（市政工程专业论文）餐饮废水的除油工艺研究.pdf

摘要 餐饮废水是一种高含油量和高化学耗氧量的废水，动植物油是关键污染物， 减少餐饮含油废水中的含油量对降低化学耗氧量有着直接影响。本文针对餐饮 废水中油份的去除，对重力除油、浮选及过滤进行了理论分析，并结合对餐饮 废水的水质、水量的实际调查，设计了先进行浮选式三级隔油，再过滤的餐饮 废水除油工艺。并根据水力学缩放原理，设计计算模型尺寸，并通过模型进行 了试验研究。 通过研究，发现以下几点： 1 在三级隔油池内使用微孔布气浮选装置进行浮选，可强化油水分离过程， 可去除4 0 ui t i 以上的油珠。 2 通过对浮选式三级隔油装置的试验运行，发现表面水力负荷、进水含油 量、浮选级数、气液比是重要影响参数，对处理效果有较大影响。 3 通过正交试验表明：表面水力负荷宜控制在0 4 m h 左右；浮选式三级隔 油装置对进水含油量的波动适应性强，当进水在3 0 l s o m g l 变化时，出水含 油量只有较小变化；布气浮选有利于油水的分离，其中浮选级数的选择和气液 比的确定是提高油水分离效果的关键，直接影响到设备的除油效率，一级浮选 效果优于二级和三级浮选，气液比为4 3 7 5 ( m l l ) c m 左右时能达到较好的处 理效果。 4 过滤与浮选式三级隔油池装置联合使用试验表明：使用改性纤维球过滤 能进一步降低出水含油量，提高油份去除率，且有滤速高、利于反洗的优点； 初试试验中，出水中油珠粒径在1 0 i im 以下；正交试验表明过滤进水含油量对 油份去除率的影响大于滤速的影响。 5 对改性纤维球滤料的截油能力试验，估算出截油量为1 1 0 0 2 6 0 0 9 油3 滤料。 浮选式三级隔油装置结合改性纤维球过滤系统对于餐饮废水中油份有很好 的处理效果，是一种经济实用的除油技术，具有很好的应用前景。 关键词：餐饮废水，隔油，浮选，过滤，改性纤维球 a b s t r a c t r e s t a u r a n tw a s t e w a t e ri sak i n do fw a t e rw i t hh i g l lo j lc o n t e n ta n dh i g hc o d v a l u e a n i m a lo i la n dv e g e t a b l eo i la r em a i nc o n t a m i n a t o r s t h er e d u c t i o no fo i l c o n t e n th a st h ed i r e c ta f f e c to nt h ed r o po fc o dv a l u e i nt h i sp a p e r , a i m e da td e a l i n g w i t ho i lc o n t e n ti nr e s t a u r a n tw a s t e w a t e r , t h ep r o c e s so fo i l w a t e rs e p a r a t i o nb y g r a v i t y , a i r - f l o t a t i o na n df i l t e ri sa n a l y z e di nt h e o r y o nt h eb a s i so fq u a l i t ya n d q u a n t i t yo fr e s t a u r a n tw a s t ee f f l u e n t ，t h eg r a v i t ya n d a i r - f l o t a t i o ns e p a r a t o rc o m b i n e d w i t hf i l t e r i n gs y s t e mp r o c e s si sd e s i g n e d w i t ht h ep r i n c i p l eo fh y d r a u l i cs i n i n ka n d m a g n i f yt h e o r y , t h em e a s u r e m e n t so ft h es e p a r a t o rm o d e l sa r ec a l c u l a t e da n d d e s i g n e d t h ep e r f o r m a n c eo ft h eo i lr e m o v i n gs y s t e mi ss t u d i e db ye x p e r i m e n t s i ti sf o u n dt h a t ： 1 t h es m a l la p e r t u r ed e v i c eu s e df o ra i r - f l o t a t i o nc a ns t r e n g t h e nt h ep r o c e s so f o i f w a t e rs e p a r a t i o n t h ed i a m e t e ro fo i ld r o pm o r et h a n4 0umc a nb er e m o v e db y t h es e p a r a t o r 2 s u r f a c eh y d r a u l i cl o a d ，o i lc o n t e n ti ni n f i u e n t ，s t a g e so fa l l f l o t a t i o n ，r a t i oo f a i ra g a i n s tw a t e ra r ef o u ri m p o r t a n tp a r a m e t e r s 3 t h ee x p e r i m e n tw a sc a r d e do n ，a n dt h er e s u l ti n d i c a t e dt h a t ：t h es u r f a c e h y d r a u l i cl o a ds h o u l db ec o n t r o l e da t0 4 m h ；t h es e p a r a t o rh a sg o o da d j u s t a b i l i t yt o t h ef l u c t u a t i n go i lc o n t e n ti ni n f l u e n t ，w h e nt h eo i lc o n t e n ti ni n f l u e n tv a r i e sf r o m3 0 t o1 5 0 m 北t h eo i lc o n t e n tf l u c t u a t i o ni ne f f l u e n ti sl o w ；t h ea i r - f l o t a t i o ni sb e n e f i c i a l f o ro i l w a t e rs e p a r a t i o n ，t h es e l e c t i v i t yo fa i r - f l o t a t i o ns t a g e sa n dr a t i oo fa i ra g a i n s t w a t e ra r ec r u c i a lt oo i lr e m o v a le f f i c i e n c yo ft h es e p a r a t o r , t h er e s u l ti sb e t t e rf o r a i r - f l o t a t i o ni nf i r s ts t a g et h a nb o t hi nt h ef i r s tt w os t a g e so ri na l lt h r e es t a g e s ，t h e r a t i oo fa i ra g a i n s tw a t e rc o n t r o l e da b o u t4 3 7 5 m l ( l c m ) c a na t t a i ns o u n de f f e c t 4 m o d i f i e df i b e rb a l lf i l t e rc o m b i n e dw i t ha i r - f l o t a t i o nt h r e es t a g eo i f w a t e r s e p a r a t o r t h er e s u l t si n d i c a t et h a t ：t h eo i lc o n t e n tc a nb er e d u c e df u r t h e ro i lr e m o v a l e f f i c i e n c yc a l lb ee n h a n c e d ，t h ef i l t r a t i o nr a t ei sh i ：g ha n dm o d i f i e df i b e rb a l lc a nb e w a s h e de a s i l y ；i nt h et e n t a t i v ee x p e r i m e n t ，t h ed i a m e t e ro fo i ld r o pi sl e s st h a n1 0um i nt h ee f f l u e n t ；t h eo i lc o n t e n ti ni n f l u e n tc a na f f e c tm o r et h a nt h ef i l t r a t i o nr a t e i i 5 i nt h eo i li n t e r c e p t i n ge x p e r i m e n t ，i tc a nb er o u 曲l ye s t i m a t e dt h a t ，t h e i n t e r c e p t i n ga b i l i t yo ft h em o d i f i e df i b e rb a l li s1 1 0 0 2 6 0 0g r a m so i lp e rc u b i cm e t e r f i b c r b a l l i ti se f f e c t i v et or e m o v eo i lc o n t e n ti nr e s t a u r a n tw a s t e w a t e r b yu s i n g a i r - f l o t a t i o nt h r e e s t a g eo i l w a t e rs e p a r a t o rc o m b i n e dw i t hm o d i f i e d f i b e rb a l l f i l t r a t i o ns y s t e m a n di th a sp r o m i s i n ga p p l i c a t i o nf o r e g r o u n d k e yw o r d s ：r e s t a u r a n tw a s t e w a t e r , o i l w a t e rs e p a r a t i o n ，a i r - f l o t a t i o n ，f i l t r a t i o n ， m o d i f i e df i b e rb a l l i l i 武汉理工大学硕上论文 第一章绪论 1 1 本课题研究的目的和意义 餐饮废水是餐厅、食堂、酒店等餐饮单位排放的未经处理的废水，是一种 高浓度的有机废水，近年来，随着我国经济的发展和人民生活水平的提高，餐 饮业每年以1 0 以上的速度递增“1 ，随着锓饮业的不断发展，餐饮单位数量的不 断增加，其排放的高含油、高化学耗氧量的废水已成为一个重要的水污染源。 餐饮废水中的污染物可分为两类：一类是以高分子脂类及其衍生物为主的 动植物油，另一类是以不溶性蛋白、纤维质、淀粉质态的非溶解性有机物形式 存在的饭菜碎粒。1 。 餐饮废水中的动植物油是乙醇或甘油与脂肪酸形成的化合物，属难生物降 解有机物。这种含油废水对环境的污染主要表现在对生态系统及自然环境的严 重影响。流到自然水体中的可浮油，形成油膜后会阻碍大气复氧，断绝水体氧 的来源；而水中的乳化油和溶解油，由于需氧微生物的作用，在分解过程中消 耗水中溶解氧，使水体形成缺氧状态，以致鱼类和水生生物难以生存。含油废 水排入城市排水管道，对排水设备和城市污水处理厂都会造成影响，流入到生 物处理构筑物的混合污水的含油浓度，通常不能大于3 0 5 0 m g l ，否则将影响 活性污泥和生物膜的正常代谢过程，所以必须对餐饮含油废水加以处理，达到 污水排入城市下水道水质标准后才能排放。1 。含动植物油废水排放标准见附表 1 1 。 餐饮废水的主要特点是较高含油量和高化学耗氧量，浮油、分散油和比较 稳定地存在于废水中的乳化油大大增高了水中化学耗氧量的值，可见，动植物 油是关键污染物，减少餐饮业含油废水中的含油量对降低化学耗氧量有着直接 影响。 本课题以餐饮含油废水为研究对象，研究和探讨了餐饮废水的除油工艺， 系统分析了各种因素对除油效率的影响。该研究成果可以为餐饮废水的除油工 艺提供理论依据，为餐饮废水的除油工艺的科学研究提供实验手段，在推动餐 饮废水的治理，保护水体环境，提高学术水平方面均具有重要意义。 武汉理工大学硕十论文 1 2 国内外研究现状 餐饮废水是一种含油废水，污水中不同形态的油有着不同的理化性质，在 很大程度决定了相应处理方法的选择。通常油类在水中主要以五种状态分布“。 ( 1 ) 浮油：这种油在水中分散颗粒较大，油粒径一般大于i 0 0 m ，静置 后能较快上浮，以连续相的油膜漂浮在水面。 ( 2 ) 分散油：油在水中的分散粒径为i 0 1 0 0 1 21 1 i ，以微小油珠悬浮于水 中，不稳定，静止一定时间后往往形成浮油。 ( 3 ) 乳化油：油珠粒径小于1 0 um ，一般为0 1 2 um 。往往因水中含 有表面活性剂使油珠形成稳定的乳化液。乳化油的稳定性取决于废水的性质及 油滴在水中分散度，分散度愈大愈稳定。 ( 4 ) 溶解油：油以分子状态或化学方式分散于水体中，形成稳定的均相体 系，粒径一般小于几微米。 对于含油废水的处理方法按原理可分为物理法( 沉降、机械、离心、粗粒 化、过滤、膜分离等) ；物理化学法( 浮选、吸附、离子交换、电解等) ；化学 法( 凝聚、酸化、盐析等) ：生物化学法( 活性污泥、生物滤池、氧化塘等) ”。 下面介绍几种国内外常见的处理方法。 1 2 1 重力分离法 重力分离法是利用油水两相的密度差及油和水的不互溶性进行分离。该类 方法设备结构简单，易操作，除油效果稳定。多年来重力分离法作为一种基本 而简便的物理除油方法，一直是国内外学者研究的热点。用于餐饮含油废水的 除油，亦有不消耗药剂，无二次污染，运行维护费用低等优点。重力油水分离 技术经历了如下的发展过程。 ( 1 ) a p i 型油水分离池( 平流式隔油池) a p i 型油水分离池是由a p i ( a m e r i c a np e t r o l e u mi n s t i t u t e ) 研制出来 的装置。在构造方面，为回收漂浮的油而增加了回转式集油管，其它则与平流 式沉淀装置完全相同。平流式隔油池占地面积大，构造简单，维护容易、使用 较为方便，除油效率达6 0 7 0 ，可除去的最小油滴粒径为i 0 0 1 5 0um 。缺点 是占地面积大。 武汉理工大学硕十论文 ( 2 ) p p i 型油水分离池 所谓p p i 型油水分离池( 平行板式隔油装置，p a r a l l e lp l a t e i n t e r c e p t o r ) ，是由壳牌( s h e l l ) 石油公司于1 9 5 0 年研制出来的斜板式油水 分离池。它是在平流式隔油池内沿水流方向安装数量较多的倾斜平行板，不仅 增加有效分离面积，而且也提高了整流效果。斜板间距为l o o m m ，倾角为4 5 。 在斜板内被分离的油，沿着斜板的下面上升，而后收集到捕油顶盖内，再从顶 盖一端的溢流管流出，从而回收原水中的油珠。这种装置可去除大于8 0um 的 油珠。 ( 3 ) c p i 型油水分离池 c p i ( c o a g u l a t e dp l a t ei n t e r c e p t o r ) 为波纹斜板式隔油装置，也是由壳 牌( s h e l l ) 石油公司研制出来的一种斜板式油水分离池。和p p i 型油水分离 池一样，它也是一种斜板式分离装置。但斜板的形状不是平板，而是波纹板。 而且，由于斜板的间距为2 0 4 0 m ，所以可以使每单位容积的分离面积增大。 设计分离大于6 0 um 的油珠。其优点是油水分离效果好，停留时间短( 一般不 超过3 0 分钟) ，占地面积小“。 ( 4 ) c p s 聚结板分离器 英国p r a m 公司于7 0 年代初开发了先进的聚结板分离器( c o a l e s c i n g p l a t es e p a r a t o r ) “，其中的聚结元件为一叠v 型板，聚结板由玻璃纤维制 成，板上有放液孔，允许聚结油滴垂直穿过板。该设备主要适合处理含油量在 2 0 0 一1 0 0 0 m g l 的污水，出口水质在5 0 m g l 左右“。通过现场应用证明了其独 特的优越性，使油水分离向前迈进了一大步。 ( 5 ) p e r f o r m a x 板式聚结器 到了8 0 年代，美国c - en a t c o 公司开发了商标为p e r f o r m a x 的板式聚 结器，这是一种错流设备“”。其聚结部分是由多层斜板重叠而成，与单层板式 聚结器相比，可大大提高分离效率，而且不易阻塞。聚结部分可由不同材料制 造，如聚丙烯、不锈钢和碳钢。在相同的运行条件下，该装置的处理能力远远 大于以往的分离器，成为油水分离向高效、小型化发展的关键技术。 8 0 年代以来，水力旋流分离技术的开发应用成为油水分离技术发展的标志， 具有设备体积小，停留时间短，处理效率较高的优点。但由其分离原理所决定 的高流速对含油废水会造成严重的二次乳化，要求进出口较大的压差作为运行 能量，而且对排液控制要求高，因而在一定程度上限制了该技术的实际应用1 。 武汉理工大学硕士论文 这期间在重力沉降分离领域，仍以填料式分离器为主，并逐渐与聚结技术相结 合“6 。1 ”，在世界范围内得到广泛应用。 重力分离法主要适用于浮油和机械乳化分散于水中的油珠分离，但无法去 除乳化油。 1 2 2 气浮法 气浮法是使大量微细气泡吸附在欲去除的颗粒( 油珠) 上，利用气体本身 的浮力将污染物带出水面，从而达到分离目的的方法。这是因为空气微泡由非 极性分子组成，能与疏水性的油结合在一起，带着油滴一起上升，上浮速度可 提高近千倍，所以油水分离效率很高。若在含油废水中加入絮凝剂，还会进一 步提高油水的分离效果。气浮法处理含油废水工艺成熟，油水分离效果好而且 稳定，己被广泛应用于油田废水、石油化工废水、食品油生产废水等的处理， 但动力消耗较大，构造复杂，维修保养困难，且浮渣难处理“。 1 2 3 粗粒化法 粗粒化法( 聚结法) 是利用油水两相对聚结材料亲和力的不同来进行分离， 主要用于分散油的处理。此法的技术关键是粗粒化材料的选择，许多研究者认 为材质表面的亲油疏水性是主要的，而且亲油性材料与油的接触角小于7 0 。为 好。常用的亲油性材料有蜡状球、聚烯系或聚苯乙烯系球体或发泡体、聚氨酯 发泡体等。用粗粒化法处理乳化食用油脂废水，使用w 型和h 型改性聚丙烯酰 胺纤维作为粗粒化滤料，均能有效处理乳化食用油脂废水。试验表明：h 型比w 型具有更好的除油性能；用h 型改性聚丙烯酰胺纤维作为粗粒化滤料处理实际 餐饮废水能有效降低餐饮废水的含油量，并能大幅度降低c o d 的浓度“。粗粒 化法可以把5 1 0pm 粒径以上的油珠完全分离，无需外加化学试剂，无二次 污染，设备占地面积小，基建费用较低。但对悬浮物浓度高的含油废水，聚结 材料易堵塞。 4 武汉理工人学硕士论文 1 2 4 凝聚法 凝聚法是指向废水中投加絮凝剂，利用絮凝物质的架桥作用，使微粒油珠 结合成为聚合体。含油废水中的油，按其表面性质说是完全疏水的，且密度比 水小，按道理应该能够互相吸聚，兼并成较大的油珠，借其密度差自行上浮到 水面。但由于水中含有由两亲分子组成的表面活性物质，表面活性物质的非极 性端吸附在油粒内，极性端则伸向水中，在水中的极性端继续电离，从而导致 油珠表面包围了一层负电荷，从而影响了油珠向气泡表面的吸附，使乳化油水 形成稳定体系1 。投加混凝剂的作用除了压缩双电层降低电位外，还有吸附一电 中和、吸附一架桥以及沉析物网捕等作用，以达到理想的混凝效果。 凝聚法的关键是絮凝剂，它分为无机混凝剂和有机混凝剂两大类。无机高 分子絮凝剂通常指聚合氯化铝( p a c ) 、聚合硫酸铁( p f s ) 、聚合氯化铁( p f c ) 等聚合铝( 铁) 盐，它们通常带正电荷，能吸附水体中带负电的胶体而发生凝 聚，并从水体中沉降从而除去水中的污染物。有机高分子混凝剂由于分子量大， 对水中胶体、悬浮颗粒的吸附一架桥能力强，且絮凝速度快、受共存盐类、p h 值 及温度影响小，生成污泥量少而在水处理中占有重要位置。“。有机高分子凝聚 剂的研究发展很快，但目前有机高分子絮凝剂在含油废水处理方面的应用仍然 主要是用作其它方法的辅助剂。虽然无机絮凝剂法的处理速度快，但药剂较贵， 污泥生成量多，且容易产生二次污染。 1 2 5 生物处理法 生物处理法是利用微生物的生物氧化作用使废水得到净化的一种方法。餐 饮废水中的动植物油是烃类物质，可以利用微生物将餐饮含油废水中的烃类物 质分解氧化成为二氧化碳和水。对于含油量在3 0 m g l 5 0 m g l 以下、同时具有 较好生化性的餐饮废水，可用生物氧化法去除废水中的乳化油和溶解油等烃类 物质瞰1 。 含油废水生化处理有活性污泥法和生物膜法两种。前者是在曝气池内利用 流动状态的絮凝体( 活性污泥) 作为净化微生物的载体，通过吸附、浓缩在絮 凝体表面上微生物来分解有机物。后者系在生物滤池内，使微生物附着在固定 的载体( 滤料) 上，污水从上而下散布，在流经滤料表面过程中，污水中的有 武汉理工大学硕士论文 机物质便被微生物吸附和分解破坏“”。 生物法处理餐饮含油废水，主要对c o d 有较好的处理效果，出水水质好 但是对进水要求较高，需要专业人员维护，而且基建费用高。 1 2 6 过滤法 过滤指悬浮颗粒受到一定的限制，废水流动而将悬浮颗粒抛弃，其分离效 果取决于限制颗粒的过滤介质。过滤主要是悬浮颗粒与滤料介质之间粘附作用 的结果。水流中的悬浮颗粒能够粘附于滤料介质表面上，涉及两个问题。首先， 被水流挟带的颗粒如何与滤料介质表面接近或接触，这就涉及颗粒脱离水流流 线而向滤料介质表面靠近的迁移机理，一般认为迁移由以下几种作用引起：拦 截、惯性、扩散和水动力作用等；第二，当颗粒与介质表面接触或接近时，依 靠哪些力的作用使得他们粘附于介质表面上，这就涉及粘附机理，粘附是水中 颗粒迁移到滤料表面上时，在范得华引力和静电力相互作用下，以及某些化学 键和某些特殊的化学吸附力下，被粘附于滤料介质表面上，或者粘附在介质表 面上原先粘附的颗粒上。粒径较小的油珠是含油废水中的一种悬浮颗粒，可以 通过过滤的方法去除。 对于过滤的研究成果，主要表现在对过滤机理进行的探索研究，创立了各 种过滤理论模式以及过滤介质的改进。 近2 0 年来，中国和日本相继展开了对纤维滤料研究。在含油废水的处理中， 纤维球滤料已具有较好的除油能力，但由于纤维球表面有极强的亲油性，使其 吸附油后不能冲洗干净，阻碍了纤维球滤料在含油废水过滤处理中的推广应用。 后来，对纤维球表面进行亲水疏油改性，研制开发了改性纤维球滤料，不仅有 很好的除油效果，而且具有很强的反洗再生能力。 1 2 7 膜过滤法 膜过滤法是s s o u r i r a j a n 所使用并在近2 0 多年迅速发展起来的分离技 术3 。 膜过滤法除油是利用微孔膜拦截油粒，可以用于去除餐饮废水中的乳化油 和溶解油。滤膜又可分为超滤膜、反渗透膜和混合滤膜。超滤膜的孑l 径一般为 武汉理工大学硕士论文 0 0 0 5 0 0 lum ，比乳化油粒要小的多。反渗透膜的孑l 径比超滤膜的还要小。因 此，在受压情况下含油废水中的油粒无法通过滤膜而被截留下来。这两种膜常 被制成空心纤维管过滤器，以增大膜的过滤面积。混合过滤膜的孑l 径在11 1m 以 上，是由亲水膜和亲油膜组成的。亲水膜是一种经化学处理的尼龙超细无纺布， 它只允许水通过。亲油膜为聚丙烯超细无纺布，它只能让油粒通过。因此，利 用混合膜过滤器便可达到水油分离的目的。 现在已有用膜过滤法处理食用油废水的报道，实验研究表明：无机陶瓷膜 过滤技术用于处理食用油废水，能实现废水稳定达标排放”。 膜过滤法处理废水正从实验室研究转向实际应用阶段。它具有不需加入其 它试剂、不产生含油污泥、浓缩液可烧，处理、设备费用低等优点。它存在的 问题是，处理量较小，大规模废水处理时，需对废水进行严格的预处理，且膜 的清洗也较麻烦。 综上所述，对于餐饮含油废水来说，除油的处理方法虽然较多，但各种方 法都有其局限性，在实际应用中通常是几种方法联合分级使用，使出水水质达 到排放标准。 1 3 本课题的主要研究内容及方法 对于餐饮含油废水的除油，物理处理方法是去除水中浮油、分散油的传统 方法，处理过程最为经济，使用最普遍，并以构造简单，维护容易、能耗低、 使用方便、不产生二次污染等优点，在餐饮含油废水的除油处理中得到了广泛 应用。而目前将重力分离与过滤技术相结合，选用合适的过滤介质，最大程度 地提高除油效率，正逐渐成为当今油水分离领域的研究热点啪1 ”。 一方面，从重力油水分离技术的发展过程可以看出，将重力分离与聚结技 术相结合，可大大地提高除油效率，但同时在应用中也存着很多问题，如不能 同时兼顾聚结材料的亲油疏水性、耐腐蚀耐老化及经济性，分离器内部的水力 条件仍不够理想等问题。因此，可以考虑改善设备内部的流动特性，同时将重 力分离与浮选相结合。另一方面，为进一步提高除油效果，尝试联合使用改性 纤维球进行过滤处理。 因此本文主要致力于以下研究工作： ( 1 ) 在理论上分析油水重力分离的过程，考虑如何改善隔油池内部的流动 7 武汉理工大学硕士论文 特性。 ( 2 ) 通过对浮选技术的理论研究，将重力分离与浮选技术相结合，寻找合 适的浮选条件，提出浮选式三级隔油池的设计方案。 ( 3 ) 尝试联合使用改性纤维球作为过滤介质进行过滤处理。 ( 4 ) 根据餐饮含油废水的水质、水量特点设计实际浮选式三级隔油的除油 处理工艺和改性纤维球过滤系统的工艺，并根据水力学相似原理，计算浮选式 三级隔油池试验模型尺寸，设计改性纤维球滤柱试验模型，并定制试验模型。 ( 5 ) 对浮选式三级隔油试验模型进行小试研究，分析各因素对处理效果的 影响。并对浮选空气流量、浮选级数对除油效果的影响进行试验研究。 ( 6 ) 使用改性纤维球过滤介质进行过滤试验，分析处理效果及影响处理效 果的因素，并分析改性纤维球滤料的截油能力。 武汉理工大学硕士论文 第二章餐饮含油废水除油工艺的理论研究 2 1 油水重力分离的理论分析d 们 重力法脱除水中的油珠，其基本原理是利用油、水密度的差异，而使油滴 浮升分离。 2 1 1 油珠在水中的上浮现象 当油珠静止处于静水中时，它受到两个力的作用：一是它本身向下的重力； 二是水对它向上的浮力。因为油珠的密度比水小，那么它所受的重力将比浮力 小。由于这一富余浮力的推动，油珠就会自然地上浮。开始上浮时，油珠呈加 速度上浮，但油珠一经开始运动，它就会受到与运动速度相反方向的阻力作用， 该阻力由运动速度产生且与运动速度正相关，即速度增加，阻力增大。当油珠 上浮速度加速到某一值，使油珠所受阻力与富余的浮力相等时，油珠便会以此 时的上浮速度匀速上浮，直至完成整个上浮过程。 2 。1 。2 油珠在静水中的上浮速度 为导出油珠在静水中的上浮速度，需要做出下列假定：油珠形状为球形； 油珠处在无限液体中，即其他油珠和容器壁对其上浮不产生影响；上浮速 度是指匀速时的最终上浮速度。 根据上述2 1 1 的论述。可列油珠在静水中的受力平衡方程： f 1 一f 2 + f 3 ( 2 - 1 ) 式中只油珠的浮力， e ；车馏 ( 2 埘 f 1 油珠的重力， 武汉理工大学硕上论文 f ：嬖喵 只油珠上浮受到的水的摩擦阻力， 只= 学一c 等p 譬 式( 2 - 2 ) 、式( 2 3 ) 和式( 2 - 4 ) 中， d 油珠直径； p ，油珠密度； g 重力加速度； p 水的密度； “油珠上浮速度； c 与雷诺数有关的阻力系数； c ；2 4 ( 2 3 ) ( 2 4 ) ( 2 5 ) r e ；d u _ 2 _ p( 2 6 ) 式中 r e 雷诺数； 水的粘滞度。 将上列各式代入式( 2 - 1 ) ，整理后得 “。去生丛g d ： ( 2 - 7 ) 1 8“ 式( 2 - 7 ) 就是著名的斯托克斯( s t o c k e s ) 上浮速度公式。 下面对式( 2 - 7 ) 进行讨论： ( 1 ) 从式( 2 7 ) 可以看出，油珠的上浮速度e 比于p p ，这是油珠在 静水中能够从静止状态变为运动状态的原始推动力，因为p ，tp ，所以油珠上 浮； ( 2 ) “反比于水的粘滞度，所以同一油珠在不同水质和水温条件下有不同 的值，如水温升高，下降，“会增大； ( 3 ) h 正比于油珠本身直径的平方，因此，在油珠上浮过程中进行适当搅 武汉理工人学硕士论文 拌或投加絮剂，一方面破乳，另一方面，促使油珠互相碰撞、絮凝而使粒径增 大，可获得事半功倍的u 值增高； ( 4 ) 在式( 2 7 ) 的推导中引入了阻力系数c ，c 是与雷诺数有关的函数。 式( 2 - 5 ) 是雷诺数r ec 1 的情况，此时油珠上浮引起的油珠周围水的扰动 处于层流状态，因此，按式( 2 5 ) 所导出的式( 2 - 7 ) 的斯托克斯公式是油珠 上浮扰动的水流处于层流状态的关系式。 当上浮速度增加，使1 0 0 0c r ec 1 0 5 时，油珠上浮引起的油珠周围水扰动呈 紊流状态，此时c 接近于常数0 4 4 ，以此值导出的上浮公式为牛顿( n e u r o n ) 公式； h ；1 7 4 、生丝内 ( 2 _ 8 ) v p 当1 c r ec 1 0 0 0 时，上浮油珠周围的水扰动呈过渡状态，此时c 一1 0 4 菘导 出的上浮速度公式为阿兰( a l l e n ) 公式： “一学卜 。， 当r e ，2 1 0 5 时，上述公式不再适用，因为此时微小的速度变化均会造成c 的急剧变化。 ( 5 ) 在推导上述公式时均假定油珠为球形，直径为d ，但实际废水中的油 珠不可能全部都是球形。一般的说，非球形油珠比同体积的球形油珠的表面积 大，因此在上浮过程中会受到更大的阻力，使上浮速度比球形油珠小。在工程 实际中，非球形油珠的上浮速度仍采用上述公式计算，公式中采用近似的球形 油珠的d 值。 ( 6 ) 在推导上述公式时还假定油珠处在无限的水中，但在实际工程，特别 是在进行实验室试验中，水总是被置于某一容器中的，也就是说，油珠上浮总 是在有限的水中进行的。当油珠在容器中上浮时，有可能受到其他油珠的影响 或容器壁的影响。考虑器壁影响的上浮速度h 。，可按下式计算： u 。伽 ( 2 - 1 0 ) 卵为考虑器壁影响的修正系数，它与油珠的上浮速度以及油珠粒径d 与容器 直径d 的比值有关，计算公式为： 层流区为 h 武汉理工大学硕士论文 过渡区为 紊流区为 叩2 卜1 - 4 ( d 。，d ( 萄) ”2 1 + 2 3 5 ( d d ) ，7 1 - ( d o ? 5 ( 2 1 1 ) ( 2 1 2 ) ( 2 - 1 3 ) 当d i d t5 1 0 。时，容器壁对上浮速度的影响可以不考虑。e h 此可以想知， 如果在实验室用l o c m 宽度的上浮容器做上浮试验，不考虑器壁影响的油珠直径 上限是0 5 m m ，否则应考虑器壁影响或加大容器的宽度。 ( 7 ) 从式( 2 7 ) 的形式看，似乎是根据油珠的粒径来计算其上浮速度的。 但油珠粒径很小，测定油珠粒径非常困难，而测定油珠上浮速度却往往比较容 易，只要人为地确定一个上浮高度日，然后按一定的停留时间f 取样测定水中的 含油量，那么上浮速度“；h t 就人为地确定了，此时再利用式( 2 7 ) 计算出 其相应的油珠粒径。在水处理实用上，人们甚至往往不注重油珠的实际粒径， 而直接用上浮速度来表征油珠粒径。因为即使可以按式( 2 - 7 ) 计算出粒径也是 近似的球形粮径，并不完全是油珠的实际粒径。 2 1 3 理想隔油池原理分析 理想隔油池中的所谓“理想”是指满足下列假定： ( 1 ) 重力分离装置同一通流截面上各点水流速率相等。 ( 2 ) 在层流状态下，油珠运动的水平分速度等于水流速度，垂直上浮分速 度符合斯托克斯( s t o k e s ) 定律。 ( 3 ) 在重力分离装置进口截面处，大小油珠均匀分布。 在理想隔油池中，如果假定过水流量为q ，水平方向的流速为v ，隔油池宽 度为口，长度为，有效水深为h ，可以导出： h ；堡h b v 旦aq ( 2 1 4 ) 武汉理工人学硕士论文 式中u 。为设计去除的油珠的上浮速度；a 为隔油池平面投影面积；q 为单 位平面面积的流量，称隔油池的表面流量负荷或过流率( o v e r f l o wr a t e ) 。式 ( 2 1 4 ) 表明，理想隔油池的过流率在数值上等于设计去除的油珠的上浮速度。 由上述的分析可以 ! 导到如下重要结论： ( 1 ) 隔油池的上浮效率只与设定的需去除的油珠的上浮速度“。有关： ( 2 ) 此速度在数值上等于隔油池的表面流量负荷，而表面流量负荷又只与 隔油池的平面面积有关，与隔油池深度无关。也就是说，在理想隔油池中，油 珠上浮效率只取决于隔油池的平面面积，而与池深无关。 2 1 4 三级隔油池原理分析 在隔油池中，油水分离是依靠油水之间的密度差异而实现的。油珠进入隔 油池后，一边水平流动，一边向上浮动，由2 1 3 中的假定( 2 ) ，油珠上浮分 速度按斯托克斯( s t o c k e s ) 公式计算，即式( 2 7 ) 。油粒水平分速度等于水流 速度，即为： v ；旦( 2 1 5 ) 爿。 式中：a 。为过水断面面积，等于隔油池的宽度与有效水深的乘积口h 。 这里我们称可去除的最小油珠的粒径为极限粒径。对于极限粒径油珠，应存在 以下关系： 坠；丝 ( 2 1 6 ) vl 式中u 为极限粒径油珠的上浮速度；h 为油珠上浮到水面的距离，即有效 水深；为池长。 将式( 2 - 1 5 ) 和式( 2 - 1 6 ) 代入式( 2 7 ) ，则为极限粒径函数： d 墨( 2 1 7 ) 式中y 为隔油池有效容积，等于隔油池的宽度、有效水深与池长的乘积 b x h 。 显然，在隔油池中的油珠，若其粒径小于d ，则不能上浮至水面被分离去除 武汉理工大学硕士论文 【3 订 。 进入隔油池中的水流被假设为在各个过水断面的流速一致，水中相同粒径 的油珠以等速上浮。按照运动速度合成原理，每个作上浮运动的油珠都可以分 解成一个水平分量v 和一个垂直分量“。 图2 1 油珠上浮轨迹 从图2 - 1 可以看出，油珠上浮运动的轨迹是一系列的斜线。当时“。，油 珠可上浮至水面b o 被除去，如a c ，a 0 两斜线。当“t u 。时，油珠不能上浮到水 面b o ，而被水流带走，如a d 线。显然到达o e 线的油珠都不能除去，它们所作 的上浮运动是无效的。如果要让它们能够上浮到水面b 0 ，就必须增加隔油池的 有效长度。如速度为m 。( “。t l 。 的油珠要达到水面，运动轨迹线a d 延长后 相交于水面线b o 于d ，隔油池的长度就需要有一个增量，如距离e f 即l 。u 值越小，油珠上浮到水面所要增加的隔油池长度增量就越大。显然利用增加隔 油池长度来使上浮速度缓慢的油珠，即更小粒径的油珠，上浮到水面而被去除， 用这种办法来提高隔油池的分离效率是不合算的，因为这样要增加投资来建造 隔油池。如果利用隔板将普通隔油池分成若干级，如图2 - 1 中o e 处设一挡板， 情况就会不同。此时，在池中作上浮运动的油珠，除了u 苫的能上浮至水面被 除去外，还有hc u 。的，其运动的结果到达o e 处的挡板受阻挡后继续上浮，也 能被除去。这就是三级隔油池能更高效除油的原理1 。 可以说，在三级隔油池中油珠所作的上浮运动几乎都是有效的，因此极大 地提高了隔油池的分离效率。另一方面，隔油池的效果也决定于水流的状态， 当水流处于层流状态时，对隔油池的油水分离有利，而将隔油池分成若干级( 比 如分成三级) 的隔墙有利于形成层流状态。 1 4 武汉理工大学硕士论文 2 2 浮选理论 浮选净化技术是国内外f 在深入研究与不断推广的一种水处理新技术。浮 选净水就是在水中通入空气或其它气体产生微细气泡，使水中的一些细小悬浮 油珠及固体颗粒附着在气泡上，随气泡一起上浮到水面形成浮渣，从而完成固、 液分离的一种新净水法。从二十世纪八十年代以来，浮选净水的新技术已在国 内得到了迅速发展。 2 。2 。1 浮选的原理 水中油珠的上浮遵守斯托克斯定律： “；三生旦鲥2 ( 2 7 ) 1 8 。 在公式( 2 7 ) 中，重力加速度譬不变，水的粘滞系数为常数，水的密度不 变，油珠和悬浮颗粒的上升速度与油珠直径的平方成正比，与水和油珠的密度 差成正比。 一般说来，油珠的密度比水的密度小，它们都处于悬浮或上升状态；而气 体的密度比水的密度更小，所以气泡和油珠同粒径时，气泡的上升速度比油珠 的上升速度更快，这就产生了一个速度差。由于有了速度差，气泡和油珠才可 能相互碰撞。碰撞时气泡与油珠相互吸附，被吸附的油珠的有效直径增大，密 度减小，加快了油珠的上升速度，减少了停留时间，提高了设备的效率。 2 2 2 气泡与油珠的粘附 在一定的水力条件下，气泡与油珠的粘附是浮选分离中至关重要的一个阶 段。只有形成液一气两相接触体，才有可能去除油珠。因此，研究浮选净水机理 实质上就是要研究气泡与油珠的粘附。 ( 1 ) 气泡与油珠的粘附形式有三种： 气泡与油珠的直接碰撞粘附： 气泡从油珠表面析出： 气泡从油珠间隙中生长或包裹。 武汉理工大学颁十论殳 第一种形式是最基本的，第二、三种形式虽然数量不多，但对浮选有利。 ( 2 ) 气泡与油珠的粘附时间 气泡与油珠的碰撞粘附是一个快速过程。其时间概念为数毫秒级，且主要 为油珠表面疏水性的函数；另外，油珠大小、气泡与油珠问的相对速度，水的 温度等对粘附时间也有一定的影响。 ( 3 ) 气泡与油珠的粘附强度o ” 碰撞粘附强度受诸多因素的影响，主要有气泡的大小、油珠表面的疏水性、 水力条件等。过大的气泡对浮选不利，原因有二： 大气泡，惯性大，易撞掉原有油珠且极易脱落； 大气泡易与小气泡发生兼并。兼并结果，大泡直径增大，小泡消失。其 兼并时间为1 0 毫秒左右。 气泡和油珠的粘附需要一定的水力条件，使气泡与油珠获得最佳粘附时所 需的最佳相对速度为2 - 4 c m s 。 ( 4 ) 气泡与油珠的粘附率 碰撞粘附率由两方面决定。在其它条件不变时，油珠与气泡的碰撞率随油 珠尺寸的增大而减小；而附着率却随油珠尺寸增大而增大。碰撞粘附率为两者 的乘积。碰撞粘附率的最佳值范围是油珠直径的中间范围。初步认为，油珠直 径为0 4 - 1 o m m 较好。 2 2 。3 表面张力和界面能 浮选分离过程涉及到气、液两相介质，所以必须了解表面张力和界面能。 液体表面分子和内部分子的受力情况不同。内部分子所受的来自各个方向 的引力是相等的；而表面分子受到的液面上方空气分子的引力小得多，即他们 受到的作用力是不平衡的。这种不平衡的力企图把表面分子拉向液体内部，以 缩小液体的表面积。这种使液体缩小表面积的力就是表面张力。反过来说，液 体表层分子比内部分子具有更多的能量，这种能量就是表面能。表面能是储存 在液面上的位能，同其它位能一样也有减小到最小的趋势，以达到表面积和表 面能最小。 实际上，气、液两相之间具有表面。当气泡和油珠共存于水中，即液、气 两相介质共存的情况下，两相之间的界面上都存在着各自的界面张力和界面能。 武汉理工人学硕士论文 界面能也有降低到最小的趋势。当废水中有气泡存在时，悬浮油珠就力图粘附 在气泡上而降低其界面能。但是，并非所有的油珠都能粘附上去，它们能够与 气泡粘附取决于水对该种油珠的润湿性。容易被水润湿的物质称为亲水性物质； 反之，难于被水润湿的物质称为疏水性物质。一般的规律是疏水性油珠易与气 泡粘附。 2 2 4 分离条件 浮选过程包括气泡产生、气泡与油珠的附着以及上浮分离等连续步骤。实 现浮选分离的必要条件：必须向水中提供足够数量的微细气泡，气泡尺寸应尽 可能小，使油珠呈悬浮状态，从而附着于气泡上浮升。 ( 1 ) 气水结合物产生的主要条件。” 水中污染物具有足够的憎水性； 加入水中的气泡所形成的平均真径不宜大于7 0um ； 气泡与水中油珠应有足够的接触时间。 ( 2 ) 油珠被气泡夹带上浮分离应满足的条件1 油珠与气泡有机会碰撞接触，且当接近到一定距离时，各自所具有的能 量足以克服因表面电荷而形成的能垒，两者才有可能进一步靠拢： 互相靠拢的油珠与气泡，必须能挤破两者之间的水膜，油珠才有可能进 入气泡； 进入气泡的油珠其大部分体积必须能粘附在气泡内，油珠才能随气泡一 起浮升。 2 2 5 浮选的分类 在废水处理中，各种浮选处理方法最本质的区别在于水中形成气泡的方式 和气泡大小的差异。根据这一特点，浮选处理法大体上可分为四大类，即溶气 浮选法、诱导浮选法、电解浮选