝池、藥劑池、壓濾機(jī)、清水池，污水進(jìn)入沉砂池進(jìn)行沉砂處理，去除粗大顆粒物，之后進(jìn)入絮凝池，在污水中加入絮凝劑，并通過機(jī)械設(shè)備攪拌，產(chǎn)生絮凝狀污泥，通過沉淀實(shí)現(xiàn)固液分離，之后將液體排出至清水池，污泥則通過壓濾機(jī)和污泥泵排出。工藝流程如圖4 所示。

圖4 絮凝法流程圖

2.4 油水分離器技術(shù)

市面上常見的油水分離器（工業(yè)隔油器）的原理一般采用微氣泡發(fā)生器產(chǎn)生氣浮分離油脂，或采用振動(dòng)膜分離原理分離油脂，是一種初級(jí)分離技術(shù)，單獨(dú)使用難以達(dá)到GB 8978—1996《污水綜合排放標(biāo)準(zhǔn)》。

2.5 沉淀池技術(shù)

由于200 MW 燃?xì)饬黠L(fēng)洞試驗(yàn)系統(tǒng)所產(chǎn)生的油水混合物在靜置48 h 后的檢測結(jié)果顯示已達(dá)到排放標(biāo)準(zhǔn)（檢測結(jié)果見表3），故可設(shè)置容積30 m3左右的沉淀池，通過靜置沉淀，待池中間高度層水質(zhì)達(dá)標(biāo)后排放，頂層浮油及底層沉淀通過晾曬或回收處理。方案流程見圖5。

表3 靜置48 h 后水質(zhì)檢測結(jié)果 單位：mg/L

圖5 沉淀池方案處理流程

3 對(duì)比分析

對(duì)上述五種技術(shù)方案從處理效果、土建工程量、成本等方面進(jìn)行對(duì)比如表4 所示。綜合來看，阻截吸附方案和沉淀池方案較好，阻截吸附方案在效果和成本上更優(yōu)，為油水分離最佳方案?？紤]到污水中還有懸浮物，可設(shè)計(jì)簡易的沉淀池作為前置處理設(shè)備。

表4 方案對(duì)比

4 方案設(shè)計(jì)

4.1 總體方案

按照試驗(yàn)污水處理的需求分析，設(shè)計(jì)了污水處理方案，主要以靜置分離和油分離兩個(gè)工藝為主要處理流程，處理過程示意見圖6。

圖6 污水處理總體流程

具體處理過程為：

1）用小型離心泵將污水從風(fēng)洞的噴水降溫裝置抽至沉淀水箱；

2）在沉淀水箱中靜置48 h，使污水分層，油等輕組分浮于上層，添加絮凝劑使碳黑等重組分懸浮物沉于箱底，中間為清水；

3）用小型離心泵將頂層含油水加壓送入油分離裝置，進(jìn)行油分離，分離出的油單獨(dú)收集作為危廢物單獨(dú)處理，分離出的清水排入6 000 m3水池，作為設(shè)備冷卻水循環(huán)利用；

4）將沉淀水箱中層清水利用重力自流放入6 000 m3水池，作為設(shè)備冷卻水循環(huán)利用。

4.2 前置沉淀系統(tǒng)設(shè)計(jì)

前置沉淀系統(tǒng)包括泵、閥、管路及沉淀水箱等設(shè)備。污水處理泵閥管系統(tǒng)原理如圖7 所示。處理流程為：先用小型水泵將污水抽至沉淀水箱，在水箱中靜置，添加絮凝劑使碳黑等懸浮物沉淀，而后將沉清后的水抽入油水分離器將煤油分離，最后將完成油分離的水排入200 MW 燃?xì)饬黠L(fēng)洞已建的6 000 m3水池，作為風(fēng)洞冷卻水實(shí)現(xiàn)循環(huán)利用。沉淀于沉淀水箱底的碳黑人工收集，作為固體廢棄物另行處理。

圖7 系統(tǒng)原理圖（單位：mm）

系統(tǒng)各部分具體功能為：

1）加壓排污管：在兩個(gè)試驗(yàn)臺(tái)下方分別加裝一臺(tái)小型離心水泵，將臺(tái)內(nèi)污水抽出，經(jīng)過管道送入沉淀水箱。

2）油分離管系：使用一臺(tái)小型離心泵將沉淀水箱上層的含油污水加壓送入油分離裝置進(jìn)行處理，并將處理后的清水送回水箱中，將分離出的油收集至?xí)捍嫱啊?/p>

3）自來水管系：從車間上方引一路DN15 自來水管至油分離裝置，用于反洗。

4）沉淀水箱：在車間北側(cè)空地放置一長3.5 m、寬1 m、高4.5 m 的水箱，用于靜置污水，使污水中的粒物懸浮物沉淀，油上浮。

5）在沉淀箱距箱底150 mm 處設(shè)一DN100 排污口，通過軟管將沉淀和去油后的水排入已有的回水池中循環(huán)利用。

4.3 油分離系統(tǒng)設(shè)計(jì)

本方案中油水分離裝置選用阻截吸附法油水混合物處理方案。此裝置原理如圖8 所示。

圖8 油水分離裝置原理圖

具體工藝流程見圖9。

圖9 工藝流程

5 處理效果

建成后的污水處理系統(tǒng)如圖10 所示，圖中左側(cè)為沉淀水箱，右側(cè)為油水分離設(shè)備。根據(jù)實(shí)際使用情況，污水處理效果如下：

圖10 污水處理系統(tǒng)

1）處理后含油量為0.038 6 mg/L，遠(yuǎn)小于5 mg/L，滿足一級(jí)排放標(biāo)準(zhǔn)，可循環(huán)使用；

2）懸浮物質(zhì)量濃度小于70 mg/L，滿足一級(jí)排放標(biāo)準(zhǔn)，可循環(huán)使用；

3）每小時(shí)處理污水0.5 m3，單次試驗(yàn)產(chǎn)生污水處理總耗時(shí)為10 h，滿足使用要求。

6 結(jié)論

針對(duì)200 MW 燃?xì)饬黠L(fēng)洞試驗(yàn)產(chǎn)生污水處理需求，進(jìn)行了多方案對(duì)比選擇、細(xì)化設(shè)計(jì)和建設(shè)調(diào)試，得到以下結(jié)論：

1）試驗(yàn)系統(tǒng)產(chǎn)生的污水除含油外，懸浮物也超標(biāo)，需要一并處理；

2）阻截吸附作為新型油水分離分案，處理效果優(yōu)異，成本低廉，效率較高，特別適合污水量不是特別大的場景；

3）靜置分離-阻截吸附的污水處理工藝能夠?qū)⑽鬯械挠吞幚碇恋陀趪乙患?jí)排放標(biāo)準(zhǔn)的水平，下層碳黑等凝聚物（按國標(biāo)屬于懸浮物）通過晾曬后作固廢處理，污水處理方案效果較好。