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
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
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
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
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。
8.2EPS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
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。