重力沉降式油水分離技術(shù)的改進

邵云飛，仲梁維

（上海理工大學(xué)機械工程學(xué)院CAD中心，上海200093）

0 引 言

近幾年來，城市第三產(chǎn)業(yè)急速發(fā)展，餐飲污水排放量隨之激增，餐飲污水達(dá)標(biāo)排放工作卻滯后不前，大量的餐飲污水直接排入城市下水管網(wǎng)。該類污水具有較高濃度的動植物油、懸浮物以及多樣的殘渣，如不經(jīng)處理或處理不完全就直接排放，不僅會增加城市污水處理廠的負(fù)荷，且影響城市排水管網(wǎng)的過水能力甚至引起堵塞，污水排入水體后，又會引起水體的富營養(yǎng)化，威脅環(huán)境和人類健康［1］。

餐飲污水排放時段具有一定規(guī)律性，大部分排放時段集中在用餐時間，其他時段排放量較小，故餐飲污水流量排放時變化系數(shù)大，排放峰值時段的流量較大且具有較高連續(xù)性，因此需要能夠?qū)ξ鬯M行連續(xù)、高效處理的技術(shù)。

從目前餐飲污水處理情況來看，多種技術(shù)可適用于餐飲污水的處理，但從實際應(yīng)用出發(fā)，迄今為止，仍沒有高效、廉價的餐飲污水污油分離技術(shù)可以解決因排放峰值時段流量較大，且具有較高連續(xù)性的污水污油分離問題。因此，十分有必要在已有餐飲污水處理技術(shù)的處理效率方面進行技術(shù)改進，使之能夠滿足處理量大、處理效率高的要求。關(guān)于餐飲廢水處理技術(shù)的研究主要集中于混凝技術(shù)、生物技術(shù)以及其他組合技術(shù)聯(lián)用等方面，但當(dāng)流量較大、油污含量較高時，處理后的水體中仍含有大量的油污，不僅處理效果不理想，且消耗藥劑，會造成二次污染，運行維護費用高，不是一種最經(jīng)濟的方法。

重力沉降式油水分離法是利用油水密度差及油水之間的不相溶性，在靜止或流動狀態(tài)下實現(xiàn)不同粒徑的油珠、懸浮物與水分離。雖然它是一種傳統(tǒng)的實現(xiàn)油水分離的物理方法，但從實用角度分析，重力分離過程不需要外加動力，不消耗藥劑，不造成二次污染，運行維護費用低，是一種最經(jīng)濟的方法。傳統(tǒng)的隔油池已無法滿足實際應(yīng)用中油水分離問題對效率越來越高的要求，對重力沉降式油水分離技術(shù)進行改進是必要的。

1 油在水中存在的形式

油在水中主要以5種形式存在：

①上浮油：油珠粒徑大于30μm的油份。

②分散油：油珠粒徑介于1～30μm的油份。

③乳化油：油珠粒徑小于1μm的油份。

④溶解油：油相以分子狀態(tài)分散于水體中的油份。

⑤固-油懸浮顆粒：在固體懸浮物表而上形成的油珠粘附顆粒物。

上浮油因其粒徑較大，故能快速上浮，以連續(xù)相油膜形式浮于水體表面。其含量在餐飲含油污水中占50%～60%，其質(zhì)量占比是污油中最大的構(gòu)成成分。分散油以較小油珠懸浮分散于水體中，其穩(wěn)定性較差，可聚并成較大油珠上浮到水面，也可進一步分散變小轉(zhuǎn)化為乳化油；其含量在餐飲含油污水中占35%～45%，其質(zhì)量占比是污油中第二大構(gòu)成成分。乳化油以油包水或水包油的細(xì)顆粒形式分散懸浮于水中，其含量在餐飲含油污水中占3%～5%。溶解油因油和水形成均相體系，具有穩(wěn)定性強、較難去除的特點，其含量在餐飲含油污水中約占0.5%～1.5%。固-油懸浮顆粒含量在餐飲含油污水中占2%～6.5%。

在傳統(tǒng)重力沉降式油水分離技術(shù)中，并沒有針對每種存在形式的油份采取對應(yīng)有效的分離方法，而是全部采取統(tǒng)一的方法——靜置，因此分離效果并不理想，尤其在餐飲污水排放峰值時段，分離效果更加難以控制。

針對分散油、乳化油、溶解油、固-油懸浮顆粒，應(yīng)分別采取對應(yīng)的分離方法，提高重力分離的效率。

2 提高總體分離效率

20世紀(jì)初哈真（Hazen）提出的淺池理論為：設(shè)斜管沉淀池池長為L，池深為H，池中水平流速為v，顆粒沉速為u0，在理想狀態(tài)下：

可見L與v不變時，池深H越淺，u0越小，可被去除的懸浮物顆粒越小。若用水平隔板將H分成n層，每層深為H／n，在u0與v不變的條件下，只需L／n就可以將沉速為u0的顆粒去除，即總?cè)莘e可減少到原來的1／n。如果池長不變，由于池深為H／n，則水平流速可增至nv仍能將沉速為u0的顆粒除去，即處理能力提高n倍［2］。

“淺池理論”中的顆粒即與水不相容且懸浮于水中的顆粒。在“淺池理論”中“沉速為u0的顆粒”，由于顆粒受到的重力大于其受到的浮力，因而體現(xiàn)沉降；對于油滴，其密度小于水，在水中其受到的浮力大于其受到的重力，因而體現(xiàn)浮升，其本質(zhì)是相同的。

在體積一定的油水分離區(qū)內(nèi)，池深H不變、增加池長L、降低液相流速v，可以去除池中更小沉速u0的油珠。在實際應(yīng)用中，由于空間限制，油水分離腔體不能過大，導(dǎo)致入水口與出水口距離較近。因此，可以在油水分離腔體內(nèi)設(shè)置環(huán)形導(dǎo)流板，既間接地增加了入水口與出水口的距離，增加池長L，也有效抑制了短流，避免了未分離直接排放的問題。而入水口與出水口的流量不變、池長L增加，則液相流速v降低，根據(jù)式（1）可知，能將升速為v H／L的顆粒除去，實現(xiàn)去除更小沉速u0的油珠。環(huán)形導(dǎo)流板如圖1，箭頭為液相流動方向，液相流動方向由外圈至內(nèi)圈，由上方到下方，入水口位于環(huán)流箭頭的開始端（最外圈處），出水口位于環(huán)流箭頭的尾端（中部底處），且位于油水分離腔體的底部。根據(jù)“淺池理論”原理，5種存在形式油份的浮升效率都有不同程度的提升。

通過改變池長L、降低液相流速v來實現(xiàn)去除升速較小的油珠，油水分離的效率在小流量下可控，但仍然無法滿足排放峰值時段流量較大且連續(xù)性較高的油水分離問題。

2.1 分散油的分離

根據(jù)斯托克斯定律可知，在水體中，當(dāng)油珠粒徑越大，油珠的上浮速度也就越大，因而油和水的分離就越易實現(xiàn)。

油珠上浮速度與油珠直徑的關(guān)聯(lián)程度最為密切，其次與含油污水的絕對粘滯系數(shù)μ及不均勻紊流系數(shù)φ有關(guān)［3］。

分散油粒徑較小，分離時上升速度較慢，分離效率低下。基于此，要提高油水分離效率，需要使較小粒徑的分散油油珠相互聚結(jié)成較大粒徑的油珠，提高油珠浮升速度。

聚結(jié)有兩種不同的機理存在：一是“潤濕聚結(jié)”；二是“碰撞聚結(jié)”。

（1）“潤濕聚結(jié)”建立在親油材料的基礎(chǔ)上。潤濕是液體與固體界面的一種現(xiàn)象，即固體（或液體）表面上的氣體被液體取代的過程。潤濕現(xiàn)象的發(fā)生是由于液體的各個分子之間的相互作用力小于液體分子與固體分子間相互作用力而引起的（即油珠表面分子間的張力小于油珠表面分子與固體分子間的引力）。潤濕聚結(jié)是由于流體體系中的液滴首先在聚結(jié)介質(zhì)（固體物質(zhì)）表面上潤濕并吸附，然后其他液滴與已先吸附在聚結(jié)介質(zhì)上的液滴碰撞聚集，使介質(zhì)上被吸附的液滴不斷增大，當(dāng)增大到一定程度時，流體的曳力將聚結(jié)的液滴從介質(zhì)表面脫除，連續(xù)的潤濕吸附、碰撞、聚集和脫除，使連續(xù)相和分散相分層，進而達(dá)到兩相分離。潤濕聚結(jié)效果很大程度上取決于潤濕介質(zhì)的選取［4～6］。

根據(jù)“潤濕聚結(jié)”原理，采用親油性材料聚丙烯制成的多層傾斜平行矩形板結(jié)構(gòu)來實現(xiàn)分散油的聚結(jié)與分離。依據(jù)多層板結(jié)構(gòu)可脫除最小油珠粒徑的計算公式可知，通過改變多層板的結(jié)構(gòu)，可實現(xiàn)更小粒徑油珠的分離。

多層傾斜平行波紋板不同于多層傾斜平行矩形板的特點是，在相同空間內(nèi)，多層傾斜平行波紋板的實際長度B遠(yuǎn)大于多層傾斜平行矩形板的長度B，多層傾斜平行波紋板與油相的接觸面積BW更大，能夠分離油珠的粒徑dc更小，從而實現(xiàn)將以分散油形式存在的油份分離。多層傾斜平行波紋板如圖2，箭頭為液相流動方向，箭頭為油珠脫除方向。

根據(jù)斯托克斯定律，油粒上浮速度還與不均勻紊流系數(shù)φ及含油污水的絕對粘滯系數(shù)μ有關(guān)。

不均勻紊流系數(shù)φ降低，油珠浮升速度v上升，即油珠浮升速度提高。因此液相在油水分離腔體中的流動狀態(tài)為層流時，有利于油水分離。由多個多層傾斜平行波紋板組成的多層傾斜平行波紋板組可以實現(xiàn)整流板的效果，使液相在環(huán)形導(dǎo)流板中的流動狀態(tài)保持為層流。多層傾斜平行波紋板組如圖3所示。

降低含油污水的絕對粘滯系數(shù)μ，油珠浮升速度v上升，即油珠浮升速度提高。液體的絕對粘滯系數(shù)隨溫度降低近似地按指數(shù)規(guī)律增大。

圖3 多層傾斜平行波紋板組

提高液體熱力學(xué)溫度T，絕對粘滯系數(shù)η降低。粘滯系數(shù)η降低，油珠浮升速度v上升，即可提高油珠浮升速度，有利于油水分離。

（2）“碰撞聚結(jié)”建立在疏油材料基礎(chǔ)上。碰撞聚結(jié)發(fā)生的主要原因是分散相顆粒相互碰撞使得顆粒之間的界面破裂，使兩個或幾個顆粒合并為一個顆粒。疏油材料一般具有高的表面能，只有表面張力小于固體臨界表面張力的液體才能對該固體表面完全潤濕和鋪展，凡是表面張力大于固體臨界表面張力的液體不能在該固體表面鋪展。對于碰撞聚結(jié)，小顆粒能夠聚結(jié)為大顆粒的條件是促使顆粒聚結(jié)的力超過連續(xù)相和分散相之間的表面張力［4，7］。

根據(jù)“碰撞聚結(jié)”原理，降低油珠表面張力能夠有效提高油珠碰撞聚結(jié)效率。

Ramsay和Shields提出的表面張力γ與溫度T的經(jīng)驗式較常用。

提高溫度T，可降低油珠表面張力，使油珠之間易發(fā)生“碰撞聚結(jié)”，增大油珠粒徑d。油珠粒徑d增大，油珠浮升速度v上升，即可提高油珠浮升速度，有利于油水分離。

由以上結(jié)論可知，針對分散油的分離，可以使用親油性的多層傾斜平行波紋板組和加熱裝置來實現(xiàn)。

2.2 乳化油的分離

乳化油的存在形式有2種，以油包水或水包油的細(xì)顆粒懸浮分散在水中，其中以水包油形式存在的乳化油極少，主要為油包水的形式。如圖4，乳化油的密度一般在0.90～0.95 g／cm3，有一部分乳化油的密度與水的密度較為接近，且污水粘度較大，靠其自身浮力無法實現(xiàn)從水體中分離。

圖4 乳化油

油屬于親脂性化合物，它們幾乎無法形成氫鍵，當(dāng)一顆油珠被水包覆時，周圍的水會形成冰晶狀，油珠會被水分子排斥。油脂的分子屬于非極性分子，而非極性分子常常會與非極性分子借由色散力相互產(chǎn)生作用力。水體中氣泡的構(gòu)成成分均屬于非極性分子，因此在油珠被水分子排斥的條件下，與氣泡接近時極易相互吸附。根據(jù)這一原理可向污水中通入空氣，以小氣泡為載體，粘附污水中的乳化油、固-油懸浮顆粒，使其隨氣泡一起浮升，從而實現(xiàn)乳化油和固-油懸浮顆粒的分離。

2.3 溶解油的分離

由于溶解油油珠粒徑極小，而相對于溶解油油珠體積過大的氣泡浮升速度較快，停留時間不足以吸附溶解油油珠，因此需要直徑更小的氣泡。從壓力溶氣水中析出的微小氣泡可滿足此要求，雖然單個微小氣泡的上浮速度較慢，但當(dāng)微小氣泡數(shù)量積攢到一定程度時，會形成大量由微小氣泡組成的微小氣泡團，數(shù)量較多的微小氣泡團大量上浮時，又實現(xiàn)了類似過濾網(wǎng)的作用，把浮升過程中的溶解油吸附到微小氣泡團中，因此可實現(xiàn)溶解油的分離。排出污油中的微小氣泡團如圖5所示。

由以上結(jié)論可知，針對乳化油與固-油懸浮顆粒的

圖5 微小氣泡團

分離，可采用通入大量小氣泡去吸附來實現(xiàn)。針對溶解油的分離，需要通入壓力溶氣水。

事實上，壓力溶氣水在通入的瞬間，會從中析出大量的微小氣泡，首先吸附的是溶解油，在隨后微小氣泡上升、積攢的過程中，才又會形成大片的氣泡團，從而吸附乳化油與固-油懸浮顆粒。

綜上所述，對每種存在形式的油份提出對應(yīng)的分離方法，能夠大幅提升油水分離的效率。

3 試 驗

3.1 試驗內(nèi)容

使用自行研發(fā)的油水分離設(shè)備對改進后的重力沉降式油水分離技術(shù)進行可行性測試。

3.2 試驗設(shè)備

如圖6所示，本實驗采用的設(shè)備利用了連通器原理，管口順序由上至下分別為入水口、補水口、排水口以及排油口。污水由入水口進入，在固液分離區(qū)去除污水中的殘渣后，流入油水分離腔體，含油污水在油水分離腔體中兩相分離，由排水管底部入口進入、上升，流經(jīng)排水口排出設(shè)備。將管口布置為連通器的形式，使備內(nèi)整體水位高度限定在排水口處，可時刻保持油水分離腔體和集油區(qū)內(nèi)為滿水狀態(tài)，為排油提供恒定壓力，且使得設(shè)備可連續(xù)入水與排放，排油與入水、排水之間互不影響、無操作干涉。

圖6 油水分離裝置

3.3 試驗材料

試驗污水由食堂剩菜殘渣和污油組成。其中，污油的成分按照動物油（豬油）比植物油（大豆油）為1∶5的比例混合而成，混合后的污水含油量約為300 mg／L。含油污水經(jīng)過攪拌器攪拌形成穩(wěn)定的乳化層。

3.4 試驗方法

（1）打開補水口為設(shè)備加水直至排水口有溢出為止。

（2）接通加熱裝置，保持油水分離腔體內(nèi)溫度在20℃。

（3）接通溶氣釋放器，保證油水分離腔體斷面被微小氣泡覆蓋。

（3）將調(diào)配完畢的含油污水以10／s的流速導(dǎo)入入水口，保持連續(xù)添加含油污水，連續(xù)運行6小時。

（4）在連續(xù)導(dǎo)入污水、排水期間，若集油區(qū)污油層達(dá)到一定厚度時，打開排油口將污油排出，避免集油區(qū)含油量過多影響油水分離腔體中的油水分離效率。

（5）運行至第6小時，在入水口、出水口分別取樣。如圖7所示，左瓶為入水口取樣，右瓶為出水口取樣。

圖7 水樣

3.5 數(shù)據(jù)處理

2份樣本送至第三方檢測機構(gòu)（上海輕工業(yè)研究所有限公司）進行檢測，結(jié)果如表1。

表1 樣品含油量檢測結(jié)果

經(jīng)計算得除油率為99.96%。

4 結(jié) 論

經(jīng)過改進的重力沉降式油水分離技術(shù)針對污油中每一種存在形式的油份提出對應(yīng)的分離方法，在大流量的條件下，仍能夠有效去除餐飲污水中的油份，除油率達(dá)到99.96%，因此，改進的重力沉降式油水分離技術(shù)是可行的。

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