旋流氣浮除油裝置預處理含油污水

劉劍飛，李惠芳，陳京寧，史傳坤

（1. 河南理工大學 土木工程學院，河南 焦作 454000；2. 生態建筑與環境構建河南省工程實驗室，河南 焦作 454000；3. 河南油田工程咨詢股份有限公司，河南 鄭州 450000）

隨著油田資源開發力度的不斷加大，多數油田中后期的原油含水率大幅上升。由于環境保護要求不斷提高，含油污水的有效處理問題已經成為當前能源開發中不可或缺的一個生產環節。傳統的污水處理技術主要包括重力分離、過濾、吸附、粗粒化、混凝以及生物處理等［1-2］，但這些傳統的污水處理方法往往存在著處理效率不高、分離時間較長、占地面積大、引入二次污染等缺點［3］。因此，開發一種緊湊高效型的污水處理設備具有十分重要的現實意義。

氣浮技術是通過向污水中通入大量的微細氣泡，使得細小的懸浮顆粒附著氣泡上升至水體表面，從而達到去除油以及其他污染物的目的［4-5］。劉海俊等［6］綜述了影響除油率和氣浮強度的各個因素，并對柱狀氣浮分離技術進行優化研究。DA SILVA等［7］研究了浮選與光芬頓技術聯用對油田采出水除油效果的影響，并采用一階動力學速率模型對浮選試驗數據進行了分析。研究表明，旋流氣浮分離技術發揮了浮選分離和水力旋流分離的協同作用，從而達到快速、高效分離的目的［8-9］。LIU等［10-11］對旋流微泡浮選柱的分離作用機理進行了研究，并考察操作參數對旋流分離效率的影響。韓旭等［12-14］借鑒國外多家緊湊型氣浮裝置（CFU）技術，開展了緊湊型旋流氣浮一體化設備處理含油污水的理論體系和現場試驗的研究。

本工作在傳統氣浮技術的基礎上，引入低強度離心力場，設計出一種旋流氣浮除油裝置，并開展旋流氣浮除油裝置的現場試驗，考察了進水流量和曝氣量對油水分離效果的影響，并通過連續運行驗證裝置的穩定性。

1 試驗部分

1.1 廢水來源及水質

現場試驗的地點選擇河南油田稠油聯合站（以下簡稱“稠聯”）。“稠聯”的原油屬于重質油，黏度高、流動性能差，有大量分散油與懸浮物，且油含量高。本試驗以三相分離器流出的含油污水作為除油裝置的進水。含油污水的水質見表1。

表1 含油污水的水質

1.2 工藝流程

“稠聯”污水處理裝置先后經多次擴建改造，現有總處理能力為13 000 m3/d，主要采用“兩級沉降—氣浮”處理工藝，處理流程見圖1。目前的氣浮池運行效果不穩定，且占地面積大，擬使用旋流氣浮除油裝置代替。

圖1 含油污水處理工藝流程

旋流氣浮除油裝置示意見圖2。該裝置主要采用有機玻璃制成，主體設備包括曝氣盤、旋流氣浮筒等。其中，曝氣盤用于向旋流筒內注入大量的微細氣泡；旋流氣浮筒是整套裝置的核心設備，主要由3個不同直徑和不同高度的圓筒組成，分別實現旋流、氣浮、集油功能。圖中空心圓表示空氣氣泡，實心圓表示油滴。

圖2 旋流氣浮除油裝置示意

由圖2可見，含油污水從切向入口進入旋流氣浮筒，在旋流筒內旋轉上升。通過球閥對旋流筒內的每一個曝氣盤的進氣量進行調節，使氣泡均勻連續地從微孔中冒出。由于油水之間的密度不同，在離心力的作用下，密度較大的水被甩向筒體外壁面，密度較小的油和微細氣泡在旋流作用下朝著收油筒聚集。在此過程中油滴與氣泡不斷發生碰撞和黏附，形成油滴-氣泡黏附體，上升至筒體頂部，使得油滴與水分離開。頂部的油相從中部的收油筒溢出，水相經過旋流筒后進入沉降筒，并最終從出水口流出。

根據現場的實際應用情況，開展了單因素影響試驗和連續運行試驗。從進口流量和曝氣量兩個方面考察操作參數對氣浮裝置除油效果的影響。

1.3 分析方法

含油污水含油量的測定采用JKY-3A型紅外測油儀（吉林市科學技術研究院），按照國家環境保護標準方法［15］。

2 結果與討論

2.1 除油效果的影響因素

2.1.1 進水流量的影響

在曝氣量為0.5 L/min的條件下，通過流量計依次改變進水流量，測定裝置處理后污水的含油量，試驗結果見圖3。由圖3可見，在進水流量為1.8 m3/h時，除油率最高達95.64%，當進水流量增加到2.1 m3/h時，除油率最低為90.5%，除油率的波動幅度沒有超過6%。這是因為流體剪切應力的增加導致油滴和微氣泡黏合體的斷裂率增加，同時，高進水流量導致含油污水在設備中的水力停留時間縮短，并且微氣泡與油滴之間發生碰撞和黏附的機會也變小，分離效率降低。另外，較高的進水流量也意味著需要更多的能量。因此，為促進微氣泡與油滴之間的碰撞、聚結、遷移和分離，本試驗選擇最佳進水流量為1.8 m3/h。

圖3 進水流量對除油效果的影響

2.1.2 曝氣量的影響

在進水流量為1.8 m3/h的條件下，曝氣量對除油效果的影響見圖4。由圖4可見：曝氣量較低時，除油率較低，這是由于此時油水分離主要通過重力作用而缺少氣泡幫助；隨著曝氣量的增加，除油率提高，曝氣量為0.5 L/min時除油率達到最大，為96.03%，這是由于此時氣泡的數量增加，并且油滴與氣泡之間碰撞和黏附的可能性增加，但當氣泡的數量達到一定程度時，氣泡之間的碰撞和聚結使氣泡的數量達到了動態平衡［16］，并且除油率也達到了最高值；當曝氣量超過0.5 L/min后，除油率開始下降，這是因為小氣泡數量增加會使得一些氣泡聚結而形成表面積較小的大氣泡，減少了氣泡與油粒的黏附機會，此外，大氣泡的存在容易干擾水的流動，降低微氣泡與油滴之間的碰撞和黏附的可能性，提高了油滴回混的程度，并降低了裝置的分離效率。考慮到節能和分離效果，本試驗的最佳曝氣量選擇0.5 L/min。

圖4 曝氣量對除油效果的影響

2.2 連續運行試驗

在進水流量為1.8 m3/h、曝氣量為0.5 L/min的最佳試驗條件下進行了6 d連續穩定性試驗，連續運行試驗結果見圖5。由圖5可見：在連續運行時，進水含油量在174.57～1 193.15 mg/L范圍內波動，經裝置處理后，出水含油量基本穩定在137.38 mg/L以下，平均值為78.13 mg/L；除油率為58.58%～94.53%，平均除油率達78.32%；最低出水含油量出現在138 h時，為44.02 mg/L。試驗結果表明，在含油污水含油量波動較大的情況下，出水含油量仍然穩定，而且能夠達到“含油量≤150 mg/L”的預處理指標要求，說明該旋流氣浮裝置具有較高的分離效率和良好的適應性，符合預期的運行指標，可以保證長期運行。

圖5 連續運行試驗結果

3 結論

a）采用旋流氣浮除油裝置可有效預處理含油污水。在進水流量為1.8 m3/h、曝氣量為0.5 L/min時，除油率最高達到96.03%；隨曝氣量增加，除油率呈先增加后減小的趨勢；無論進水流量高或低，除油率的波動幅度沒有超過6%，說明裝置對水量波動具有良好的適應能力。

b）在進水水質突變的情況下，旋流氣浮除油裝置在連續運行時也可將出水含油量降低到137.38 mg/L以下，除油率為58.58%～94.53%，平均除油率達78.32%，處理效果達到預計指標，能夠滿足對油田含油污水預處理的要求。

c）國內外旋流氣浮除油裝置主要應用于海洋平臺，本現場試驗將該技術應用于含油污水的預處理。在試驗過程中受原油物性的影響，極大地增加了旋流氣浮除油裝置的現場處理難度，但該裝置仍表現出良好的穩定性，為下一步實現工業化應用提供了理論依據。