200 MW 燃氣流風洞降溫水除油技術研究與實踐

曹知紅，李彥良，張 凱，田 寧

（北京航天長征飛行器研究所，北京 100076）

0 引言

200 MW燃氣流風洞試驗系統采用氧氣和煤油作為燃料，為了防止氧腔進油造成設備燒損，在每次關車階段通過氮氣吹除保護噴注器，將殘留的煤油吹向下游。此部分殘油會附著在試驗艙、擴壓器等設備表面。為了保證試驗安全，試驗后需要將試驗艙擴壓器表面附著的煤油沖洗排出，因此形成油水混合物，每次試驗形成的混合物量約為5 t，其中含煤油量約為5 kg。油水混合物沉積在擴壓器擴張段下游，風洞系統示意如圖1 所示。試驗后清理產生的油水混合物不滿足污水排放標準，噸箱存放后集中處理等臨時措施不能滿足高頻次試驗的需求，噸箱等耗材消耗量較大，且存在運輸、儲存等一系列問題，因此，需要研究高效且成本低廉的油水分離方案。

圖1 風洞系統示意圖

油水分離主要是根據水和油的密度差或者化學性質不同，利用重力沉降原理或者其他物化反應去除雜質或完成油份和水份的分離。已知的油水分離方法主要有重力式分離、離心式分離、電分離、吸附分離、氣浮分離等，上述方法可以分為物理法和化學法兩類。重力式分離是典型的物理油水分離技術，由于油、氣、水的相對密度不同，組分一定的油水混合物在一定的壓力和溫度下，當系統處于平衡時就會形成一定比例的油、氣、水相。當相對較輕的組分處于層流狀態時，較重組分液滴根據斯托克斯公式的運動規律沉降，重力式沉降分離設備即根據這一基本原理進行設計。王國棟等研究了臥式油水分離器的分離特性和流動規律[1]。阻截吸附除油是一種新型的除油技術，屬于化學除油技術。不同于“吸附除油”的油水分離技術理念，阻截吸附技術立足于用化學方法研發出的一種復合改性“HK”特材，這種空間態阻截膜處于水飽和的工況下，具有對油和水具有極為敏感的鑒別區分、拒絕油料粘附的反彈、向阻截膜施以單向水壓時能讓水粒有導向地置換通過等能力，從而表現出“水過油不過”的特殊功能屏障效應。

本文針對200 MW燃氣流風洞產生的油水混合物除油的需求，對比了阻截吸附、化學分解、沉淀池等多種油水分離技術，結合風洞系統實際情況提出了適宜的解決方案。

1 需求分析

目前國內污水排放主要參照GB 8978—1996《污水綜合排放標準》，按照標準分級，試驗廠區污水排放為排入設置二級污水處理廠的城鎮排水系統污水，宜執行三級標準，石油等二類污染物最高允許排放濃度見表1。

表1 第二類污染物最高允許排放濃度 單位：mg/L

200 MW燃氣流風洞單次試驗產生油水混合物為5 t，其中含煤油量為5 kg，因此初期排放石油類質量濃度約為1 000 mg/L，超出石油類三類標準排放限值20 mg/L 較多。除煤油外，其他污染物取樣檢測結果見表2，檢測水樣為試驗后擴壓器下游積水上、中、下三層取樣。對比國標可見，下層水懸浮物也不達標。

表2 水樣污染物質量濃度檢測結果 單位：mg/L

因此，風洞試驗系統污水處理的需求為在試驗周期（通常為5 d）內完成5 t 污水油水分離，并降低水中懸浮物的含量，達到可排放標準。

2 方案選擇

2.1 氣浮法

氣浮法除油技術多用于油庫含油污水處理。油庫含油污水日排放量較大，達到250 m3左右，其處理措施為靜置至油水分離后進入污水處理系統。油水分離經過三個步驟，首先經過油水分離池靜置不少于5 h，之后收集浮在水面的油污，將水排入濾水池，再由濾水池排入凈水池，最后在凈水池中靜置不少于3 h后，排入污水處理系統。

污水處理系統包括調節池、氣浮池、核桃殼過濾器、CASS（周期循環活性污泥系統）池、清水池。油污水經管道自流進入調節池，均衡水量水質后經泵進入氣浮池浮選分離，將破乳后的油及懸浮物通過氣浮原理從水中分離出來。氣浮池出水由提升泵提升至核桃殼過濾器進行過濾處理，之后進入CASS 池去除污水中的有機物，出水由加壓泵提升壓力進入多介質過濾器，達到排放標準。污水處理工藝流程如圖2 所示。

圖2 氣浮法流程圖

2.2 阻截吸附技術

阻截吸附除油系統由阻截除油罐和掃描凝聚罐組成，阻截除油罐通過膜分離原理實現油水分離，掃描凝聚罐通過活性炭吸附水中的溶解油，并再次通過HKA 膜進行油隔離。其工藝原理圖如圖3 所示。

圖3 阻截吸附法工藝原理圖

含油廢水首先進入富集阻截除油罐，該罐具有高效率油水分離性能的HKB-Z 型管式阻截膜除油單元，利用該HK 阻截膜“水過油不過”的選擇性阻截分離特性，高效阻截分離去除來水中的油等憎水性雜質，水則置換滲透過膜，被阻截在除油膜單元外的油微粒經過一段時間的富集、凝聚增長成大油粒后按罐內設計的水力通道匯集于罐頂的集油器中適時排出。

富集阻截除油罐出水自壓進入掃描凝聚阻截禁油罐，該罐為雙室結構，上室裝有炭基掃描凝聚填料，其經過功能化改性的顆粒表面能夠高選擇性吸附凝聚水中的“溶解油”，流經該填料層的水中分散的石油類分子被捕捉吸附在填料顆粒表面并累積凝聚成油膜，當油膜生長到一定厚度時在水流沖刷下變形、脫落成油粒回到水中，使“溶解油”轉化成易于阻截分離的油粒。下室裝有高阻截精度的HKA-Z 型管式阻截除油膜單元，高精度阻截去除經上室掃描凝聚填料表面凝聚富集后再被水流沖脫又回到水中的油粒，分離出的油從中間排油通道排除。掃描凝聚阻截禁油罐出水即可穩定滿足出水水質要求。

實現阻截除油的物質基礎是一種特殊功能纖維——HK 纖維，該種雙層結構功能纖維的表面功能結構中有序密布著豐富的強極性官能基團。當HK 纖維遇水時，極性的水分子即與纖維表層的官能基團發生強電性締合（鍵能高于水分子間的氫鍵），從而在纖維表面形成較穩定的締合水膜。將HK 纖維以足夠的密度組織成膜型材料—HK 阻截膜，當該HK 阻截膜浸入水中時，滲入膜結構空隙中的水分子即與纖維上的官能基團形成鍵締合，這個過程叫做HK 膜的水合活化。當含油的水要透過這層水合活化的HK 阻截膜時，來水一側的水分子必須與膜結構中的締合水分子發生置換透過，而油等憎水性分散質則不能與膜內締合水發生置換而被阻截在膜外，從而成功地實現了油水分離，這種效應被定義為動態選擇阻截膜效應，也就是“水過油不過”。

2.3 化學分解技術

化學分解技術采用化學絮凝法，通過無機絮凝劑對水中的油進行絮凝沉淀，利用無機膠體和有機聚合物之間進行架橋，形成復合膠體網鏈并產生黏結、吸附和卷掃等作用，從而使有機質中的活性基、有機物得以去除。通常采用聚硫酸鐵、聚氯化鋁等作為絮凝劑。

該方案一般包括沉砂池、絮凝池、藥劑池、壓濾機、清水池，污水進入沉砂池進行沉砂處理，去除粗大顆粒物，之后進入絮凝池，在污水中加入絮凝劑，并通過機械設備攪拌，產生絮凝狀污泥，通過沉淀實現固液分離，之后將液體排出至清水池，污泥則通過壓濾機和污泥泵排出。工藝流程如圖4 所示。

圖4 絮凝法流程圖

2.4 油水分離器技術

市面上常見的油水分離器（工業隔油器）的原理一般采用微氣泡發生器產生氣浮分離油脂，或采用振動膜分離原理分離油脂，是一種初級分離技術，單獨使用難以達到GB 8978—1996《污水綜合排放標準》。

2.5 沉淀池技術

由于200 MW 燃氣流風洞試驗系統所產生的油水混合物在靜置48 h 后的檢測結果顯示已達到排放標準（檢測結果見表3），故可設置容積30 m3左右的沉淀池，通過靜置沉淀，待池中間高度層水質達標后排放，頂層浮油及底層沉淀通過晾曬或回收處理。方案流程見圖5。

表3 靜置48 h 后水質檢測結果 單位：mg/L

圖5 沉淀池方案處理流程

3 對比分析

對上述五種技術方案從處理效果、土建工程量、成本等方面進行對比如表4 所示。綜合來看，阻截吸附方案和沉淀池方案較好，阻截吸附方案在效果和成本上更優，為油水分離最佳方案。考慮到污水中還有懸浮物，可設計簡易的沉淀池作為前置處理設備。

表4 方案對比

4 方案設計

4.1 總體方案

按照試驗污水處理的需求分析，設計了污水處理方案，主要以靜置分離和油分離兩個工藝為主要處理流程，處理過程示意見圖6。

圖6 污水處理總體流程

具體處理過程為：

1）用小型離心泵將污水從風洞的噴水降溫裝置抽至沉淀水箱；

2）在沉淀水箱中靜置48 h，使污水分層，油等輕組分浮于上層，添加絮凝劑使碳黑等重組分懸浮物沉于箱底，中間為清水；

3）用小型離心泵將頂層含油水加壓送入油分離裝置，進行油分離，分離出的油單獨收集作為危廢物單獨處理，分離出的清水排入6 000 m3水池，作為設備冷卻水循環利用；

4）將沉淀水箱中層清水利用重力自流放入6 000 m3水池，作為設備冷卻水循環利用。

4.2 前置沉淀系統設計

前置沉淀系統包括泵、閥、管路及沉淀水箱等設備。污水處理泵閥管系統原理如圖7 所示。處理流程為：先用小型水泵將污水抽至沉淀水箱，在水箱中靜置，添加絮凝劑使碳黑等懸浮物沉淀，而后將沉清后的水抽入油水分離器將煤油分離，最后將完成油分離的水排入200 MW 燃氣流風洞已建的6 000 m3水池，作為風洞冷卻水實現循環利用。沉淀于沉淀水箱底的碳黑人工收集，作為固體廢棄物另行處理。

圖7 系統原理圖（單位：mm）

系統各部分具體功能為：

1）加壓排污管：在兩個試驗臺下方分別加裝一臺小型離心水泵，將臺內污水抽出，經過管道送入沉淀水箱。

2）油分離管系：使用一臺小型離心泵將沉淀水箱上層的含油污水加壓送入油分離裝置進行處理，并將處理后的清水送回水箱中，將分離出的油收集至暫存桶。

3）自來水管系：從車間上方引一路DN15 自來水管至油分離裝置，用于反洗。

4）沉淀水箱：在車間北側空地放置一長3.5 m、寬1 m、高4.5 m 的水箱，用于靜置污水，使污水中的粒物懸浮物沉淀，油上浮。

5）在沉淀箱距箱底150 mm 處設一DN100 排污口，通過軟管將沉淀和去油后的水排入已有的回水池中循環利用。

4.3 油分離系統設計

本方案中油水分離裝置選用阻截吸附法油水混合物處理方案。此裝置原理如圖8 所示。

圖8 油水分離裝置原理圖

具體工藝流程見圖9。

圖9 工藝流程

5 處理效果

建成后的污水處理系統如圖10 所示，圖中左側為沉淀水箱，右側為油水分離設備。根據實際使用情況，污水處理效果如下：

圖10 污水處理系統

1）處理后含油量為0.038 6 mg/L，遠小于5 mg/L，滿足一級排放標準，可循環使用；

2）懸浮物質量濃度小于70 mg/L，滿足一級排放標準，可循環使用；

3）每小時處理污水0.5 m3，單次試驗產生污水處理總耗時為10 h，滿足使用要求。

6 結論

針對200 MW 燃氣流風洞試驗產生污水處理需求，進行了多方案對比選擇、細化設計和建設調試，得到以下結論：

1）試驗系統產生的污水除含油外，懸浮物也超標，需要一并處理；

2）阻截吸附作為新型油水分離分案，處理效果優異，成本低廉，效率較高，特別適合污水量不是特別大的場景；

3）靜置分離-阻截吸附的污水處理工藝能夠將污水中的油處理至低于國家一級排放標準的水平，下層碳黑等凝聚物（按國標屬于懸浮物）通過晾曬后作固廢處理，污水處理方案效果較好。