低強(qiáng)度旋流氣浮處理含油污水實(shí)驗(yàn)研究

羅小明, 付　浩, 潘悅文, 何利民, 高國(guó)華

(1.中國(guó)石油大學(xué)儲(chǔ)運(yùn)與建筑工程學(xué)院,山東青島 266580; 2.中國(guó)石油天然氣股份有限公司青海油田分公司,甘肅敦煌 736202)

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低強(qiáng)度旋流氣浮處理含油污水實(shí)驗(yàn)研究

羅小明1, 付浩1, 潘悅文2, 何利民1, 高國(guó)華1

(1.中國(guó)石油大學(xué)儲(chǔ)運(yùn)與建筑工程學(xué)院,山東青島 266580; 2.中國(guó)石油天然氣股份有限公司青海油田分公司,甘肅敦煌 736202)

低強(qiáng)度旋流氣浮技術(shù)是基于弱離心力場(chǎng)的非常規(guī)氣浮技術(shù),利用離心力強(qiáng)化油滴與氣泡的碰撞、黏附,可提高浮選效率。為了優(yōu)化低強(qiáng)度旋流氣浮的浮選性能,研究旋流強(qiáng)度、含油量、回流比和氣泡注入方式(順流、逆流)對(duì)浮選性能的影響。結(jié)果表明:旋流場(chǎng)處于低雷諾數(shù)湍流運(yùn)動(dòng)時(shí),氣泡與油滴能高效地完成碰撞、黏附、浮升,同時(shí)可避免湍流對(duì)氣泡-油滴聚合體穩(wěn)定性的破壞;低強(qiáng)度旋流浮選時(shí),氣浮筒對(duì)水力波動(dòng)的適用能力強(qiáng),且能有效地處理低含油量污水;氣浮筒在順流或逆流時(shí)具有不同的最優(yōu)浮選區(qū)間,當(dāng)入口旋流強(qiáng)度為17.0 g(順流)或13.0 g(逆流)時(shí),浮選效果最佳，當(dāng)含油量為500 mg/L,回流比為20%～35%(順流)或30%～35%(逆流)時(shí),除油效率不低于75%。

含油污水; 水處理; 旋流氣浮; 低強(qiáng)度旋流場(chǎng); 射流器

引用格式:羅小明,付浩,潘悅文,等.低強(qiáng)度旋流氣浮處理含油污水實(shí)驗(yàn)研究[J].中國(guó)石油大學(xué)學(xué)報(bào)(自然科學(xué)版),2016,40(3):149-154.

LUO Xiaoming, FU Hao, PAN Yuewen, et al. Experimental study of low intensity cyclone flotation on wastewater treatment[J].Journal of China University of Petroleum(Edition of Natural Science),2016,40(3):149-154.

氣浮法指在污水中通入高度分散的微氣泡,微氣泡黏附微小油滴和懸浮顆粒后形成表觀密度小于水的聚合體而上浮至水面,達(dá)到分離雜質(zhì)、凈化污水的目的。20世紀(jì)60年代,殼牌公司率先將加壓溶氣氣浮技術(shù)應(yīng)用于油田污水處理后,氣浮法成為油田含油污水處理的重要方法。將氣浮技術(shù)與其他分離技術(shù)相結(jié)合是目前氣浮技術(shù)發(fā)展的一個(gè)重要方向,如:旋流氣浮、絮凝氣浮、電化學(xué)氣浮等[1]。低強(qiáng)度旋流氣浮技術(shù)屬于高負(fù)荷、緊湊型的第三代氣浮技術(shù)[2],分離區(qū)的表面負(fù)荷率由第一代的2～3 m3/(m2·h)、第二代的5～7 m3/(m2·h)提升至20～40 m3/(m2·h)[3]。由于低強(qiáng)度旋流氣浮具有分離效率高、處理量大、結(jié)構(gòu)緊湊等優(yōu)勢(shì),挪威EPCON[4-6]、美國(guó)Natco[7-8]與CETCO[9-10]、英國(guó)Cyclotech、法國(guó)Veolia、德國(guó)Siemens等公司相繼推出了低強(qiáng)度旋流氣浮設(shè)備。國(guó)內(nèi)因缺乏對(duì)分離機(jī)制等方面的基礎(chǔ)性研究,在研發(fā)低強(qiáng)度旋流氣浮設(shè)備上遇到了難題[11-13]。為了優(yōu)化低強(qiáng)度旋流氣浮性能,筆者對(duì)旋流強(qiáng)度、含油量、回流比和氣泡注入方式(順流、逆流)對(duì)浮選性能的影響進(jìn)行研究。

1　旋流氣浮機(jī)制

氣浮分離過(guò)程包括:氣泡與油滴的碰撞、黏附,氣泡-油滴聚合體上浮。傳統(tǒng)氣浮分離過(guò)程是在重力場(chǎng)中進(jìn)行的,氣泡與油滴的碰撞具有隨機(jī)性,導(dǎo)致氣泡與油滴的碰撞效率較低。旋流氣浮過(guò)程中,氣泡與油滴在離心力作用下做定向運(yùn)動(dòng)(沿徑向方向向中心運(yùn)動(dòng))。向心運(yùn)動(dòng)過(guò)程中氣泡與油滴存在密度差而產(chǎn)生定向、有序的碰撞,顯著提高二者的碰撞效率,從而改善浮選性能[14]。另一方面,傳統(tǒng)氣浮工藝中,油滴(其密度小于水的密度)慣性較小,難以克服水相流動(dòng)產(chǎn)生的慣性,無(wú)法脫離水相流線(xiàn),如圖1所示,因此難以與氣泡碰撞。在旋流氣浮工藝中,在離心力作用下油滴的慣性增強(qiáng),擺脫流線(xiàn)束縛的能力隨之提高,易與氣泡碰撞。

圖1　氣泡與油滴的碰撞示意圖Fig.1　Schematic diagram of collision between bubble and oil droplet

2　實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)和方法

2.1實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)

實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)包括旋流氣浮筒、射流器、增壓泵、回流泵、流量計(jì)等,如圖2所示。污水罐中的污水經(jīng)增壓泵增壓后,沿切向進(jìn)入旋流氣浮筒中(旋流氣浮筒的結(jié)構(gòu)見(jiàn)圖3),并產(chǎn)生低強(qiáng)度旋流運(yùn)動(dòng)。氣泡由入口處的射流器或回流管路處的射流器制備。氣泡和油滴在弱旋流場(chǎng)中碰撞、黏附,形成表觀密度小于水的聚合體后上浮,由頂部出口排出,凈化水由底部出口排出。部分凈化水經(jīng)過(guò)回流泵后,切向進(jìn)入氣浮筒,形成“二次旋流浮選”。氣泡注入方式分為兩種:順流和逆流。順流:使用入口處射流器,關(guān)閉回流管路處射流器;逆流:關(guān)閉入口處射流器,打開(kāi)回流管路處射流器。

圖2　低強(qiáng)度旋流氣浮實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)示意圖Fig.2　Schematic diagram of experimental system of low intensity cyclone flotation

圖3　旋流氣浮筒示意圖Fig.3　Schematic diagram of cyclone flotation unit

射流器是依據(jù)氣-液射流引射原理設(shè)計(jì)的氣泡發(fā)生裝置,如圖4所示。液相高速通過(guò)噴嘴后形成負(fù)壓,同時(shí)抽吸空氣。空氣與液相在吸入室內(nèi)初步混合,隨后通過(guò)收縮管進(jìn)入喉管。喉管內(nèi)高速射流將空氣進(jìn)一步剪切,形成微氣泡。微氣泡經(jīng)過(guò)擴(kuò)散管時(shí)被進(jìn)一步壓縮后釋放。

污水入口射流器的處理量為6～10 m3/h,氣液比為6%～15%?；亓鞴苈返膬蓚€(gè)射流器處按照流量分為4種:0.5～1.0、1.0～2.0、2.0～3.5、3.5～5.5 m3/h,氣液比為6%～15%,氣泡粒徑分布如圖5所示,平均粒徑為62.31 μm。

圖4　射流器示意圖Fig.4　Schematic diagram of jet device

圖5　氣泡的粒徑分布Fig.5　Size distribution of bubbles

2.2污水特性與實(shí)驗(yàn)參量

2.2.1污水特性

污水制備方法:在150 L水中加入750 g十二烷基苯磺酸鈉,經(jīng)攪拌使其溶解。將30 L的柴油加入水中,并經(jīng)過(guò)高速乳化機(jī)(IKA MK2000)乳化制備高含油量污水。依據(jù)實(shí)驗(yàn)對(duì)污水含油量的要求,將高含油量污水稀釋。污水配置完成后,即刻采用激光粒度儀(Malven Mastersizer 2000)每隔24 h測(cè)定油滴粒徑分布,如圖6所示。油滴平均粒徑依次為3.86、4.11、4.54、4.59、6.22 μm。水中含油量由紫外可見(jiàn)分光光度計(jì)(島津UV-2600)測(cè)量。

圖6　水中油滴的粒徑分布Fig.6　Size distribution of oil droplets in water

2.2.2實(shí)驗(yàn)參量

分別在順流和逆流方式下對(duì)入口旋流強(qiáng)度m(入口處離心加速度與重力加速度之比)、污水含油量co和回流比R(回流管路中凈化水量與污水處理量之比)進(jìn)行實(shí)驗(yàn)研究。污水處理量Q與入口處旋流強(qiáng)度m和氣浮筒入口雷諾數(shù)Re對(duì)應(yīng)關(guān)系見(jiàn)表1。為了研究低強(qiáng)度旋流場(chǎng)中的浮選行為,氣浮筒入口旋流強(qiáng)度為9.6～26.7 g,入口處的雷諾數(shù)低于6 000。污水含油量co為200～600 mg/L,回流比R為 10%～50%。

表1　處理量與入口旋流強(qiáng)度對(duì)應(yīng)關(guān)系

3　實(shí)驗(yàn)結(jié)果及其討論

3.1旋流強(qiáng)度對(duì)浮選性能的影響

旋流強(qiáng)度是決定旋流浮選性能的關(guān)鍵因素。旋流強(qiáng)度較低時(shí),離心力對(duì)氣泡與油滴黏附的促進(jìn)作用不明顯;旋流強(qiáng)度過(guò)高時(shí),高強(qiáng)度離心力剪切氣泡-油滴聚合體,導(dǎo)致油滴由氣泡表面脫附。同時(shí),污水在旋流氣浮筒中的停留時(shí)間取決于處理量。增大處理量,即增大入口旋流強(qiáng)度,縮短停留時(shí)間,氣泡與油滴黏附的幾率隨之減小。同時(shí),處理量過(guò)高,即入口旋流強(qiáng)度過(guò)高時(shí),出口的排出速度過(guò)快,水相攜帶氣泡至底部的排水管路,造成氣泡的流失和底部含油量上升。在順流和逆流兩種方式下,在入口旋流強(qiáng)度m為9.6～26.7 g內(nèi)進(jìn)行旋流氣浮實(shí)驗(yàn),并分析氣浮筒出口含油量cout及除油效率η,如圖7、8所示。

對(duì)于順流或逆流,隨著Q升高,入口處的m與Re隨之升高,出口處cout先下降后上升。當(dāng)m達(dá)到17.0 g(順流)或13.0 g(逆流)時(shí),除油效果最佳。氣浮筒對(duì)污水水力波動(dòng)具有一定的適應(yīng)能力。順流時(shí),對(duì)于不同co的污水,當(dāng)Q為7～9 m3/h時(shí),η不低于76%。逆流時(shí),對(duì)于所有的Q,η穩(wěn)定在63%～75%。

順流浮選的除油效果優(yōu)于逆流浮選。盡管逆流浮選時(shí),氣浮筒內(nèi)進(jìn)行了上、下兩次旋流浮選,但二次旋流中的氣泡極易被上部的污水?dāng)y帶至底部的排水口,不利于上部污水中的油滴與氣泡黏附;其次,與旋流氣浮筒入口處射流器相比,安裝在回流管路的射流器制備氣泡的能力相對(duì)較弱。

3.2污水含油量對(duì)浮選性能的影響

污水中油滴的分布狀態(tài)與co密切相關(guān)。co越高,油滴分布趨于密集、均勻。氣泡與油滴做向心運(yùn)動(dòng)時(shí),增加co可以提高氣泡與油滴碰撞的幾率。同時(shí),co增加后,氣泡-油滴聚合體更易于捕獲分散的油滴,促使聚合體壯大,并進(jìn)一步捕獲更多的氣泡,如此循環(huán)往復(fù)使聚合體更加穩(wěn)定。但co過(guò)高,超過(guò)氣浮筒的浮選能力時(shí),出口附近的液相內(nèi)滯留大量油滴,除油性能惡化。在順流和逆流兩種方式下,對(duì)200～600 mg/L的污水在不同的處理量條件下進(jìn)行了旋流氣浮分離,并分析旋流氣浮筒出口處含油量cout及相應(yīng)的除油效率η,如圖9、10所示。

圖7　順流條件下出口含油量、分離效率與旋流強(qiáng)度的關(guān)系(R=0.3)Fig.7　Relationship of outlet oil content, separation efficiency and swirling intensity in downstream flow(R=0.3)

圖8　逆流條件下出口含油量、分離效率與旋流強(qiáng)度的關(guān)系(R=0.3)Fig.8　Relationship of outlet oil content, separation efficiency and swirling intensity in upstream flow(R=0.3)

圖9　順流條件下出口含油量、分離效率與入口含油量的關(guān)系(R=0.3)Fig.9　Relationship of outlet oil content, separation efficiency and inlet oil content in downstream flow(R=0.3)

旋流氣浮筒能夠有效地處理低含油量污水。當(dāng)入口含油量co為600、200 mg/L時(shí),最低出口含油量cout分別為100、40 mg/L(順流)或170、60 mg/L(逆流)。污水質(zhì)量濃度低于500 mg/L(順流)或300 mg/L(逆流)時(shí),cout基本穩(wěn)定在100 mg/L以下。

順流浮選時(shí),co低于500 mg/L時(shí),隨著co增加,cout上升平緩;co超過(guò)500 mg/L后,cout迅速上升。逆流浮選時(shí),隨著co升高,cout增長(zhǎng)趨勢(shì)一致。co越高,η對(duì)m的變化更加敏感。co超過(guò)500 mg/L(順流)或400 mg/L(逆流)后,cout隨著m的波動(dòng)明顯增強(qiáng)。

當(dāng)m不低于9.6 g時(shí),氣浮筒在co為500 mg/L的除油效果最佳。順流時(shí)的除油效率稍高于逆流時(shí)的除油效率。co為300 ～500 mg/L,順流時(shí)的η不低于72%,逆流時(shí)的η不低于64%。

圖10　逆流條件下出口含油量、分離效率與入口含油量的關(guān)系(R=0.3)Fig.10　Relationship of outlet oil content, separation efficiency and inlet oil content in upstream flow(R=0.3)

3.3回流比對(duì)浮選性能的影響

回流水在旋流氣浮筒中下部形成二次旋流,強(qiáng)化該區(qū)域的旋流場(chǎng),進(jìn)一步促進(jìn)氣泡與油滴的碰撞、黏附。逆流浮選時(shí),適當(dāng)提高R,增加射流器的氣泡產(chǎn)量,有助于提升氣泡與油滴的黏附效率。部分凈化水通過(guò)回流為射流器提供水源,因此,射流器不需要額外供水。但過(guò)高的R增加了回流管路上的能耗,降低了凈化水的產(chǎn)量,且對(duì)改善除油效果無(wú)益。

順流浮選時(shí),m與co分別取17.0 g和500 mg/L;逆流浮選時(shí),m與co分別取13.0 g和500 mg/L。在順流和逆流兩種方式下,在R為0.1～0.5內(nèi)進(jìn)行旋流氣浮實(shí)驗(yàn),并分析旋流氣浮筒出口處含油量cout及相應(yīng)的除油效率η,如圖11所示。

圖11　出口含油量、分離效率與回流比關(guān)系Fig.11　Relationship of outlet oil content, separation efficiency and reflux ratio

隨著回流比R增加,除油效率η迅速上升,當(dāng)R達(dá)到35%(順流)或30%(逆流)時(shí),η趨于穩(wěn)定?？紤]回流管路的能耗,同時(shí)為了最大限度降低cout,順流浮選的最佳回流比為20%～35%,η不低于78%;逆流浮選的最佳回流比為30%～35%,η不低于75%。上述最佳回流比僅代表旋流浮選的一般規(guī)律,針對(duì)不同污水處理要求,須適當(dāng)?shù)卣{(diào)整回流比。

4　結(jié)　論

(1)低強(qiáng)度旋流浮選能夠?qū)崿F(xiàn)良好的油水分離效果。在弱旋流場(chǎng)(入口旋流加速度為9.6～26.7倍重力加速度)中,氣泡與油滴能夠高效地完成碰撞、黏附、浮升。對(duì)應(yīng)固定的氣浮筒結(jié)構(gòu)與污水特性,存在最佳的旋流強(qiáng)度。本文中氣浮筒順流、逆流浮選的最佳旋流強(qiáng)度分別為17.0和13.0 g,除油效率分別不低于78%和70%。

(2)低強(qiáng)度旋流運(yùn)動(dòng)中,低雷諾數(shù)的湍流運(yùn)動(dòng)(入口雷諾數(shù)Re范圍:3 528～5 879)避免了高強(qiáng)度湍流對(duì)氣泡-油滴聚合體的剪切、破壞以及成功黏附氣泡的油滴發(fā)生脫附。低強(qiáng)度旋流氣浮能夠有效地處理含油污水,并減少浮選能耗。

(3)旋流氣浮筒對(duì)處理量的波動(dòng)具有一定的適應(yīng)能力。處理量在7～9 m3/h內(nèi)(順流)或6～10 m3/h(逆流),除油效率分別不低于76%、63%。同時(shí),旋流氣浮筒能夠有效地處理低含油量污水。污水含油量低于500 mg/L(順流)或300 mg/L(逆流)時(shí),出口含油量穩(wěn)定在100 mg/L以下。選擇回流比時(shí),須考慮回流管路的能耗,同時(shí)保證最大限度地降低出口含油量。

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(編輯沈玉英)

Experimental study of low intensity cyclone flotation on wastewater treatment

LUO Xiaoming1, FU Hao1, PAN Yuewen2, HE Limin1, GAO Guohua1

(1.CollegeofPipelineandCivilEngineeringinChinaUniversityofPetroleum,Qingdao266580,China;2.QinghaiOilfieldCompany，CNPC，Dunhuang736202，China)

Low intensity cyclone flotation is an unconventional flotation based on low intensity centrifugal force field, which uses centrifugal force to enhance the collision and adherence between oil droplet and bubble, and therefore improves the flotation efficiency. To optimize the separation performance of low intensity cyclone flotation, the influences of swirl intensity, oil content, reflux ratio, bubble injection method(downstream, upstream) on the flotation performance were studied. The results show that, when the swirl flow field is turbulent flow of low Reynolds number, the oil droplets can collide and adhere with the bubbles effectively, and then can avoid the destruction of the oil droplet-bubble polymer caused by the high intensity turbulent flow. The performance of downstream flotation is different from one of upstream flotation. The low intensity cyclone flotation unit has strong ability to adapt to hydraulic fluctuations, and can treat wastewater of low oil content effectively. The optimum operating condition of cyclone flotation unit is: when the inlet centrifugal acceleration is 17.0 g(downstream) or 13.0 g(upstream), oil content is 500 mg/L, reflux ratio is 20%-35%(downstream) or 30%-35% (upstream), the oil removal rate is not less than 75%.

oily wastewater; water treatment; cyclone flotation; low intensity swirl field; jet device

2015-11-22

國(guó)家自然科學(xué)基金項(xiàng)目(51574273);山東省自然科學(xué)基金項(xiàng)目(ZR2014EEM045);中央高?；究蒲袠I(yè)務(wù)費(fèi)專(zhuān)項(xiàng)(15CX05006A)

羅小明(1980-),男,副教授,博士,研究方向?yàn)槎嘞嗔鲃?dòng)與多相分離技術(shù)。E-mail:luo-xiaoming@163.com。

1673-5005(2016)03-0149-06doi:10.3969/j.issn.1673-5005.2016.03.020

TE 624

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