劉劍飛，李惠芳，陳京寧，史傳坤

（1. 河南理工大學(xué) 土木工程學(xué)院，河南 焦作 454000；2. 生態(tài)建筑與環(huán)境構(gòu)建河南省工程實驗室，河南 焦作 454000；3. 河南油田工程咨詢股份有限公司，河南 鄭州 450000）

隨著油田資源開發(fā)力度的不斷加大，多數(shù)油田中后期的原油含水率大幅上升。由于環(huán)境保護(hù)要求不斷提高，含油污水的有效處理問題已經(jīng)成為當(dāng)前能源開發(fā)中不可或缺的一個生產(chǎn)環(huán)節(jié)。傳統(tǒng)的污水處理技術(shù)主要包括重力分離、過濾、吸附、粗?；?、混凝以及生物處理等［1-2］，但這些傳統(tǒng)的污水處理方法往往存在著處理效率不高、分離時間較長、占地面積大、引入二次污染等缺點［3］。因此，開發(fā)一種緊湊高效型的污水處理設(shè)備具有十分重要的現(xiàn)實意義。

氣浮技術(shù)是通過向污水中通入大量的微細(xì)氣泡，使得細(xì)小的懸浮顆粒附著氣泡上升至水體表面，從而達(dá)到去除油以及其他污染物的目的［4-5］。劉?？〉龋?］綜述了影響除油率和氣浮強(qiáng)度的各個因素，并對柱狀氣浮分離技術(shù)進(jìn)行優(yōu)化研究。DA SILVA等［7］研究了浮選與光芬頓技術(shù)聯(lián)用對油田采出水除油效果的影響，并采用一階動力學(xué)速率模型對浮選試驗數(shù)據(jù)進(jìn)行了分析。研究表明，旋流氣浮分離技術(shù)發(fā)揮了浮選分離和水力旋流分離的協(xié)同作用，從而達(dá)到快速、高效分離的目的［8-9］。LIU等［10-11］對旋流微泡浮選柱的分離作用機(jī)理進(jìn)行了研究，并考察操作參數(shù)對旋流分離效率的影響。韓旭等［12-14］借鑒國外多家緊湊型氣浮裝置（CFU）技術(shù)，開展了緊湊型旋流氣浮一體化設(shè)備處理含油污水的理論體系和現(xiàn)場試驗的研究。

本工作在傳統(tǒng)氣浮技術(shù)的基礎(chǔ)上，引入低強(qiáng)度離心力場，設(shè)計出一種旋流氣浮除油裝置，并開展旋流氣浮除油裝置的現(xiàn)場試驗，考察了進(jìn)水流量和曝氣量對油水分離效果的影響，并通過連續(xù)運行驗證裝置的穩(wěn)定性。

1 試驗部分

1.1 廢水來源及水質(zhì)

現(xiàn)場試驗的地點選擇河南油田稠油聯(lián)合站（以下簡稱“稠聯(lián)”）?！俺砺?lián)”的原油屬于重質(zhì)油，黏度高、流動性能差，有大量分散油與懸浮物，且油含量高。本試驗以三相分離器流出的含油污水作為除油裝置的進(jìn)水。含油污水的水質(zhì)見表1。

表1 含油污水的水質(zhì)

1.2 工藝流程

“稠聯(lián)”污水處理裝置先后經(jīng)多次擴(kuò)建改造，現(xiàn)有總處理能力為13 000 m3/d，主要采用“兩級沉降—氣浮”處理工藝，處理流程見圖1。目前的氣浮池運行效果不穩(wěn)定，且占地面積大，擬使用旋流氣浮除油裝置代替。

圖1 含油污水處理工藝流程

旋流氣浮除油裝置示意見圖2。該裝置主要采用有機(jī)玻璃制成，主體設(shè)備包括曝氣盤、旋流氣浮筒等。其中，曝氣盤用于向旋流筒內(nèi)注入大量的微細(xì)氣泡；旋流氣浮筒是整套裝置的核心設(shè)備，主要由3個不同直徑和不同高度的圓筒組成，分別實現(xiàn)旋流、氣浮、集油功能。圖中空心圓表示空氣氣泡，實心圓表示油滴。

圖2 旋流氣浮除油裝置示意

由圖2可見，含油污水從切向入口進(jìn)入旋流氣浮筒，在旋流筒內(nèi)旋轉(zhuǎn)上升。通過球閥對旋流筒內(nèi)的每一個曝氣盤的進(jìn)氣量進(jìn)行調(diào)節(jié)，使氣泡均勻連續(xù)地從微孔中冒出。由于油水之間的密度不同，在離心力的作用下，密度較大的水被甩向筒體外壁面，密度較小的油和微細(xì)氣泡在旋流作用下朝著收油筒聚集。在此過程中油滴與氣泡不斷發(fā)生碰撞和黏附，形成油滴-氣泡黏附體，上升至筒體頂部，使得油滴與水分離開。頂部的油相從中部的收油筒溢出，水相經(jīng)過旋流筒后進(jìn)入沉降筒，并最終從出水口流出。

根據(jù)現(xiàn)場的實際應(yīng)用情況，開展了單因素影響試驗和連續(xù)運行試驗。從進(jìn)口流量和曝氣量兩個方面考察操作參數(shù)對氣浮裝置除油效果的影響。

1.3 分析方法

含油污水含油量的測定采用JKY-3A型紅外測油儀（吉林市科學(xué)技術(shù)研究院），按照國家環(huán)境保護(hù)標(biāo)準(zhǔn)方法［15］。

2 結(jié)果與討論

2.1 除油效果的影響因素

2.1.1 進(jìn)水流量的影響

在曝氣量為0.5 L/min的條件下，通過流量計依次改變進(jìn)水流量，測定裝置處理后污水的含油量，試驗結(jié)果見圖3。由圖3可見，在進(jìn)水流量為1.8 m3/h時，除油率最高達(dá)95.64%，當(dāng)進(jìn)水流量增加到2.1 m3/h時，除油率最低為90.5%，除油率的波動幅度沒有超過6%。這是因為流體剪切應(yīng)力的增加導(dǎo)致油滴和微氣泡黏合體的斷裂率增加，同時，高進(jìn)水流量導(dǎo)致含油污水在設(shè)備中的水力停留時間縮短，并且微氣泡與油滴之間發(fā)生碰撞和黏附的機(jī)會也變小，分離效率降低。另外，較高的進(jìn)水流量也意味著需要更多的能量。因此，為促進(jìn)微氣泡與油滴之間的碰撞、聚結(jié)、遷移和分離，本試驗選擇最佳進(jìn)水流量為1.8 m3/h。

圖3 進(jìn)水流量對除油效果的影響

2.1.2 曝氣量的影響

在進(jìn)水流量為1.8 m3/h的條件下，曝氣量對除油效果的影響見圖4。由圖4可見：曝氣量較低時，除油率較低，這是由于此時油水分離主要通過重力作用而缺少氣泡幫助；隨著曝氣量的增加，除油率提高，曝氣量為0.5 L/min時除油率達(dá)到最大，為96.03%，這是由于此時氣泡的數(shù)量增加，并且油滴與氣泡之間碰撞和黏附的可能性增加，但當(dāng)氣泡的數(shù)量達(dá)到一定程度時，氣泡之間的碰撞和聚結(jié)使氣泡的數(shù)量達(dá)到了動態(tài)平衡［16］，并且除油率也達(dá)到了最高值；當(dāng)曝氣量超過0.5 L/min后，除油率開始下降，這是因為小氣泡數(shù)量增加會使得一些氣泡聚結(jié)而形成表面積較小的大氣泡，減少了氣泡與油粒的黏附機(jī)會，此外，大氣泡的存在容易干擾水的流動，降低微氣泡與油滴之間的碰撞和黏附的可能性，提高了油滴回混的程度，并降低了裝置的分離效率?？紤]到節(jié)能和分離效果，本試驗的最佳曝氣量選擇0.5 L/min。

圖4 曝氣量對除油效果的影響

2.2 連續(xù)運行試驗

在進(jìn)水流量為1.8 m3/h、曝氣量為0.5 L/min的最佳試驗條件下進(jìn)行了6 d連續(xù)穩(wěn)定性試驗，連續(xù)運行試驗結(jié)果見圖5。由圖5可見：在連續(xù)運行時，進(jìn)水含油量在174.57～1 193.15 mg/L范圍內(nèi)波動，經(jīng)裝置處理后，出水含油量基本穩(wěn)定在137.38 mg/L以下，平均值為78.13 mg/L；除油率為58.58%～94.53%，平均除油率達(dá)78.32%；最低出水含油量出現(xiàn)在138 h時，為44.02 mg/L。試驗結(jié)果表明，在含油污水含油量波動較大的情況下，出水含油量仍然穩(wěn)定，而且能夠達(dá)到“含油量≤150 mg/L”的預(yù)處理指標(biāo)要求，說明該旋流氣浮裝置具有較高的分離效率和良好的適應(yīng)性，符合預(yù)期的運行指標(biāo)，可以保證長期運行。

圖5 連續(xù)運行試驗結(jié)果

3 結(jié)論

a）采用旋流氣浮除油裝置可有效預(yù)處理含油污水。在進(jìn)水流量為1.8 m3/h、曝氣量為0.5 L/min時，除油率最高達(dá)到96.03%；隨曝氣量增加，除油率呈先增加后減小的趨勢；無論進(jìn)水流量高或低，除油率的波動幅度沒有超過6%，說明裝置對水量波動具有良好的適應(yīng)能力。

b）在進(jìn)水水質(zhì)突變的情況下，旋流氣浮除油裝置在連續(xù)運行時也可將出水含油量降低到137.38 mg/L以下，除油率為58.58%～94.53%，平均除油率達(dá)78.32%，處理效果達(dá)到預(yù)計指標(biāo)，能夠滿足對油田含油污水預(yù)處理的要求。

c）國內(nèi)外旋流氣浮除油裝置主要應(yīng)用于海洋平臺，本現(xiàn)場試驗將該技術(shù)應(yīng)用于含油污水的預(yù)處理。在試驗過程中受原油物性的影響，極大地增加了旋流氣浮除油裝置的現(xiàn)場處理難度，但該裝置仍表現(xiàn)出良好的穩(wěn)定性，為下一步實現(xiàn)工業(yè)化應(yīng)用提供了理論依據(jù)。