石油石化含油廢水混凝氣浮處理系統研究進展

王慶吉，胡景澤，孫秀梅，李 東，陳 曦，李 穎，陸浩然，4，王 列，5，魏 煒，4

（1.石油石化污染物控制與處理國家重點實驗室，北京 102249； 2.中國石油集團安全環保技術研究院有限公司，北京 102249； 3.大慶油田第五采油廠，黑龍江大慶 163311； 4. 渤海裝備遼河鉆采裝備分公司，遼寧盤錦 124080； 5. 渤海裝備遼河熱采機械公司，遼寧盤錦 124211）

2020 年我國原油消費總量接近7 億t，原油需求量依然龐大。原油在生產或加工過程中會伴生大量廢水，例如在原油開采過程中，采出液中水和原油的比例通常為3∶1，且隨著油井的老化，水和原油比例會進一步提升〔1〕。油田采出液或煉廠進料原油通常需經過脫水預處理，因此廢水呈現高含油的特性，且伴隨高含量固體懸浮物、溶解鹽等。根據存在形式，含油廢水中的油可分為懸浮油、乳化油、分散油和溶解油，其排放到水體中會在水體表面形成油膜造成水體缺氧，從而影響水生動植物的生長，如若將其回注地層則容易對地層造成堵塞，影響注水開發效果〔2〕。針對不同賦存形態的油，常見的含油廢水除油處理技術包括重力分離〔3〕、離心分離〔4〕、氣浮〔5〕、混凝〔6〕、生物處理〔7〕、高級氧化〔8〕以及膜分離〔9〕等。重力分離和離心分離技術通常用于對懸浮油的去除，氣浮、混凝用于對乳化油和分散油的去除，混凝、生物處理、高級氧化以及膜分離法則用于對溶解油的去除。值得注意的是，乳化油和分散油油滴尺寸較小（5～150 μm），且由于油中固有表面活性劑的存在，這些油滴在含油廢水中處于亞穩態，導致油水分離極為困難〔10〕。因此針對乳化油和分散油的去除成為含油廢水處理工藝中較為關鍵的環節，氣浮和混凝技術也成為該領域的研究重點。

1 氣浮、混凝原理及影響因素

1.1 氣浮

氣浮是通過氣泡黏附含油廢水中的疏水基固體顆粒或液體顆粒，形成氣-液-固三相混合體系，利用該三相體系與水之間的表觀密度差異，將固體顆粒與液體顆粒上浮到水表面，從而實現固液或液液分離的一種方法。以下從概率學、物質之間結合力、氣泡與液滴的運動形式3 個角度分析氣浮原理及其影響因素。

1）從概率學角度分析。

影響氣浮除油效率的關鍵在于氣泡與油滴的聚結概率（P），其可通過碰撞概率（Pc）、附著概率（Pa）以及分離概率（Pd）進行描述，具體見式（1）〔11〕。

其中，Pc可依據式（2）進行計算。

式中：d0——油滴直徑，m；

db——氣泡直徑，m；

A、n——隨雷諾系數（Re）變化的參數。

由式（2）可知，Pc由系統的流體動力學決定，其受油滴大小、氣泡大小和液體流場的影響。油滴直徑越大，氣泡直徑越小，則碰撞概率越大。

Pa可依據式（3）進行計算〔12〕。

式中：vb——氣泡的上升速率，m/s；

ti——誘導時間，s。

由式（3）可知，Pa主要由氣泡上升速率、誘導時間決定。當氣泡上升速率、誘導時間越小，Pa越大，即附著概率越大。

除了通過附著概率判定氣泡能否與油滴附著之外，通過氣泡與油滴之間的界面能也能判定氣泡能否與油滴附著。附著過程中，界面能可依據式（4）計算。

式中： ΔW——氣泡與油滴之間的界面能，J/m2；

γw-g——氣泡與水的界面張力，N/m；

θ——氣泡與油滴接觸角，（°）。

根據能量最低原理，體系保持穩定需趨于最低界面能，因此，θ越大，即油滴疏水性越強，氣泡與油滴越容易附著〔13〕。

Pd可依據式（5）進行計算。

式中：γ——液體的表面張力，N/m；

ε——機械能的耗散速率，J/s；

ρ0——油密度，kg/m3。

由式（5）可知，氣泡的直徑越大，油滴與氣泡解吸的可能性就越高〔14〕，因此氣泡直徑越小越不易解吸。

2）從物質之間結合力的角度分析。

根據經典DLVO 理論〔式（6）、式（7）〕，膠體體系穩定性由范德華力和雙電層力共同控制，但在氣泡存在時，必須考慮氣泡與油滴的黏附力〔15-16〕。大部分情況下氣泡與顆粒之間的范德華力和雙電層力是排斥的〔17〕，因此增強黏附力以克服排斥力的作用將在氣泡與油滴的黏附過程中發揮著關鍵作用。油滴與氣泡在發生碰撞時若要發生黏附，油滴和氣泡之間的液膜需變薄并破裂，形成全包封的氣泡液滴聚集體〔18〕，此時產生氣泡和油滴的結合力最強，除油效果最佳。

式中：V——氣泡與油滴之間的總相互作用力，N；

VVDW——范德華力，N；

VEDL——雙電層作用力，N；

VHB——氣泡與油滴的黏附作用力，N；

S——疏水力常數，J；

D——疏水力的衰減長度，m；

h——油滴和氣泡之間的液膜厚度，m。

3）從氣泡與液滴的運動形式角度分析。

在假定氣泡、液滴或氣泡液滴聚集體呈球形時，液滴、小氣泡在液體中的相對運動可采用式（8）所示的Stokes 定律方程進行直觀描述。

式中：u∞——氣泡/液滴上升速度，m/s；

g——重力加速度，m/s2；

dp——氣泡/液滴直徑，m；

ρl——液體密度，kg/m3；

ρp——氣泡/液滴密度，kg/m3；

μl——液體黏度，Pa·s。

基于Stokes 定律方程，氣泡直徑越小，氣泡上升速率則越慢，結合碰撞概率公式，氣浮除油效率就越高〔19〕。

綜合以上3 類理論，增加氣泡與油滴的接觸時間、增大油滴直徑、減小氣泡直徑、減少油滴與氣泡之間的液膜厚度均可以有效提升氣泡與油滴的碰撞概率和附著能力，從而提高除油效率。

1.2 混凝

混凝是通過某種方法使廢水中的膠體粒子和微小懸浮顆粒聚集的過程，包含凝聚和絮凝兩個階段。凝聚是指膠體脫穩并生成微小聚集體的過程，絮凝是指脫穩的膠體或微小懸浮顆粒聚結變大的過程。混凝機理主要包含壓縮雙電層、吸附電中和、吸附架橋作用和沉淀物網捕〔20〕。其中壓縮雙電層和吸附電中和機理基于擴散雙層模型和DLVO 理論：分散在水體中的膠體顆粒大多帶負電，膠體顆粒之間的靜電排斥使系統具有穩定性，當金屬鹽混凝劑加入水中時，金屬鹽可以迅速水解形成各種陽離子，使介質中的離子強度和擴散雙層中的反離子濃度增加，甚至擴散到膠體的致密雙電層中，從而導致膠體顆粒電荷減少，Zeta 電位降低，使膠體顆粒之間碰撞頻率更高，發生聚集〔21〕。吸附架橋是基于高分子物質與膠粒之間的相互吸附作用，通過靜電引力、范德華力和化學鍵的作用，使聚合物活性位點與不穩定的膠體顆粒連接來發揮吸附橋接作用，在此過程中膠體顆粒凝聚變大成為絮凝體，而實質上膠體顆粒之間并不直接接觸〔22〕。沉淀物網捕是基于金屬鹽混凝劑在水中形成的氫氧化物沉淀物絮凝體，這些氫氧化物沉淀物絮凝體具有巨大的網狀表面結構和一定的靜電黏附能力，在沉淀物形成過程中，膠體顆粒可被這些沉淀物網捕〔23〕。

混凝除油效率的主要影響因素包含混凝劑用量、pH、溫度和廢水中油的初始濃度。混凝劑用量過低時，無法破壞膠體顆粒的穩定性，混凝劑過量時，Zeta 電位增加，懸浮顆粒會再次重新穩定〔24〕。離子型混凝劑對pH 有較強的依賴性，不同pH 可通過影響膠體顆粒表面電性、離子電荷密度以及水解聚合反應直接影響混凝效果和作用機制〔25〕；非離子聚合物絮凝劑因其獨特的分子結構和電荷特性受pH影響較低〔26〕。當溫度提升時，有利于無機鹽混凝劑水解反應的進行和聚合物絮凝劑溶解度、分散性能的提升，此外，膠體顆粒的布朗運動也會增強從而增加碰撞概率，同時水體黏度降低，且膠體水合作用減弱，這均有利于絮體形成，但溫度過高時容易引發絮體脫穩〔27〕。在油質量濃度達到5 000 mg/L 及以上時，混凝往往達不到理想的除油效率〔28〕，因此混凝更適用于處理油質量濃度低于5 000 mg/L 的含油廢水。

混凝過程通常旨在改變膠態分散體系和溶質的性質。含油廢水經混凝處理后，Zeta 電位降低，疏水性改變，更容易實現膠體顆粒之間的碰撞連接從而形成較大直徑的油滴或膠體顆粒〔29〕，進而有利于氣浮過程中氣泡與油滴或膠體顆粒的碰撞和附著，提高除油效率。

2 混凝氣浮系統的研究現狀

混凝氣浮一般是指在氣浮過程前或氣浮過程中加入混凝劑，以提升氣浮除油效率。其反應裝置依托氣浮系統，而氣浮系統主要由氣泡發生系統和氣浮分離系統組成。氣泡發生系統可通過外流場作用、加壓溶氣或電解等方式產生微氣泡減小氣泡直徑，提升氣泡密度，從而增強除油效率。通過改進氣浮分離系統的結構可改變流體水力特性，同時結合混凝劑的投加增大絮體粒徑，進而增強氣泡與油滴/絮體的碰撞概率，提升處理性能。

2.1 氣泡發生系統

2.1.1 外流場作用產生氣泡

外流場作用通常需借助高速機械攪拌器或空氣噴射器，通過機械或液壓的方式將氣體誘導引入水中形成氣泡，產生的氣泡直徑通常大于100 μm。目前葉輪誘導和噴射誘導為主要的氣泡生成方式。

葉輪誘導氣浮設備是20 世紀90 年代前后國外采用最多的浮選設備，其作用原理是借助葉輪高速旋轉時在固定蓋板下產生負壓，進而從進氣管中吸入空氣，空氣與循環水流被葉輪充分攪拌成為細小的氣泡甩出導向葉片，經過整流板消能后氣泡垂直上升用于浮選〔30〕。圖1 給出了典型的葉輪氣浮裝置結構（美國Wemco 公司），該裝置中，葉輪機是核心部件，葉輪結構、氣浮槽的幾何尺寸、環形微孔板的微孔數目和微孔直徑以及浮選劑共同決定了設備的氣浮除油性能〔31〕。葉輪氣浮具有安全可靠、適應性強和引入氣量大等優點。20 世紀80 年代中后期，我國石油石化行業陸續從美國引進葉輪氣浮裝置用于含油污水處理，但單機使用除油率僅為50%左右，需使用進口浮選劑以達到更高的除油效率，而進口藥劑成本過高，因此國內一些油田嘗試采用無機凝聚劑和有機絮凝劑代替進口浮選劑，但多數處理效果不理想〔32〕。葉輪氣浮典型缺點為氣泡直徑較大，停留時間短，容易造成氣泡對絮體顆粒黏附力差，且紊流狀態下絮粒翻滾致使油水難以實現完全分離〔33〕，因此許多學者通過調節葉輪直徑、葉片形狀和角度等優化停留時間并增強氣泡對絮體顆粒的黏附力，結果表明，氣泡停留時間會隨葉輪直徑與罐體直徑比值的增加而增加，圓盤狀葉輪有助于增強氣泡黏附力〔34〕。同時研究人員也致力于開發浮選劑來提升氣泡對油滴或絮粒的附著能力，減小紊流狀態下油水分離的難度，例如開發的陽離子型聚合物浮選劑，由于其陽離子基團能增強藥劑對雙電層的壓縮能力，從而利于形成帶氣絮體〔35〕。也有少數研究發現，通過葉輪自引氣式氣液混合設備產生微氣泡，同時投加聚鋁（20 mg/L）和聚丙烯酰胺（1.6 mg/L）混凝劑時，除油效果與現場應用的壓力溶氣氣浮工藝相比水平相當，表現出設備結構簡單、能耗低、停留時間短和占地面積小的優勢，但因水量波動需注意絮凝劑投加量〔36〕。

圖1 葉輪誘導氣浮裝置Fig.1 Impeller induced air flotation device

噴射誘導浮選設備最早出現于20 世紀70 年代，其作用原理是利用加壓水流經噴射器噴射形成負壓吸入氣體，氣體與高速水流相互摻混、剪切形成微小氣泡從而進行浮選。初期的噴射誘導氣浮裝置如圖2（a）所示，其與葉輪誘導氣浮裝置的池體結構基本相似，均為方錐形結構，氣泡由池底產生，兩側設置撇油板和集油槽，不同之處在于利用噴射器代替葉輪機改變了氣體的引入方式。高效噴射器是噴射誘導浮選設備的核心部件，其結構決定了產生氣泡的大小、濃度和穩定性。通過優化噴嘴進出水口角度或引入渦流場可以進一步減小氣泡尺寸〔圖2（b）〕，如C. LEE 等〔37〕發現，在流速低于260 L/min 時，氣泡直徑隨進出口角度增加而減少。華北油田設計院設計了一種噴射誘導氣浮裝置，罐體采用標準臥式圓筒形，由4 級氣浮室和出水室組成，現場應用除油率85%，懸浮物去除率76%〔38〕。噴射誘導氣浮的優點在于動力設備少、結構簡單，可實現全封閉運行，但在實際運行過程中，存在停留時間短、噴射器易堵塞、化學藥劑投加量大等問題〔39〕。

圖2 噴射誘導氣浮裝置（a）和改進噴射器（b）Fig.2 Nozzle induced air flotation device（a） and improved ejector（b）

2.1.2 溶氣氣浮

溶氣氣浮技術預先通過高壓將空氣溶解到水體中并達到飽和，當壓力驟然降低后溶解的氣體以微氣泡的形式產生，氣泡直徑通常在10～100 μm 之間〔40〕。因其對氣泡與水體的接觸時間可控，被廣泛認為除油效率高于誘導氣浮。

溶氣氣浮裝置主要由溶氣罐和溶氣釋放器組成，產生氣泡的大小和數量取決于施加的壓差〔41〕。通過增設隔套、填料或擋板等方式，可以增大溶氣罐內紊流程度，避免溶氣罐內短流現象的發生，同時增加氣水接觸面積，進而提升溶氣量。根據氣水混合方式的不同，可將溶氣罐分為直流式、縱隔板式、套管式、橫隔板式、填充式、花板式、水射式、翻騰式、噴淋式和渦流式，其中以填充填料的溶氣罐溶氣效率最高，相較于無填料的非填充式溶氣罐可提升溶氣效率約30%〔42〕。溶氣釋放器對生成氣泡的尺寸同樣至關重要，其孔隙大小、溶氣水折流次數以及釋放器放置傾角直接影響生成氣泡的大小。目前應用較為廣泛的是TS 型溶氣釋放器和TJ 型溶氣釋放器〔43〕。適當增大溶氣釋放器的出口直徑有利于形成數量密集、大小均勻、氣浮停留時間久的高質量微氣泡，從而在氣浮凈水過程中獲得更好的凈水效率〔44〕，但在實際使用中存在彈簧部件損壞率高、易堵塞等問題。丁國棟等〔45〕采用弧形分流槽加芯體的設計，使水流撞擊芯體上端的反射孔產生一次消能，而后由分流槽分流，在空化效應作用下形成整體旋流；相較于傳統物理激發器，弧形分流槽增加了水流湍流強度和壓力損失，不僅避免了堵塞問題，同時實現了溶氣釋放器低飽和度溶解氣的高效釋放，可直接用于低飽和度溶解氣原水（如油田采出水）的快速釋氣。魏小林等〔46〕依據微分消能釋氣原理，結合收縮、撞擊、擠壓和渦流理論，研制了一種高效溶氣釋放器避免了氣泡合并效應，從而獲得物理性能優異的微氣泡。

另外根據加壓溶氣與廢水的比例，可將傳統加壓溶氣氣浮工藝分為全流程加壓溶氣氣浮、部分加壓溶氣氣浮和部分回流加壓溶氣氣浮3 種傳統工藝。3 種工藝在裝置設計上基本相同，不同之處在于加壓溶氣與廢水的比例。其中全流程加壓溶氣氣浮與部分加壓溶氣氣浮表現出溶氣量大、氣浮池體積小的特點，但藥劑的投加在溶氣釋放過程前端，易造成溶氣釋放器堵塞，且氣浮池中絮體易被打碎，影響氣浮效果。相較于前兩者，部分回流加壓溶氣氣浮利用氣浮后出水制備溶氣水，氣泡微細均勻、密度大，加壓水量小，能耗更低〔47〕，逐漸成為應用較為廣泛的溶氣氣浮工藝。

2.1.3 電氣浮

電氣浮是利用外加電場的作用，使水體通過電解產生微氣泡進行浮選。電極表面可形成氫氣、氧氣或氯氣微氣泡，氣泡直徑在20～60 μm 之間〔48〕。電氣浮不僅能利用微小氣泡去除懸浮物和油滴，還能通過電化學反應產生次氯酸等氧化劑氧化溶解性有機污染物〔49〕。此外，若陽極采用鐵陽極或鋁陽極時，可溶性金屬離子會優先發生水解聚合作用，產生多核羥基絡合物及氫氧化物作為絮凝劑，對廢水中懸浮物及油類進行混凝處理〔50〕，從而強化氣浮效果。

電解池/電凝聚池是電氣浮系統產生微氣泡的主要場所，且電導率、電流密度和陰極孔徑是影響氣泡大小的重要因素〔51〕，同時電極網格的布置也影響進料水和氣泡之間的均勻混合程度〔52〕。目前，關于電氣浮的研究多處于實驗室研究階段，且以電凝聚氣浮研究較為廣泛。電凝聚氣浮電解槽中電極的連接方式以單極并聯/串聯或雙極串聯為主〔53〕。單級并聯時，電流被均分在極板之間，與單級串聯相比，其產生電位差較低，且單級串聯內部電極不與外部電源相連接，可降低陽極消耗和陰極鈍化的速度〔54〕。雙極串聯的內部電極電流通過溶液相互傳導，可通過調節電極板厚度和極板間距優化電解性能〔55〕。目前電凝聚氣浮電解槽外形以臥式長方體為主，電解槽中極板以板式電極和管式電極為主。相較于板式電極，管式電極設備體積小、投資成本少，同時通過圓柱形電解槽的設計，可以提升流體的傳質從而高效分離懸浮物，并可連續運行，易實現自動化控制〔56〕。目前電氣浮存在處理能力較低、電極成本較高等問題〔57〕，限制了其工程應用。

2.2 氣浮分離系統

2.2.1 溶氣氣浮池

氣浮池常規結構一般由混凝室、氣泡接觸室、分離室3 部分組成，在混凝室內通過混凝反應絮體體積被增大，氣泡接觸室內進行微氣泡黏附和捕集絮體顆粒的過程，分離室內絮體顆粒與水進行分離。對于氣浮池的改造多集中于溶氣氣浮池〔58-59〕，起初為增加氣泡與絮體顆粒/油滴的碰撞附著概率，研究人員采用盡量增加池深的措施以增加氣泡停留時間，因此設備占地面積較大，近年來，混凝與氣浮的耦合逐漸成為熱點，部分研究采用在分離區前面增加一個混凝區來改進氣浮池結構，通過在該混凝區投加絮凝劑從而使油滴聚結并形成大絮凝體以利于浮選〔60-61〕。

根據水流方向一般可將傳統氣浮池構型分為平流式氣浮池和豎流式氣浮池，相應的平流式氣浮裝置和豎流式氣浮裝置示意見圖3。

圖3 平流式氣浮裝置（a）和豎流式氣浮裝置（b）示意Fig.3 Schematic diagrams of horizontal flow air flotation device（a） and vertical flow air flotation device（b）

如圖3（a）所示，平流式氣浮池中進料水在反應池與混凝劑發生反應后，水流從底部進入氣浮接觸室，如此可延長絮體與氣泡的接觸時間，縮減池體設計深度；氣泡主要在氣浮接觸區底部發生聚并，且聚并程度隨氣泡上升高度增加而逐漸減弱，接觸區水力呈現出下部湍流和上部類平推流的特性，分離區水力呈現出上部層流和下部類平推流的特性〔62〕。圖3（b）所示的豎流式氣浮池的基本工藝參數與平流式氣浮池相同，不同之處在于接觸室位置設置于池體中央，可使水流向四周擴散，形成良好的水力條件，適用于處理含有可沉淀物質較多的廢水。

2.2.2 渦凹氣浮池

渦凹氣浮是基于渦凹曝氣器引入氣體產生微氣泡的方式進行浮選。由于渦凹曝氣器中葉輪剪切力的作用易使絮體顆粒破碎，因此絮凝劑往往不與進料水體同時加入，需在池體進水口上方單獨設置絮凝劑投加點〔63〕。典型的渦凹氣浮裝置如圖4 所示〔64〕，其顯著優勢在于設備簡單，但葉輪引發的水體湍流容易影響絮體的穩定，且產生氣泡尺寸較大，對于絮體含量少的水體處理效果相對較差，適用于重度污染廢水的一級氣浮處理。例如延長石油永坪煉油廠在污水乳化情況逐年加重、懸浮物含量逐年增加的情況下，溶氣氣浮裝置易發生溶氣釋放器堵塞等問題，采用渦凹氣浮池作為一級氣浮裝置，協同高效混凝劑的投加，可保障溶氣氣浮裝置正常運行，提高污水處理性能〔65〕。

圖4 渦凹氣浮裝置Fig.4 Concave air flotation device

2.2.3 淺層氣浮池

基于淺池理論，在氣浮分離系統內增設斜板，可以將有效水深減小至400～500 mm，同時流體在斜板之間可以保持層流狀態，絮體粒子接觸到斜板后沿斜板沉降至底部或浮到斜板頂部，此時斜板表面水體流速幾乎為零，不會阻礙絮體粒子的流動，絮體顆粒在斜板上浮的過程中可進行二次絮凝，從而實現良好的固液分離效果〔66-67〕。國內某油田采用斜板溶氣氣浮法處理油田采出水，當回流比為30%時，油和固體懸浮物的去除率分別可達到94.8% 和94.2%，出水水質優于無斜板溶氣氣浮，值得注意的是合適的斜板間距有助于保持斜板間層流狀態〔68〕。勝利油田某污水處理聯合站采用斜板溶氣氣浮進行現場污水處理試驗，處理后出水含油10.3 mg/L，含懸浮物9.6 mg/L，有效減少了藥劑投加量，現場試驗效果良好〔69〕。值得注意的是斜板材質的選擇極為重要，玻璃鋼材質的波紋斜板易老化脫落，影響裝置運行效果〔70〕。

氣浮池池體多數采用矩形氣浮池體，設備固定而水體運動，容易引起擾動。圖5（a）〔66〕所示為典型的淺層氣浮池結構，其通過同時旋轉進水配水管和出水集水管，且出水流速與進水流速保持相同，可使池體內水體保持相對靜態，不受進水和出水的動態干擾。同時輔助增設斜板，每相鄰兩塊錐形板組成一個傾斜的環行氣浮區域，該區域內水流保持層流狀態，可加快絮體顆粒/油滴與微氣泡的上浮速度。相較于傳統氣浮裝置，淺層氣浮裝置盡可能地克服了運動水體引起的湍流和干擾，使池內水體保持“靜止狀態”，有利于微氣泡和絮粒黏附，使得水中的顆粒以近似靜態上浮或沉降，凈化程度高〔71〕。中石化天津分公司煉油部利用如圖5（b）所示的高效淺層氣浮裝置處理高濃度煉油廢水，懸浮物和石油類的去除率分別達到67%和71%，同時COD 去除率達到39%。但淺層氣浮池也有一定的不足，其在實際運行中溶氣罐內液位高度、絮凝劑投加量以及前端除油設備運行狀態對除油效率影響較大，且高效淺層氣浮設備的轉動設備較多，增加了設備檢修和維修的概率〔72〕。

圖5 典型淺層氣浮裝置（a）和高效淺層氣浮裝置（b）Fig.5 Typical shallow air flotation device （a） and efficient shallow air flotation device（b）

2.2.4 旋流氣浮池

基于離心分離原理，旋流氣浮池將離心力場與氣浮分離過程耦合，離心力場會促使絮體顆粒/油滴和氣泡沿徑向方向向力場中心做定向運動，相較于渦流氣浮，氣泡與絮體顆粒/油滴具有慣性，可擺脫流線束縛的影響，從而形成較為有序的碰撞和附著過程，強化絮體顆粒/油滴與水體的分離過程〔73〕。按照離心力場的強弱，可將旋流氣浮裝置分為高強度離心力場氣浮裝置和低強度離心力場氣浮裝置。

高強度離心力場氣浮裝置以充氣水力旋流器為代表。典型的充氣水力旋流器結構是由靜態水力旋流管改進而來。充氣水力旋流器的外形為圓柱形，由進料段、浮選段和底流段組成。進水從裝置頂部切向泵入，借助壓力形成水力旋流，空氣通過多孔管輸入內腔，在水力流場的剪切力下形成氣泡，絮體顆粒/油滴與氣泡發生黏附，在離心力場作用下向中心移動，上浮至頂部從溢流口排出。高強度離心力場氣浮的特點是停留時間短、離心力場強、裝置體積小，但壓降較大，湍流、渦流、強剪切作用可能導致乳化油的形成，且水力旋流器只能通過多臺并聯的方式來適應較大的處理量〔59〕。通過對充氣水力旋流器進料口、溢流管內徑和多孔管的優化，在某煉油污水處理廠開展現場中試實驗，除油率達74.7%〔74〕。改變充氣式水力旋流器的氣體引入方式，采用溶氣泵進行溶氣氣浮，除油率可提升10%～50%，且加壓溶氣前后水力旋流器進料口流量與進料口底流口壓降關系沒有明顯變化〔75〕。

低強度離心力場氣浮裝置又稱緊湊型氣浮裝置，其克服了充氣水力旋流氣壓降較大和流場產生強剪切作用的缺點，使旋流分離的作用相對降低，氣浮作用相對上升〔59〕。低強度離心力場氣浮裝置占地面積小、處理能力大、分離效率高、不易堵塞、易于維護，可根據不同處理量放大設備。國外針對緊湊型旋流氣浮組合裝置的研究已取得較大進展，所開發出的代表性產品見圖6〔76〕。總體來看，國外緊湊型氣浮裝置多采取立式圓柱形容器結構，通過誘導或溶氣等方式產生微氣泡，借助導向組件或旋轉組件實現進料旋流，輔以聚結填料、混凝劑或多級處理以提升除油效率。國內對于緊湊型氣浮裝置的研究也取得較大進展。蔡小壘等〔77〕自主研制的BIPCFU-Ⅲ型旋流氣浮一體化處理機，以緊湊型氣浮罐為核心裝置，通過微氣泡發生器注入細微氣泡，結合氣液混合泵回流實現在緊湊型氣浮罐內進行一次旋流分離和兩次氣浮分離，從而提升除油效率；秦皇島32-6 油田的現場連續運行試驗證明了該裝置即使在不加藥劑條件下，平均除油率也可達到98.7%，且除油性能穩定。實際生產中，國內關于緊湊型裝置的應用主要集中于海上油田。蔣孟生等〔78〕調研了南海東部海域12 座海上油田平臺關于國內外緊湊型氣浮裝置的應用情況，其中國產緊湊型氣浮裝置除油率可達50%以上，但與國外緊湊型氣浮裝置對比，除油效率及處理性能還存在一定差距。

圖6 國外緊湊型氣浮裝置Fig.6 Foreign compact air flotation devices

3 多功能耦合及一體化集成技術

傳統的油氣田采出水處理工藝為沉降—除油—過濾—回注，隨著油氣開采技術的更迭，采出水聚合物的存在加大了油水分離難度，需進一步結合生化或高級氧化法去除有機聚合物。隨著油氣田采出水水質的復雜性不斷提升，氣浮處理裝置也由單一處理工藝向多工藝組合方向轉變。為強化多功能協同、縮短工藝流程、減少投資成本及占地面積，多工藝耦合一體化裝置相繼被開發，成為油田污水處理的發展趨勢。

3.1 氧化氣浮一體化裝置

氧化氣浮一體化裝置的核心在于將氣浮系統中產生氣泡的氣體替換為臭氧，利用臭氧的強氧化性快速降解含油廢水中的有機聚合物，起到破乳和降黏的作用，從而強化氣浮除油效率。邱煜凱等〔79〕設計了一種臭氧氣浮一體化裝置，該裝置利用臭氧發生器產生臭氧，采用溶氣罐制備加壓溶氣，在一個反應器內同時實現臭氧氧化、混凝、溶氣氣浮固液分離和殺菌等多個反應過程，不僅有效改善了氣浮工藝的處理效果，也提高了臭氧利用率。另外為進一步提高臭氧利用率，可通過設置兩級臭氧氧化區實現尾氣中臭氧的再次氧化利用〔80〕。

3.2 氣浮生物床一體化裝置

將多級生化反應器與氣浮裝置進行串聯而開發的氣浮生物床一體化裝置，可結合不同微生物的群體協同作用實現對含油廢水中高分子有機聚合物的去除。王堅等〔81〕針對大慶油田某氣井采出水，通過實驗室小試研究，確定了混凝+氣浮+粗過濾+水解酸化浮動床生物膜反應器+移動床生物膜反應器+曝氣生物濾池的組合工藝一體化處理裝置，該裝置對油和固體懸浮物的去除率可分別達到98%和85%，同時對COD、氨氮以及硫化物均具有良好的去除效果。

3.3 混凝氣浮一體化裝置

混凝氣浮一體化裝置是基于流態調整和微氣泡耦合的高效處理技術，其通過強化復合功能性藥劑體系在渦流場中的破膠與聚結分離效率而實現集氧化、破膠、絮凝、氣浮和分離等多種功能于一體。該裝置可從提升多流態碰撞聚結效率、加大微氣泡黏附作用、采用淺池斜板聚結分離等多個方面進行結構優化設計和一體化創新集成。反應器設計將以旋流反應區、渦流反應區和分離區為主體，進料水體沿切向進入反應器的旋流反應區，細小絮體與微氣泡可在旋流絮凝反應區初步接觸，形成較大粒徑絮體，同時通過旋流反應區內的離心力作用，密度大的絮體顆粒將沿周向移動并沿反應器內壁向下運動至渦流反應區，密度小的絮體顆粒將從反應器中間向上運動至渦流反應區。渦流反應區可進一步促進絮體顆粒與微氣泡的絮凝反應，形成密實且不易破碎的絮體，以實現絮體與水的快速分離。

4 結論與展望

隨著油氣開采技術的深入應用，采出水的成分越來越復雜，呈現油含量高、懸浮物含量高和乳化穩定性強的特性。乳化油、分散油及輕質懸浮物的去除是含油廢水處理工藝中的重要環節。延長氣泡與油滴的接觸時間、增大油滴直徑、減小氣泡直徑和提高微細氣泡濃度可以有效提升氣泡與油滴的碰撞概率和附著效率，從而提高除油效率。其中混凝過程可通過改變絮體顆粒疏水性，使得膠體顆粒之間更容易碰撞連接形成較大直徑的油滴或膠體顆粒，而通過外流場作用、加壓溶氣或電解等方式產生微氣泡可減小氣泡直徑、提升氣泡密度，這均有助于提升氣浮性能。此外基于傳統氣浮池的結構，通過分離混凝區和氣浮區，增設斜板、渦凹或水流導向組件等可改變流體水力特性，實現除油效率的提升。

隨著水質復雜化，混凝氣浮處理裝置應依據不同污水水質特征進行特殊功能以及精細化、多元化設計，強化與藥劑的協同作用和強化多功能協同作用。基于流態調整和微氣泡耦合，由單一處理工藝轉向多種處理工藝組合開發一體化裝置，將氧化、破膠、絮凝和氣浮分離等多功能融于一體，可實現含油廢水的高效處理。另外，結合目前“節能減排”和“雙碳”的戰略目標，氣浮裝置的供能方式以及對于所產生揮發性有機物（VOC）的處置方法也將是未來的研究方向，耦合VOC 收集-摻混燃燒裝置，回收熱能并用于伴熱污水處理工藝，可助力實現“節能減排”；開發“綠電”供能或針對電解氣浮研發制氫協同裝置將有效助力實現石油石化企業“雙碳目標”。