1、污水除油的必要性
隨著經(jīng)濟(jì)發(fā)展和人們生活水平的提高，城市污水的水質(zhì)也在發(fā)生著變化，污水中動(dòng)植物油及礦物油等油類物質(zhì)逐漸增多。據(jù)有關(guān)資料報(bào)道，到2000年，我國(guó)已建成并投入運(yùn)行的城市污水處理廠約180座，設(shè)計(jì)處理能力達(dá)到1050104ｍ3 /ｄ，其中二級(jí)生化處理能力約75010 4ｍ3 /ｄ，這些污水處理廠大多存在著油類物質(zhì)的污染問(wèn)題[1]；尤其是一些中小城鎮(zhèn)的污水處理廠，由于其水量較小，水質(zhì)波動(dòng)較大，在用水高峰期，大量餐飲污水進(jìn)入處理廠，對(duì)污水處理廠的正常運(yùn)行產(chǎn)生嚴(yán)重影響。
以西南科技大學(xué)污水處理廠為例，該廠占地20畝，日處理能力1104m3/d，服務(wù)人口30000人左右，采用改進(jìn)型三溝式氧化溝工藝。該污水處理廠在設(shè)計(jì)過(guò)程中沒(méi)有考慮進(jìn)水中的油類物質(zhì)，但自2003年5月運(yùn)行以來(lái)，發(fā)現(xiàn)進(jìn)水中油類物質(zhì)逐漸增多，尤其是學(xué)校教師公寓和兩個(gè)學(xué)生食堂完工以后，其狀況更加嚴(yán)重。在過(guò)去的三年間，每到冬季，油類物質(zhì)覆蓋整個(gè)氧化溝表面，嚴(yán)重影響了氧化溝的充氧效率和出水水質(zhì)狀況，對(duì)進(jìn)水中油類物質(zhì)的測(cè)定發(fā)現(xiàn)其含量在86mg/L～420mg/L之間，其中夏季進(jìn)水中油的平均含量為120mg/L，冬季為210mg/L。
2 污水的除油方法分析
目前，國(guó)內(nèi)外對(duì)含油污水治理的研究方法主要有以下三類：化學(xué)處理法、物理處理法和生化處理法?；瘜W(xué)處理法主要包括化學(xué)混凝法、化學(xué)沉淀法、催化氧化法及各種方法的結(jié)合運(yùn)用；物理處理法包括離心分離法、過(guò)濾和超過(guò)濾法、澄清法和氣浮法；生化法包括生物接觸氧化法、生物轉(zhuǎn)盤(pán)法、活性污泥法等[2]。
2.1 化學(xué)處理法
化學(xué)處理法主要指投加一定的化學(xué)物質(zhì)，使其與水中的油類物質(zhì)發(fā)生絮凝、沉淀或催化氧化等反應(yīng)，達(dá)到將油類物質(zhì)從水中去除的目的。目前，在污水的除油過(guò)程中，化學(xué)法的研究主要集中在新型的絮凝劑的開(kāi)發(fā)方面[3~8]。絮凝劑主要包括無(wú)機(jī)和有機(jī)絮凝劑，在無(wú)機(jī)絮凝劑方面，大慶石化總廠煉油廠曾對(duì)鐵鹽在煉油污水處理中的應(yīng)用進(jìn)行了研究[3]，認(rèn)為在浮選投加復(fù)合聚合鋁鐵，在浮選除油的同時(shí)還具有除硫作用。有機(jī)絮凝劑主要包括非離子、陰離子、陽(yáng)離子、兩性離子有機(jī)聚合物等類型，由于分子量大，吸附懸浮物及膠質(zhì)能力強(qiáng)，形成的絮體尺寸大，沉降快，用量少，且產(chǎn)生的污泥量少，易脫水，對(duì)處理水不產(chǎn)生負(fù)面影響，近年來(lái)備受青睞。在其應(yīng)用方面，已經(jīng)批量生產(chǎn)的主要是聚丙烯酰胺（PAM）、聚二甲基二烯丙基氯化銨（PDMDAAC）和曼尼期反應(yīng)的陽(yáng)離子聚丙烯酰胺。在對(duì)有機(jī)絮凝劑的研究方面，唐善法等人利用丙稀酰胺與二甲基二烯丙基氯化銨、烷基二甲基烯丙基氯化銨進(jìn)行多元共聚對(duì)聚丙烯酰胺進(jìn)行陽(yáng)離子化和疏水改性而合成的JH系列絮凝劑具有良好的絮凝除濁、破乳除油和去除有機(jī)物的能力[4]；段宏偉等人利用改性環(huán)乙環(huán)丙陽(yáng)離子聚醚等合成的RD－1反相破乳劑對(duì)污水中油類的去除具有較好的效果[5]；除此之外，還有對(duì)二硫代氨基甲酸鹽等絮凝劑的研究[6~8]。
近幾年，污水除油方法在能量化學(xué)領(lǐng)域也有研究[9~12]，如磁化學(xué)技術(shù)的研究[9~11]，廢水中的浮油或分散油可使用被服油膜磁粉法和油層懸浮磁粉過(guò)濾法來(lái)處理。前者是用一些化學(xué)物質(zhì)對(duì)磁性顆粒進(jìn)行表面處理，使其表面被服一層親油和疏水性物質(zhì)的薄膜，磁種吸附油后，用磁場(chǎng)回收磁種即可除油；后者是利用吸附油膜的磁粉，或吸附油的磁種層來(lái)過(guò)濾油，通過(guò)磁場(chǎng)來(lái)固定濾層，為增加濾層與污水中油珠的碰撞，可使用交變磁場(chǎng)。另外，在電化學(xué)方面[11,12]，可運(yùn)用直接電解、間接電解、電化學(xué)吸附與脫附等方法對(duì)污水進(jìn)行除油。
2.2 物理處理法
物理處理法是污水除油系統(tǒng)中應(yīng)用最多的一類方法，其核心思想是采用物理的方法達(dá)到油水的分離。在污水的除油過(guò)程中，物理法的研究主要集中在油水分離器的研究開(kāi)發(fā)，其中包括浮選技術(shù)及浮選器、旋流技術(shù)及旋流器、膜技術(shù)及膜器等方面。
2.2.1 浮選技術(shù)
浮選凈化技術(shù)是國(guó)內(nèi)外正在深入研究與不斷推廣的一種水處理新技術(shù)[13~15]。浮選除油就是在水中通入空氣或其它氣體產(chǎn)生微細(xì)氣泡，使水中的一些細(xì)小懸浮油珠及固體顆粒附著在氣泡上，隨氣泡一起上浮到水面形成浮渣，從而完成固、液分離的一種新的除油方法。根據(jù)在于水中形成氣泡的方式和氣泡大小的差異，浮選處理法大體上可分為四大類，即溶氣浮選法、誘導(dǎo)浮選法、電解浮選法和化學(xué)浮選法，其詳細(xì)分類及每種方法的優(yōu)缺點(diǎn)如表1所示。
在加壓下，使氣體溶解于污水，又在常壓下釋放出氣體，產(chǎn)生微小氣泡。
在減壓下，使溶解于水中的氣體釋放出來(lái)，產(chǎn)生微小氣泡。
氣泡的尺寸小、均勻、操作穩(wěn)定、設(shè)備簡(jiǎn)單、管理維修方便、除油率高
上浮穩(wěn)定、絮凝體破壞可能性小、能耗小
流程較復(fù)雜、停留時(shí)間長(zhǎng)、設(shè)備龐大、操作麻煩
溶氣量小、操作及結(jié)構(gòu)復(fù)雜
誘導(dǎo)浮選法
機(jī)械鼓氣浮選法
葉輪浮選法
射流浮選法
讓氣體通過(guò)無(wú)數(shù)個(gè)微小的孔隙或縫隙，產(chǎn)生微小氣泡。
葉輪轉(zhuǎn)動(dòng)產(chǎn)生負(fù)壓吸入氣體，并依靠其剪切力使吸入氣體變成小氣泡。
依靠水射器的作用使污水中產(chǎn)生微小氣泡
能耗小、浮選室結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單。
溶氣量大、停留時(shí)間短、處理速度高于溶氣浮選工藝、除油效率高、設(shè)備造價(jià)低、耐沖擊負(fù)荷。
噪聲小、工藝簡(jiǎn)單、總體能耗低、產(chǎn)生氣泡小、除油效率好于葉輪式
需投加表面活性劑才能形成微小氣泡、使用范圍受限、微孔易堵。
浮選中必須添加浮選助劑、氣泡大小不均勻、可能產(chǎn)生些無(wú)效氣泡、制造維修麻煩。
水射器要求高
電解浮選法
電解浮選法
電絮凝浮選法
選用惰性電極，使污水電解產(chǎn)生微小氣泡。
選用可溶性電極（Fe、Al等）在陽(yáng)極上產(chǎn)生微小氣泡，在陰極上有混凝作用的離子
氣泡小、除油率高。
氣泡小、浮選與絮凝同時(shí)進(jìn)行、除油率高
極板損耗大、運(yùn)行費(fèi)用高。
同上
化學(xué)浮選法
化學(xué)浮選法
依靠物質(zhì)之間的化學(xué)反應(yīng)，產(chǎn)生微小氣泡（生成CO2，O2）。
設(shè)備投資低、氣泡量易于控制、尤適用于懸浮物含量高的污水
污泥量增加、勞動(dòng)強(qiáng)度大。
2.2.2 旋流技術(shù)
水力旋流器是利用油水的密度差，在液流高度旋轉(zhuǎn)時(shí)受到不等離心力的作用而實(shí)現(xiàn)油水分離的。含油污水切向進(jìn)入圓筒渦旋段，并沿旋流管軸向螺旋態(tài)流動(dòng)。在同心縮徑段，由于圓錐截面的收縮，使流體增速，并促使已形成的螺旋流態(tài)向前流動(dòng)，由于油和水的密度差，使水沿著管壁旋轉(zhuǎn)，而油珠移向中心。流體進(jìn)入細(xì)錐段，截面不斷縮小，流速繼續(xù)增大，小油珠繼續(xù)移到中心匯成油芯。流體進(jìn)入平行尾段，由于流體恒速流動(dòng)，對(duì)上段產(chǎn)生一定的回壓，使低壓油芯向溢流口排出，而水則從凈水出口排出。其工作原理見(jiàn)圖1。
國(guó)外水力旋流除油研究始于1967年，經(jīng)過(guò)多年的科學(xué)研究和工程應(yīng)用，現(xiàn)已進(jìn)入重大技術(shù)發(fā)展階段。目前，美國(guó) Conoco公司、Krebs公司、Kvanemer公司、Mpe公司、Amoco公司，澳大利亞 BWN Vortoil 公司，瑞典 ALFALAVAL公司都開(kāi)始生產(chǎn)油水旋流分離器。國(guó)內(nèi)許多研究單位和企業(yè)也先后開(kāi)展了水力旋流器的研制工作，如西安交通大學(xué)、西南石油學(xué)院、四川大學(xué)、大慶石油學(xué)院、大連理工大學(xué)、江漢石油機(jī)械研究所、河南石油勘探局設(shè)計(jì)院、勝利油田設(shè)計(jì)院、大港油田設(shè)計(jì)院、江都環(huán)保器材廠、沈陽(yáng)新陽(yáng)機(jī)器制造廠等單位[16~22]。
隨著經(jīng)濟(jì)發(fā)展和人們生活水平的提高，城市污水的水質(zhì)也在發(fā)生著變化，污水中動(dòng)植物油及礦物油等油類物質(zhì)逐漸增多。據(jù)有關(guān)資料報(bào)道，到2000年，我國(guó)已建成并投入運(yùn)行的城市污水處理廠約180座，設(shè)計(jì)處理能力達(dá)到1050104ｍ3 /ｄ，其中二級(jí)生化處理能力約75010 4ｍ3 /ｄ，這些污水處理廠大多存在著油類物質(zhì)的污染問(wèn)題[1]；尤其是一些中小城鎮(zhèn)的污水處理廠，由于其水量較小，水質(zhì)波動(dòng)較大，在用水高峰期，大量餐飲污水進(jìn)入處理廠，對(duì)污水處理廠的正常運(yùn)行產(chǎn)生嚴(yán)重影響。
以西南科技大學(xué)污水處理廠為例，該廠占地20畝，日處理能力1104m3/d，服務(wù)人口30000人左右，采用改進(jìn)型三溝式氧化溝工藝。該污水處理廠在設(shè)計(jì)過(guò)程中沒(méi)有考慮進(jìn)水中的油類物質(zhì)，但自2003年5月運(yùn)行以來(lái)，發(fā)現(xiàn)進(jìn)水中油類物質(zhì)逐漸增多，尤其是學(xué)校教師公寓和兩個(gè)學(xué)生食堂完工以后，其狀況更加嚴(yán)重。在過(guò)去的三年間，每到冬季，油類物質(zhì)覆蓋整個(gè)氧化溝表面，嚴(yán)重影響了氧化溝的充氧效率和出水水質(zhì)狀況，對(duì)進(jìn)水中油類物質(zhì)的測(cè)定發(fā)現(xiàn)其含量在86mg/L～420mg/L之間，其中夏季進(jìn)水中油的平均含量為120mg/L，冬季為210mg/L。
2 污水的除油方法分析
目前，國(guó)內(nèi)外對(duì)含油污水治理的研究方法主要有以下三類：化學(xué)處理法、物理處理法和生化處理法?；瘜W(xué)處理法主要包括化學(xué)混凝法、化學(xué)沉淀法、催化氧化法及各種方法的結(jié)合運(yùn)用；物理處理法包括離心分離法、過(guò)濾和超過(guò)濾法、澄清法和氣浮法；生化法包括生物接觸氧化法、生物轉(zhuǎn)盤(pán)法、活性污泥法等[2]。
2.1 化學(xué)處理法
化學(xué)處理法主要指投加一定的化學(xué)物質(zhì)，使其與水中的油類物質(zhì)發(fā)生絮凝、沉淀或催化氧化等反應(yīng)，達(dá)到將油類物質(zhì)從水中去除的目的。目前，在污水的除油過(guò)程中，化學(xué)法的研究主要集中在新型的絮凝劑的開(kāi)發(fā)方面[3~8]。絮凝劑主要包括無(wú)機(jī)和有機(jī)絮凝劑，在無(wú)機(jī)絮凝劑方面，大慶石化總廠煉油廠曾對(duì)鐵鹽在煉油污水處理中的應(yīng)用進(jìn)行了研究[3]，認(rèn)為在浮選投加復(fù)合聚合鋁鐵，在浮選除油的同時(shí)還具有除硫作用。有機(jī)絮凝劑主要包括非離子、陰離子、陽(yáng)離子、兩性離子有機(jī)聚合物等類型，由于分子量大，吸附懸浮物及膠質(zhì)能力強(qiáng)，形成的絮體尺寸大，沉降快，用量少，且產(chǎn)生的污泥量少，易脫水，對(duì)處理水不產(chǎn)生負(fù)面影響，近年來(lái)備受青睞。在其應(yīng)用方面，已經(jīng)批量生產(chǎn)的主要是聚丙烯酰胺（PAM）、聚二甲基二烯丙基氯化銨（PDMDAAC）和曼尼期反應(yīng)的陽(yáng)離子聚丙烯酰胺。在對(duì)有機(jī)絮凝劑的研究方面，唐善法等人利用丙稀酰胺與二甲基二烯丙基氯化銨、烷基二甲基烯丙基氯化銨進(jìn)行多元共聚對(duì)聚丙烯酰胺進(jìn)行陽(yáng)離子化和疏水改性而合成的JH系列絮凝劑具有良好的絮凝除濁、破乳除油和去除有機(jī)物的能力[4]；段宏偉等人利用改性環(huán)乙環(huán)丙陽(yáng)離子聚醚等合成的RD－1反相破乳劑對(duì)污水中油類的去除具有較好的效果[5]；除此之外，還有對(duì)二硫代氨基甲酸鹽等絮凝劑的研究[6~8]。
近幾年，污水除油方法在能量化學(xué)領(lǐng)域也有研究[9~12]，如磁化學(xué)技術(shù)的研究[9~11]，廢水中的浮油或分散油可使用被服油膜磁粉法和油層懸浮磁粉過(guò)濾法來(lái)處理。前者是用一些化學(xué)物質(zhì)對(duì)磁性顆粒進(jìn)行表面處理，使其表面被服一層親油和疏水性物質(zhì)的薄膜，磁種吸附油后，用磁場(chǎng)回收磁種即可除油；后者是利用吸附油膜的磁粉，或吸附油的磁種層來(lái)過(guò)濾油，通過(guò)磁場(chǎng)來(lái)固定濾層，為增加濾層與污水中油珠的碰撞，可使用交變磁場(chǎng)。另外，在電化學(xué)方面[11,12]，可運(yùn)用直接電解、間接電解、電化學(xué)吸附與脫附等方法對(duì)污水進(jìn)行除油。
2.2 物理處理法
物理處理法是污水除油系統(tǒng)中應(yīng)用最多的一類方法，其核心思想是采用物理的方法達(dá)到油水的分離。在污水的除油過(guò)程中，物理法的研究主要集中在油水分離器的研究開(kāi)發(fā)，其中包括浮選技術(shù)及浮選器、旋流技術(shù)及旋流器、膜技術(shù)及膜器等方面。
2.2.1 浮選技術(shù)
浮選凈化技術(shù)是國(guó)內(nèi)外正在深入研究與不斷推廣的一種水處理新技術(shù)[13~15]。浮選除油就是在水中通入空氣或其它氣體產(chǎn)生微細(xì)氣泡，使水中的一些細(xì)小懸浮油珠及固體顆粒附著在氣泡上，隨氣泡一起上浮到水面形成浮渣，從而完成固、液分離的一種新的除油方法。根據(jù)在于水中形成氣泡的方式和氣泡大小的差異，浮選處理法大體上可分為四大類，即溶氣浮選法、誘導(dǎo)浮選法、電解浮選法和化學(xué)浮選法，其詳細(xì)分類及每種方法的優(yōu)缺點(diǎn)如表1所示。
在加壓下，使氣體溶解于污水，又在常壓下釋放出氣體，產(chǎn)生微小氣泡。
在減壓下，使溶解于水中的氣體釋放出來(lái)，產(chǎn)生微小氣泡。
氣泡的尺寸小、均勻、操作穩(wěn)定、設(shè)備簡(jiǎn)單、管理維修方便、除油率高
上浮穩(wěn)定、絮凝體破壞可能性小、能耗小
流程較復(fù)雜、停留時(shí)間長(zhǎng)、設(shè)備龐大、操作麻煩
溶氣量小、操作及結(jié)構(gòu)復(fù)雜
誘導(dǎo)浮選法
機(jī)械鼓氣浮選法
葉輪浮選法
射流浮選法
讓氣體通過(guò)無(wú)數(shù)個(gè)微小的孔隙或縫隙，產(chǎn)生微小氣泡。
葉輪轉(zhuǎn)動(dòng)產(chǎn)生負(fù)壓吸入氣體，并依靠其剪切力使吸入氣體變成小氣泡。
依靠水射器的作用使污水中產(chǎn)生微小氣泡
能耗小、浮選室結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單。
溶氣量大、停留時(shí)間短、處理速度高于溶氣浮選工藝、除油效率高、設(shè)備造價(jià)低、耐沖擊負(fù)荷。
噪聲小、工藝簡(jiǎn)單、總體能耗低、產(chǎn)生氣泡小、除油效率好于葉輪式
需投加表面活性劑才能形成微小氣泡、使用范圍受限、微孔易堵。
浮選中必須添加浮選助劑、氣泡大小不均勻、可能產(chǎn)生些無(wú)效氣泡、制造維修麻煩。
水射器要求高
電解浮選法
電解浮選法
電絮凝浮選法
選用惰性電極，使污水電解產(chǎn)生微小氣泡。
選用可溶性電極（Fe、Al等）在陽(yáng)極上產(chǎn)生微小氣泡，在陰極上有混凝作用的離子
氣泡小、除油率高。
氣泡小、浮選與絮凝同時(shí)進(jìn)行、除油率高
極板損耗大、運(yùn)行費(fèi)用高。
同上
化學(xué)浮選法
化學(xué)浮選法
依靠物質(zhì)之間的化學(xué)反應(yīng)，產(chǎn)生微小氣泡（生成CO2，O2）。
設(shè)備投資低、氣泡量易于控制、尤適用于懸浮物含量高的污水
污泥量增加、勞動(dòng)強(qiáng)度大。
2.2.2 旋流技術(shù)
水力旋流器是利用油水的密度差，在液流高度旋轉(zhuǎn)時(shí)受到不等離心力的作用而實(shí)現(xiàn)油水分離的。含油污水切向進(jìn)入圓筒渦旋段，并沿旋流管軸向螺旋態(tài)流動(dòng)。在同心縮徑段，由于圓錐截面的收縮，使流體增速，并促使已形成的螺旋流態(tài)向前流動(dòng)，由于油和水的密度差，使水沿著管壁旋轉(zhuǎn)，而油珠移向中心。流體進(jìn)入細(xì)錐段，截面不斷縮小，流速繼續(xù)增大，小油珠繼續(xù)移到中心匯成油芯。流體進(jìn)入平行尾段，由于流體恒速流動(dòng)，對(duì)上段產(chǎn)生一定的回壓，使低壓油芯向溢流口排出，而水則從凈水出口排出。其工作原理見(jiàn)圖1。
國(guó)外水力旋流除油研究始于1967年，經(jīng)過(guò)多年的科學(xué)研究和工程應(yīng)用，現(xiàn)已進(jìn)入重大技術(shù)發(fā)展階段。目前，美國(guó) Conoco公司、Krebs公司、Kvanemer公司、Mpe公司、Amoco公司，澳大利亞 BWN Vortoil 公司，瑞典 ALFALAVAL公司都開(kāi)始生產(chǎn)油水旋流分離器。國(guó)內(nèi)許多研究單位和企業(yè)也先后開(kāi)展了水力旋流器的研制工作，如西安交通大學(xué)、西南石油學(xué)院、四川大學(xué)、大慶石油學(xué)院、大連理工大學(xué)、江漢石油機(jī)械研究所、河南石油勘探局設(shè)計(jì)院、勝利油田設(shè)計(jì)院、大港油田設(shè)計(jì)院、江都環(huán)保器材廠、沈陽(yáng)新陽(yáng)機(jī)器制造廠等單位[16~22]。
