煤熱解廢水的氣浮除油技術(shù)

趙玉良，呂 江，謝 凡，師浩浩

(中國重型機(jī)械研究院股份公司，陜西 西安 710032)

煤熱解過程產(chǎn)生的冷凝水和焦油，經(jīng)過靜置分離及其它預(yù)處理工藝，最后形成的有機(jī)廢水含油質(zhì)量濃度通常仍可達(dá)2 000～3 000 mg/L。除去滿足工藝系統(tǒng)自身冷卻及沖洗循環(huán)部分的需要外，剩余廢水需轉(zhuǎn)至后部精除油工序進(jìn)行處理。廢水除油不徹底，含油過大，易引起工藝管路系統(tǒng)的堵塞，影響后部脫酚、脫硫系統(tǒng)的正常運行。在廢水生化處理階段，過高的含油質(zhì)量濃度，還會影響系統(tǒng)中微生物的活性和生化系統(tǒng)的運行[1]。此外，油脂類物質(zhì)還容易粘結(jié)在系統(tǒng)換熱設(shè)備的表面，導(dǎo)致堵塞或影響換熱。有效除去廢水中絕大部分的油脂，不僅可避免出現(xiàn)上述問題，還可提高油的回收率，實現(xiàn)無害化和資源化的有機(jī)統(tǒng)一。

1 煤熱解廢水中油脂的存在形態(tài)

熱解廢水中的油脂一般常以如下5種形態(tài)存在[2]。

(1)浮油：煤熱解廢水中的油大部分以粒徑大于100 μm的油珠形式存在，其總量占含油量的70%～95%，稱之為浮油，經(jīng)過靜置沉降后能有效分離。

(2)分散油：其粒徑為10～100 μm的小油滴懸浮分散在污水中，靜置一段時間后會聚并成較大的油珠，上浮到水面，這種狀態(tài)的油稱之為分散油，也較易除去。

(3)乳化油：由于各種表面活性劑或乳化劑的存在，油脂和廢水、細(xì)顆粒物等形成均勻且穩(wěn)定的多相分散體，且各種液體并不互溶，構(gòu)成乳化油。當(dāng)加熱、攪拌或加入其它化合物時，可使乳化油分離或分層。乳化油滴外觀呈乳狀，其粒徑一般小于10 μm。

(4)溶解油：粒徑在幾個納米以下的超細(xì)油滴，以分子狀態(tài)分散于水相中，用一般的物理方法無法去除。但由于油在水中的溶解度很小，因而在水中的比例很小。

(5)固體附著油：分散在廢水中的固體雜質(zhì)，如煤粉和焦粉等表面所吸附的油。

2 煤熱解廢水除油技術(shù)選擇原則

煤熱解廢水中含有能形成油包水(W/O)型乳狀液的天然乳化劑，主要是分散在廢水中的固體雜質(zhì)，如煤粉和焦粉等，從而形成焦油和固體雜質(zhì)乳狀液。該焦油和固體雜質(zhì)乳狀液的穩(wěn)定性與煤粉、焦粉的粒度有較強(qiáng)的相關(guān)性。其粒度越小，乳狀液越穩(wěn)定，油/水分離越困難。在含氨量較大的有機(jī)廢水中，由于高溫和高速流動的混合作用，熱解油和氨水充分混合并乳化，氨水和油會以水包油(O/W)型乳化液形式存在。由于油中一般含有天然的界面活性物質(zhì)，如瀝青、喹啉類極性物質(zhì)，吸附在乳化液的油水界面上，形成牢固的界面膜，致使該乳化液變得十分穩(wěn)定，不易分離。

煤熱解廢水中的乳化油、固體附著油雖然含量不是很高，但處理難度卻相對較大，對后部工序的影響也較大。因此，在進(jìn)行煤熱解工藝流程的設(shè)計時，采用對熱解氣預(yù)先進(jìn)行顆粒物濾除的工藝可大大減少廢水中顆粒物的含量，因而可有效降低廢水中乳化油及固體附著油的比重，更有利于廢水中的油/水分離。

廢水中不同形態(tài)的油脂需采用不同的方法予以去除，如浮油及部分重質(zhì)分散油一般可采用靜置或離心分離方法去除。其它形態(tài)的油類物質(zhì)則要采用氣浮法、板聚結(jié)法、混凝沉降法、電凝絮法、過濾法及吸附法等方法進(jìn)行去除。其中，氣浮法由于工藝方法最為成熟、成本較低且處理效果好，因而應(yīng)用更為普遍。

3 常見氣浮除油技術(shù)

氣浮法是利用在油—水懸浮液中釋放出大量直徑為10～120 μm的微氣泡，借助于表面張力作用，將分散于廢水中的微小油滴粘附在微氣泡上，使氣泡的浮力增大上浮，實現(xiàn)油/水有效分離。一些氣浮除油技術(shù)在除油的同時，還可除去廢水中的懸浮物及部分有機(jī)污染物。目前已有的氣浮除油技術(shù)有多種類型[3]。每類技術(shù)也都有其各自不同的特點及適用范圍。

3.1 誘導(dǎo)氣浮

誘導(dǎo)氣浮也稱為散氣氣浮，常見的誘導(dǎo)氣浮方法主要有葉輪氣浮和射流氣浮。

3.1.1 葉輪氣浮

葉輪氣浮是利用散氣盤在水中高速旋轉(zhuǎn)產(chǎn)生離心效應(yīng)，形成的負(fù)壓將空氣吸入，繼而被散氣盤切割成小氣泡，并沿徑向甩出。進(jìn)入水中的氣泡隨之向上運動，利用自身吸附功能，陸續(xù)將分散油或懸浮物吸附集聚成較大顆粒，并浮于水體表面而被去除。葉輪氣浮機(jī)具有吸入氣體多、無需溶氣、受含油質(zhì)量濃度影響小、設(shè)備緊湊、能耗低、投資少等優(yōu)點，但其本身為動設(shè)備，結(jié)構(gòu)稍顯復(fù)雜、需定時保養(yǎng)，且對進(jìn)水水質(zhì)的適應(yīng)性稍差，對進(jìn)水負(fù)荷穩(wěn)定性要求高。其除油效率為75%～85%。

3.1.2 射流氣浮

射流氣浮則是利用水從噴嘴高速噴出時，會在噴嘴的吸入室形成負(fù)壓，氣體繼而被誘導(dǎo)吸入后，被高速水流剪切成氣泡，然后噴射進(jìn)入水中。射流氣浮只需1臺泵提供動力，無需采用旋轉(zhuǎn)散氣盤，降低了能耗。射流氣浮的氣泡數(shù)量和尺寸受噴嘴結(jié)構(gòu)影響，氣泡直徑越小，氣泡數(shù)量越多，除油效果也越好。

誘導(dǎo)氣浮設(shè)備結(jié)構(gòu)簡單，成本較低，占地面積小，最早被廣泛應(yīng)用于含油廢水的油/水分離過程中。

3.2 加壓溶氣氣浮

加壓溶氣氣浮是指在專門的溶氣罐內(nèi)，將被處理的廢水加壓至0.3～0.4 MPa，使罐內(nèi)空氣充分溶于水中達(dá)到飽和。當(dāng)溶氣水經(jīng)壓力釋放閥送入氣浮裝置中時，由于驟然減壓，溶解于水中的空氣以微小氣泡形式釋放出來，然后吸附小油滴或懸浮物并上浮，將其去除。加壓溶氣壓力直接影響氣泡的數(shù)量、大小以及均勻性，壓力越高，氣泡的分散度也越高、越均勻。溶氣氣浮釋放的微氣泡外層是一層彈性水膜，由水分子在范德華力的作用下有序緊密排列而成，因此空氣無法逸出，使氣泡具有較強(qiáng)的穩(wěn)定性。溶氣氣浮產(chǎn)生的氣泡直徑為10～100 μm，較誘導(dǎo)氣浮的氣泡直徑小，比表面積大，具有更好的油/水分離能力。

加壓溶氣氣浮技術(shù)按加壓方式可分為全加壓溶氣氣浮、部分加壓溶氣氣浮、部分回流加壓溶氣氣浮等類型。該技術(shù)的缺點是氣浮時間長，能耗較大、占地多，操作復(fù)雜，維護(hù)和運行成本較高，但對廢水的適應(yīng)性強(qiáng)，除油效率可達(dá)80%～90%。

3.3 旋流氣浮一體化技術(shù)

高效旋流氣浮一體化技術(shù)集旋流離心分離技術(shù)和氣浮技術(shù)結(jié)合于一體，因而在一個設(shè)備中實現(xiàn)了多級高效的油/水分離過程。工作時，污水沿旋流筒的切向以一定的速度進(jìn)入，從而產(chǎn)生離心力。由于油、水、懸浮物的密度不同，在離心力的作用下，可先進(jìn)行一定程度的粗分離。容器中還加入有溶解氣，通過氣泡與油和懸浮物的粘合，油和懸浮物在氣泡的作用下向上運動到容器頂部，并從頂部排污口把浮油和懸浮物一起排出。水向容器下部運動過程中，仍有碰撞聚集氣浮發(fā)生，到達(dá)底部的過程中又進(jìn)一步強(qiáng)化了廢水的油/水分離。

近幾年已發(fā)展有多種形式的旋流氣浮一體化系統(tǒng)[4]。按結(jié)構(gòu)特征分，旋流氣浮裝置又有不設(shè)內(nèi)筒、內(nèi)筒內(nèi)旋流式、內(nèi)筒外旋流式三大類型。但無論結(jié)構(gòu)形式如何變化，其工作原理大體相同，區(qū)別在于污水的流動循環(huán)方式和油脂收集方式。目前市場上的旋流氣浮一體機(jī)主要用于石油行業(yè)，處理能力普遍較小。為適應(yīng)煤化工行業(yè)的需要，尚需開發(fā)更為適用的、處理能力較大的此類裝置。

3.4 渦凹?xì)飧?/h3>

渦凹?xì)飧∈悄壳皯?yīng)用較多的一種投資少、效率高、處理成本低、效果好的污水處理設(shè)備，可有效去除廢水中的油脂、膠狀物及固體懸浮物(SS)[5]。

渦凹?xì)飧⊙b置一般包括曝氣機(jī)、抽風(fēng)管、回流管道、刮泥機(jī)及氣浮槽等部件。經(jīng)過預(yù)處理的污水首先由底部進(jìn)入渦凹曝氣機(jī)的充氣段，并在上升過程中與曝氣機(jī)產(chǎn)生的微氣泡充分混合。曝氣機(jī)的工作原理是利用散氣葉輪的高速旋轉(zhuǎn)，在水中形成一個真空區(qū)，通過抽風(fēng)管將水面上的空氣引入水中并進(jìn)入真空區(qū)，產(chǎn)生微氣泡并呈螺旋狀上浮，繼而陸續(xù)吸附油脂及固體懸浮物，并將其帶至水面。刮泥機(jī)沿著整個液面運行，并將漂浮物從氣浮槽的進(jìn)口端推到出口端的排放管道中。

位于氣浮槽內(nèi)底部的回流管道，一直從曝氣區(qū)延伸至氣浮段。在產(chǎn)生微氣泡的同時，曝氣機(jī)同時會在池底形成一個負(fù)壓區(qū)，進(jìn)而會使廢水從池底回流至曝氣區(qū)，然后再返回氣浮段。該過程確保了40%左右的污水回流，使得在沒有進(jìn)水的狀況下氣浮段仍可正常工作。

3.5 溶氣泵氣浮

溶氣泵氣浮采用溶氣泵提供氣泡，工作原理和一般氣浮分離系統(tǒng)相同。溶氣泵通常采用渦流泵或氣—液多相泵，其工作時在泵的入口處空氣與水一起進(jìn)入泵殼內(nèi)，高速轉(zhuǎn)動的葉輪將吸入的空氣切割成小氣泡，小氣泡在泵內(nèi)的高壓環(huán)境下迅速溶解于水中，形成溶氣水，然后進(jìn)入氣浮池完成氣浮過程。溶氣泵產(chǎn)生的氣泡直徑一般為20～40 μm，溶氣水中最大含氣量可達(dá)30%，泵的性能在流量變化和氣量波動時十分穩(wěn)定，為泵的調(diào)節(jié)和氣浮工藝的控制提供了極好的操作條件。

溶氣泵氣浮系統(tǒng)的優(yōu)點是氣泡較小，油/水分離效果好，無需壓縮氣源，設(shè)備簡單，易于維護(hù)，造價也低?？朔藗鹘y(tǒng)加壓氣浮技術(shù)存在的釋放頭易堵塞，水溫高時溶氣效果差、操作維護(hù)復(fù)雜和運行費用高等缺點。

3.6 淺層氣浮[3]

典型的淺層氣浮工藝系統(tǒng)由圓柱形淺水池、旋轉(zhuǎn)單元及溶氣水制備單元等部分組成。旋轉(zhuǎn)單元包括了進(jìn)水口、布水器、加壓水入口、加壓水布水器、除油后廢水排出管、減速機(jī)和螺旋泥斗等部件。通過減速機(jī)的驅(qū)動，使旋轉(zhuǎn)單元繞其中心以與進(jìn)水流速一致的速度緩慢轉(zhuǎn)動。

廢水從池中心的旋轉(zhuǎn)接頭進(jìn)入廢水布水器排出。加壓水由加壓水布水器排出。除油后的廢水由專用排出管排出，分隔板可將剛布下的廢水和經(jīng)除油后的水完全隔開。經(jīng)精心設(shè)計，可使螺旋泥斗對水體擾動達(dá)到最小，并使其優(yōu)先刮去水池內(nèi)最先浮起的浮渣。浮渣靠重力作用自行落入到污泥池中。

淺層氣浮分離系統(tǒng)集絮凝、氣浮、撇渣、刮泥等功能于一體，其溶氣氣泡直徑也較小，使其對微小懸浮物的吸附效果更好。此外，由于處理池子淺，廢水停留時間短，大大提高了廢水分離效率，該技術(shù)適合處理大宗廢水。

3.7 電化學(xué)氣浮

電化學(xué)氣浮技術(shù)所采用的電極包括了惰性電極和可溶性電極兩大類，它是將破乳、絮凝、氣浮、沉降分離等功能集于一體的綜合處理技術(shù)，可有效去除水中的油、COD和懸浮物等。

電化學(xué)裝置中，當(dāng)采用可溶性極板時會電解析出Fe3+或Al3+，并繼而生成Fe(OH)3或Al(OH)3等化合物，可破壞乳化油滴穩(wěn)定的雙電層結(jié)構(gòu)，促使油/水進(jìn)一步分離。其高效電絮凝功能可促使廢水中的膠體顆粒及懸浮物等雜質(zhì)凝聚沉降。電解氣浮產(chǎn)生的氫、氧等微小氣泡，直徑比較小，比表面相對較大，從而有助于吸附水中的懸浮油滴上浮至水面，使油/水得以有效分離。

電化學(xué)氣浮技術(shù)中的陽極因電解反應(yīng)會產(chǎn)生活性物質(zhì)，如羥基自由基和氧自由基等，可氧化分解廢水中含有的有機(jī)污染物，從而有助于降低廢水中COD的含量。

總體而言，電化學(xué)氣浮技術(shù)綜合處理效果好，裝置布局較為緊湊，處理效率高，所以更適用于含油質(zhì)量濃度較高的有機(jī)廢水。但該技術(shù)也存在不少缺點，如電極損耗比較快，能耗高，運行費用也高等，因而限制了其工業(yè)化應(yīng)用。

3.8 超聲波氣浮

超聲波氣浮利用專用發(fā)生裝置產(chǎn)生超聲波通入廢水中時，會周期性地產(chǎn)生瞬間負(fù)壓力和瞬間正壓力。由于壓力波動和突變而在廢水中產(chǎn)生的空化泡，其直徑只有幾個至幾十個納米，且存在時間非常短，不斷發(fā)生爆裂，并使附近小范圍區(qū)域內(nèi)的溫度和壓力急劇升高。在產(chǎn)生負(fù)壓時，液體中產(chǎn)生真空空穴。溶解于廢水中的氣體及有機(jī)物進(jìn)入空穴，并由于高溫形成氣泡。接著在正壓力起作用時，瞬間產(chǎn)生強(qiáng)大的壓力，氣泡被壓縮而破裂。另外，超聲波在密度不同的異相界面處，會產(chǎn)生顯著的反射作用。由于這個反射聲壓，使廢水乳化油界面形成強(qiáng)大的沖擊力，從而導(dǎo)致乳化液滴界面破裂，實現(xiàn)破乳及油/水分離。超聲波震蕩產(chǎn)生的熱效應(yīng)、自由基效應(yīng)(產(chǎn)生極強(qiáng)氧化能力的羥基自由基等)和空化效應(yīng)(產(chǎn)生局部高溫高壓)，可迅速破壞有機(jī)污染物的分子結(jié)構(gòu)和化學(xué)鍵，使水中難被生化降解的大分子有機(jī)污染物轉(zhuǎn)化為易生化降解的小分子有機(jī)污染物，或者完全分解。當(dāng)超聲波通過分布有細(xì)小懸浮顆粒和油脂的廢水時，其中的顆粒開始與介質(zhì)一起振動，但由于大小不同的粒子具有不同的振動頻率，顆粒將相互碰撞、聚合，體積和質(zhì)量不斷增大。至一定程度時，已不能隨超聲波振動，只能作無規(guī)則的運動，繼續(xù)碰撞、聚合、變大，并逐漸上浮，形成浮渣和浮油，從而也達(dá)到了脫除油脂和懸浮物的目的。

綜上所述，采用超聲波氣浮技術(shù)進(jìn)行廢水處理，不僅除油效果好，而且對廢水中的有機(jī)污染物也有較好的去除效果。同時，由于可使BOD/COD比提高0.15～0.25，因而還大大改善了廢水的可生化性能，有利于后續(xù)對廢水的進(jìn)一步處理[7]。因此，超聲波技術(shù)主要適用于高濃度、難降解有機(jī)廢水的治理，是一種可同時實現(xiàn)多種污染物脫除的綜合治理方法，通?？勺鳛閺U水生化處理前的預(yù)處理手段。

4 各種氣浮除油技術(shù)的比較

上述常用氣浮除油技術(shù)的特點及比較如表1所示?？傮w而言，加壓氣浮、淺層氣浮需要壓縮氣源，能耗相對較高，但分離效率也相對較高。渦凹?xì)飧?、誘導(dǎo)氣浮無需壓縮氣源，有利于節(jié)能，但分離效率稍低[6]。旋流氣浮一體化技術(shù)集成了兩種除油方式，整體結(jié)構(gòu)會更為緊湊。溶氣泵及超聲波氣浮系統(tǒng)構(gòu)成相對簡單，效率也高，綜合優(yōu)點較多，也是高效、綜合的除油方式[9-10]。

表1 常用氣浮除油方法比較

氣浮技術(shù)中氣泡的產(chǎn)生方法有多種類型，常用的氣泡產(chǎn)生方法有：分散氣體法(擴(kuò)散板、微孔管、噴射器、高速旋轉(zhuǎn)葉輪切割等)、加壓溶氣法、電解法、溶氣泵法、超聲波法及其它各種氣泡發(fā)生器。這些產(chǎn)氣方法和各種氣浮技術(shù)相結(jié)合，派生出了多種類型的氣浮裝置。此外，還有氣浮和板聚結(jié)等技術(shù)相結(jié)合而形成的復(fù)合除油裝置，分別適用于不同的應(yīng)用場合，滿足了各種不同的需要。

在系統(tǒng)造價及運行消耗方面，溶氣泵、渦凹?xì)飧〖俺暡夹g(shù)較為經(jīng)濟(jì)。在維護(hù)便利性方面，加壓及淺層氣浮較為復(fù)雜，而其它類型則相對較為簡便。在整體密閉性方面，旋流氣浮一體化及誘導(dǎo)氣浮相對容易，其它則稍顯復(fù)雜。

電化學(xué)氣浮的工程實踐總體尚比較有限，可靠性、經(jīng)濟(jì)性及成熟性方面還需要更多的應(yīng)用驗證和改進(jìn)[8]。選用時應(yīng)進(jìn)行充分論證調(diào)研，最好先局部或小范圍試用，同時做好必要的應(yīng)急補(bǔ)救預(yù)案，以免故障突發(fā)時影響整線運行。

5 氣浮除油系統(tǒng)的設(shè)計選型

在熱解廢水的處理工藝流程中，脫酚處理前的廢水含油質(zhì)量濃度應(yīng)控制在500～1 000 mg/L。生化處理前對廢水含油質(zhì)量濃度要求更嚴(yán)，一般為30～50 mg/L，BAF裝置處理前對含油質(zhì)量濃度要求也較低，要小于20 mg/L。因此應(yīng)根據(jù)廢水的具體處理工藝和要求，選用設(shè)計相應(yīng)的除油系統(tǒng)。

通過對各類氣浮技術(shù)的分析比較可知，由于除油效率的差異，誘導(dǎo)及渦凹?xì)飧∫话氵m用于分離要求不高的場合或者多級組合處理中的前置級。組合處理中的后置級一般可選用淺層氣浮、加壓溶氣氣浮及溶氣泵氣浮。由于超聲波氣浮技術(shù)不僅除油效果好，而且可分解廢水中的大分子有機(jī)污染物，同時還可改善廢水的可生化性能。因此，對熱解廢水，超聲波氣浮已成為進(jìn)行生化處理前的常用處理手段。

當(dāng)含油廢水處理量較小時，旋流氣浮一體機(jī)較為適宜，且可多級串聯(lián)使用，以達(dá)到較高的分離效率。反之，處理量較大時，可采用渦凹或淺層氣浮，或者兩者串聯(lián)使用。對含重質(zhì)油成分較多的廢水，旋流氣浮更勝一籌。經(jīng)高溫濾管過濾的熱解氣，由于其所含顆粒物絕大部分已濾除，其冷卻凈化過程中產(chǎn)生的冷凝液，乳化液成分復(fù)雜性降低，所含乳化油數(shù)量減少，可考慮用溶氣泵氣浮。且在沒有壓縮氣源時，應(yīng)用更為方便，也更經(jīng)濟(jì)。

煤熱解廢水中含有揮發(fā)酚、氨等物質(zhì)，采用空氣氣浮除油過程中，空氣中的氧會氧化廢水中的酚，曝氣過程會產(chǎn)生大量的泡沫，生成較多雜環(huán)芳香族碳?xì)浠衔锛捌渌镔|(zhì)，降低了廢水的可生化性。使用氮氣氣浮除油可避免上述問題，更為安全可靠。此外，對氣浮除油過程中排出的廢氣，必須采取密閉措施予以收集及集中處理，以免污染生產(chǎn)現(xiàn)場及大氣環(huán)境。

由于熱解廢水油脂中含羧基基團(tuán)的環(huán)狀有機(jī)物含量較高，且難以與氣泡結(jié)合，加之油—水復(fù)雜的混合存在形式，通常單獨用氣浮除油難以滿足除油要求，必需采取各種除油方法組合使用，方能滿足各工藝環(huán)節(jié)提出的進(jìn)水含油質(zhì)量濃度要求。除此之外，還要考慮采用適當(dāng)?shù)钠迫榧皽p粘類助劑。這些助劑能夠破壞乳化液表面膜的平衡狀態(tài)，強(qiáng)化油/水分離效果。破乳作用降低了界面張力，提高了廢水油脂的化學(xué)分離作用，并提高了兩相富集分離的速度，從而使油/水分離變得更為迅速和徹底。應(yīng)用時應(yīng)通過試驗，選擇有針對性的各種破乳劑，以適應(yīng)各種不同類型乳化液的破乳要求。

6 結(jié) 語

氣浮除油是一種高效的含油廢水處理技術(shù)，具有工藝流程簡單，抗沖擊能力強(qiáng)，處理效果穩(wěn)定、占地面積小等諸多優(yōu)點。在煤熱解行業(yè)，隨著含油污水處理量和處理要求的提高，氣浮除油技術(shù)得到越來越廣泛的重視和應(yīng)用。隨著除油及分離技術(shù)的不斷發(fā)展，各類氣浮裝置的性能在不斷改進(jìn)和提高，新的氣浮除油裝置在不斷涌現(xiàn)。這必然有利于促進(jìn)煤熱解技術(shù)的進(jìn)一步發(fā)展，煤熱解廢水油/水分離難題也一定能得以解決。