旋流-静态微泡浮选柱净化含油废水试验研究

Posted 2023-01-12 柱体

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为了提高含油废水处理效果、简化处理工艺，提出了以旋流-静态微泡浮选柱为核心的水处理工艺，在自行研制的试验装置系统上，研究了循环泵压力、柱体过流速度、混凝剂种类及投加量、表面活性剂投加量、油水pH值等主要工艺参数对模拟含油废水除油效果的影响.结果表明：以上因素均对脱油率有较大影响，在优化条件下，除油率可达95.7%，旋流-静态微泡浮选柱对含油废水有较高的净化能力.
石油开采、加工和应用过程中产生的含油废水对环境造成了严重污染.在含油废水中分别以悬浮油、分散油、乳化油、溶解油及油-固体物存在的各形态中，乳化油的去除是含油废水净化的难点之一，而气浮法是处理乳化油的常用方法.
浮选柱是典型的浮选设备之一，净化路径长、分离精度高是它的最大特点，但也因此造成分离效率不尽理想.国内外许多研究者都利用浮选柱进行了油水分离的试验研究，除油率大多在90%左右[2-3]，文献采用新型多段环流浮选柱处理含油废水，除油率达到了90%～93%.旋流-静态微泡浮选柱是一种新型柱式浮选设备，它的特点是在保持普通柱浮选优势的同时，在柱浮选段下部引入了三相旋流分选体系，通过切向旋转的径向逆流碰撞，产生了密度分离与表面浮选的叠加效应，大大提高了分离效率.另外，它的成泡方式是通过高速射流在负压条件下引射气体并把气体粉碎成微细气泡，特别有利于微细物料的分离[5-7].这些特点显示出了将它用于高效净化含油废水的可能性.在自行研制的旋流-静态微泡浮选柱水处理系统上，以模拟含油废水为研究对象，进行了含油废水净化试验研究，并研究、优化了主要工艺参数，以期开发含油废水净化新技术.
1.试验系统与方法
1.1试验系统
旋流-静态微泡浮选柱油水分离试验系统如图1所示，主要由旋流-静态微泡浮选柱、调浆搅拌桶、给水泵、循环泵、出水泵等构成.浮选柱主体结构包括浮选柱分选段(柱分离装置)，旋流分离段(旋流分离装置)、管浮选装置3部分.含油废水由位于柱体中上部的给料口给入，与上升气泡逆向碰撞，黏油气泡进入柱顶部油品收集槽排出；未分离完全的油水进入下端被循环泵加压后进入管浮选装置，再由管浮选装置吸气矿化后切线给入旋流装置，低密度的气泡、油、水混合物进入溢流上升，高密度的净化水沿旋流装置内壁由柱底部排出.试验用浮选柱内径为50mm，高度2000mm.

1.2试验方法
利用车用二冲程机油(含水率<0.1%，45℃下的密度约为980kg/m3)配制模拟含油废水水样，其方法是：利用表面活性剂十六烷基三甲基溴化铵(CTAB)将机油配制成体积浓度20%的乳化油，然后根据试验需要稀释成所要求的浓度，稀释过程中为使油分充分分散和保持稳定，在3000r/min的搅拌桶中搅拌1h，然后静置12h.
利用紫外分光光度法测定水中油品的含量.采用油的脱油率R反映分离效果.

式中：R为脱油率，%；ρ0表示进水中的含油浓度，mg/L；ρs表示出水中的含油浓度，mg/L.
2.结果与讨论
2.1循环泵出水压力的影响
旋流-静态微泡浮选柱利用循环泵将相当于浮选柱入料量数倍的油水从柱体底部吸入后，再经循环泵增能加压重新进入浮选柱进行油水分离.循环出水压力的调整是通过调整循环量来实现.随着循环量的增加，循环泵出口压力显著升高.在同一浮选柱设备内，循环泵的压力大小与循环量几乎呈线性关系.
考察了循环泵出水压力在0.04～0.1MPa(表压)变化时对浮选分离效果的影响.试验条件：进水pH值为7，进水含油浓度为120mg/L，处理量为0.75L/min，表面活性剂十二烷基硫酸钠(SDS)投加浓度为10mg/L，絮凝剂聚合铝(PAC)投加浓度为30mg/L.试验结果见图2.

试验结果表明：循环泵出水压力对脱油率有很大影响.循环泵出水压力与循环量、吸气量、柱体内旋流力场及流态等影响脱油率的因素有直接关系.在合适的压力范围内，压力越大，溶解在水中的空气越多，循环水进入柱体后释放出来的微泡数量越多；旋流力场增强，气泡与油滴由周边沿径向向中心汇集速度提高，气泡与油滴碰撞机会增加，有利于气浮；同时，循环量增加，使脱油更彻底：当循环泵出水压力(表压)从0.04MPa增加到0.06MPa时，脱油率从88.3%增加到95.7%.但压力超过一定范围后，柱体内流体产生强烈的扰动，破坏了分离环境，同时吸气量过大，产生的气泡过多，在柱体内兼并形成大气泡，不利于气浮分离；循环量过大，也影响了处理能力.所有这些不利因素，都导致脱油率明显下降：当循环泵出水压力从0.06MPa增加到0.1MPa时，脱油率从95.7%下降到80.8%.在试验条件下，确定循环泵出水压力应控制在0.05～0.07MPa为宜.
2.2过流速度的影响
试验条件：溶气压力为0.06MPa，进水pH值为7.0，进水含油浓度为120mg/L，SDS投加浓度为10mg/L，PAC投加浓度为30mg/L.
废水在柱内柱体横截面过流速度决定了气泡与油粒相互碰撞的机会大小.处理量增加，柱体横截面过流速度加快，废水在柱体中停留时间缩短，气泡与油粒相互碰撞的机会减小，浮选效率降低.通过调整给料泵给料速度来控制废水在柱体横截面过流速度.过流速度过小，将影响处理能力；过大会显著降低除油效果.当过流速度从3.8mm/s增加到6.8mm/s时(相应给料速度由0.45L/min增大到0.8L/min)，除油效率略有降低但变化不大，当过流速度增加到6.8mm/s以上时，除油效率明显降低，当过流速度增加到10.2mm/s时(相应给料速度1.2L/min)，除油效率降低到53.4%.适宜的柱体横截面过流速度为6.8mm/s左右.

2.3混凝剂种类及用量对处理效果的影响
破乳是脱除乳化油的重要步骤.水中加入混凝剂有破乳作用，可使存在于水中的微细油珠粗大化，以提高分离效率.油粒表面均带有负电荷，具有一定的ξ-电位而在其周围形成双电层，致使油粒不易聚结，形成了较为稳定体系.加入混凝剂后，通过其水解和缩聚反应而形成的高聚物具有强烈的吸附架桥作用，并中和油珠表面电荷，降低其ξ-电位，压缩双电层，促使油粒相互聚结并被吸附黏结.试验考察了聚合氯化铝(PAC)，聚丙烯酰胺(PAM)，PAC+PAM3种药剂条件下添加量对除油效果的影响.试验条件：循环泵压力为0.06MPa，进水pH值为7.0，处理量为0.75L/min，进水含油浓度为120mg/L，SDS投加浓度为10mg/L，絮凝剂投加方式分为3种：PAC，PAM，PAC+PAM.结果见图4.随着PAC，PAM的加入，除油效率提高.PAC，PAM的投加量分别为30，20mg/L时，除油效率分别达到95.7%，87%.采用复合药剂(20mg/LPAM+30mg/LPAC)时，除油效率达到95.8%.但过量的投药量反而降低了除油效率，因水中油粒絮体能将混凝剂吸附在其表面，油粒几乎被混凝剂包围，没有空表面，油粒间的黏结架桥作用无法实现，反而增强了油粒的稳定性，同时还会使絮体变得脆弱而易被气泡打碎.

2.4表面活性剂用量对处理效果的影响
浮选过程中，表面活性剂的存在，会使油粒絮体的憎水性能及气泡的尺寸、数量和稳定性受到影响.表面活性剂被吸附在气液界面时，可显著降低水的表面张力，进一步减小水中气泡的尺寸，增加泡沫的稳定性，阻止气泡的聚并.
采用的阴离子型表面活性剂十二烷基硫酸钠(SDS)能将水的表面张力从72.8mN/m降至39.5mN/m，因此SDS的水溶液很容易产生泡沫.
试验条件：循环泵压力为0.06MPa，进水pH值为7.0，处理量为0.75L/min，进水含油浓度为120mg/L，PAC投加浓度为30mg/L.SDS对处理效果的影响见图5.由图5可看出，未投加SDS时，R为81.4%，当SDS投加量为10mg/L时，R达到95.7%，当SDS投加量为15mg/L时，R反而降低为93.7%.当SDS投加量适中时，可提高浮选效率.这是由于表面活性剂一方面使气泡的尺寸减小，数量增加，增加了气泡与油粒的碰撞几率；另一方面表面活性剂亲水基团与絮粒亲水部分相结合，使油粒絮体的附加憎水基团增加，憎水性能增强，从而提高气泡的黏附数量及牢度，使原先黏附不牢的上浮较慢的带气絮粒得到改善，从而提高浮选效果.而过量的SDS会形成大量的亲水性胶束，黏附在絮体的亲水基团上，增加絮体的亲水性，致使浮选效率有所降低.

2.5含油废水pH值的影响
含油废水的pH值对气泡、油粒及其絮体的表面电荷，以及它们在污水中赋存形态及特性均有较大影响.试验中通过向污水中加入酸(HCl)或碱(NaOH)来调节废水pH值.试验条件：循环泵压力为0.06MPa，处理量为0.75L/min，进水含油浓度为120mg/L，SDS投加浓度为10mg/L，PAC投加浓度为30mg/L.污水pH控制对除油效果的影响见图6.除油率对pH值较敏感，当pH值<6时，除油率随pH值增大而增加；当pH值为6～8时，除油率变化不大，并在pH值为7时达到最大值95.7%；当pH值>8时，除油率又明显下降.故应将pH值控制在6～8.

3.结论
1)循环泵压力是影响旋流-静态微泡浮选柱工况的重要参数，同时也对含油废水的脱油效果产生较大影响，循环泵压力应控制在0.05～0.07MPa.柱体横截面过流速度是影响脱油效果的重要因素，过大时会显著降低脱油效果，适宜的柱体横截面过流速度为6.8mm/s左右.
2)混凝剂破乳是气浮脱除乳化油的重要前提.在采用PAC和复合药剂(PAM+PAC)条件下，获得了较好的除油效果；添加表面活性剂SDS可形成微细稳定气泡，对脱油效果有显著影响.
3)pH值对气泡、油粒及其絮体的表面电荷，以及它们在污水中赋存形态及特性等方面都有影响，控制在6～8之间时，可获得较好脱油效果.
4)旋流-静态微泡浮选柱可有效脱除含油废水中的乳化油.当进水含油浓度120mg/L时，在优化工艺参数条件下脱油率可达95%以上.