摘 要: 介紹常用的含油廢水處理技術的原理、特點及其除油設備,綜述含油污水的處理方法。
關 鍵 詞: 含油廢水;技術;污水處理方法
含油污水的產量大,涉及的范圍廣,例如石油 開采、石油煉制、石油化工、油品貯運、油輪事故、 輪船航運、車輛清洗、機械制造、食品加工等過程 中均會產生含油污水。油污染作為一種常見的污 染,對環境保護和生態平衡危害極大。當今油水 分離技術較多,常用的方法有重力分離法、空氣浮 選法、粗粒化法、過濾法、吸附法、超聲波法等技 術,并且新的除油技術還在不斷的研發中。本文 從除油器的原理及方法方面加以介紹。
1 重力分離法
重力分離法是典型的初級處理方法,是利用 油和水的密度差及油和水的不相溶性,在靜止或 流動狀態下實現油珠、懸浮物與水分離。分散在 水中的油珠在浮力作用下緩慢上浮、分層,油珠上 浮速度取決于油珠顆粒的大小,油與水的密度差, 流動狀態及流體的粘度。它們之間的關系可用 Stokes和Newton等定律來描述。
1.1 橫向流除油器[1]
橫向流含油污水除油設備是在斜板除油器的 基礎上發展起來的,它由含油污水的聚結區和分 離區兩部分組成。含油污水首先經過交叉板型的 聚結器,使小分散油珠聚并成大油珠,小顆粒固體 物質絮凝成大顆粒,然后聚結長大的油珠和固體 物質通過具有獨特通道的橫向流分離板區,而從 水中分離出來。在進行油水、固體物質分離的同 時,還可以進行氣體(天然氣)的分離。
1.2 波紋板聚結油水分離器[2]
波紋板除油原理主要是利用油、水的密度差, 使油珠浮集在板的波峰處而分離去除,其關鍵是 在于借助哈真淺池沉淀原理,制成波紋板變間距 變水流流線,過水斷面是變化的,水流呈擴散、收 縮狀態交替流動,產生了脈動(正弦)水流,使油珠 之間增加了碰撞機率,促使小油珠變大,加快油珠 的上浮速度,達到油水分離的目的。
1.3 聚集型油水分離器[3]
奧地利費雷公司在世界上率先開發了CPS 一體化波紋板式重力加速聚集型油水分離器。該 波形板是費雷公司的專利產品,以聚丙烯為基礎 材料,內含多種添加劑,使其具有親油而不粘油、 抗老化是特點。波紋板一塊一塊地疊加起來的, 間距一般為6 mm(當水中懸浮物含量較高時,可 采用間距12 mm的設計)。
1.4 高效仰角式游離水分離器[4]
將臥式和立式游離水分離器相結合,采用仰 角設計,克服了立式容器內油水界面覆蓋面積小 和臥式容器油水界面與水出口距離短,分離時間 不充分的缺點。來液進口位于管式容器的上行 端,水中油珠能聚結并爬高上行至頂端油出口,而 水下沉至底端水出口排出。該設備仰角小于12°, 長18.3 m,直徑為1 372 mm和914 mm兩種規格。
2 過濾法
過濾法是將廢水通過設有孔眼的裝置或通過 由某種顆粒介質組成的濾層,利用其截留、篩分、 慣性碰撞等作用使廢水中的懸浮物和油分等有害 物質得以去除。常用的過濾方法有3種:分層過 濾、隔膜過濾和纖維介質過濾。
膜過濾法又稱為膜分離法[5],是利用微孔膜 將油珠和表面活性劑截留,主要用于除去乳化油 和某些溶解油。濾膜包括超濾膜、反滲透膜和混 合濾膜等。膜材料包括有機膜和無機膜兩種,常 見的有機膜有醋酸纖維膜、聚砜膜、聚丙烯膜等, 常用的無機膜有陶瓷膜、氧化鋁、氧化鈷、氧化鈦 等。乳化油處于穩定狀態,用物理方法或者化學 方法很難將其分離。隨著膜科學的飛速發展,膜 過程處理乳化油污水已逐步被人們接受并在工業 中應用。
3 離心分離法
離心分離法是使裝有含油廢水的容器高速旋 轉,形成離心力場,因固體顆粒、油珠與廢水的密 度不同,受到的離心力也不同,達到從廢水中去除 固體顆粒、油珠的方法。常用的設備是水力旋流 分離器。旋流分離器在液固分離方面的應用始于 19世紀40年代,現在較為成熟,但在油/水分離 領域的研究要晚得多。雖然液固分離與液液分離 的基本原理相同,但二者設備的幾何結構卻差別 較大。脫油型旋流分離器起源于英國。從20世 紀60年代末開始,由英國南安普頓大學Martin The w教授領導的多相流與機械分離研究室開始 水中除油旋流分離器的研究,發明了雙錐雙入口 型液-液旋流分離器。在試驗過程中取得滿意效 果。隨后,Young GAB等人設計出的與雙錐型旋 流器具有相同分離性能但處理量要高出1倍的單 錐型旋流分離器。經過幾何優化設計,Conoco公 司提出了K型旋流分離器,對于直徑小于10μm 的油滴分離性能提高更加明顯。由于旋流分離器 具有許多獨特的優點,旋流脫油技術在發達國家 含油廢水處理特別是在海上石油開采平臺上已成 為不可替代的標準設備。
4 浮選法
浮選法,又稱氣浮法,是國內外正在深入研究 與不斷推廣的一種水處理技術。該法是在水中通 入空氣或其他氣體產生微細氣泡,使水中的一些 細小懸浮油珠及固體顆粒附著在氣泡上,隨氣泡 一起上浮到水面形成浮渣(含油泡沫層),然后使 用適當的撇油器將油撇去。該法主要用于處理隔 油池處理后殘留于水中粒經為10~60μm的分散 油、乳化油及細小的懸浮固體物,出水的含油質量 濃度可降至20~30 mg/L。根據產生氣泡的方式 不同,氣浮法又分為加壓氣浮、鼓氣氣浮、電解氣 浮等,其中應用最多的是加壓溶氣氣浮法。
5 生物氧化法
生物氧化法是利用微生物的生物化學作用使 廢水得到凈化的一種方法。油類是一種烴類有機 物,可以利用微生物的新陳代謝等生命活動將其 分解為二氧化碳和水。含油廢水中的有機物多以 溶解態和乳化態存在,BOD5較高,利于生物的氧 化作用。對于含油質量濃度在30~50 mg/L以 下、同時還含有其他可生物降解的有害物質的廢 水,常用生化法處理,主要用于去除廢水中的溶解 油。含油廢水常見的生化處理法有活性污泥法、 生物過濾法、生物轉盤法等。活性污泥法處理效 果好,主要用于處理要求高而水質穩定的廢水。 生物膜法與活性污泥法相比,生物膜附著于填料 載體表面,使繁殖速度慢的微生物也能存在,從而 構成了穩定的生態系統。但是,由于附著在載體 表面的微生物量較難控制,因而在運轉操作上靈 活性差,而且容積負荷有限。
6 化學法
化學法又稱藥劑法,是投加藥劑由化學作用 將廢水中的污染物成分轉化為無害物質,使廢水 得到凈化的一種方法。常用的化學方法有中和、 沉淀、混凝、氧化還原等。對含油廢水主要用混凝 法。混凝法是向含油廢水中加入一定比例的絮凝 劑,在水中水解后形成帶正電荷的膠團與帶負電 荷的乳化油產生電中和,油粒聚集,粒徑變大,同 時生成絮狀物吸附細小油滴,然后通過沉降或氣 浮的方法實現油水分離。常見的絮凝劑有聚合氯 化鋁(PAC)、三氯化鐵、硫酸鋁、硫酸亞鐵等無機 絮凝劑和丙烯酰胺、聚丙烯酰胺(PAM)等有機高 分子絮凝劑,不同的絮凝劑的投加量和pH值適用范圍不同。此法適合于靠重力沉降不能分離的 乳化狀態的油滴和其他細小懸浮物。
7 吸附法
吸附法是利用親油性材料,吸附廢水中的溶 解油及其他溶解性有機物。最常用的吸油材料是 活性炭,可吸附廢水中的分散油、乳化油和溶解 油。由于活性炭的吸附容量有限(對油一般為30 ~80 mg/g),成本高,再生困難,一般只用作含油 廢水多級處理的最后一級處理,出水含油質量濃 度可降至0.1~0.2 mg/L。1976年湖南長嶺煉油 廠在廢水處理中就采用了活性碳吸附進行深度處 理。國內外對于新型吸附劑的研制也取得了一些 有益的成果。研究發現,片狀石墨能吸附由海上 油輪漏油事件釋放的重油并易于與水分離。
吸附樹脂是近年來發展起來的一種新型有機 吸附材料,吸附性能好,再生容易,有逐步取代活 性炭的趨勢,有越來越多的業內人士研究高效吸 油樹脂的合成與應用[6]。有研究表明,采用丙綸 吸油材料從含油工業廢水中吸附分離和回收油類 物質,可根據廢水的初始狀況、最終要求、水流流 量等因素,選用合適的凈化方法。此外,煤灰、改 性膨潤土、磺化煤、碎焦碳、有機纖維、吸油氈、陶 粒、石英砂、木屑、稻草等也可用作吸油材料。吸 油材料吸油飽和后,根據具體情況,再生重復使用 或直接用作燃料。
8 粗粒化法
粗粒化法是利用油、水兩相對聚結材料親和 力相差懸殊的特性,油粒被材料捕獲而滯留于材 料表面和孔隙內形成油膜,油膜增大到一定厚度 時時,在水力和浮力等作用下油膜脫落合并聚結 成較大的油粒。由斯托克斯公式可知,油粒在水 中的浮升速度與油粒直徑的平方成正比。聚結后 粒經較大的油珠則易于從水中被分離。經過粗粒 化的廢水,其含油量及污油性質并無變化,只是更 容易用重力分離法將油除去。
8.1 新型高效除油器[7]
旋流除油、粗粒化除油及斜板除油技術,是當 今普遍認為高效的除油技術。高效除油器是將上 述多種高效除油技術于一體的高效合一除油器, 其總體結構設計成臥式,由旋流(渦流段)粗粒化 段及斜板除油段組成。它不僅可提高除油效率, 且方便操作、減少占地。根據江漢油田采出水特 性,采用兩段粗粒化及兩段斜板除油,在進口ρ (油)≤1 000 mg/L時,出口達到后續處理設備 (過濾器)的進口要求ρ(油)≤30 mg/L。
8.2 EPS油水分離技術[8]
EPS油水分離器是一種高效、先進的油水分 離裝置。它融合了當今先進的板式除油和粗粒化 聚結技術,集污水的預處理、油水分離以及二次沉 淀和油的回收于一體;具有安裝運行費用省、油水 分離效果好,操作維護容易等特點,是立式除油 罐、斜板除油裝置(如美國石油協會的除油裝置 (API)、波紋板斜板除油裝置(CPI)、平行斜板除油 裝置(PPI)等的更新替代產品。EPS油水分離器 目前已在韓國、美國、波蘭、印度、泰國、中國等國 家有了實際的應用,污水處理效果普遍良好。
9 聲波、微波和超聲波脫水技術
聲波可加速水珠聚結,提高原油脫水效率;超 聲波可降低能耗和減少破乳劑用量;而微波在降 低乳狀液穩定性的同時,還可加熱乳狀液,進一步 促進水滴的聚結,在解決我國東部老油田因三采 等引起的原油性質復雜的深度脫水問題方面具有 很好的應用前景。
微波是指頻率為300 MHz~300 GHz的電磁 波[9]。微波水處理技術是把微波場對單相流和多 相流物化反應的強烈催化作用、穿透作用、選擇性 供能及其殺滅微生物的功能用于水處理的一項新 型技術。
超聲波是一種高頻機械波,其頻率一般2× 104~5×108Hz之間,具有能量集中、穿透力強等特 點。超聲波在水中可以發生凝聚效應、空穴或空 化效應[10]。當超聲波通過含有污水的溶液時,造 成微小油滴與水一起振動。但由于大小不同的粒 子具有不同的相對振動速度、油滴將會相互碰撞、 粘合,使油滴的體積增大。隨后,由于粒子已變 大、不能隨聲波振動了,只作無規則運動。最后水 中小油滴凝聚并上浮,油水分離效果良好。超聲 處理乳化油污水時,必須以先通過實驗,以確定最 佳的聲波頻率,否則可能出現超聲粉碎效應,影響 處理效果。目前,國內外學者利用超聲波技術降 解水中的污染物已多達幾十種,但所研究的對象多為單組分模擬體系,而實際污水中常含有多種 污染物,因此超聲波技術在實際污水處理中的適 用性如何還有待進一步的研究。此外,目前有關 利用超聲波技術降解水中污染物的研究大多屬于 實驗室階段,且由于聲化學反應過程的降解機理、 反應動力學及反應器的設計放大等方面的研究開 展得很不充分,目前還難以實現工程化。
10 超聲/電化學聯用技術[9]
利用超聲的空化效應,可在電化學反應中使 電極不形成覆蓋層,避免電極活性下降;超聲空化 效應還有利于協同電催化過程產生·OH,而使污 水中的污染物的分解加速;超聲還可使有機物在 水溶液中充分分散,從而大幅度提高反應器的處 理能力。Mizera等在電解氧化處理含酚廢水時發 現,無超聲存在時,只有50 %的分解率,若使用 25 kHz、104W/m2的超聲波處理時,酚的分解率會 提高到80 %。劉靜等利用超聲/電化學聯用技術 對印染廢水的處理表明,在超聲波和電場的協同 作用下,廢水的脫色率大大高于單獨使用超聲波 時的脫色率。
11 結 語
油水分離技術是當前處理含油污水的關鍵技 術之一,上述方法各有不同的適用范圍,應根據不 同種類油的性質和不同的水質要求,采用不同的 處理方法。
以上各種處理單元在含油廢水處理中并不是 單一出現的,因為廢水中的油粒多數同時存在集 中狀態,很少以單一狀態存在,所以含油廢水處理 采用多級處理工藝,經多級單元操作分別處理后 方能達到排放或回用標準。
參考文獻
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