艦船乳化油污水破乳技術

王泉斌，李秋成

(中國艦船研究設計中心，武漢 430064)

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艦船乳化油污水破乳技術

王泉斌，李秋成

(中國艦船研究設計中心，武漢 430064)

摘要：對比乳化油污水處理方法的技術特點及其裝艦適應性，分析得出采取化學破乳絮凝法與氣浮法相結合的處理工藝可滿足艦船乳化油污水的處理需求，通過開展不同破乳劑的化學破乳試驗，測試分析不同破乳劑的油水分離效果。

關鍵詞：乳化油污水；破乳；艦船

為適應MARPOL73/78公約MEPC.107(49)的決議要求，水面艦船通常通過設置油污水處理系統對艦上機爐艙、電站、輔機艙等艙室內的主、輔機械設備所產生的含石油類污水進行處理，實現油污水的達標排放[1-2]。而由于水面艦船的大型化，各機械處所在高溫、高壓下產生的含油污水逐漸增多，大量的含油污水由高溫含油蒸汽冷凝形成。該油污水中的油主要以兩種形式存在，一部分是油滴粒徑極小且穩定的乳化油污水;還有一部分是油滴粒徑較大浮在表面的懸浮油。其中，乳化油污水是油和水經乳化混合在一起而形成的油包水液分子基團，該分子基團顆粒的粒徑一般在0.5～10 μm，有機物含量很高，并且含有大量表面活性劑及其他添加劑，相比于懸浮油污水更難以分離，易造成目前常用艦船油污水處理裝置的分離效果不佳、油水分離組件的使用壽命降低，影響艦船出航期間油污水處理后水質的達標排放[3-4]。因此，對乳化油污水的處理方法及特點進行對比分析，探討適應于艦船條件下的乳化油污水破乳技術途徑；通過開展乳化油污水破乳技術的相關試驗，驗證艦船乳化油污水破乳技術的實際效果。

1乳化油污水處理方法及特點

目前常用的乳化油污水破乳處理方法主要包括膜分離法、吸附法、強制過濾法、化學破乳絮凝法、化學氧化法以及電化學法[5-6]。

1)膜分離法。膜分離法是當油污水通過膜表面時，利用膜的微孔結構截留乳化油和溶解油，從而實現油水分離的方法。簡單的情況是乳化油基于油滴尺寸被膜阻止，而溶解油的被阻止則是基于膜和溶質的分子之間的相互作用，而使油黏附在膜表面。其優點是原水可以不經過破乳直接進入膜處理，從而減少配套設備，且出水水質好，但對于高濃度的乳化油污水而言，由于污染程度高，膜表面污染迅速，水通量下降很快，設計上為了保證一定的沖洗時間間隔及沖洗效果，延長膜組件壽命，必須增大膜面積以降低其單位流量，從而造成裝置體積過大。另外，乳化油污水濃度高，膜組件在線清洗難以徹底，必要時需人工清洗，維護工作強度大。

2)吸附法。吸附法是利用吸附介質的多孔結構，對污水中的油和有機物進行吸附處理，從而實現油水分離的方法。最常見的吸附介質是活性炭，以往本所開發的艙底油污水處理裝置即是采用該法對經重力分離后的乳化油污水進行處理的。該方法出水水質好，設備體積小，但由于活性炭對油的吸附容量是固定的，當進水乳化程度很高時，活性炭很快吸附飽和，必須更換，因此會造成更換周期短、成本高及維護工作量大等問題。如增加活性炭量，又會造成裝置體積過大。只適合于對含油量較小的油污水進行深度處理。

3)強制過濾法。強制過濾法是讓乳化油污水通過過濾介質，利用過濾介質將乳液珠滴的界面膜刺破，使其內相聚結而破乳的方法。該方法破乳效果好，過濾后的污水可以直接進行油水重力分離。但對于高濃度乳化油污水，需降低過濾流速以提高破乳效果，造成過濾表面積大，裝置體積大。同時，該方法對乳化油污水的清潔度要求很高，不能有大顆粒固體，以免堵塞過濾介質。

4)化學破乳絮凝法。化學破乳絮凝法是含油廢水處理中常見的方法，常與氣浮法聯合使用。在乳化油污水中投加能起破乳絮凝作用的化學藥劑，該化學藥劑通過其本身或者其水解產物的壓縮雙電層、電性中和及吸附架橋等作用實現對乳化油污水的破乳作用。由于破乳后產生的油性絮狀物密度比水輕，會浮到水上從而與水分離。該方法具有破乳效果好、速度快及適應乳化油污水濃度范圍廣等特點，但也存在絮狀物上浮速度慢，污水停留時間長，裝置體積大等問題。

5)化學氧化法。化學氧化法是利用化學氧化劑如臭氧，氯氣，二氧化氯等氧化分解污水中的油和COD等污染物以達到凈化污水的一種方法，為了提高氧化效率，一般需使用催化劑。該方法具有處理時間短，設備體積小等優點；缺點在于使用時需制備或儲存氧化劑和催化劑，設備復雜，且部分氧化劑對人員存在一定的安全風險及對船舶存在一定的腐蝕風險。同時，當氧化劑過量投加時，造成排放水質中的總殘余氧化劑超標，會對水體產生二次污染。

6)電化學法。電化學法又稱電絮凝法，利用電解作用犧牲陽極金屬電極(一般為金屬鋁和鐵)形成各種絡合物，對污水中的乳化油污水進行破乳和絮凝；同時電解反應時會產生氫氣和氧氣形成微氣泡，具有一定的氣浮作用。該方法具有處理效果好，無需外加絮凝劑等優點，但也存在副產物——氫氣，具有爆炸性，存在安全隱患且金屬陽極消耗量大，能耗大等缺陷。

2艦船破乳技術適應性

艦船乳化油污水處理技術的適應性對比分析見表1。

化學氧化法和電化學法由于存在安全隱患，不適合在艦船上應用，吸附法和膜分離法對高濃度的乳化油污水進行處理時，容易造成介質飽和或污染，可持續性差，維護保養工作量很大，可行性低。強制過濾法的主要限制因素在于水質問題，由于艦船乳化油污水中可能混有較多的顆粒物雜質或膠體，導致水質較差。而由于該工藝采用的過濾介質的過濾精度一般在1 μm左右方能起到破乳的作用，考慮到水質雜質較多時，可能會造成水通量急劇下降，最終堵塞，從而使破乳過程中止。在以往的壓載水處理技術研究中，曾出現在利用精度為50 μm的海水濾器在東海進行試驗時，過濾10 min后即需要進行反沖洗。且有資料顯示，該工藝對較稀乳化油污水的處理效果較好，而對濃度較高的乳化油污水處理效果較差。因此，該工藝的可行性還需結合相關試驗進行研究，以考察雜質含量及乳化油污水濃度對其處理效果的影響。對于化學破乳絮凝法，因其對水中的雜質含量沒有特殊要求，且從理論上講可以通過改變破乳劑的投加量以適應高乳化油污水濃度的油污水；同時，該技術方法在采油領域的水處理工藝中有所運用，并獲得較好的破乳處理處果[7-8]。

表1　艦船乳化油污水處理技術適應性對比分析

3乳化油污水化學破乳效果

采用化學破乳絮凝法的關鍵在于破乳劑的選擇，因為對于不同性質的乳化油污水，不同破乳劑的破乳效果相差懸殊。

3.1試驗方法

根據艦船乳化油污水的特性，選取最高乳化程度即乳化油質量濃度4 000 mg/L的油污水進行破乳試驗，在其中加入不同的破乳劑或破乳劑的組合，檢測其清液的含油量，考察其隨時間變化的破乳效果。同時，從化學破乳劑的應用角度要求既環保安全，不要造成二次污染，因此選取常見的破乳劑A、B、C及D作為本次試驗的破乳劑，采取不同破乳劑、相同投加濃度的破乳效果比較，同一破乳劑不同投加濃度破乳效果比較，以及不同破乳劑組合破乳效果比較的測試。

3.2試驗結果

1)破乳劑A、B的破乳效果對比試驗在質量濃度為4 250 mg/L的750 mL乳化油污水中進行，分別加入10 g A和10 g B，檢測其含油量的變化，試驗結果見表2。

表2　10 g破乳劑A和10 g破乳劑B的破乳效果

在濃度為4 250 mg/L的750 mL乳化油污水中分別加入20 g A和40 g B，檢測其含油量的變化，試驗結果見表3。

表3　20 g破乳劑A和40 g破乳劑B的破乳效果

在濃度為4 250 mg/L的750 mL乳化油污水中，先加入10 g A，后再加入10 g B，試驗結果見表4。

表4　10 g破乳劑A+10 g破乳劑B的破乳效果

由表2可見，同等情況下，A的破乳效率比B的高得多，但經過較長時間后二者最終的效果相差不大。

由表3可見，在加大A和B的劑量后，二者的破乳效果有所提升，但劑量倍增后的效果并沒有倍增。此外，A在初始階段的脫油效果較為明顯，但后期有所下降；而B則相反。同時如表4的結果所示，A加入B混合后的破乳效果不但沒有發生疊加效應，而且二者的作用反而受到了抑制。

2)破乳劑A、B、C及D的破乳效果對比。在質量濃度為4 250 mg/L的750 mL乳化油污水中，加入4種介質不同組合或不同量的破乳劑，試驗結果見表5。

由表5可見，單一破乳劑C對乳化油污水的破乳效果強于破乳劑D。結合表3可以得出，4種破乳劑在破乳初期(4 h內)對于乳化油污水的破乳效果排序依次為：A>C>B>D。當采用各種破乳劑進行組合投加后，發現其他破乳劑對A的初期破乳效果均產生了抑制作用，而3 d后基本到達同一水平。相反，對于C而言，加入B后破乳效果得到一定程度提升，而加入D后，其初期破乳效果受到抑制，但中后期效果有所提高。從后期(3 d)角度看，效果比較好的是A+C組合、A+D組合以及A+B+C組合。

表5　四種破乳劑組合的破乳效果對比

以上試驗結果表明，化學破乳絮凝法對于乳化油污水的處理是有效可行的，但也顯示出化學破乳處理的油水分離時間較長。其中效果最好的破乳劑也需至少1.5 h才能將乳化油污水的質量濃度降至300 mg/L左右。為此，可參考采油工程水處理中的氣浮工藝，以提升乳化油污水的分油速率和效果。

氣浮工藝是指在水中通入空氣或其他氣體產生高度分散的微小氣泡，這些微小氣泡作為載體去黏附含油污水中的油滴和污染物，使其隨氣泡浮升到水面加以去除。氣浮分離的對象是懸浮油、乳化油以及細微懸浮顆粒物。通過氣浮作用可以大大加快油滴的上浮速度，減少污水的停留時間，減小油污水處理裝置的尺寸。將化學破乳絮凝法與氣浮法相結合后，化學破乳絮凝法能夠使得油滴失穩并破乳凝聚成大顆粒，提高破乳的處理效果；而氣浮法則可加快破乳后油滴的上浮速率，降低水力停留時間，實現乳化油污水破乳處理設備的小型化與裝艦適應性。

此外，對于破乳劑而言，由于需要其在短時間內就能發揮破乳作用，其初期的破乳能力的強弱就顯得至關重要。試驗結果表明，初期破乳能力最強的為A，1.5 h后可達到乳化油污水93.2%的去除率。因此采用A作為乳化油污水的破乳劑。

4結束語

對比分析乳化油污水處理方法的技術特點及其裝艦適應性，得出采取化學破乳絮凝法與氣浮法相結合的處理工藝可滿足艦船乳化油污水的處理需求；同時，結合不同破乳劑的化學破乳試驗對比測試了不同破乳劑的油水分離效果，并選取A作為艦船乳化油污水處理的破乳劑。

參考文獻

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On the Demulsification Technology of Emulsified Oil-water in Warship

WANG Quan-bin, LI Qiu-cheng

(China Ship Development and Design Center, Wuhan 430064, China)

Abstract:The technology characteristics and adaptability of emulsified oil-water separating technology for warship are discussed about. It is concluded that the method combining demulsification by chemical flocculation with floating can satisfy the requirements of dealing with the emulsified oil-water in warship. The demulsification tests are carried out to investigate the effects of oil-water separating for different emulsions.

Key words:emulsified oil-water; demulsification; warship

中圖分類號：U664.9

文獻標志碼：A

文章編號：1671-7953(2016)02-0078-04

第一作者簡介：王泉斌(1982-)，男，博士，工程師E-mail:wqb_hust@163.com

基金項目：國家部委基金資助項目

收稿日期：2016-01-06

DOI:10.3963/j.issn.1671-7953.2016.02.021

修回日期：2016-01-21

研究方向:船舶系統設計、污染防治