浮选技术在含油污水处理中的应用进展

张继武，张 强，王化军
（北京科技大学，北京100083）

　　摘要：介绍了含油污水处理常用溶气浮选法、叶轮浮选法、射流浮选法和浮选柱，对影响浮选效果的因素进行了分析，根据浮选技术处理含油污水的研究进展状况，预测了其在国内油田含油污水处理中的应用前景。
　　关键词：含油污水；污水处理；浮选；絮凝剂
　　中国分类号：X74
　　文献标识码：B
　　文章编号：1009－2455（2001）06－001－03

　　浮选净水技术是国内外正在深人研究与不断推广的一种水处理新技术。浮选净水装置已广泛应用于石油、造纸、印染、电力、电镀、化工、化纤、毛纺、皮革、电泳漆、食品、城市污水、洗浴、自来水等行业，并取得了良好的效益。

1 浮选法的分类及浮选净化含油污水的常用方法

　　在污水净化中，根据水中形成气泡的方式和气泡大小。可将浮选法分为4种类型，即溶气气浮法，诱导气浮法、电解气浮法和化学气浮法。其中常用的方法有如下几种：加压溶气气浮法、叶轮式气浮法和喷射式气浮法。
1.1 溶气浮选法
　　溶气浮选法可分为全流加压式、回流式、部分原水式和压气式4种，全流加压式溶气浮选法的溶气量大，所需浮选池的容积小，在油田污水处理中应用较广泛；回流式溶气浮选法是部分净化的水回流到溶气罐加压溶气，然后与来液一起进浮选池，因此，可在原水需要预先混凝和原水含油量比较高的情况下使用；部分原水式溶气浮选法与全流加压式溶气浮选法类似，比较适合处理含油量较低的油田污水；压气式溶气浮选法是通过多孔圆盘、多孔板或一种特殊的喷嘴，把气体压人液体中的，比其它几种溶气浮选工艺的停留时间短。
1.2 叶轮浮选法
　　叶轮气浮法是依靠高速旋转的叶轮来产生微小的气泡。气泡是被机械混合到含油污水中形成的，停留时间短，除油率高，造价低，适应来水含油量的变化。WEMCO公司生产的叶轮浮选机已被广泛应用，运行效果良好。国内的一些大油田，如辽河油田、胜利油田、新疆油田等相继引进了这种浮选机^[2]。但是，叶轮浮选机存在着制造、维修麻烦，能耗较高。为了克服此浮选机的缺点，出现了射流浮选装置。
1.3 射流浮选法
　　射流浮选法是利用喷射泵的原理，采用污水或净化水为喷射流体，当水从喷嘴高速喷出时，在喷嘴的吸入室形成负压，气体被吸人吸入室，水高速通过混合段时，携带的气体被剪切成微细气泡；在浮选室，气泡上浮，并附着在油珠和固体颗粒上，将其带至水面。液气射流泵代替了旋转叶轮，这样可用一个水泵提供动力，大大节省了能耗，仅相当于叶轮浮选的二分之一产生气泡直径小，且制造安装、维修方便，操作安全，具有很大的研究和应用前景。但到目前为止，国内在射流浮选装置方面还没有系统的研究。

2 浮选法净化含油污水中各种因素的影响

　　影响除油效果的因素有很多，如所用气体的气泡尺寸、油滴尺寸、污水的矿化度oH值、表面活性剂和进口含油浓度等，在这些因素中有的是在设计浮选装置时确定的，有的则为待处理水的特性。其中气泡直径、气体浓度和油珠直径是影响浮选除油效率的主要因素。在浮选分离室内，水中悬浮颗粒能被气泡夹带上浮分离，要满足以下条件：
　　①粒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；
　　②互相靠拢的颗粒与气泡，必须能挤破两者之间的水膜，颗粒才有可能进人气泡；
　　③进人气泡的颗粒其大部分体积必须能粘附在气泡内，颗粒才能随气泡一起浮升。
　　含油污水中由于油滴与气泡表面均带负电荷而在其周围形成双电层，只有当二者所具有的能量能克服由双电层所形成的能垒，二者接近时才能实际接触而形成有效碰撞。其有效碰撞强度由絮体表面的疏水性、气泡大小及水力条件决定。絮体表面的疏水性越强、气泡越小，其粘附率越高。阳离子型、具有破乳和起泡作用的复合制剂，可以起到压缩双电层，增大细小油滴絮凝聚结能力，与油滴表面具有很大亲和力，减少气泡直径，增大气泡密度的作用。

3 浮选技术处理含油污水的研究进展及展望

3.1 浮选装置的研究进展
　　随着对浮选过程和机理研究的深入，原浮选装置存在的问题也越来越明显，因而改善浮选装置的处理效果就成为研究的中心问题，如浮选池的结构已由方型改为圆形减少了死角、采用溢流堰板排除浮渣而去掉机械刮泥机构。近年来除了改进原有的浮选装置提高除油率外，还研究了一些新型装置——浮选柱处理含油污水。
　　石油大学冯鹏邦等用浮选柱处理含油污水，在实验装置上研究了其结构参数和操作参数对浮选性能的影响，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90％左右，处理1m³污水能耗为 0.11 kw·h，比从国外引进的WEMCO充气浮选机能耗低50％，成本仅为 WEMCO浮选机的 1／5，2台浮选柱的处理能力与1台WEMCO浮选机相当。
　　Rainder用浮选柱回收乳状液中的油，试验结果表明：对给定的送液量，随送液量浓度的增加，油回收率下降，但产品里的油浓度增加；随气体流量增加，油回收率增加；随表面活性剂的增加，油回收率下降。
　　Xuqing Gu设计了一种新型的多级环流浮选柱，减轻了浮选中的雾沫夹带和返混问题，与常规浮选柱相比，分离效率显著提高。
　　北京科技大学浮选柱研究组研制的适用于高效处理微细粒矿浆的LHJ型浮选柱用于处理胜利油田采出液废水，结果表明：其除油、除杂效率达97％左右。新型短柱体LHJ浮选柱的特点是：①粒子和气泡的碰撞是在下导管中进行的，分离过程在柱体内进行，实现了紊流碰撞矿化，静态分离的良好条件；②采用水射流技术，使矿浆与气体混合得更充分，动力学损失减少，下导管内吸气量增加；③使用了平衡管，使下导管完全充满，充分地利用了下导管的有效高度；④下导管内液面平稳，吸气量稳定，生产操作控制简易可靠，是一种有发展前途的高效除油设备。
3.2 浮选中配套药剂的研究进展
　　浮选处理中所采用的药剂包括混凝剂和浮选剂，它们直接影响着浮选处理的水质。Richard.G、Luthry等人在溶气浮选法处理炼油厂乳化油的试验中发现，在所有的阴离子型、阳离子型和非离子型的絮凝剂中，阳离子型絮凝剂WT2640的处理效果最佳。该絮凝剂是一种液态的共聚物，具有较高的正电荷，其中含有75％的PDADMA（聚乙M烯M甲基胺），在对两种混凝形式的浮选试验中发现，浮选前加人有机絮凝剂，可大大地改善浮选效果。杨旭等对叶轮浮选机用浮选剂进行了研究，由阳离子聚合物和表面活性剂（润湿反转剂、气泡剂）复配后，其絮凝能力强、絮粒与气泡粘附力强、油水分离速度快。去浊率达到90％左右。
　　用于处理含油污水的絮凝剂和浮选剂配套药剂的发展趋势是：由单一的无机混凝剂、有机絮凝剂发展为复合型或复配型的制剂，一次完成破乳、混凝。絮凝及浮选等环节。
3.3 浮选机的浮选机理研究进展
　　在浮选机理的研究中，探讨了浮选过程各种因素对处理效果的影响，为合理地改进浮选处理工艺。确定正确的设计方法提供了理论依据。C.W.Burkhardt”‘在研究叶轮浮选的反应机理时发现，在其它条件不变时，油的浓度随时间的变化，可用一级反应动力学方程式来表达。对于单级叶轮浮选，其表达式为：
　　　　　d_c/d_t=-kc 即lnc₀/c_t=kt
　　式中：C—污染物的浓度，mg／L；
　　　　　C_0—t＝0时污染物的浓度，mg／L；
　　　　　C_t—t＝0时污染物的浓度，mg／L；
　　　　　k—速度常数，h^-1；
　　t一系统总的有效停留时间，h。
　　实际上使用的是多级叶轮浮选，一般为四级叶轮浮选，它的表达式为：
　　　　　c₄/c₀=(1+k_t/4)^-1
　　式中：C4—四级叶轮浮选最终出水的污染物含量，mg／L₀
　　Niel.J.M.Van.ham等人在研究利用多孔板和单孔板分布器的诱导浮选法处理含油乳化液的试验中发现，油的去除率也可成功地用一级反应动力学模型来表示，其速度常数为2～60 h^-1，宫原敏郎等人研究结果也认为可用一级动力学模型来表示。
　　然而，对于诱导式叶轮浮选机，利用上式拟合所得的油浓度与实测所得油浓度相差很大，许多点超过工程允许误差范围，模型不太合适，所以，在建立动力学模型时应考虑无法脱除的那部分油的影响。石油大学郑远扬在对诱导式叶轮浮选机理研究的基础上，提出了一个修正模型，即：
　　d_c/d_t=-k(c-c_l)
　　式中：CL一脱油极限浓度，即浮选分离无法脱除的溶解油和微滴分散油浓度，mg／L；
　　　　　k—浮选速度常数,h_-1
　　对于间歇式诱导式叶轮浮选机
　　C=（C₀－C_l）exp（－kt）＋C_l
3.4 浮选技术在油田含油污水处理中的应用展望
　　由于油田含油污水的含油量不同，外观上也不相同，油越多，颜色越深。原油以颗粒状态不稳定地存在于污水中，形成水包油的状态，总的含油量在 2 000－5 000 mg/L。含油污水中的油以五种状态存在，其中浮油（直径大于100μm）占总含油量的30％左右，它很容易从污水中分离出来；分散油（直径在10－100μm）约占含油量的63％，它也可以依靠重力从污水中分离出来，但分离速度较慢；乳化油（直径在0.1－10 μm）约占4％，它的分散度较高，很难靠重力进行油水分离；溶解油、油湿固体含量甚微。目前，含油污水已经成为油田注水的主要水源，针对这种水质并通过对浮选技术理论的分析，可以肯定浮选技术在油田含油污水处理中有广泛的应用前景。
　　①在污水处理流程中应用浮选技术，可以提高污水的处理效果，使处理后的水质达到油层注水水质的标准。　
　　②用浮选技术部分或全部代替自然除油、斜板除油和混凝除油技术，可简化污水处理流程，减少污水处理费用。浮选技术用于处理分散油滴粒径较小、原油比重大、乳化严重的含油污水时，具有明显的优势。
　　③应该强调的是浮选技术的好坏，取决于所用浮选设备及所用的配套药剂。因此应加强研制开发成本低、结构简单、占地面积小、操作维修方便的高效浮选除油设备及配套药剂的开发。由于新型浮选柱的特点，它有望在含油污水处理中发挥更大的作用。根据含油污水水质的差异，有针对性的开发适应性强、高效、复配性好、多功能、价廉的药剂仍将是研究者们的一个主要目标。
　　④为提高处理水的水质，油田污水浮选处理工艺还要与其它污水处理方法结合采用。

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作者简介：张继武（1961－），男，博士研究生，北京科技大学土木与环境工程学院，从事矿物加工与环境工程方面的研究，电话：（010）62391270（H），62332902（0）；张强（1940－），男，教授，博士生导师，北京科技大学土木与环境工程学院，从事矿物加工与环境工程方面的研究；王化军（1964－），男，副教授，北京科技大学土木与环境工程学院，从事矿物加工与环境工程方面的研究。