用新型螺旋射流氣浮機處理含油廢水試驗研究

劉國華，趙 京，師東陽，公永建，王振艷

(河南工學院 機電工程系，河南 新鄉 453003)

氣浮法是含油廢水、印染廢水、含藻廢水的常用處理方法[1-3]。與傳統的空壓機加壓溶氣法相比，射流氣浮能夠加速空氣溶解，降低運行能耗，減少投資成本，具有更強的技術優勢。但普通的射流氣浮機存在氣體吸入量低、溶氣效果差、溶氣罐占地大等問題[4-5]，這在一定程度上限制了射流氣浮工藝的推廣應用。射流氣浮技術源自射流曝氣器[6]。目前，對射流器的研究主要集中在運行參數(噴口壓力、流量、安裝高度等)與流體參數(流體黏度，表面張力，流速等)方面[7]，射流器構型上的改變也有研究，如：在噴嘴處加入旋轉體，提高氣體吸入量[8-9]；從流態方面改進旋轉體對射流器的影響[10]，使液體部分軸向動量轉變為角向動量，同時使氣液混合區穩定在喉管處，提高射流器的工作性能。旋流對射流器有極大促進作用，在射流器噴嘴處安裝葉片可提高充氣量。傳統溶氣罐通常體積較大，且易出現堵塞、溶氣效率低等問題[5]。根據雙膜理論[11]、溶質滲透理論[12]與表面更新理論[13]，降低液膜厚度、縮短氣液接觸時間，同時采用雷諾數較高的流態增加液相表面更新頻率，可以提高氣體在液相中的傳質系數，提高溶氣率[5]。

針對目前射流氣浮機存在的問題[4-5]，以雙膜理論、溶質滲透理論、表面更新理論為依據，研發了新型螺旋射流氣浮機，并考察了此氣浮機對含油廢水的處理效果。

1 新型螺旋射流氣浮技術原理

旋流進水可加大射流器的吸氣量，穩定氣液混合區，提高射流器工作性能[7]。雙膜理論[11]認為，增大液相流速、降低液膜厚度，可以提高氣體的液相傳質系數；溶質滲透理論[12]認為，降低氣液接觸時間，有利于提高氣體擴散速率；表面更新理論認為，采用雷諾數較高的流態、增加液相表面更新頻率均能提高氣體在液相中的傳質系數。根據上述理論，對傳統射流氣浮機進行優化改進：一是改變射流器噴頭形狀為螺旋狀，使射流混合液出水呈旋轉狀前進，與在噴嘴內嵌旋轉體或安裝混合葉片方式相比，射流器工作效率大大提高，且成本與維護難度大大降低；二是在射流器尾端安裝旋轉葉輪刀片，對射流器出水氣泡進行切割破碎，使進入射流器出水混合液氣泡粒徑變小、變細，易于溶解；三是采用管道混合器替代高壓溶氣罐，縮短氣液接觸時間，混合器內部的Z型板構件能夠創造并維持具有一定雷諾數的水力流態，這既降低了液膜厚度又增大了氣液接觸面的更新頻率，進而提高氣體在液相中的傳質系數；此外，通過混合器內部的Z型板構件對進入釋放器的混合液氣泡進行二次切割破碎，確保氣浮過程氣泡粒徑達到最小，增強氣浮溶氣效果，提高氣浮去除效率。前期研究結果表明，經過Z型管道混合器后的溶氣水，氣泡粒徑≤30 μm，氣液比達0.3。

2 新型螺旋射流氣浮機結構

螺旋射流氣浮機外形為長方形，主要由氣浮池箱體、螺旋射流溶氣系統、刮渣排泥系統3部分構成，結構如圖1所示。氣浮池箱體、刮渣排泥系統可采用平流式氣浮池結構。螺旋射流溶氣系統為本裝置的核心構件，主要包括螺旋射流器和Z型板管道混合器2部分。螺旋射流器結構如圖2所示，由進氣口、氣室、進水口、螺旋噴嘴、喉管、擴散管、旋轉葉輪刀片等構成，進水經螺旋噴嘴后，混合液出水呈旋流狀前進。與文丘里射流器相比，旋流進水可增大吸氣量，并能穩定氣液混合區，提高射流器工作性能。氣液混合液經過漸擴管末端帶動旋轉葉輪刀片高速運轉，對出水混合液中的氣泡進行二次切割，進一步減小溶氣氣泡粒徑。Z型板管道混合器在普通溶氣氣浮機溶氣罐基礎上進行優化改進，容積減小三分之二；同時在內部增加Z型擋板，使氣水混合液接觸更加充分，大幅度縮短溶氣時間。

1—氣浮機箱體；2—泥斗；3—擋水板；4—釋放器；5—Z型管道混合器；6—刮渣板；7—排渣槽；8—清水槽；9—螺旋射流器；10—射流泵。

3 試驗系統與方法

試驗采用新型螺旋射流氣浮機。新型螺旋射流氣浮機設計處理量為5 m3/h，氣浮池箱體主體尺寸為3 750 mm×1 000 mm×2 000 mm，設計有效水深h效=1 700 mm，釋放器接觸室停留時間tc=5 min，氣浮分離室停留時間ts=30 min，配置射流泵型號ISW32-200A，螺旋射流器主體尺寸為φ57 mm×400 mm，Z型管道混合器主體尺寸為φ219 mm×800 mm。

設計進水流量(Q)為2～6 m3/h,測定該裝置對含油廢水處理效果最佳時的進水量，并在最佳進水流量條件下，考察不同回流比(10%～50%)條件下系統對含油廢水的處理效能;之后在進水流量為5 m3/h、回流比為30%條件下，考察不同絮凝劑對高濃度含油廢水氣浮效果的影響。

配制廢水所用污油取自某煉油廠污油池。該污油是煉油污水源水經平流隔油—斜板隔油后回收得到。污油用膠體磨處理后置入水箱中，同時開啟高速旋渦泵循環剪切48 h，形成良好的油滴分散狀態。廢水中油質量濃度為0.80 g/L，COD為18.36 g/L。另配制油質量濃度為1.20 g/L、COD為27.80 g/L的高濃度含油廢水，pH=7.0。

PAM、PAC、AlCl3、CaCl2，均為分析純。

水中油質量濃度用OIL-460型紅外分光測油儀測定，COD用重鉻酸鉀法測定。分離效率通過測定出水油質量濃度與COD后計算得出。

4 試驗結果與分析

4.1 進水流量對含油廢水處理效果的影響

控制回流比為30%。流量升高意味著停留時間縮短。不同進水流量下出水的油質量濃度、油去除率(a)與COD、COD去除率(b)如圖3所示。可以看出，初始進水流量為2 m3/h時，出水油質量濃度為60.10 mg/L，此時COD為1.74 g/L；隨進水流量提高至6 m3/h，出水油質量濃度升高至78.30 mg/L，COD升高至2.26 g/L。一般來說，氣泡與油粒的接觸時間縮短，處理效果就會有所下降，但試驗結果表明：在進水量為3 m3/h以下時，處理效率沒有顯著降低；進水量增至4 m3/h時，出水油質量濃度還在下降，為12.4 mg/L。這主要是因為隨進水量增大，回流比保持不變，回流水量隨之升高，射流器內的流速最高，漸擴管尾端安裝的刀片高速旋轉，對氣泡進行切割的作用增大；且回流管路流量增大，混合器內的紊流程度急劇增加，這有利于管道對氣泡的進一步切割，釋放的氣泡粒徑更小。進水量為4 m3/h時，氣浮池內溶氣水白度明顯提高，此時系統處理效率也達最高，油去除率為97.5%，COD去除率達98.1%。

圖3 不同進水流量下出水的油質量濃度、油去除率(a)與COD、COD去除率(b)

4.2 回流比對含油廢水處理效果的影響

控制進水流量4 m3/h，回流比10%～50%。不同回流比下氣浮池出水的油質量濃度、油去除率(a)與COD、COD去除率(b)如圖4所示。可以看出，初始回流比為10%時，出水油質量濃度為89.40 mg/L，COD為2.60 g/L；隨回流比增大，油去除率迅速升高，回流比為30%時，出水油質量濃度與COD分別降至30 mg/L與0.87 g/L，油去除率與COD去除率分別為95.1%與95.3%。回流管路引自氣浮池尾端的凈化水，適當提高回流比時，射流器內液體流速增大，氣口進氣量增加，氣泡產量也會增大，這有助于提高氣泡與油粒的粘附效率;回流比增大，紊流度提高，氣泡粒徑降低[14]：這兩方面作用的增強均有利于提高系統除油量。而回流比升至30%以后，出水油質量濃度與COD雖有降低但趨向平穩；回流比升至50%時，出水油質量濃度與COD分別為24.3、694.8 mg/L，比回流比為30%時僅分別降低了5.7、137.7 mg/L：這表明進一步提高回流比對除油效能已無更明顯促進作用。這與文獻[15]的研究結果一致。過高的回流比增加了回流管路上的能耗，降低了凈化水產量，因此就本系統而言，控制回流比在30%左右為宜。

圖4 不同回流比下氣浮池出水的油質量濃度、油去除率(a)與COD、COD去除率(b)

4.3 絮凝劑對高濃度含油廢水氣浮效果的影響

配制油質量濃度為1.20 g/L廢水，控制系統進水流量為5 m3/h，回流比為30%。經過處理后出水的COD為12.40 g/L、油質量濃度為0.49 g/L，油去除率為59.1%，較前期處理低濃度含油廢水的效果明顯降低，表明氣浮機對高濃度含油廢水的處理能力有限。為進一步提高氣浮機除油效率，在廢水進入系統前，分別投加氯化鈣、氯化鋁、PAM、PAC等常見絮凝劑，經反應5 min后進入試驗系統。絮凝劑對高濃度含油廢水氣浮效果的影響試驗結果如圖5所示。

圖5 絮凝劑對高濃度含油廢水氣浮效果的影響

由圖5看出，不同絮凝劑對氣浮效果的促進作用明顯：氯化鈣、氯化鋁、PAM、PAC分別能將油去除率提高至64.6%、68.3%、78.8%和83.9%；4種絮凝劑中，以投加PAC處理的除油效果最好，出水油質量濃度降至193 mg/L，COD降至4.37 g/L。

5 結論

新型射流氣浮機將射流器噴頭的形狀改為螺旋結構，尾端安裝刀片葉輪，采用Z型管道混合器替代高壓溶氣罐，與傳統的射流氣浮裝置相比，在吸氣量、氣泡粒徑、溶氣效率等工作性能方面均有顯著提升，且具有節省基建投資、占地面積少、能耗小、操作維護簡便等特點。

新型射流氣浮機對含油廢水的處理效果顯著，且對進水量波動具有很好的適應能力。進水量為4 m3/h時，除油效率為97.5%，COD去除率為98.1%。進水量超過5 m3/h時，油去除率維持在87%以上。適當增大回流比，有利于油去除率提高，試驗條件下，控制回流比為30%時可使油去除率不低于95.1%。在處理高濃度含油廢水時，可考慮投加一定量PAC以提高氣浮機的處理效果。