事故油池含油廢水水力空化技術應用研究

邱斌斌，李國勇，張華東，王小豪

(1.國網湖南省電力有限公司超高壓變電公司，湖南 長沙 410004；2.變電智能運檢國網湖南省電力有限公司實驗室，湖南 長沙 410004；3.國網湖南省電力有限公司，湖南 長沙 410004)

0 引言

日常運行中，變電站事故油池在收集設備滲漏油的同時也會收集變電站內產生的部分雨水。隨著運行時間加長，油池內積油不斷增多，事故油池中的油水混合物經過靜置分層后，部分油質會浮在表面，形成浮油；部分會形成乳化油和溶解油，與水混合在一起，形成含油廢水。一旦遇有暴雨這些處理不及時或不徹底的油水混合物隨雨水排出站外，對水體、土壤環境將造成污染[1－8]。

傳統含油廢水油水分離技術主要利用油的密度比水小的特性，通過重力沉降、離心旋轉或氣浮法實現初步分離，再結合波紋板或活性炭進行二次分離。但儀器造價高、能源消耗量大且工作效率低，且大多是針對含油量高的含油廢水，即“油多水少”的含油廢水處理。而對于變電站含油量較低的含油廢水(總油量低于200 mg/L)，即“水多油少”這一特定處理對象研究甚少[9]。本文采用水力空化油水分離方法耦合臭氧氧化工藝的含油廢水處理技術，前期先采用旋流器去除大部分浮油后，難去除的乳化油進入水力空化單元，少量浮油和乳化油通過空化效應被氧化成小分子物質得以去除，同時臭氧發生器產生的臭氧可以強化該氧化反應效率，提高設備處理量，并降低后續出水中油和有機物的含量。通過搭建實驗平臺配置不同含油量的含油廢水進行試驗，該技術可明顯降低含油廢水的總油量至5 mg/L，驗證了其可行性和高效性。

1 系統組成

前期現場調查研究發現，事故油池中存在的油大量以浮油的形式存在，因此本系統采用旋流器等成熟技術先去除浮油，以降低后續工藝中油的處理量。經旋流器后，絕大部分的浮油得以去除，只剩少許乳化油存在。難去除的乳化油進入水力空化單元，在本系統的核心設備組件文丘里管中，水流通過文丘里管產生空化效應，少量浮油和乳化油通過空化效應被氧化成小分子物質得以去除，而臭氧發生器產生的臭氧可以強化該氧化反應效率，提高設備處理量并降低后續出水中油和有機物的含量。

后期利用GL-7100在線紅外測油檢測儀對出水含油量進行測定，檢測含油量值不大于5 mg/L時，將其直接排出容器進行存儲；在含油量值大于5 mg/L時，將反饋至水力空化單元再次進行處理，直至滿足達標排放要求。系統運行原理如圖1所示。

圖1 含油廢水處理系統原理

2 水力空化單元

2.1 水力空化機理

空化對有機廢水有降解作用，能降解難降解的有機成分，能強化氧化反應促進降解。臭氧氧化是苯酚廢水處理的方法之一，單純使用臭氧氧化法處理廢水存在臭氧利用率低、氧化能力不足等問題。而水力空化過程中產生的強射流和局部高溫高壓有利于臭氧在系統中的分散以及產生更強氧化性的羥基自由基，提高臭氧的利用率。

水力空化系統利用液體空化及空泡潰滅產生的機械效應和熱效應使部分臭氧轉變成羥基自由基·OH，這是比臭氧更強的氧化劑，形成水力空化－臭氧聯動的高級氧化技術。O3、O、·OH粒子能量極高且不穩定，協同作用使得有機物分子鏈鍵斷裂，完成快速反應，形成最終產物二氧化碳和水。

烷烴、環烷族飽和烴、芳香族不飽和烴與臭氧氧化反應通式如下:

2.2 水力空化定量描述

空化數是一個無量綱的參數，用來表征空化裝置內部的空化情況，被定義為空化器喉部和此處液體介質相應溫度下的飽和蒸汽壓力的壓力降與喉部動能頭的比值[10－13]。由下式來定義空化數:

本文計算選擇Cv＝0.31。

2.3 文丘里混合器結構設計

文丘里混合器主要由6個部分組成:流出通道、擴散段、接收室、流入通道、喉管和噴嘴。工作原理:當含油廢水以低速進入噴嘴時，由于噴嘴與漸縮管類似，出口截面小，所以含油廢水經過噴嘴出口時過流面積就很小；被噴嘴噴出后，由于流體的突然擴散，會在接收室形成高速低壓的流體；含油廢水在吸入室將形成一個負壓，從而將次流入口的臭氧通過壓差的形式吸入到接收室里，使其與含油廢水進行充分混合，此時兩者就變成了均勻混合的流體。混合的流體進入到喉管段，使油相與臭氧進一步充分混合，二者接觸面積增加，反應更加充分；之后進入擴散段進行降速，恢復壓力，最后在流出通道得到低速混合流體。

2.3.1 文丘里混合器進出口壓力和壓力降

想要提升文丘里混合器的效率，可改變含油廢水與臭氧的混合程度，混合程度越好，效率越高。混合程度跟文丘里混合器的壓力降ΔP(主流入口壓力減去文丘里混合器出口壓力)有關，壓力降的高低也可以說明兩相流體在文丘里混合器內的混合程度。一般來說ΔP為0.5~1.5 kg/cm2。

式中，Pc為次流入口壓力；Pd為沉降罐操作壓力；ΔP1為沉降罐底到次流入口壓力降；Pm為文丘里混合器出口壓力；ΔP2為沉降罐入口與文丘里混合器入口的壓力降；H為文丘里混合器與沉降罐的高度差；ρm為混合液體密度；ρp為主流密度；ρc為次流密度；Gp為主流質量流速；Gc為次流質量流速；μ為混合比。

2.3.2 噴嘴結構設計

噴嘴的作用是將主流的能量進行轉換，含油廢水經過噴嘴出口后形成低壓，目的是為了抽吸次流介質。噴嘴出口的截面積計算如下:

式中，An為噴嘴出口截面積；dn為噴嘴直徑；Gp為主流質量流速；P1為混合器主流入口壓力；P2為混合器次流入口壓力。

收斂角越大，噴嘴錐體長度就越短，收斂角越小，噴嘴錐體長度就越長，并且收斂角的大小還會改變含油廢水經過噴嘴時流體的流動性質。大量研究表明，噴嘴的收斂角為10°~15°時對文丘里混合器的混合程度影響不大，所以取噴嘴收斂角區間的最大值，不僅可以在設計時降低噴嘴的錐體長度，還可以降低加工時的機械加工難度。通常按照以下方程來設計噴嘴錐體長度:

3 實驗分析

針對事故油池含油廢水的凈化需求，搭建了實驗室實驗和測試平臺，以及系統樣機一套。實驗中使用DN25新型雙錐旋流油水分離器，強化離心力形成穩定的油水包絡面，從而獲得穩定的油水分離效果，樣機部件采用3D打印技術，材料安全可靠，設計迭代周期快。

在1 m3的連續相體積下，經過多次調節氧氣進氣量以及旋流空化器間隙，氣泡充滿整個出口管路。因此，系統穩定之后，通入臭氧，每反應5 min取樣，比較反應前后含油量，如圖2所示。

圖2 臭氧除油效率曲線

在混合良好的情況下，系統循環流量為8 m3/h，空化器污水處理流量約為6 m3/h，壓力損失大概為0.2~0.3 Mpa。經過30 min的循環處理后，整體油含量成功降低到符合一級工業水排放標準(5 mg/L)，前半段(前15 min)處理效果尤其明顯，后半段數據波動較大且降解率較低。由此可知，空化－臭氧除油的變壓器油脫除效果和入口濃度密切相關，當入口濃度在50 mg/L左右時，降解率較高，濃度在10 mg/L以下時，空化－臭氧除油效率較低。

若不通臭氧，僅通過空化處理的情況下重復本實驗，由于缺少O3在空化作用下轉化的羥基自由基，單空化誘導水熱解離產生的羥基自由基產量較少，因此除油效率較低。

旋流器是一種重要的預處理分離設備，其占地面積小、維護容易、處理量大、成本低廉，對存在一定密度差的非均相混合物分離效率較高。在1 m3的連續相體積下，循環流量8 m3/h時，旋流器壓力損失0.1~0.2 Mpa，分流比約為10%。經過10 min的循環周期，入口濃度逐漸下降，計算旋流器的進出口濃度以及分離效率，結果如圖3所示。處理結果表明，分離效率隨著入口濃度的下降而下降，這是因為低濃度情況下，變壓器油主要以5μm以下的微細乳化狀油滴和溶解油的形式存在，受布朗運動等微觀特性的影響顯著于宏觀力(離心力)，離心遷移效果不明顯。入口濃度在100~110 mg/L時，分離效率可以達到50%以上，降低了后續空化器的入口污水濃度，10%的預處理溢流排水可以直接或者濃縮后作為危廢排放，減少了整個事故油池的危廢排放量。

圖3 旋流－臭氧組合除油效率曲線

4 結語

針對目前變電站含油廢水的油水分離和深度凈化領域，尚未有一套能夠同時滿足不同濃度含油廢水達標排放和兼顧高效經濟性的成熟技術，提出采用水力空化油水分離方法耦合臭氧氧化工藝的含油廢水處理技術。前期先采用單一旋流器等成熟技術去除大部分浮油后，難去除的乳化油進入水力空化單元；少量浮油和乳化油通過空化效應被氧化成小分子物質得以去除，同時臭氧發生器產生的臭氧可以強化該氧化反應效率，提高設備處理量并降低后續出水中油和有機物的含量。搭建實驗平臺進行試驗，處理后出水水質穩定，油可部分回收利用，對環境不產生二次污染，驗證了該技術的可行性和高效性。