空化射流處理含油廢水的研究

文/雷飛東 鄧松圣 趙云峰

含油廢水的處理主要是通過外力將廢水中的油水大分子剝離、再重新組合，實現油水分離，即乳化油的破乳，其中物理法因無二次污染、處理速度快、經濟效益好、油水皆可回收利用等特點應用最廣。本研究介紹了一種新近發展起來的物理破乳方法，水力空化破乳法。

流體流過一個限流區域(如多孔板、文丘里管等)時會產生壓降，若壓力降至液體飽和蒸汽壓力時，溶解在流體中氣核會迅速膨脹，在液體內部形成含有水蒸氣或其它氣體的空泡并迅速聚合長大，當液流壓力恢復時，空泡受擠壓而潰滅，即水力空化。水力空化能夠在常溫常壓下的流體中產生瞬時局部高溫(1000～5000K)和高壓((1～5)×107Pa)。空化射流處理含油廢水就是利用空化射流產生的瞬時高溫、高壓、強烈沖擊波和紊動剪切應力破壞油水界膜，使油珠微粒相互接近并聚集成大油滴，從而浮出水面，實現油水分離，是一種離解有機污染物的有效處理方法。

1.實驗裝置

實驗裝置如圖1所示，具體組成：50L的儲罐，2900rpm，5.5KW的離心泵，三個流量控制閥和一個孔板，兩條內徑為20mm通向儲罐的管路。多孔板直徑為20mm，用法蘭固定。孔板1中孔的直徑為4mm，過流系數(孔板過流面積與管道橫截面積的比率)β0為0.2，孔板2中孔的直徑為2mm，其β0的值為0.13。

2.實驗方法

儲罐充液量為滿儲量的80%，閥V1，V2，V3處于全開狀態，試驗過程中，通過閥門V2來調節孔板上游進口壓力P1的大小（即泵的出口壓力），以滿足實驗要求。實驗溶液為柴油和自來水充分振蕩并靜置1小時而形成的濃度為260mg/L的含油廢水。通過儲罐冷凝外套中冷卻水的流速來調節溶液溫度，并控制在36±2度范圍內。反應分別進行20、40、60、80 分鐘后將廢水靜置半小時后在液面下20～30cm處取樣，含油廢水的濃度用紅外分光測油儀測定。

3.實驗結果與分析

3.1 處理時間與水樣油濃度間的關系

入口壓力為3atm，分別使用多孔板1和2，得到水樣油濃度與處理時間關系，如圖2所示。由圖可見，處理的初始階段，油濃度與處理時間關系曲線斜率很大，下降速度快，20分鐘后水樣濃度變化趨緩，反應進行60分鐘時，裝配孔板1的實驗裝置的油去除率 (離解出的油濃度與初始油濃度的比值)接近90%，水樣已達到污水綜合排放三級標準。由于反應初始階段空化的除氣效應，即，溶解在廢水中的空氣在空化初期使得水樣壓力減小，空化氣泡數量陡增，空化強度大大加強；另一方面，反應初期水樣油濃度較大，油粒分子間相互碰撞比較頻繁，使得油水界膜遭破壞、油珠微粒相互接近并聚集成大油滴的幾率增大，因而離解出的油滴量增幅較大。

3.2 進口壓力對水樣油濃度的影響

處理時間為60分鐘，進口壓力與水樣油濃度的關系如圖3所示。由圖可知，油濃度隨進口壓力增大而降低，在進口壓力為4atm左右時，油濃度達到最低，離解效果最佳；這是由于隨著進口壓力增大，進入到高剪切力區域和高紊流區域的射流容積量增加，導致空化產生量增大，整體空化效應增強，離解效果也更好。但壓力增得過大時，液流的紊動強度劇烈，使得儲罐上層水溶液過多參與反應，大量被離解出的大分子油滴被重新乳化，同時超空化的產生也使得廢水的離解效果反而變差，因而當壓力大于4atm時，孔板1條件下廢水離解效果變化不明顯，孔板2條件下的水樣油濃度略有升高。

3.3 空化數對水樣油濃度的影響

空化數是無量綱參數，其物理意義是：

空化數=抑制空化產生的力/促使空化出現的力

對于具體的液流系統，空化數可定義為：

其中，P2是孔板下游恢復壓力，Pv是在儲罐液體溫度下的液體飽和蒸汽壓力，Vth是孔板處液流速度。Vth可通過連續方程求取：Q=Vth·Ath=V2·A

即，Vth=V2·A/Ath=V2/β0

V2是孔板下游液流穩定后的流速，假定管道內壁足夠光滑，且孔板下游管道長度不大，沿程阻力損失可忽略，則V2可近似為出口端流速。通過進口壓力調節水樣的出流速度，進而推算出不同的空化數。

處理時間為60分鐘，空化數與水樣油濃度的關系如圖4所示。從圖4可以看出，空化數越低，經處理的水樣油濃度越低，在空化數為0.2左右時達到最低，因為空化數越低，流經孔板的液流產生的空化氣泡越多，越易聚集生成更大的空化氣泡，空化也更為劇烈，含油廢水的除油率也就越高；但另一方面，空化數過低，易產生超空化現象，同時，由于系統壓力升得過高，液流流經孔板時受阻而產生的負面效應也顯現出來，這都導致了油滴離解效果變差。

3.4 孔板結構特性對水樣油濃度的影響

從油濃度與處理時間關系圖和油濃度與進口壓力關系圖可知，孔板2對水樣的離解效果好于孔板1。這是由于孔板2的過流面積及單孔面積都比較小，在進口壓力一定的條件下，孔板處液流的紊動強度更大，產生的剪切力更高，加劇了空化氣泡的潰滅；另一方面，由于孔板2的孔洞數量較多，穿越孔洞形成的高剪切區分布更為均勻，空化產生的區域更廣。

在圖4中，空化數為0.15～0.2時，孔板2處理的含油廢水離解效果受超空化的影響比孔板1要小得多；在0.2～0.25的空化數區間上，兩種多孔板都顯示了較好的空化性能，且孔板1略優于孔板2，但在過流系數β0較低的條件下，由于大量的空穴進入剪切層和高紊流區，使得空穴潰滅更為劇烈，孔板2在較低的進口壓力條件下就能獲得與孔板1相同的空化數，其能效比要低得多，體現出較好的經濟性；孔板1還存在空化數大于0.25的區間，在該區間上，空化不易發生，空化活動不劇烈，含油廢水的離解效果差。

4.結論

(1)空化射流對含油廢水進行離解處理，效果是明顯的；廢水經較短時間處理能達到排放標準，處理效率較高。

(2) 該實驗條件下，進口壓力為4atm、空化數為0.2左右時，含油廢水的處理效果較為理想，經60min處理后能達到二級排放標準。

(3)孔洞分布較為均勻，過流系數β0較小的孔板有利于廢水的處理，還能有效地抑制超空化問題對油滴離解產生的負面影響。