（油气储运工程专业论文）多相流泵溶气气浮处理含油污水的实验研究.pdf

e x p e r i m e n t a ls t u d yo fo i l yw a s t e w a t e r t r e a t m e n tw i t hm u l t i p h a s ep u m p d i s s o l v e da i rf l o t a t i o n z h a n gd o n g f e n g ( o i la n dg a ss t o r a g e & t 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 e s s o rh el i m i na n da s s o c i a t ep r o f e s s o rw a n gx i n a b s t r a c t i nt h et h e s i s ，as y s t e m a t i cs u m m a r yo ft h ed e v e l o p m e n to ff l o t a t i o nt e c h n o l o g ya n dt h e r e s e a r c hs t a t u sq u oi sp r e s e n t e d i nv i e wo ft h ea d v a n t a g e so fp r e s s u r i z e dd i s s o l v e da i r f l o t a t i o ns u c ha ss i m p l es t r u c t u r e ，e a s yo p e r a t i o n ，s m a l lb u b b l e sa n de v e nd i s t r i b u t i o no ft h e b u b b l e s ，as e to fp r e s s u r i z e dd i s s o l v e da i rf l o t a t i o na p p a r a t u si sc o n s t r u c t e dw i t ham u l t i p h a s e p u m pa si t sa i r - d i s s o l v i n gd e v i c e a n dt h em a i nf a c t o r sw h i c hi n f l u e n c et h ee f f e c to fa i r f l o t a t i o na r es t u d i e di n - d e p t h t h ea i r - d i s s o l v i n gp e r f o r m a n c eo ft h ef l o t a t i o na p p a r a t u sp l a y sa ni m p o r t a n tr o l ei nt h e p r o c e s so fa i rf l o t a t i o nt r e a t m e n t t h e r e f o r e ，t h ep e r f o r m a n c eo fm u l t i p h a s ep u m pi ss t u d i e d i n - d e p t h b ym e a s u r i n gt h ev o l u m eo fr e l e a s e da i ra n da i r - d i s s o l v i n ge f f i c i e n c yu n d e r d i f f e r e n to p e r a t i n gc o n d i t i o n ss u c ha sd i f f e r e n tp r e s s u r e ，f l o wr a t ea n da i ri n t a k e ，t h e p e r f o r m a n c eo ft h em u l t i p h a s ep u m pi se v a l u a t e d m e a n w h i l e ，t h ev a r i a t i o n so fm e a n d i a m e t e r so fr e l e a s e db u b b l e sa l o n gw i t ht h ec h a n g e so fp r e s s u r e ，f l o wr a t ea n da i ri n t a k ea r e a l s os t u d i e d t h er e s u l t si n d i c a t et h a tt h ev o l u m eo fr e l e a s e da i ra l m o s td o e sn o tv a r yw h e n p r e s s u r ec h a n g e s t h em a x i m u mv o l u m ei sg r e a t e rt h a n7 0 m l l ，a n dt h em e a nd i a m e t e ro f t h er e l e a s e db u b b l e si sa p p r o x i m a t e l y5 0 r t m i nt h ee x p e r i m e n t so fo i l yw a s t e w a t e rt r e a t m e n tw i t ha i rf l o t a t i o na p p a r a t u s ，f a c t o r ss u c h a sp r o c e s sl o a d ，r e c y c l er a t i o ，t y p e so fc o a g u l a n t s ，o i lc o n t e n ta n ds a l i n i t ya r es t u d i e d t h e r e s u l t ss h o wt h a tw h e nt h eo i lc o n t e n to fi n f l u e n ti sa b o u t2 0 0 m g l ，o i lc o n t e n tc a l lb e r e d u c e dt oa b o u t2 5 m g l ，a n dt h eo i lr e m o v a le f f i c i e n c ye x c e e d s8 5 w h e nt h eo i lc o n t e n t o fi n f l u e n ti sl e s st h a nl0 0 0 m g l t h eo i lc o n t e n to ft h ee f f l u e n tr e m a i n ss t a b l ea ta b o u t 3 5 m g l s a l i n i t yh a sac e r t a i ni m p a c to nt h ee f f e c to fa i rf l o t a t i o n t h er e m o v a li sr e l a t i v e l y l l i g hw h e nt h es a l i n i t yo fi n f l u e n ti sa b o u t1 5 - 2 0 9 l i nt h ee n do ft h et h e s i s ，t h ep e r f o r m a n c eo f m u l t i p h a s ep u m pf l o t a t i o ni sc o m p a r e dw i t h t h a to fc o m p r e s s e da i rf l o t a t i o n t h er e s u l t si n d i c a t et h a tb o t ht y p e so fa i rf l o t a t i o ns y s t e m h a v eh i g hr e m o v a le f f i c i e n c y , b u tt h ef o r m e rt y p eh a si t so w na d v a n t a g e ss u c ha sh i g h e r t r e a t m e n tc a p a c i t y , l o w e rr e c y c l er a t i oa n dc o a g u l a n td o s a g e ，l e s se q u i p m e n ti n v e s t m e n t ， l o w e ro c c u p i e dl a n da n dn on o i s ep o l l u t i o n d u et ot h e s eb e n e f i t s ，i tc a nb ep r e d i c t e dt h a tt h e m u l t i p h a s ep u m pf l o t a t i o nw i l lb ew i d e l yu s e di nt h et r e a t m e n to fo i l yw a s t e w a t e r k e yw o r d s ：p r e s s u r i z e dd i s s o l v e da i rf l o t a t i o n ；c o m p r e s s e da i r ；m u l t i p h a s ep u m p ； a i r - d i s s o l v i n ge f f i c i e n c y ；o i l yw a s t e w a t e r ；o i lr e m o v a le f f i c i e n c y 关于学位论文的独创性声明 本人郑重声翳：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，除文中已经加以标洼和致谢钋， 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。 着有不实之处，本人愿意承担相关法律责任。 学位论文作者签名：名叛盔擎 嚣期：矽哆车争胃勿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，按规定向囡家有关部门( 机 构) 送交学位论文，以学术交流为瞪的赠送和交换学位论文，允许学位论文被查阅、 借阕和复印，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： 网期：力哆年中月t o 豳 网期：矽哆年节月切网 中国石油大学( 华东) 硕士学位论文 第l 章绪论 1 1 课题研究的目的和意义 油田污水主要包括采油污水、钻井污水、洗井及作业污水等。采油污水，又称油田 采出水，是石油工业中产量最大的污水源，约占油田污水总量的9 0 f 1 1 。大量的油田污 水如不经处理或处理不彻底，直接排放则会造成严重的水环境污染和水资源的浪费；回 注地层，则会导致地层的堵塞，降低地层的渗透率，从而导致产量的下降。因此开展油 田采出水处理技术研究，对保护生态环境，节约水资源，保证注水质量，提高采收率具 有十分重要的现实意义。 油在污水中的存在形式根据油滴粒径的大小可分为浮油、分散油、乳化油和溶解油 四种【2 1 。 ( 1 ) 浮油：油滴粒径一般 l o o p m ，静置后能够较快地上浮，以连续相的油膜漂浮于 水面。浮油是油田污水的主要含油成分，约占含油总量的8 0 左右。 ( 2 ) 分散油：粒径为1 0 l o o p m ，悬浮分散于水中。分散油不稳定，经过一段时间的 静置后，可能会聚集合并为较大的油滴而上浮至水面，也可能会进一步变小，转化为乳 化油。 ( 3 ) - 孚l 化油：粒径o 1 一1 0 1 t m ，稳定地分散在水中，很难通过单纯的静置方法实现油 水的分离。这部分油分约占油田污水含油总量的1 0 左右，主要是由于油滴表面存在双 电层或乳化剂的保护而阻碍了油滴的合并，因而能够长期的保持稳定状态。由于乳化油 的稳定性，难以沉降分离，因此必须利用破乳的方式使其失稳后再加以分离。 ( 4 ) 溶解油：以分子状态分散于水中，油滴粒径 0 1 1 t m ，有时可d , n 几纳米。油分 与水形成稳定的均相体系，很难用一般的技术去除。但其含量很小，一般仅为5 - 1 5 m g l 。 油田污水中的浮油由于粒径大，易于上浮，一般可通过重力沉降罐、隔油池等设备 进行回收利用；乳化油和溶解油比较稳定，不易上浮，通常利用混凝沉降、气浮、过滤 等技术去除；分散油的性质介于浮油和乳化油之间，一般可采用粗粒化方法、旋流分离 技术等进行分离去除。 由于传统的重力沉降分离方法对水中的油类、纤维、藻类，以及其它悬浮杂质的分 离效果比较差，因此气浮净水技术应运而生，开始广泛应用于各种工业废水的处理中。 气浮技术的最大特点是能够有效去除水中的悬浮杂质，如水中的油滴等。加压溶气气浮 法是一种常用的气浮分离法，由于其产生的气泡直径小、气浮除油效果好，在油田污水 1 第1 章绪论 处理中得到了广泛的应用。因此，通过实验研究加压溶气气浮处理效果的影响参数，各 种溶气系统的溶气性能，对于改进气浮设备、降低生产成本具有重要的现实意义。 1 2 气浮技术的发展及研究现状 1 2 1 气浮净水技术的起源与发展 气浮技术是一种高效、快速的固液和液液分离技术，最初应用于选矿工业【3 】，发展 至今已普遍应用于水中固体与固体、固体与液体、液体与液体乃至溶质中离子的分离1 4 1 。 1 9 0 5 年，美国专利刊出了加压溶气技术；1 9 0 7 年，h n o r r i s 发明了喷射溶气气浮技术 【5 1 。气浮技术在净水工艺中的应用，自从2 0 世纪2 0 年代着手小试以来，进展一直不大， 原因在于气泡的尺寸很难控制。传统的减压阀存在着最佳开启度难于调节控制，释放后 的气泡尺寸大小不一的缺点，后来国外出现了专用释放器，有各种形式的喷嘴、针形阀 等，在国内也得到了应用。7 0 年代以后，人们改善了溶气方法，解决了溶气释放中产生 的气泡尺寸及其数量这个关键性难题，气浮净水技术才得以采用和逐步推广。 传统的加压溶气气浮装置存在两个问题： ( 1 ) 减压释放设备的细孔容易被废水中的颗粒堵塞； ( 2 ) 气浮设备多是敞开式，浮渣刮除过程中在大气风力的影响下极易造成泡沫飞扬。 近年来，随着水泵生产技术的发展，美国、日本等国生产出了专用溶气泵，能在原 水加压的过程中溶入一定比例的空气，产生微米量级的微气泡，无须使用专用释放装置。 这一成果给加压溶气气浮法带来了革新，国外出现了用溶气泵代替庞大的空气压缩机、 溶气罐的气浮装置，使系统得到简化，运转可靠性得以提高。同时，溶气系统的小型化 和一体化也成为近年来发展的方向，全密闭式加压溶气气浮设备也在国外开始问世【6 】。 1 2 2 气浮净水技术的分类 气浮技术处理废水的方法是通过某种方式向废水中通入空气，并以微小气泡的形式 从水中析出，然后以此为载体，粘附废水中的乳化油、微小悬浮颗粒等污染物质，使其 随气泡一起上浮到水面，形成泡沫一气、水、颗粒( 油) - - 相混合体，通过收集泡沫或浮 渣达到分离杂质、净化废水的目的。 气浮法主要用来处理废水中靠自然沉降或上浮难以去除的乳化油或相对密度接近 于水的微小悬浮颗粒。根据气泡产生方式的不同，气浮法可分为电解气浮、散气气浮和 溶气气浮法三种，其中部分回流水加压溶气气浮法是一种国内外常用的气浮方法【刀。 2 中国石油大学( 华东) 硕士学位论文 ( 1 ) 电解气浮 电解气浮法【8 1 是向水中通入5 i o v 的直流电压，废水在直流电压的作用下电解产生 h 2 、0 2 和c 0 2 等的微小气泡。利用电解法产生的气泡密度小，直径l o 6 0 1 9 n ，浮升过 程中不会引起水流紊动，浮载能力大，特别适用于脆弱絮凝体的分离。如果采用铝板或 钢板作阳极，则电解溶蚀产生的f e e + 和a 1 3 + 离子经过水解、聚合及氧化，生成具有凝聚、 吸附及共沉作用的多核轻基络合物和胶状氢氧化物，有利于水中悬浮物的去除。但由于 存在电耗较高，电极板易结垢等问题，目前该法主要用于小规模的工业废水处理和污泥 浓缩中。 ( 2 ) 散气气浮 散气气浮是利用机械剪切力，将混合于水中的空气粉碎成细小的气泡，以进行气浮 处理的方法。按粉碎气泡方法的不同，散气气浮又分为：水泵吸水管吸气气浮、射流气 浮、扩散板曝气气浮以及叶轮气浮等纠。 叶轮气浮法是散气气浮中最常用的一种，其基本原理为1 0 】：依靠叶轮的高速旋转形 成的负压，吸入气体并将其剪碎，形成微小的气泡，利用气泡携带污水中的污染物质上 浮至水面，以净化污水。叶轮高速旋转时，在固定的盖板下形成负压，气体从进气管中 吸入，进入水中的气体与循环水流一起被叶轮充分搅拌，在叶轮剪切力作用下，气体被 剪碎为微细的气泡并与循环水流一起甩出导向叶轮，经过稳流板消能，气泡携带污染物 质垂直上升，进行气浮处理。 叶轮气浮法的气浮效果取决于叶轮的转速、浮选剂的投加量和污水在浮选池内的停 留时间。叶轮的转速愈高，产生的负压越高，吸入的气量大，并且能够将其剪切成更小 的气泡而有利于气浮处理。但转速过高时，提高了油珠和悬浮物的乳化程度，使其以更 细小的颗粒存在于水体中，这样反而会使处理效果下降。浮选剂的投加一方面减弱了絮 体表面的亲水性，增强其疏水性，以利于气泡与絮体的粘附作用，另一方面降低了气、 水界面的界面张力，减小了气泡之间相互兼并的几率，使细小气泡能够稳定地存在于水 体中。 污水在浮选池中的停留时间，直接影响着气泡与絮体及气泡之间的碰撞接触时间， 在气浮处理中，存在着三种不同的碰撞和粘附作用：气泡与絮体之间；气泡与气泡 之间；携带气泡的絮体之间。后两种粘附作用会降低水体中的气泡密度，破坏已上升 的絮团结构，而不利于气浮处理。如果停留时间太短，粘附气泡的絮体未能上浮至水面 就随着出水流出，处理效果不理想：停留时间过长时，气泡之间与携带絮体的气泡之问 第1 章绪论 的兼并量增大，也会降低气浮处理的效果。 ( 3 ) 加压溶气气浮 溶气气浮是使空气在一定压力下溶于水中并呈饱和状态，然后使废水的压力骤然降 低，这时空气便以微小的气泡从水中析出并进行气浮。这种方法形成的气泡直径只有 8 0 1 a m 左右，而且可以人为控制气泡与废水的接触时间，因而处理效果远比散气气浮好， 应用也更为广泛。 根据气泡从水中析出时所处的压力不同，溶气气浮又可分为两种方式i l l 】：一种是溶 气真空气浮，空气在常压或加压下溶于水中，而在负压下析出；另一种是加压溶气气浮， 空气在加压下溶入水中，而在常压下析出。 加压溶气气浮广泛地应用于含油污水的处理，通常作为隔油后的处理和过滤或生化 处理前的预处理，其气浮装置一般应包含加压溶气系统、微气泡发生系统和悬浮物分离 系统等。其中，微气泡发生系统的溶气释放器只有产生微气泡的密度较高，才能提高气 浮的净水效果。同济大学于1 9 7 8 年研制成功t s 2 7 8 型低压溶气释放器，陈林峰于1 9 9 9 年研制成功高效溶气释放机【12 1 。 根据加压方式的不同，加压溶气气浮法具有三种不同的基本流程：全流程溶气气浮、 部分溶气气浮和部分回流溶气气浮。 全流程溶气气浮法是将全部废水用水泵加压，在泵前或泵后注入空气。在溶气罐内， 空气溶解于废水中，然后通过减压阀释放将溶气废水送入气浮池。减压释放后的溶气废 水在气浮池内形成许多小气泡，粘附废水中的乳化油滴或悬浮物颗粒，一起上浮至水面， 在水面上形成浮渣。用刮板将浮渣排入浮渣槽，最后经浮渣管排出池外。处理后的净化 水通过溢流堰和出水管排出。其特点为： 溶气量大，增加了油粒或悬浮颗粒与气泡的接触机会； 在处理水量相同的条件下，比部分回流溶气气浮所需的气浮池小，减少了基建投 资； 由于全部废水经过压力泵，所以增加了含油废水的乳化程度，而且所需的压力泵 和溶气罐均较其它两种流程大，因此投资和运转动力消耗较大。 部分溶气气浮法是取部分废水加压和溶气，其余废水直接进入气浮池并在气浮池中 与溶气废水混合。其特点为： 较全流程溶气气浮所需的压力泵小，故动力消耗低； 压力泵所造成的乳化油量较全流程溶气气浮低； 4 中国石油大学( 华东) 硕士学位论文 气浮池的大小与全流程溶气气浮相同，但较部分回流溶气气浮小。 部分回流水溶气气浮法是取一部分处理后的净化水回流进行加压溶气，溶气水释放 后直接进入气浮池，与气浮池内的含油废水混合，进行气浮处理。回流水量一般为含油 废水的2 5 , - - 5 0 。目前该溶气气浮法应用比较广泛，具有以下特点g 空气溶解度大，供气浮用的气泡数量多，能够确保气浮效果； 溶入的气体经骤然减压释放，产生的气泡不仅微细、粒度均匀、密集度大，而且 上浮稳定，对液体扰动小； 工艺过程及设备比较简单，便于管理和维护； 处理效果显著，出水水质稳定； 气浮过程中不促进油滴的乳化。 不加絮凝剂的情况下，溶气气浮法可以有效去除大于4 0 9 r n 的油滴，对于大量分散 的细小油滴和亲水性悬浮颗粒，其去除效果却很差。向待处理污水中加入适量的絮凝剂 可以使细小的颗粒聚结变大，同时改善悬浮颗粒的亲水、亲油性，从而提高气浮处理效 果。a i z o u b o u l i s 掣1 3 j 利用溶气气浮装置处理油水乳状液，以氯化铁为絮凝剂，在最佳 运行状态下，乳化油滴的去除率大于9 5 。m a l i kl h a m i 掣1 4 】在溶气气浮法处理炼油 厂污水中加入活性炭粉末，取得了良好的处理效果。 1 2 3 国内研究现状 我国对气浮技术的研究开始于2 0 世纪6 0 、7 0 年代，是最早研究气浮技术的国家之 一。1 9 6 3 年哈尔滨建工学院在齐齐哈尔钢厂煤气发生站采用射流气浮法对含酚废水进行 预处理除油研究，试验除油效率为8 0 左右。大庆油田设计院在1 9 6 3 1 9 6 5 年期间，曾 在东油库污水站用自制的叶轮浮选机进行过气浮试验，除油效率达到9 9 7 ，但当时考 虑到无定型的叶轮浮选机产品，且混凝除油也有较好的效果，因此从6 0 年代到8 0 年代 中期，油田开发业一直没有用气浮法处理含油污水。但随着石油工业的发展，各老油田 原油含水率大幅度增加，油田含油污水处理基建工程量也相应增加，这就需要提高单位 体积设备的处理能力及减少占地面积，同时由于低渗透油层所需注水水质标准越来越 严，因此需要采用除油效率高、停留时间短的气浮技术。1 9 8 4 年大港油田羊二庄污水处 理设计中采用了w e m c o 四级叶轮气浮机，经1 9 8 6 年投产试运除油效率可达7 9 8 ， 出水含油量1 8 8 m g l 。 目前在国外气浮技术已经广泛应用于油田废水的处理。我国中原油田文二联、胜利 第1 章绪论 油田1 0 2 、辽河油田署五联等处理站都采用了叶轮浮选机，因此，气浮技术在油田污水 处理中的应用前景良好i l 引。 张宝良等【1 6 1 于1 9 9 4 年结合大庆油田污水处理工艺的现状，提出了以气浮代替混凝 沉淀的工艺流程，并进行了实验研究。结果表明：溶气压力为0 3 2 m p a ，混凝剂p a c 的 投加量为4 0 m g l ，有效停留时间为0 2 3 5 一- 0 4 3 3 h 时，除油率可高达9 0 。当原水中硫 化物的含量为9 1 1 m l ，处理后水中硫化物的含量为4 5 5 m g l ，去除率在5 0 以上。 冯鹏邦等【1 7 】提出了处理含油污水的新型气浮设备一浮选柱。在实验室装置上研究了 其结构参数和操作参数对气浮效果的影响。研究结果表明，浮选柱是一种具有高效、节 能等优点的含油污水处理装置，除油率在9 0 左右，处理l m 3 污水能耗为0 1 1 3 k w h ， 比从国外引进的w e m c o 充气浮选机能耗低5 0 ，成本仅为w e m c o 充气浮选机的1 5 。 杜以兵l l8 j 将喷射气浮装置应用于华北油田的两个污水处理站现场，发现喷射气浮装 置运行稳定可靠，生产效率高，其除油效率为8 5 ，悬浮物的去除效率为7 6 ，效果 较好。 江汉石油机械厂同各油田设计院、学院等设计研究单位合作【1 9 1 ，针对油田采出水研 制开发了溶气气浮、叶轮式气浮、喷射式气浮等各种气浮设备。根据这些设备的实验情 况，总结了影响气浮效果的主要因素，并通过实验得出，进口含油量、药剂种类和用量、 气泡的大小、气水比、污水的矿化度等都是影响气浮处理效果的重要因素。通过试验对 比这三种气浮装置的性能发现，溶气气浮产生的气泡最小，叶轮式气浮产生的气泡最大， 喷射式气浮产生的气泡受气体排量和喷射器的影响较大。当进口含油量在1 0 0 - 2 0 0 m g l 时，溶气气浮的除油效率最大。但溶气气浮产生的气水比对除油不利，因为气体在水中 的溶解度十分有限，而叶轮式气浮装置和喷射式气浮装置的气泡尺寸不是十分理想，但 其气水比却比前者优越。因此得出结论：当含油量大于2 0 0 m g l 时，使用叶轮式气浮和 喷射式气浮较合适。 徐建引2 0 1 在过去研究选矿用浮选机经验的基础上，研制出一套采油污水除油专用浮 选机，并将其应用于大港油田采油作业三区。它有四个有效容积为4 1 m 3 的浮选槽，吸 气量较高，可达1 4 m 3 m 乙m i n ，这时实际电耗为3 0 k w 。该浮选机气泡分散较好，槽内 布气均匀、液面稳定，除油效果较好。对这套浮选机处理过的水随机取样1 0 0 多次，用 回注水化验方法测定其含油量，当浮选机进水含油在2 0 - - - 4 0 m g l 时，除个别水样含油量 超过1 0 m g l 以外，绝大部分水样的含油量都在2 - 6 m g l 的范围内。 李小兵掣2 l 】针对含油废水中难分离的细粒级油分，结合溶气气浮技术和浮选柱柱浮 6 中国石油大学( 华东) 硕士学位论文 选技术的优点，提出利用溶气析出式浮选柱处理含油废水，研制了溶气析出式浮选柱及 液位调节装置，建立了一套试验研究系统，采用十二烷基硫酸钠为表面活性剂，聚合铝、 聚丙烯酰胺为絮凝剂，通过系统试验，考察了溶气压力、进水p h 值、处理量、回流比、 泡沫层厚度、表面活性剂以及絮凝剂投加浓度等因素对除油率的影响。试验结果表明， 在优化操作参数条件下，除油率可达9 0 以上。 石化炼油厂污水处理场选用涡凹气浮工艺对原溶气气浮工艺进行改造 2 2 l ，结果表 明：涡凹气浮工艺污水含油去除率为8 8 2 ，溶气气浮工艺污水含油去除率为9 0 7 ， 两种工艺的处理效果接近；改造后污水处理电耗下降了0 2 2 1 k w h t ，降幅达8 6 ，处 理成本下降了0 0 9 元t ，与溶气气浮工艺相比，涡凹气浮工艺具有投资少、占地面积小、 节能降耗、操作强度低等优势。 邓兰军【2 3 】采用气浮工艺对杏十二联合站含油污水进行了气浮处理试验研究。通过分 析气浮时间和溶气量对处理后污水中含油量和悬浮物指标的影响，探讨了气浮工艺在油 田含油污水处理实际应用中的优化、简化方向。试验结果证明要进一步控制气浮处理工 艺的成本，提高处理效率，应结合含油污水成分，合理控制气浮时间和溶气量。 1 2 4 气浮柱的发展 气浮柱最早应用于选矿工业，称为浮选柱，作为一种浮选设备，最初于6 0 年代出 现在加拿大，由加拿大人皮埃尔布廷( p i e r r eb o u t i n ) 发明，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、成本低和处理效率高的优点，许多国家都相继对其进 行了的研究，并取得了一系列研究成果。如波兰的l 心p 型气浮柱、美国的m t u 气浮柱 及詹姆森型气浮柱1 2 4 j 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、 锌的矿石浮选，之后又扩展到金、钼等金属矿物的浮选。高敏等【2 5 】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 6 2 7 】对詹姆森气浮柱的性能及应用进行了大量的实验研究，取得了一系列的成果。 随着气浮柱工艺的发展，其在水处理领域的应用也越来越广泛。鉴于气浮柱的诸多 优点，国内也开始了将气浮柱工艺应用于废水处理领域的研究，并积累了丰富的研究成 果。王翔【2 8 】使用气浮柱与过滤工艺对含油污水的处理效果进行了研究，结果表明气浮柱 及纤维过滤工艺的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 i 】利用溶气 7 第1 章绪论 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，气浮柱除油率可以达到9 0 以上。冯鹏邦等【1 7 】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进行了研究，结果表明气浮柱是一 种高效、节能的含油污水处理装置。丁- - n 等【2 9 】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 2 5 气液混合泵在溶气气浮工艺中的应用 随着水泵技术的发展，气液混合泵逐渐被应用到气浮工艺。该泵吸气与吸水同时进 行，通过泵内加压实现气液混合。与传统加压溶气气浮系统相比，气液混合泵集加压泵、 空气压缩机、高压溶气罐、释放器等设备的功能于一体，设备投资少，占地面积小，且 更容易控制，因此近年来逐渐得到推广和应用。 目前，将气液混合泵气浮系统应用于污水再生回用的研究较少，但也取得了一定的 成果。就国内而言，成丽华3 0 】将气液混合泵应用于溶气气浮系统，对溶气系统的溶气性 能、气浮处理效果进行了深入研究。西安建筑科技大学的高湘等人f 3 1 1 也开展了类似研究， 处理对象为c o d 在7 0 1 5 0 m g l 之间的生活污水。朱兆亮、曹相生等人1 3 2 】对气液混合 泵溶气气浮系统应用于处理低浓度二级出水进行了实验研究，取得了较好的结果。 1 3 本文主要研究内容 本研究课题采用部分回流水加压溶气气浮工艺流程，以多相流溶气泵为主要的溶气 设备，设计构建了溶气泵加压溶气气浮实验装置，并进行了系统、深入的实验研究。在 总结实验结果的基础上，分析了其与压缩空气加压溶气气浮实验系统相比存在的优点。 本文研究的主要内容包括： ( 1 ) 实验装置的设计与建设； ( 2 ) 溶气系统溶气性能实验研究，包括释气量和气泡上浮速度测试，以及由此推算出 系统溶气效率和气泡理论平均直径： ( 3 ) 含油污水的配制方法，以及污水中油滴粒径分布、含油量的测试方法； ( 4 ) 气浮除油实验研究，确定影响气浮处理效果的参数，首先进行单项实验研究，然 后依据实验结果，分析确定系统最佳运行参数； ( 5 ) 对比实验结果，分析溶气泵加压溶气气浮系统与压缩空气加压溶气气浮系统的优 缺点。 8 中国石油大学( 华东) 硕士学位论文 第2 章气浮理论概述 本章从气浮理论体系和气浮发生的过程两个方面对气浮技术的理论研究进行了综 述。气浮理论体系包括热力学理论体系、动力学理论体系和流体力学理论体系，其中重 点介绍了气浮的动力学理论体系。气浮发生的过程包括气泡的产生，气泡和油滴絮粒 的接触，气泡和油滴絮粒的粘附，以及气泡一油滴絮粒共聚体的上浮等，在理论分析 的基础上，总结了影响气浮处理效果的主要因素。 2 1 气浮理论体系 随着气浮理论的不断丰富和发展，逐渐演变分化出三大理论体系：热力学理论、动 力学理论和流体力学理论【3 3 。3 5 1 ，分别从不同的角度对气浮过程，气泡颗粒的粘附机理进 行了阐述。 2 1 1 热力学理论 热力学理论从接触角和表面自由能的角度入手，研究絮体颗粒与微气泡的粘附机 理。该理论认为：压力溶气水减压释放后形成的微气泡，其外层包裹着一层透明的弹性 水膜，除排列疏松的外层( 流动层) 泡膜在上浮过程中受浮力和阻力的影响而流动外， 其内层( 附着层) 泡膜与空气一起构成稳定的微气泡而上浮；经过絮凝剂脱稳形成的具有 柔性网络结构的絮粒，保留有一定的过剩自由能和憎水基团；二者之间的粘附结合过程 是体系自由能降低的热力学自发过程。 2 1 2 动力学理论 动力学理论从粘附行为的微观过程入手，研究絮体颗粒和微气泡的粘附速度问题。 气泡和絮粒的粘附结合主要是以下几种因素综合作用的结果【3 5 j ： ( 1 ) 絮粒的网捕、包卷和架桥作用。絮粒对气泡的网捕是指，两絮粒相互接触并结 合变大时，将游离在中间的自由气泡网捕进去，如图2 1a 所示；包卷是指动能较大的 微气泡撞进大絮粒网络结构的凹槽内，被游动的絮粒所包卷，如图2 1b 所示：架桥作 用指己粘附有气泡的絮粒之间相互接触时，通过絮粒、气泡或两者的吸附架桥而结合变 大，成为夹泡性带气絮粒，如图2 1c 所示。 9 第2 章气浮理论概述 a 网捕b 包卷c 架桥 图2 1 絮粒的网捕、包卷和架桥作用 f i g 2 - 1t h ec a t c h i n g ，p a c k i n ga n db r i d g i n gr o l eo f f l o c ( 2 ) 气泡絮粒碰撞粘附。由于絮粒与微气泡带有一定的憎水性能，比表面积又很大， 并且有剩余的自由界面能。因此，它们具有相互吸附而降低各自表面自由能的倾向。在 一定的水力条件下，当具有足够动能的微气泡和絮粒相互靠近时，通过分子间的范德华 引力而相互吸附，并且彼此挤开对方结合力较弱的外层水膜相互靠近，气泡可以粘附在 絮粒外围，也可挤开絮粒中的自由水面而进入内部。絮粒与气泡的粘附点越多，粘附得 越牢，如图2 2 所示。气体与絮粒的碰撞机理包括布朗运动、截留作用和重力沉淀作用 及惯性作用【4 0 】。 图2 - 2 气泡与絮体的碰撞粘附作用 f i g 2 - 2c o l l i s i o n sa n da d h e s i o nb e t w e e nb u b b l ea n df l o c ( 3 ) 微气泡与微絮粒间的聚并。微气泡与絮粒碰撞粘附形成带气絮体，这种有微气 泡直接参与凝聚而与絮粒聚并长达的过程称作共聚作用。气泡与絮体的粘附方式包括三 种：单气泡粘附单絮体、气泡粘附在絮体周围及气泡粘附在絮粒中间和周围。理想的带 1 0 中国石油大学( 华东) 硕士学位论文 气絮体应该将气泡包含在絮体内部，这种絮体在上浮过程中，气泡不会脱落，并继续聚 并长大，成为浮渣后也不会轻易下沉，最能够充分发挥气泡与絮粒的共聚作用。 ( 4 ) 表面活性剂的参与作用。水中存在表面活性剂时，会影响微气泡的大小和牢度。 洁净的气泡本身具有自动降低表面自由能的倾向，即气泡合并作用。因此，表面张力大 的洁净水中的气泡常常不能达到气浮操作所要求的极细的分散度。此外，如果水中表面 活性物质很少，气泡壁表面就会由于缺少两亲分子吸附层的包裹而变薄；当气泡浮升到 水面以后，水分子很快蒸发，极易使气泡破灭，这样，在水面上就无法形成稳定的气泡 泡沫层。为了防止这些现象的产生，当水中缺少表面活性物质时，需要向水中投加表面 活性剂以减小液体的表面张力。但是，表面活性剂也会影响絮体的憎水性能，进而影响 气浮净水效果。当水中的表面活性剂剂量适中时，絮体的附加憎水基团增加，因此会提 高净水效果，但表面活性剂剂量过高时，过量的表面活性剂又会在水中形成大量的胶束， 并稳定存在于水中，导致气浮效果变差。 对粘附结合现象的理解可以借助动力学模型，主要有群体平衡理论模型和轨迹理论 模型3 6 】。该模型指出了气浮运行效果主要受混凝预处理参数和气浮设计参数的影响。 k i t c h e n e r 3 q 、t a m b o 等【3 7 1 从三电位和水化层方面研究，探讨其粘附条件，并且提出 了相应的数学模型。单忠健等【3 8 1 从“分离压”的基本概念出发，通过气泡与絮粒间残留 水化层性能的测定和计算，探讨了气泡与絮粒粘附过程的机理。罗固源1 3 9 从界面自由能 出发，通过水、气、粒三相界面总自由能的变化计算，探讨了气泡与絮粒粘附时，絮粒 与水的接触角与粘附之间的关系，研究了气泡与絮粒粘附过程的条件。 2 1 3 流体力学理论 流体力学理论从气浮池的水力学特征入手，研究如何创造气泡与絮体粘附、分离的 水力条件。气浮池的形状因此也经历了从狭长矩形浅池，逐步发展到圆形深池；气浮池 的表面负荷也从2 3 m h 增大到2 5 4 0 m ，h ( 甚至更高1 4 0 1 ) ；更为重要的是，气浮池分离区 的流态由原来的层流转化为紊流。在这期间，浮滤池、浮沉池、紊流气浮池等应运而生。 近年来，j h a a r h o f f 4 1 1 、n s j f a w c e e t l 4 2 1 、m l u n d h l 4 3 1 等用计算流体力学( c f d ) 对 气浮池内水流特征进行观测和模拟，发现分离区上部存在分层流和三维流动，水力条件 对净水效果的重要性认识正逐渐深化。 综上所述，气浮技术的三大理论体系中，动力学理论从粘附行为的微观过程入手， 研究絮粒成长过程，及气泡、絮粒的碰撞粘附过程，而这些过程直接影响到气浮处理的 第2 章气浮理论概述 效果，因此可以预见对这一领域的研究在未来的很长一段时间内都将是气浮理论研究的 重要内容。 2 2 气浮发生的过程 在气浮法处理含油污水中，气浮发生的整个过程包括四个基本阶段【删：( 1 ) 气泡的产 生；( 2 ) 气泡和油滴絮粒的接触；( 3 ) 气泡和油滴絮粒的粘附；( 4 ) 气泡一油滴絮粒共聚 体的上浮，撇渣去除。 2 2 1 气泡的产生 气泡产生的方式主要有三种： ( 1 ) n 水中通入直流电压，电解产生微气泡，称为电解气浮； ( 2 ) 通过气体和液体的机械混合产生微气泡，称为扩散气浮，或散气气浮； ( 3 ) 高压下将气体溶解于水中，形成溶气水，然后在常压下释放形成大量微气泡，称 为溶气气浮。 气泡的产生方式决定了所产生的气泡的直径和密度，而气泡的直径和密度又决定了 气泡和油滴絮粒的碰撞效率，因而气泡的产生方式直接影响到气浮的处理效果。 2 2 2 气泡和油滴絮粒的接触 气浮过程中，气泡和油滴絮粒必须进行接触，才能发挥气泡的作用。气泡和油滴 絮粒的接触过程是一个基本的水动力学过程。因为一般情况下，油滴絮粒和气泡的密度 比水小，相对于水来说比较容易上浮。通常，气泡的直径要比油滴的直径大，气泡与水 的密度差也比油滴絮粒与水的密度差大，由于这两个原因的存在，气泡比油滴絮粒的 上浮速度更快，可以超越油滴絮粒，这引起了气泡一油滴絮粒相互接触的可能性。另 外，在某个运动气泡的周围存在液体的流动，从而引起油滴絮粒的偏离，运动气泡与油 滴絮粒的偏离将会降低其接触的可能性。 对于比水的密度大的固体颗粒的水动力学问题，目前已经有了大量的数学研究，因 为该领域由于气浮选广泛应用于矿产工业分离多种矿物而受到了很大的关注。固体颗粒 与水的分离和油滴絮粒与水的分离不同，固体颗粒通过泡沫下沉，而油滴絮粒更易于 上浮。不过固体颗粒与水的分离的一些研究结论还是可以推广到油滴絮粒与水的分离。 对于气泡和颗粒接触过程的研究，主要应集中在影响接触过程的参数，以及如何使 这一过程晟优化。在数学上，这些是通过确定气泡一颗粒接触效率的函数依赖来完成的。 中国石油大学( 华东) 硕士学位论文 此处的接触效率定义为：运动路径上，经过气泡并与气泡实际接触的部分颗粒与路径上 颗粒总数的比值。 f l i n t 和h o w a r t h 4 5 1 计算出了在含有空间上均匀分布的颗粒的无限水域中，单个气泡 的接触效率。计算结果表明，忽略惯性的小颗粒( 如直径 5 0 0 1 m a 的油滴) ，不会与气泡 发生接触，因为颗粒的密度比水小。然而该研究认为，必须指出可以忽略物理尺寸的颗 粒的集合，因而将接触定义为：颗粒4 1 心轨迹线与气泡表面相交。这一定义忽略了由于 颗粒表面，因颗粒的中心经过气泡附近，而与气泡发生接触的可能性。 r e a y 和r a t c l i f f t 4 6 1 在研究中假设了颗粒的惯性不起主导作用，而且还考虑了颗粒大 小的影响，认为颗粒与气泡都存在于斯托克斯流动体系中。其接触效率的计算公式为： 巨= 苦( 二一面3 + 丽1 弘， 其中， k = 1 + 2 ( 2 2 ) 萨( 川) 2 ( 务一 弘3 ， r e a y 和r a t c l i f f 的研究结果表明，接触效率随着颗粒直径的增大和气泡直径的减小 而急剧增大。而且，在给定含气量的情况下，气泡密度随着气泡直径的减小而增大。因 此，减小气泡的直径，气泡的数量增加，而且单个气泡的接触效率增加，从而提高了颗 粒去除率。r e a y 和r a t c l i f r 分析认为，颗粒的去除率与1 譬成比例。 因为r e a y 和r a t c l i f f 的研究中，假设的斯托克斯流动仅当气泡直径 1 0 0 u m 时才有 效，限制了计算的准确性，而且分析中忽略了单个气泡的影响。 为了更好的理解气泡和颗粒的直径及气泡的密度对接触效率的影响，可以建立一个 简单的几何模型，该模型不考虑水的动力，认为直径相同的气泡均匀分布于水中。然后， 单个气泡可以认为是在边长为2 b 的立方体的中心。使r o = ( 6 一) 乞最小化，将会使 立方体内的油滴絮粒与气泡发生接触的可能性最大化。因为， 导7 r o = ( 2 6 ) 3 ( 2 - 4 ) 舍等= 文岳一， 陋5 ， 名 名i 、fo ，gj 第2 章气浮理论概述 通过上面的公式可以得出，使吃、和乞的值最小化，将会使a t o 的值达到最小， 这也