浮选柱处理含油废水的研究
摘要：本文介绍了一种为处理含油废水而开发的新型溶气浮选柱装置。溶气浮选柱将溶气气浮法和浮选柱巧妙的加以结合运用，溶解空气在柱体分离系统中释放。本文对这种具有潜在应用价值的柱体系统分离含油废水中油分的效果进行了研究，在一系列的实验中该装置均取得了理想的分离效果，同时还对溶气浮选柱中采用的气泡产生器的曝气效果进行了专门研究。
关键词：含油废水；分离；气浮；气泡发生器；溶气浮选柱
一、引言
含油废水是石油开发利用过程中产生的面积广，数量大的污染源。废水中的油分包括浮油，分散油，乳化油，溶解油和油-固结合物。含油废水常用的处理技术有物理法、物理化学法、化学破乳法、生物化学法和电化学法。分离难易程度取决于油分在水体中的存在形式。含油废水中的浮油一般可以采用重力分离技术予以去除，溶解油可以通过生物处理法将其去除，而以胶体状态存在的分散油和乳化油由于其平均粒径小，化学稳定性高而难以去除。
近年来，浮选技术由于具有分离效率高，资金投入少，运行费用低的特点而吸引了众多学者的关注，并且已经开发出一些新型的快速高效的含油废水处理装置。Feng P B和其合作者开发出一种高效节能浮选柱进行含油废水处理，其油分的去除率可以达到90%左右。Gu Xuqing等人开发出一种新型多级环流式浮选柱可处理含油废水，其独特的流体环流模式极大的提高了油珠和气泡之间的接触几率，分离效果显著，5分钟，分离效率可以达到96%-97%。Xiao K L等人用多级浮选柱处理含油废水，空气分散在装置的柱体托盘底部，含油废水在柱体的各个托盘中进行处理，除油率达94%。
含有乳化油的废水处理较为困难，为保证浮选效率，分离时要求气泡粒径小，并且在分离区域中形成安静的水力学环境。分离区应当又长又窄这一概念引发了利用柱状体作为分离设备这一设计理念。由此产生了一种叫做溶气浮选柱的新型设备，溶解空气在该装置的柱体分离系统中析出，以此来处理含油废水。
二、材料与方法
（一）材料
实验废水是用胜利油田的脱水脱气原油配制的乳化油经过稀释得到的。水样经过三十分钟的高速搅拌混合以保证油珠完全地分散到水中。采用激光粒度分析仪分析油珠的
1 / 8
. .
粒径分布；平均粒径为18.15微米，约有77.8%的粒子的粒径在25微米左右或更小（图1）。
图1 含油废水中油珠粒径的分布曲线
（二）方法
浮选分离装置为圆柱形，由树脂玻璃制成，高2000mm，直径50mm。浮选柱的工作原理是气液逆流，清洁水和回流水在充满空气的加压罐中加压，由此水中溶解了饱和的空气，水流通过气泡发生器时快速减压，并且以超微气泡的形式释放出溶解空气，而后进入浮选柱中。当气泡从发生器中释放出来的时候碰撞接触，逐渐形成了大量的微气泡。用于废水处理的浮选法有很多种气泡产生的方式，它们在运行的原理上有较大的区别。微气泡发生器主要有三种：溶气释放型微气泡发生器，加气微气泡发生器，电解低浓度水溶液气泡发生器。
携带气泡的水进入浮选柱，由于其动能大幅度降低，流速低到接近静态，近乎实现了浮选柱分离中静态分离的理想状态。含油废水从浮选柱的上部进入，水流向下流动，气泡向上流动，形成了气液逆流。气泡和油滴在此过程中产生碰撞，结合形成气泡-油珠复合物，并上浮到液面。然后，这些复合物最终形成泡沫流进收集罐体。
浮选柱可以被分为三个区：a)位于底部的曝气点和顶部的废水-泡沫接触面之间的回收区；b)位于水-泡沫接触面到溢流堰之间的泡沫富集分离区；c)位于柱体底部到产生微气泡的曝气点之间的净化区（图2）。气泡和油滴在回收区碰撞接触，气泡在气泡富集分离区进行聚集，从而降低了回收油分中的含水量。
分离过程主要包括两个步骤。第一步是破乳和混凝，即在含油废水中加入混凝剂进行破乳和絮凝，增大了絮凝体尺寸，有利于形成稳定的疏水基团。第二步是浮选柱分离，在柱体中微气泡和絮凝体互相碰撞粘附形成气-絮团聚物，在浮力作用下上升到液面，
2 / 8
. .
图2 溶气浮选柱处理含油废水的工艺流程
油分因此从废水中得以分离去除。
实验中采用十二烷基硫酸钠(SDS)作为表面活性剂，聚合氯化铝(PAC)和聚丙烯酰胺(PAM)作为混凝剂。将药剂投加到装有实验水样的搅拌器中，混凝剂分散水解后产生絮凝反应，含油废水通过蠕动泵输送到浮选柱中。处理水通过设有固定数值的转子流量计定量排出，回用处理水通过另一个蠕动泵输送到压力罐中。
三、结果与讨论
（一）溶气浮选柱的曝气效果
采用微气泡发生器将微气泡释放到溶气浮选柱中。由碰撞与捕获效率理论可知，气泡与油珠的碰撞几率在气泡尺寸较小时达到最大。实验废水水样的油珠平均粒径小于100μm，因此在实验中采用了微气泡产生法来释放溶解空气，气泡发生器的结构决定曝气方法。气泡发生器是本实验系统中的关键环节，对浮选柱的曝气效果和分离效率有重要影响，含有饱和空气的水通过气泡产生器稳定的释放出大量的细小，均匀的气泡（图3）。
图3 溶气浮选柱中的曝气效果
溶气浮选柱中气泡的稳定性受到气泡在气液两相流中的停留时间的影响。停留时间定义为气泡从气泡发生器释放到气泡上升至液体表面并破裂所经历的时间段。停留时间
3 / 8
. .
通过一个充满压力水的容积为1000mL的圆柱形量筒进行测量，所需时间由气泡从量筒的最底部上升到液面并破裂之间的时差来决定，停留时间在具有不同初始气压的压力罐中分别测定。溶解气压对停留时间的影响如图4所示。
图4 溶解空气压力对气泡停留时间的影响
由图4可以看出，在压力小于0.4MPa时，气泡的停留时间随气压的增加而增加，此后随气压的增加而减小。因此，由本实验可以得出0.3MPa-0.45MPa为最适宜的压力区间，在此区间，产生的气泡数量最多，粒径最小，停留时间最长。 （二）影响除油效果的几个参数 1.压力的影响
浮选过程需要足够的溶气量，以便提供足够数量的微气泡。在溶气浮选柱实验系统中，空气在水中的溶解量随着压力罐中压力的增加而增加。小气泡的上升速度小于大气泡，这确保了浮选柱系统有更长的停留时间，气泡和油珠之间有更多的机会碰撞。溶气压力对除油率的影响如图5所示。实验条件如下：PH=6.9，流量v=0.6L/min，回流比R=20%，ρ(PAC)=20.0mg/L，ρ(SDS)=5.0mg/L，泡沫层厚度δ=30mm。
图5溶气压力对除油效果的影响
4 / 8
. .
从图5中可以看出，随着溶气压力的增加，含油废水中的残油浓度逐渐下降。实验结果说明在压力为
0.3MPa
的情况下，残油浓度为
59.6mg/L,45.7mg/L,29.5mg/L,14.8mg/L时，除油率分别为70.4%，69.7%，70.6%，71.0%。但当压力增大到0.3MPa以后残油浓度的降低趋势减缓，在溶气压力大于0.35MPa以后含油废水中的残油浓度反而缓慢增加。这是因为在适宜的压力围，较高的溶气压力可以保证微气泡的尺寸小，数量多。然而，当压力超过一定限值以后就会对分离过程产生不利影响，因为当压力过高时水中的溶气既无法消能，气泡的大小也无法保持均衡，这就造成了紊流，它会扰乱柱体中的水流流动并且破坏絮凝体。絮凝体的破坏会造成浮选效率的降低，当溶气压力接近0.5MPa时在浮选柱中会出现“弹状流”。因此，由实验所确定的最正确压力围为0.25MPa-0.35MPa。 2.PH值的影响
油珠和悬浮在水中的微气泡在其表面带有负电荷。在分离过程中调整PH值对气泡、油珠以与它们所形成的絮凝体所带的表面电荷有重要影响，这有可能影响絮凝体在废水中的性质甚至存在形式，PH值可以通过添加盐酸或者氢氧化钠进行调整。PH值对除油率的影响如表1所示。实验条件如下：溶气压力p=0.3MPa,处理水量v=0.6L/min，回流比R=20%，进水含油浓度w0=100.9mg/L,ρ(PAC)=20.0mg/L，ρ(SDS)=5.0mg/L,泡沫层厚度δ=30mm。
表1 PH值对除油的影响
PH 除油率(%) 3 64.1 5 76.3 6 77.0 7 77.5 9 78.6 10 75.2 从表1可以看出，当PH值介于6-9之间时，除油率为77.0%-78.6%。实验结果说明用溶气浮选柱处理含油废水时PH值应介于6-9之间。 3.处理水量的影响
处理水量也是对分离效率的重要影响因素。增大处理水量会降低废水在柱体中的停留时间，从而导致除油率降低。因此应通过研究确定合理的处理水量，处理水量过小，在经济上不划算，处理水量过大，废水在柱体中的停留时间过短，除油率降低。实验条件如下：PH=7.4，溶气压力p=0.3MPa，回流比R=20%，进水含油浓度w0=101.1mg/L，ρ(PAC)=20.0mg/L，ρ(SDS)=5.0mg/L,泡沫层厚度δ=30mm。
表2处理水量对除油的影响 处理量(L/min) 除油率(%) 0.2 90.5 0.4 86.5 0.6 70.8 0.8 62.4 1.0 50.3 1.2 38.5 从表2可以看出，处理水量从0.2L/min增加到1.2L/min的过程中，除油率从90.5%
5 / 8
. .
降到了38.5%。柱体横截面上的流速随着处理水量的增加而增加，废水在柱体中的停留时间因此缩短，这减小了微气泡与油珠之间碰撞的几率，降低了分离效率。 4.回流比的影响
回流比是回流进入加压溶气罐的净化水量和待处理水量的比值。净化水回流进入溶气罐，有节约清水，充分利用回流水中未反应的药剂，从而减少投药量的优点。回流比太小时分离效率会降低，回流比太大时处理费用将会增加，在保证出水水质的情况下，应尽可能降低回流比。回流比对除油率的影响如图6所示。实验条件如下：PH=7.6，溶气压力p=0.3MPa，处理水量v=0.6L/min进水含油浓度w0=100.4mg/L，ρ(PAC)=20.0mg/L，ρ(SDS)=5.0mg/L,泡沫层厚度δ=30mm。
图6 回流比对除油率的影响
从图6可以看出浮选效率随着回流比的增加而增加。溶气压力为0.2MPa时，当回流比从5%增加到40%时，除油率从45.5%增加到89.4%，实验结果说明回流比保持在20%-30%较为适宜。 5.泡沫层厚度的影响
泡沫层厚度δ是指含油废水与浮油层分界面到溢流堰之间的距离，受到出流速率的间接影响。通常来说，泡沫层厚度对净化水中的残油浓度和回收油分中的含水量有影响，并且对液位的波动起到缓冲作用。泡沫层太薄会致使回收油分中的含水率太高，需要进一步分离，泡沫层太厚又会导致捕获区高度减小，净化水中的残油浓度增加，除油率下降，柱体捕获区的分离时间缩短。泡沫层厚度对除油率的影响如表3所示。实验条件如下：PH=6.8，溶气压力p=0.3MPa，处理水量v=0.6L/min，进水含油浓度w0=100.6mg/L，回流比R=20%,ρ(PAC)=20.0mg/L，ρ(SDS)=5.0mg/L。
6 / 8
. .
表3 泡沫层厚度对除油效果的影响
泡沫层厚度(mm) 除油率(%) 10 72.0 20 71.6 30 71.2 40 70.8 50 70.2 从表3中可以看出随着泡沫层厚度的逐渐增加，除油率不断降低，当泡沫层厚度为10mm和50mm时除油率分别为72.0%和70.2%。实验结果说明，泡沫层厚度保持在20-40mm较为适宜。
6.表面活性剂投加浓度的影响
在废水中加入表面活性剂不仅会影响絮凝体的疏水性，还会影响在浮选过程中产生的气泡的尺寸、数量以与粘附强度。加入表面活性剂还会降低水体表面的力，且当其被吸附在气液界面上时会降低微气泡的表面能，从而进一步减小气泡的尺寸，提高泡沫层的稳定性，阻止气泡的聚集。
实验中采用的阴离子十二烷基硫酸钠也可作为阴离子破乳剂，在含油废水中起到破乳作用。十二烷基硫酸钠的剂量对除油率的影响如表4所示。实验条件如下：PH=7.1，溶气压力p=0.3MPa，处理水量v=0.6L/min，进水含油浓度w0=100.4mg/L，回流比R=20%,ρ(PAC)=20.0mg/L，泡沫层厚度δ=30mm。
表4 表面活性剂投加浓度对除油率的影响
ρ(表面活性剂)(mg/L) 除油率(%) 0 78.5 5.0 82.7 10.0 84.3 15.0 82.6 20.0 83.4 从表4可以看出，当表面活性剂投加浓度为0，10和15mg/L时，除油率分别为78.5%，84.3%和82.6%。实验结果说明投加适当剂量的十二烷基硫酸钠一方面可以极大的提高油珠和气泡之间的碰撞几率从而提高浮选效率。另一方面，絮凝体的亲水部分吸引表面活性剂的亲水基团，使得絮凝体的疏水性增加。由于气泡的数量以与粘附强度的增加，气-絮结合物产生聚合，上升流速减小，浮选效率得以提高。但应该指出的是，当向水中投加过量的表面活性剂时，亲水性胶体粒子将会粘附在絮体的亲水部分导致其亲水性增加，浮选效率降低。 7.絮凝剂投加浓度的影响
气泡和油珠之间的碰撞效果决定了浮选效率的高低。气-水、油-水、气-油接触面的表面能对碰撞效率有决定性影响。絮凝的作用在于形成大的，稳定的疏水性絮凝体从而提高浮选效率。油珠和气泡表面都存在ζ电位并在其周围形成双电层，这导致油-水乳化物以稳定的体系存在并难以被破坏，此时油珠和气泡即使有接近的可能，由于有双电层形成的排斥能峰的存在，仍然无法实现有效碰撞。加入适量絮凝剂后，由于其水解和聚合反应形成的高聚物强烈的吸附架桥作用降低气泡和油珠的ζ电位，压缩双电层，
7 / 8
. .
破坏油珠的稳定存在形态，在一定的水力条件下增加有效碰撞，形成较大的油粒絮状物，从而提高浮选效果。
用于处理含油废水的絮凝剂主要有无机类，有机类和无机-有机复合类。絮凝剂(PAC,PAM,PAC+PAM)的投加浓度对除油率的影响如图7所示。实验条件如下：PH=6.9，溶气压力p=0.3MPa，处理水量v=0.6L/min，进水含油浓度w0=100.4mg/L，回流比R=30%，ρ(SDS)=10.0mg/L，泡沫层厚度δ=30mm。
图7 絮凝剂投加浓度对除油率的影响
从图7中可以看到，除油率随着药剂投加量的增加而增加。当PAC或PAM的投加量为30mg/L和15mg/L时，除油率分别为90.5%和78%。采用复合药剂PAC15mg/L+PAM30mg/L时，除油率达到92%，当药剂的投加量超过一定限值时，絮凝体变得极不稳定且易被过量的絮凝剂破坏，除油率出现下降。
四、结论
将溶气气浮法和浮选柱结合运用的溶气浮选柱在处理含油废水方面取得了良好的效果。溶气浮选柱的核心组件是气泡发生器。实验中对气泡停留时间等曝气效果方面的参数进行了研究，并在实验过程中发现，投加混凝剂与表面活性剂有助于提高浮选效率。在溶气压力0.25-0.35MPa，处理量v为0.6L/min，回流比20%-30%,十二烷基硫酸钠浓度10.0mg/L,絮凝剂PAM投加浓度15.0mg/L，PAC浓度30.0mg/L时，除油率达到90%以上。实验结果说明用浮选柱处理含油废水是可行的。
参考文献
（略）。
8 / 8
因篇幅问题不能全部显示，请点此查看更多更全内容