（油气储运工程专业论文）逆流絮凝气浮技术处理含油污水的实验研究.pdf

e x p e r i m e n t a li n v e s t i g a t i o no no i l yw a t e rt r e a t m e n t b yc o u n t e r f l o wf l o c c u l a t i o nf l o t a t i o nm e t h o d l i uq i n g ( p e t r o l e u ma n d g a ss t o r a g ea n dt r a n s p o r t a t i o ne n g i n e e r i n g ) d i r e c t e db yp r o f h el i m i na n dl e c t u r e rw a n gx i n a b s t r a c t f l o t a t i o nm e t l l o di sah i g l le f f e c t i v ew a yi ns o l i d - l i q u i do rl i q u i d l i q u i ds e p a r a t i o nf i e l d b yt h eg e n e r a l i z a t i o n o ft h ec u r r e n td e v e l o p m e n t sa n da p p l i c a t i o ns t a t u so ff l o t a t i o n t e c h n o l o g y , e s p e c i a l l yd i s s o l v e da i rf l o t a t i o nt e c h n o l o g y , an o v e lt y p eo fc o u n t e r f l o w f l o c c u l a t i o nf l o t a t i o nd e v i c ew f l qp r o p o s e db a s e do nt h er e c e n td e v e l o p m e n t so ff l o t a t i o n t h e o r i e sa n de x p e r i m e n t a ls t u d yw a sd e e p l yc o n d u c t e do ni t sp e r f o r m a n c eo no i l yw a t e r t r e a t m e n t t h ec y l i n d r i c a lf l o t a t i o nd e v i c ea d o p t sv e r t i c a lc u r r e n tm o d e ，i nw h i c hb u b b l e sa n d f l o c c im o v e sa n dc o n t a c t sr e v e r s e l y b u b b l e s - f l o c c ia g g r e g a t i o ni sf o r m e dw h e nb u b b l e sa n d f l o c c ic o l l i d e sa n da r ea d h e r e dt oe a c ho t h e r t h ef r o t ha s c e n t sa n di sr e m o v e df r o mf r o t h o u t l e ta u t o m a t i c l y d i s s o l v i n gt a n ki su s e di nt h ea i r - d i s s o l v i n gs y s t e m a i r - d i s s o l v i n gw a t e r i sf o r m e di n t h et a n kf r o mc o m p a s s e da i ra n dw a t e ra n dt h e ni sr e l e a s e db yat h r o t t l ev a l v e t l l ei n t e r a c t i o no fm i c r o b u b b l e sa n df l o c c iw e r ed e t e r m i n i n gf a c t o r so nt h ee f f i c i e n c yo f t h ef l o t a t i o nm e t h o d r n 坞p r o p e r t i e sa n di n t e r a c t i o no ft h eb u b b l e sa n df l o c c ia n dt h e m e c h a n i s mo fm o t i o no ft h eb u b b l e f l o c c ia g g r e g a t i o nw e r ea n a l y z e di nt h i sp a p e r t h e o p t i m a lo p e r a t i n gc o n d i t i o n sw e r ed e t e r m i n e db yt h ee x p e r i m e n t a la n a l y s i so np a r a m e t e r sa s t h ea m o u n to fa i rr e l e a s e da n dt h ed i a m e t e ro fm i c r o - b u b b l e s f r o mt h ee x p e r i m e n t si tw a s f o u n dt h a tt h a tt h ed i a m e t e r so fm o s to ft h eb u b b l e sp r o d u c e db yt h ea i r - d i s s o l v i n gs y s t e mc a n m e e tt h er e q u i r e m e n t so ff l o t a t i o np r o c e s sw h e nt h ep r e s s u r eo ft h es y s t e mw a sb e t w e e n o 2 8 , - 0 3 0 m p aa n dt h ew a t e ri n f l o wo f t h ea i r - d i s s o l v i n gt a n kw a s1 6 0 l h 1 1 1 ec o u n t e r f l o wf l o c c u l a t i o nf l o t a t i o ns y s t e mw a sd e v e l o p e di nt h i sp a p e ra n di t s p e r f o r m a n c eo no i l yw a t e rt r e a t m e n tw a ss t u d i e db ye x p e r i m e n t su s i n go i l yw a t e rp r e p a r e db y t h ea u t h o r t a pw a t e r , d i e s e lo i la n de m u l s i f i e rw e r eu s e di nw a s t e w a t e rp r e p a r a t i o na n dt h e o i lc o n t e n to ft h ew a t e rw a sb e t w e e n15 0 m g la n d2 0 0 m g l 1 1 1 ec o a g u l a n t su s e di nt h i s p a p e rw e r ep a ca n dp a m e x p e r i m e n t sv e r i f e dt h ee x i s t e n c eo ft h e b u b b l e - f l o c c i a g g r e g a t i o nb l a n k e ti nt h ec o l u m n ，w h i c hp l a y e da ni m p o r t a n tr o l ei nt h ew a t e rt r e a t m e n t p r o c e s s mi n f l u e n c i n gf a c t o r si n c l u d i n gt h ea m o u n to fw a t e rt r e a t e d ，t h ed i s s o l v i n gp r e s s u r e ， t h er e f l u xr a t i oo fa i rs a t u r a t i o ns y s t e m ，t h eh e i g h to ft h er e a c t i n gr e g i o n , t h ea m o u n to f c o a g u l a n tu s e da n dt h ep hv a l u eo fw a s t e w a t e rw e r es t u d i e d t h eo p e r a t i n gp a r a m e t e r s o b t a i n e df r o mt h o s ee x p e r i m e n t sw e r ea sf o l l o w s ：t h ef a v o r a b l ec o n c e n t r a t i o no fp a ca n d p a mu s e dw e r e5 0 m g la n dlm g ls e p a r a t e l y ；t h eo p e r a t i o np r e s s u r ew a s0 3 m p a ；t h e o p t i m a lr e c y c l er a t i ow a s7 0 ；t h ef l o w r a t eo ft h ew a s t e w a t e rs h o u l db ek e p tb e t w e e n2 0 0 l a n d4 0 0 lt og u a r a n t e eas a t i s f a c t o r yq u a l i t yo fw a t e ro u t p u ta n dt h ep hv a l u eo fr a ww a t e r s h o u l db e6 8 t h ee x p e r i m e n t so ni ns i t uo i l yw a t e rf r o ms h e n g l io i l f i e l dw e r ea l s o c o n d u c t e di nt h i sp a p e ru n d e rt h eo p t i m a lc o n d i t i o n sd e t e r m i n e di nt h ea b o v ee x p e r i m e n t s w h i l et h ea m o u n to fp a cu s e dw a sv a r i e d t h er e s u l ts h o w st h a tt h ed e o i l i n gr a t ec a l la t t a i n t 07 9 5 w h e nt h ec o n c e n t r a t i o no fp a cw a s4 0 m g l e x p e r i m e n t ss h o w e dt h a t t h eo i l yw a t e rc a nb et r e a t e de f f e c t i v e l yb yc o u n t e r f l o w f l o c c u l a t i o nf l o t a t i o nc o l u m na n di t o c c u p i e dc o m p a r a t i v e l y l e s sa r e aa n d w a sa n e n e r g y - s a v i n gd e v i c e k e ) rw o r d s ：d i s s o l v e da i rf l o t a t i o n ；c o u n t e r f l o w ；f l o c c u l a t i o n ；w a t e rt r e a t m e n t 关于学位论文的独创性声明 本人郑重声明：所呈交的论文是本人在指导教师指导下独立进行研究工作所取得的 成果，论文中有关资料和数据是实事求是的。尽我所知，除文中已经加以标注和致谢外， 本论文不包含其他人已经发表或撰写的研究成果，也不包含本人或他人为获得中国石油 大学( 华东) 或其它教育机构的学位或学历证书而使用过的材料。与我一同工作的同志 对研究所做的任何贡献均已在论文中作出了明确的说明。 若有不实之处，本人愿意承担相关法律责任。 学位论文作者签名：童立二螽日期：年月 e t 学位论文使用授权书 本人完全同意中国石油大学( 华东) 有权使用本学位论文( 包括但不限于其印刷版 和电子版) ，使用方式包括但不限于：保留学位论文，按规定向国家有关部门( 机构) 送交学位论文，以学术交流为目的赠送和交换学位论文，允许学位论文被查阅、借阅和 复印，将学位论文的全部或部分内容编入有关数据库进行检索，采用影印、缩印或其他 复制手段保存学位论文。 保密学位论文在解密后的使用授权同上。 学位论文作者签 指导教师签名： 日期： 日期： 年月日 年月日 中国石油大学( 华东) 硕上学位论文 第一章绪论 1 1 含油污水的来源及危害 油类是人类生活和工业生产的重要原料，随着经济的发展和社会的进步，石油及石 油产品更加广泛地应用于国民经济的各个领域及人民生活中。随着石油使用量的增大， 石油及其产品在开采、加工、储存、运输和使用过程中对环境的污染也日趋加重。水体 污染是油类产品对环境造成污染的直接后果之一，我国每年排放的工业污水和生活污水 达3 6 0 多亿吨，日益严重的水污染会对社会经济发展和人类健康造成很大损害，因此， 世界各国对于排放的废水中的含油浓度有明确的规定，我国规定的含油污水排放浓度最 高为l o m g l 。含油污水的来源十分广泛，其中工业含油污水的来源主要有以下几种【1 1 1 2 1 ： ( 1 ) 油田采出水：采用注水开发的形式开采的油田，而大部分注入的水通过采油井 随原油一起回到地面，这部分水在外输前需要加以脱除，这些含有原油的水称为油田采 出水。 ( 2 ) 机械加工废水：这部分废水中的油包括浮油和乳化油两部分。在机械产业中起 到清洁、润滑及冷却作用的油一般以浮油状态存在，容易除去，而在切削、研磨等加工 操作中需要使用一种水包油型的乳化液起到润滑及冷却的作用，由于乳化剂的表面活性 作用，这部分乳化液状态稳定，难以处理。 ( 3 ) 油轮压舱水：压舱水含油量为2 0 0 0 3 0 0 0 m g , l ，水量一般为载油量的2 0 - 4 0 。 ( 4 ) 炼油废水：炼油废水的主要成分是烃类和可溶的有机与无机组分，包括油品的 洗涤水、蒸馏过程的气体冷凝水、油罐车及炼油设备洗涤水和地面洗涤水等。 含油污水来源广泛，对自然界和人类生活存在着多种危害：首先，油类物质漂浮在 水面，会形成一层薄膜，这层薄膜阻止空气中的氧溶解于水中，使水中的溶解氧减少， 使得水体中的浮游生物等处于严重缺氧状态，从而制约水生植物的光合作用，影响水体 的自净作用，使水质变差，破坏水资源的利用价值；同时，污水中含有的铁、铜、其它 金属离子及细菌等会起到媒介促进作用，特别在高温下，废水中污油的分解、变质会加 快，从而使水体的曝气条件变坏，影响水生生物的正常生长，甚至造成动、植物群体的 死亡；如果用含油污水灌溉农田，油类会粘附在农作物的根茎部，影响作物对养料吸收， 致使农作物欠收或坏死，同时油类中的一些有毒物质会被作物吸收，富集或残留在值物 体内，最终危害人类的健康。因此，对油田污水进行综合处理，所以，含油污水处理对 于保护当地生态环境，节约水资源都具有重大的现实意义【3 l 。 第一章绪论 1 2 水处理方法 根据油滴在水体中的存在方式的不同，可以净将含油污水分为以下5 种【4 】： ( 1 ) 悬浮油：油滴粒径大于1 0 0 _ u n ，铺展在水面之上形成油膜或油层，可以用分离 法去除： ( 2 ) 分散油：油滴粒径在1 5 1 0 0 p m 之间，油相以油滴形成悬浮在水中，静置一段 时间后油滴会相互聚集并上浮于水面上，形成浮油，可以采用粗粒化法去除； ( 3 ) 乳化油：油滴粒径小于o 1 l o p m ，油相形成比较稳定的乳化状态，比较稳定， 难以分离，一般采用混凝、气浮或过滤过去除； ( 4 ) 溶解油：油滴粒径在5 1 5 p m ，油溶解在水中，形成非常稳定的油一水均相体系， 难以处理，可采用生化法等方法去除。 由于油田含油污水的水质不同，因此使用的处理方法也不同，当前油田污水处理采 用的方法主要包括物理法、化学法、物理化学法等。 1 - 2 - 1 物理处理法 含油污水物理处理法利用物理作用去除和分离水中不溶于水的悬浮物，主要包括重 力分离、水力旋流、过滤法等几种方法。 重力分离法是应用比较广泛的油田污水初级处理方法，它利用油和水的密度差及油 和水的不相溶性，在静止或流动状态下实现油珠、悬浮物与水的分离，主要设备有三相 分离器【5 m 及各种聚结器【7 】【8 1 等，这种方法可以实现油水的初步分离，但一般情况下难以 达到排放标准，需要用过滤等方法进一步分离。 水力旋流器是基于水力旋流技术研制的油水分离设备。油水分离旋流器【9 】安装在油 田生产井内，能在井下实现油水的高效分离并将水回注到地层，当采出水含量达7 0 以 下时，这种井下安装的同步油水分离设备是非常有效的。 过滤是用过滤介质( 滤料) 对作为分散相的悬浮物进行拦截而允许作为连续相的水 通过来实现两相分离的过程。过滤设备是油田污水处理中的关键设备，也是污水处理的 最后一关。各油田和设计生产单位大都把过滤技术和设备作为研究的重点，技术水平提 高较快，目前以压力过滤罐为主【1 0 1 。 1 2 2 化学处理法 含油污水的化学处理法是通过化学反应去除和分离水中的污染物质，主要包括化学 药剂法、电解法和生化法等方法。油田污水性质复杂，是一个多相体系，向污水中投放 2 中国石油火学( 华东) 硕士学位论文 化学药剂的方法是一个普遍的处理方法，利用化学药剂可以有效地降低含油污水中的含 油量及c o d 含量【1 1 】。化学药剂法所投加药剂的反应机理包括混凝沉淀、中和、氧化还 原及离子交换几种，油田水处理常用的混凝剂有硫酸铝、氯化铝、聚合氯化铝【1 2 】【1 3 1 和聚 丙烯酰胺等。生化法是利用水、土壤或植物根系中微生物的新陈代谢作用，使污水中呈 溶解和胶体状态的有机物被降解，并转化为稳定无害的物质以净化污水，生化法可以分 为好氧和厌氧处理法两大类。 1 2 3 物理化学法 物理化学法包括气浮法和吸附法两种。吸附法利用吸附剂的吸附作用对污水进行处 理，吸附剂不仅能够吸附水中的油，而且能同时吸附污水中的其它有机物，这种方法的 缺点是吸附剂的容量有限( 以油计算一般为3 0 - 8 0 m g g ) ，且吸附剂成本高、再生困难， 所以一般只用在含油污水的深度处理阶段。气浮净水技术【1 4 】是国内外正在深入研究与不 断推广的一种水处理新技术，是根据油水表面性质的差异去除水中的分散油及乳化油， 当在废水中投加混凝剂时，水中会形成较大的絮体，从而提高气浮效果。 气浮法和传统的沉淀法都是较常用的固液分液方法，而气浮法与沉淀法相比具有明 显的优点。气浮技术以某种方法在待处理水中通入大量密集的微细气泡，使其与杂质、 絮体互相粘附，形成整体比重小于水的共聚体，共聚体依靠浮力上浮至水面，以完成固 液、液液分离。气浮技术处理废水的实质是气泡和颗粒间进行物理吸附，并形成浮选体 上浮分离。而沉淀技术虽然是一种已被广泛使用的固液分离方法，但当水中存在难以自 然沉淀、也难以自然上浮的微细颗粒或比重接近于1 0 的悬浮固体时，用沉淀技术进行 固液分离就会产生问题。此外，沉淀技术还存在表面负荷低，且需要加入的混凝剂、助 凝剂的量较多、价格昂贵等缺点。因此，气浮技术日益引起人们的关注，与普通的沉淀 法相比，气浮技术具有以下优点【1 4 】： ( 1 ) 气浮池的表面负荷高，停留时间短，池深相对较浅，占地面积少，基建投资省； ( 2 ) 气浮时向水中充入大量的空气，能提高水中溶解氧的浓度。同时对去除水中的 表面活性剂及臭味等具有明显的效果，为后续的处理过程提供了有利条件； ( 3 ) 对于用沉淀法难以去除的低浊度、含藻水的处理效果好： ( 4 ) 气浮法可以用于回收利用废水中的某些有用的物质； ( 5 ) 由于气浮利用的是大量微气泡的粘附和共聚作用，因此可以降低混凝的要求， 节约混凝剂，减少絮凝时间。 综合以上对含油污水处理方法及污水分类的研究，由于本实验所针对的含油污水中 3 第一章绪论 的油滴存在方式主要为乳化油及一部分浮油，因此采用重力沉降气浮过滤的处理流程 净化污水，本文中主要研究流程的中间步骤，也就是气浮除油工艺的特点并设计出新型 气浮设备进行实验。 1 3 气浮法的分类及特点 在污水净化中，各种基于气浮原理的处理方法的主要区别在于水中形成气泡的方式 和气泡大小的差异，据此气浮法可分为四大类，即溶气气浮法、诱导气浮法、电解气浮 法和化学气浮法【1 5 】。其中，较为常用的方法有加压溶气气浮法、叶轮气浮法和射流气浮 法，其中溶气气浮法应用最为广泛。 1 3 1 溶气气浮法 根据气泡析出时压力的不同，溶气气浮法可以分为加压溶气气浮和真空溶气气浮两 种。空气在常压或高压下溶于水中，在负压下析出的方法，称为真空溶气气浮法；而空 气在高压下溶于水中，在常压下析出的方法，则称为加压溶气气浮法。真空溶气气浮的 主要特点是气浮池在负压下运行，析出的空气量取决于溶解空气量和真空度，空气在水 中易呈过饱和状态。这种方法的优点是溶解压力比加压溶气法低，能耗较小，但气浮池 构造复杂，运行维护也有一定的困难，因此在实际生产中应用不多。 在生产中应用较多的是加压溶气气浮法，其操作原理是在加压条件下使空气溶解在 水中并呈现饱和状态，当水压减小时，水中溶解的气体就以微气泡的形式释放出来，水 中的污染物粘附在气泡周围形成共聚体，共聚体上浮并在水面上方形成浮渣层，经过排 渣使污水得到净化。按回流水量的不同，加压溶气气浮分为部分回流式溶气气浮、全流 程溶气气浮及部分溶气气浮三种形式。其中，部分回流式溶气气浮对回流水进行加压， 而后两种方式则是对原水进行加压。 ( 1 ) 部分回流式溶气气浮法 在这种方法中，出水口流出的一部分出水作为回流水，流入溶气罐加压，原水直接 进入气浮池。其特点为：需要加压的水量少，动力消耗低，运行费用低；絮体的形成和 气泡的释放基本上同时进行，形成的絮体不易受到破坏。 ( 2 ) 全流程溶气气浮法 在全流程溶气气浮法中，全部原水均流入溶气罐中加压，加压后再进入气浮池。其 特点为：原水量大，因此溶解气量大，油粒或悬浮颗粒与气泡的接触机会增加：由于全 部原水都需要加压，因此所需的压力泵和溶气罐均较大，能耗也较大。 4 中国石油大学( 华东) 硕上学位论文 ( 3 ) 部分溶气气浮法 部分溶气气浮法是取部分原水在溶气罐中加压和溶气，其余部分直接进入气浮池， 并在气浮池中与加压原水混合。其特点为：较全溶气气浮法所需的压力泵小，故动力消 耗低。 三种方式相比较，部分溶气气浮和部分回流式溶气气浮两种流程中，用于加压溶气 的水量只分别占总水量的3 0 - 一3 5 和1 0 * * - 2 0 。因此，在相同能耗下，溶气压力可以 大大提高，形成的气泡更小、更均匀，有利于气浮系统高效运行。另外，后两种方法由 于直接用于原水加压溶气，原水中悬浮物容易堵塞溶气释放器，而且这两种方法都在絮 体形成后才释放气体，故絮体容易受到破坏，因此部分回流加压法是更高效的气浮净水 方法，也是水处理流程中最常用的气浮方法。 1 3 2 叶轮气浮法 叶轮散气气浮法是将空气引入一个高速旋转的叶轮附近，通过叶轮的高速旋转剪切 运动，将引入的空气切割成直径为l m m 左右的小气泡，以此粘附杂质。该法产生气泡 大小不均匀，适用于高浓度悬浮物的分离，如用于处理洗煤废水，含油脂、羊毛等污水 的初级处理及含有大量表面活性剂的废水，设备不易堵塞。有关文献中曾经报道美国的 麦王公司对其改造并发展成涡凹气浮。 1 3 3 射流气浮法 射流气浮法依靠水射器的作用，将水从喷嘴以高速喷出形成真空区，空气则不断被 吸入射流器，使污水中产生微小气泡。由于不需要空压机产生压缩气体，因此噪声小、 工艺简单、总体能耗也相对较低。但这种方法对水射器的要求较高，且吸气量不太大， 喷嘴处也容易被污染物堵塞。 加压溶气气浮法与叶轮气浮法及射流气浮法相比具有以下特点： ( 1 ) 水中的空气溶解度大，能够提供足够的微气泡，可满足不同要求的分离操作， 确保去除效果。 ( 2 ) 经过减压释放后产生的气泡粒径d ( 2 0 - 1 0 0 1 x r n ) ，粒径均匀，微气泡在气浮池中 上升速度很慢，对气浮池的扰动较小，特别适用于絮凝体松散、细小的固体分离。 ( 3 ) 设备和流程都比较简单，维护、管理方便。 5 第一章绪论 1 4 气浮工艺的发展概况 1 4 1 气浮法总体发展概况 气浮法是一种高效快速的固液或液液分离技术，最初应用于选矿工业，方法是先将 矿石磨碎成粉粒，加水制成悬浊液，然后加入浮选剂并向悬浊液中通入气泡，使得矿石 中有用的成份粘附在气泡上随气泡上浮，无法粘附在气泡上的杂质下沉，这样就达到了 筛选有用矿石的目的。气浮工艺用于矿物浮选时，主要的评价参数是矿物的回收率，而 矿物在处理水中的残留并不重要。在水处理领域中，处理的目的在于通过气浮工艺实现 对水的净化，因此评价参数变为水中污染物的残留率或去除率，核心问题变为处理后的 水质情况。二十世纪八十年代以来，气浮净水技术已经取得较大的发展，最初应用在饮 用水处理领域，目前已广泛应用于石油、造纸、印染及化工等多个行业的污水处理领域 中。 上世纪初，水处理领域的气浮净水技术发展较慢，只有少数的研究和应用，其主要 原因是制造微气泡的技术没有得到根本解决，直到出现了部分回流式压力溶气气浮法。 这种方法净水效果好，而且比较经济，因此扩大了气浮法的使用范围，二十世纪6 0 年 代，部分回流式压力溶气技术在工业废水处理和饮用水净化方面都得到了广泛的应用。 气浮净水工艺在七十年代得到了迅速发展，促成这一发展( 尤其是生活饮用水处理技术) 的一个重要原因是微气泡产生技术的提高，它是通过特制的释放器将加压溶入水中的空 气，在一定的控制条件下释放成微细气泡。由于这种特制的释放器对水处理效果和制水 成本都有较大影响，因此在国外都出现了相关的专利。 6 0 年代末，我国的压力溶气气浮装置已经应用于食盐溶液的净化和石油废水处理的 研究中。1 9 7 5 年同济大学开始对气浮法净水机理、溶气及释放机理等问题进行研究并取 得了突破性的进展，并着重对压力溶气法中的部分回流式气浮技术的原理和应用进行研 究，尤其是低压溶气理论及t s 型释放器的研制成功，使我国的气浮技术达到国际先进 水平【1 6 1 ，至1 9 9 2 年我国的压力溶气气浮净水技术的基本理论研究和生产实践方面都己 达到较高的水平，在有关气浮法净水工艺的溶气系统、释气系统、分离系统、测试技术、 净水机理和溶气释气规律方面的研究中均取得了一定的成果。此外，8 0 年代中期，冶金 部建筑研究总院、武汉建材学院、昆明自来水公司等也进行了气浮净水的试验与研究， 取得了一定的成果。 1 4 2 溶气气浮工艺的发展 溶气气浮法( d i s s o l v e da i rf l o t a t i o n ) 是气浮工艺的一种，这种方法对处理水进行 6 中国石油大学( 华东) 硕士学位论文 加压溶气，然后使水压骤然降低，在水中释放出微气泡。使用这种方法产生的气泡直径 约为2 0 1 0 0 1 , t m ，而且可以人为控制气泡与废水的接触时间，分离效果也比较好，因此 应用十分广泛。 溶气气浮工艺经历了三代发展。最初应用于水处理的第一代溶气气浮系统的主要特 征是：池型长、窄而且很浅，水力负荷一般为2 - 3 m h ，气浮池进口处设有一个垂直于 溶气水方向的分散架，分散架的宽度与气浮池大致相等。原水从分散架下部进入，在进 水口处的流态为紊态，混合水向上流动达到气浮池的表面。混合水中的微气泡分散于分 散架下部的水中，但气泡在原水中的分布不均匀，混合水沿水平方向流过气浮池。由于 气浮池表面的微气泡层非常薄，几乎没有可以对处理水起到过滤作用的微气泡层。而且 第一代d a f 系统中水流的流速非常小，几乎接近水平层流，大多数情况下在池子的末 尾没有气泡层，因此气浮池的尾部没有得到充分利用，该体系中气泡与颗粒物的粘附主 要发生在气浮池进口处的分散架处。 由于与传统沉淀工艺相比，d a f 净水技术更容易去除水体中的腐殖质形成的低密度 絮体，因此，从二十世纪六十年代起，气浮技术在斯堪的纳维亚等国家开始得到广泛的 应用，d a f 水处理技术在这一时期得到了很快的发展，人们也逐渐开始认识气浮工艺中 的水力学因素。研究表明，气浮池表面一定厚度的气泡悬浮层对于提高去除效率是非常 有益的，于是在气浮反应器的形式上出现了变化，气浮池的深度与宽度变大，同时长度 减小，出现了进水分散管布置在池子中央的圆形气浮池。 与第一代气浮池相比，第二代气浮池更宽更深，水力负荷也较大，而长度则明显减 小。通过增加气浮池的深度，第二代d a f 系统中处理水的流向与第一代d a f 中的近似 平流相比发生了很大变化，液流下流的角度约为3 叫o o ，这样，气浮池中的负荷可以增 加到5 - 7 r n h ，甚至达到1 0 m h t l 7 】【1 8 1 。在整个气浮分离池中有一个更厚的气泡悬浮层， 该气泡层在分离室首部的厚度约为3 0 - 5 0 c m ，沿气浮池长度方向气泡层的厚度减小，在 出口端约为l o 2 0 e m 。由于大部分水流通过气泡层，因此气泡层对处理水起到了过滤作 用，增加了气泡在絮体颗粒上的粘附率。 从水力负荷角度来讲，d a f 工艺发展最大的进步可能就是气浮过滤池，气浮过滤池 是第二代d a f 工艺中的一种池型，在1 9 6 0 年左右在瑞典出现。浮滤池将气浮与快速过 滤有效结合起来，其工作原理基于两者大致相等的水力负荷。这种工艺从水力学角度来 讲是非常理想的，原水从池子的表面垂直向下流动，通过覆盖在整个气浮区底部的滤床。 由于滤床的阻力非常大，使得原水在整个滤床表面均匀地流过，所以在整个气浮区中的 7 第一章绪论 水流分布十分均匀。在整个池的上部有一个较厚的气泡悬浮层，沿水平方向气泡层的厚 度大致相等( 因为水流速度均匀) ，而且气泡层的下界面较深。如果滤床上部的气浮区域 足够大的话，那么d a f 中的水力负荷约为1 0 1 5 m h ，相应气泡层的厚度为8 0 1 2 0 c m 。 这样在池的气浮区域就形成了一个明显的深床微气泡滤层，微气泡在去除杂质的过程中 起主导作用，相比溶气饱和水与原水在进水口处的混合方式，这种微气泡滤床的过滤作 用对颗粒物的去除效率更高。 9 0 年代，d a f 技术得到进一步推广，第三代d a f 技术在这个时期发展起来。由于 大部分研究者认为气浮只能够在层流的水力条件下进行，即气浮分离区的水力负荷不能 够超过2 5 m h ，因此第三代d a f 工艺研究的重点就变为：如何在原水流速较高、混合 液呈紊流流态的情况下，使得气泡絮体共聚体顺利上浮到气浮池的顶部去除，第三代气 浮池，即紊流气浮池也随之出现。第三代气浮池的结构类似于气浮过滤池，水流的流态 为紊流，在池的底部，用布满圆孔的薄层硬板代替先前使用的滤床，硬板与池底相隔 0 5 m 1 7 】。硬板上所开圆孔的直径不同，这些圆孔的直径和分布也是第三代d a f 系统的 关键技术。紊流d a f 系统的水力负荷一般为2 5 , - - , 4 0 m h ，最高可达到6 0 m h ，其微气泡 层的厚度为1 5 2 5 m ，气泡层不仅起到促进气泡与絮体粘附的作用，还可以截留水中悬 浮的杂质，有利于提高出水水质。 1 4 3 气浮柱的研究概况 气浮柱作为一种浮选设备，最初于6 0 年代出现在加拿大，它由加拿大人皮埃尔布 廷( p i e r r eb o u t i n ) 发明。气浮柱最早应用于选矿业中，称为浮选柱，发展至今已经有 四十多年的历史，其应用也由最初的矿物浮选扩大到其它领域。 由于气浮柱具有占地面积小，成本低及处理效率高等优点，许多国家相继进行了气 浮柱的研究并取得了一系列研究成果，如波兰的k f p 型气浮柱、美国的m t u 气浮柱及 詹姆森型气浮柱【1 9 】等。近几十年来，气浮柱的研究和应用领域日益广泛。 我国首先将气浮柱应用于铜、铅及锌的矿石浮选中，之后扩展到金、钼等矿山。高 敏等1 2 0 】对旋流微泡气浮柱进行了研究和应用，并利用矿石分离作业对其进行了实验，取 得了较好的分离效果。刘炯天等2 1 】【2 2 1 对詹姆森气浮柱的性能及应用进行了大量的实验研 究。除了选矿工业外，我国也将气浮柱工艺应用于废水处理领域。王翔使用气浮柱与 过滤工艺对含油污水进行的研究，研究结果证明，气浮柱及纤维过滤工艺联合使用对含 油污水具有很好的净化处理效果。李小兵等【2 4 】利用溶气析出式浮选柱处理含油污水，通 过试验研究多个操作参数对处理效果的影响，结果表明，在优化操作参数的条件下，气 8 中国石油大学( 华东) 硕士学位论文 浮柱除油率可以达到9 0 以3 2 。冯鹏邦等2 s l 利用气浮柱处理含油污水，通过实验对气浮 柱结构参数及操作条件的研究，结果表明气浮柱是一种高效、节能的含油污水处理装置。 丁一刚等2 6 1 采用分散空气及加压溶气式两种气浮柱处理造纸废水，结果表明这两种工艺 均有较好的处理效果，而加压溶气式气浮柱的处理效果更好。 1 5 本课题研究内容 综合上述分析，结合混凝以及气浮的理论与工业应用经验，气浮技术是一项实用、 高效的含油污水处理技术，本研究拟设计一种基于气浮和絮凝机理的含油污水处理装 置，主要研究内容包括以下几个方面： ( 1 ) 在文献综述的基础上，设计逆流接触气浮装置各个部分的构造及整体流程； ( 2 ) 实验研究溶气系统的溶气释气性能，确定溶气系统的最优工作条件； ( 3 ) 研究自配污水的方法，配制出符合气浮工艺要求的含油污水并研究污水含油量的 测试方法； ( 4 ) 通过室内自配污水气浮处理实验，研究气浮装置的性能并确定装置的最优运行参 数； ( 5 ) 测试逆流絮凝气浮装置对现场污水的处理效果。 9 第二章气浮基本原理 第二章气浮基本原理 气浮法是净化含油污水的工艺方法之一，油田采油污水中存在着多种有机、无机杂 质，加入絮凝剂和大量的微细气泡后，它们之间的混和、絮凝以及粘附的过程是一个十 分复杂的物理化学过程，水中颗粒物、混凝剂、微气泡以及相互粘附后形成的带气絮体 的性质都会影响气浮净水的效果。有效的气浮需要以某种方式在水中形成大量高度分散 的微小气泡，并向水中投加混凝剂使悬浮颗粒形成絮体，使气泡与絮体形成气泡一絮体 共聚复合体，最终共聚复合体上浮并从气浮装置中去除。 2 1 水中气泡的形成及特性 电解法、散气法及压力溶气法等方法都可以在水中产生气泡。电解法是通电将水电 解为氢气和氧气从而产生气泡，散气法是利用微孔或叶轮的切割作用产生气泡，压力溶 气法则是通过真空或加压溶气水的释放在水中产生气泡。本实验采用加压溶气法产生气 泡。 压力溶气水通过溶气释放器释出微气泡，微气泡外层包着一层富有弹性的透明水 膜，组成这层透明水膜的水分子既紧密又稳定，因此空气分子不会逸出气泡膜。在范德 华引力和氢键作用下，它们作定向有序的排列( 如图2 1 所示) ，从而使气泡膜具有一 定的牢度。除排列疏松的外层( 称流动层) 泡膜在上浮过程中受浮力和阻力的影响流动 外，其内层( 称附着层) 泡膜与空气一起构成稳定的微气泡而上浮【2 7 1 。 四 一一一 极性水分子缔合体 附着层流动层 图2 - 1 微气泡构造图 f i 9 2 - 1s c h e m a t i co fm i c r o - b u b b l es t r u c t u r e 当微气泡受到水流紊动撞击时，气泡膜可能会发生局部流失，造成气泡四周受力不 均，引起外压强而使气泡失去平衡、变形、破裂和并大。若在水中投加长链的高分子物 1 0 中国石油大学( 华东) 硕士学位论文 质，则可以提高气泡膜的韧性和强度。 2 2 胶体的特性及絮体的形成 水中的颗粒物是广泛存在的，水中颗粒物的粒径从几个纳米到数十个微米以上，粒 度在l n m - l i _ t m 之间的颗粒都属于胶体颗粒。这些颗粒物的比表面积较大，表面上又往 往具有大量的活性官能团，因此成为水体中各种污染物的主要载体，而且，水中颗粒物 还与污染物发生界面反应，因此对水质有很大的影响。 水中的胶体可以分为亲水胶体和憎水胶体两类，还有一些胶体具有处于这两个极端 之间的性质，称为两性胶体。亲水胶体一般都是大分子有机化合物，如染料、蛋白质和 碳水化合物等，而水中的粘土及所投加的无机混凝剂形成的胶体则属于憎水胶体【2 8 1 1 2 9 1 。 胶体颗粒在水中保持分散状态的性质称为胶体的稳定性。亲水胶体的羟基、硫酸根、 磷酸根和胺基等基团受到水p h 值影响，发生部分电离的作用，从而形成了亲水胶体的 电荷，电荷的大小取决于电离的程度。由于亲水胶体中存在的o h 、c o o 和- n h 2 等可 溶性极性基团，因此对极性水分子具有强亲和力，这样在胶体颗粒周围就吸附了厚层的 具有弹性的水膜。亲水胶体依靠电离的极性基团的电荷及其吸附的厚层水膜的双重作 用，在水中保持着十分稳定的状态。即使消除了亲水胶体的电荷，胶体仍然可以保持一 定的稳定性，原因就是此时胶体的水化膜并未完全丧失。憎水胶体通常指水中的粘土、 硅酸盐等刚性物质。它们的表面电荷是由于优先吸附水中某些离子而产生的，这些离子 称为“电位离子 ，通常带负电荷。电位离子与其吸附的反电荷离子构成胶体的双电层， 憎水胶体就是依靠其电位离子的电荷而在水中维持稳定状态的，因此只要消除憎水胶体 电位离子的电荷，憎水胶体就会失去其稳定性。前面提到的两性胶体，一般指金属氢氧 化物，其中铁、铝氢氧化物是水处理中常用的凝聚剂产物。铁、铝氢氧化物既有吸附水 中离子而产生双电层的憎水胶体的特性，又有吸附厚的水分子层以及产生类似胶凝的网 状结构的亲水胶体的特性，铁、铝氢氧化物的这种两性作用，促使它在水处理中既起到 沉淀法所需的混凝、沉降作用，又能实现气浮法所要求的凝聚、粘附气泡和上浮作用。 氢氧化铝、铁胶粒的憎水基团可在水中相互吸附形成网状凝聚结构，这种网状结构 起着化学架桥的作用。脱稳后的粘土由于恢复了憎水性，能粘附在氢氧化铝、铁胶粒的 未饱和憎水基团上，结成絮体。絮体内网围了大量的自由水，在受挤压后可以脱离絮体。 氢氧化铝、铁胶粒的两侧具有亲水性能，吸着较厚的水膜层使之粘附粘土的功能减弱。 由于铁、铝氢氧化物网络结构具有吸附和架桥的双重作用，因此，稳定性被破坏后 的憎水胶体或亲水胶体，均可通过化学吸附或物理吸附而粘附在网络结构的憎水基团 1 1 第二章气浮基本原理 上，形成疏松的、含水率很高的絮凝颗粒。网络结构的絮体是柔性的胶凝物质，它除 被吸附的刚性杂质不能变形外，其整体结构受力后很易变形，这就有利于与其它物质相 吸附，吸附时又会增加相互的接触点或面。对于相同的絮体，若粘附的脱稳颗粒越多( 尤 其是比重较大的粘土、硅酸盐等刚性颗粒) ，则其密实性和容重越大，气浮时要求粘附 的微气泡数也越多。同时粘附的脱稳颗粒越多，则剩余的憎水基团越少，相对地其憎水 性能也越差；这对气浮分离不利。因此，絮体中粘附的颗粒不宜过多，以保持较多的剩 余憎水基团，使其与气泡的粘附力增强，使粘附的气泡数更多、更牢，带气絮体的上浮 性能也更好。 2 3 气泡与絮体的相互作用 加压的溶气水释放出大量气泡，这些气泡在水流扰动作用下与原水中的絮体相接触 并发生相互作用。其中一部分气泡以絮体为核，直接在絮体表面生成和长大，另一部分 气泡通过接触粘附与絮体相互结合。大量气泡悬浮在水中，增加了水中的粒子浓度，同 时，气泡作为接触介质，通过碰撞与相互作用粘附在絮体表面，吸附在气泡表面的絮体 在表面力作用下继续长大并与更多的气泡相粘附。气泡絮体共聚体在上浮过程中能够 拦截水中的粒子，使其随共聚体一起上浮，从而进一步改善出水水质。 研究气浮净水机理实质上就是要研究气泡与絮体的相互作用【3 0 j 【3 1 1 ，根据近代混凝理 论，这种作用仍然是一种混凝作用，遵循混凝作用机理。 2 3 1 混凝作用机理 对混凝作用机理的研究始终是混凝技术领域的核心问题，许多研究者对这一机理从 不同方面进行了描述，包括： ( 1 ) 双电层压缩作用【3 2 】 胶体表面处反离子的浓度最大，随着胶粒表面向外的距离越大，反离子浓度越低， 最终与溶液中的离子浓度相等。当水中加入带有与胶体表面电荷相反电荷的电解质后， 胶体颗粒表面双电层中的扩散层因反离子的作用而被压缩，使扩散层厚度减小，颗粒间 的静电斥力也相应减小。 ( 2 ) 吸附电中和作用【3 3 】1 3 4 】 胶体表面对于异号离子、胶粒或链状高分子带异号电荷的部位有强烈的吸附作用。 这一理论着重强调胶体颗粒与混凝剂水解产物之间存在着某种专属化学作用，即混凝剂 可水解形成某种离子化合态并吸附在胶体颗粒表面中和其负电荷，使静电斥力减小，因 1 2 中国石油大学( 华东) 硕士学位论文 此使胶体颗粒易脱稳并与其它颗粒相互吸附。 ( 3 ) 吸附架桥作用