移動(dòng)式 - 旋流 - 氣浮選污水處理裝置-

1、移動(dòng)式、旋流氣浮選污水處理裝置倪玲英楊德偉(石油大學(xué)(華東石油工程系,東營(yíng)257062摘要本文介紹了一種新型的雙罐污水處理裝置的設(shè)計(jì)思路,該裝置的第一密閉罐中有一錐形旋流缸,第二密閉罐是多濾芯沉降過(guò)濾罐。該裝置的原理是利用污水源的壓力,通過(guò)一個(gè)噴嘴高速噴射產(chǎn)生的負(fù)壓吸氣、液旋流混合浮選,并采用多濾芯方式增大過(guò)濾面積,達(dá)到高效處理污水的目的。關(guān)鍵詞:污水處理,負(fù)壓吸氣,浮選,旋流分離,分離效率,過(guò)濾目前油田或礦場(chǎng)的生產(chǎn)作業(yè)過(guò)程中,各種污水(如單井洗井液、油水井各種措施的反排液等的排放是環(huán)境污染源之一。這些污水具有不連續(xù)和分散的特點(diǎn),給集中處理帶來(lái)不便,往往任意就地排放,造成了對(duì)環(huán)境的污染。為此,

2、作者設(shè)計(jì)了一種移動(dòng)式、旋流氣浮選污水處理裝置,該裝置采用了小型化設(shè)計(jì)、結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、無(wú)易損壞部件,適合車載;通過(guò)更換噴嘴,可適合不同的水質(zhì)和不同水量油田污水和礦場(chǎng)污水的處理。1裝置的結(jié)構(gòu)和工藝流程該裝置流程如圖1所示,污水經(jīng)污水流入管(1流入截面面積很小的噴嘴(3,靠噴嘴的負(fù)壓吸入一定量的空氣,形成了氣液混合多相流,以切線方向進(jìn)入密閉的、豎直安放的錐形旋流分離缸(4內(nèi),形成氣液混合旋流。同時(shí)在該過(guò)程中,吸入污水內(nèi)的空氣以氣泡的形式迅速吸附待分離物,即浮渣。這時(shí)氣液混合物在錐形缸中高速旋轉(zhuǎn)流動(dòng),產(chǎn)生的離心力使浮渣和水上下分離。錐形缸的獨(dú)特設(shè)計(jì)使得污水中污油自上部的排污口(6排出,浮選后的水經(jīng)底流出口

3、(5流入沉降過(guò)濾罐(9,流體流速開(kāi)始下降,出現(xiàn)沉降過(guò)程,同時(shí)過(guò)濾罐中安裝多根濾芯、增加過(guò)濾面積,對(duì)水進(jìn)行過(guò)濾。該裝置的設(shè)計(jì)指標(biāo):處理量5m 3 h 左右,設(shè)計(jì)壓力0.6M Pa ,工作壓力0.20.6M Pa ;進(jìn)出口壓差0.20.4M Pa ,進(jìn)口污水含油小于2000m g L ,固相含量小于50m 。經(jīng)裝置處理后的水中含油量小于40m g L ,固相含量小于5m ,經(jīng)處理后的污水可重復(fù)使用或就地排放。2工作原理該裝置的處理污水過(guò)程分為四個(gè)階段。污水噴射和負(fù)壓吸氣,污水旋流一浮選分離,沉降分離,精細(xì)過(guò)濾。該裝置的主要工作原理如下:第24卷第6期1998年12月水處理技術(shù)T ECHNOLO G

4、Y O F WA T ER TR EA TM EN T V o l .24N o.6D ec .,1998收稿日期:1997212202修稿日期:1998202220 圖1裝置流程圖1.污水流入管;2.壓力表;3.噴嘴;4.旋流分離缸;5.旋流缸底流出口;6.排污口;7.安全閥;8.沉降過(guò)濾罐進(jìn)口;9.沉降過(guò)濾罐;10.排砂口;11.凈水出口;12.濾芯;13.擋板2.1污水負(fù)壓吸氣原理污水以一定壓力和流速流入管道,經(jīng)過(guò)截面很小的噴嘴時(shí),高速射出,在噴嘴的周圍形成負(fù)壓區(qū),噴嘴的基本結(jié)構(gòu)如圖2所示,在負(fù)壓作用下,通過(guò)進(jìn)氣孔,將大氣中的空氣吸入,污水?dāng)y帶氣體進(jìn)入混合室,氣體在混合室的高度湍動(dòng)作用下

5、被分散成小氣泡,形成氣、液混合物,經(jīng)擴(kuò)散管,被壓縮再通過(guò)直管排入到旋流缸中,整個(gè)過(guò)程可分為吸氣、混合、壓縮,為實(shí)現(xiàn)氣泡吸附創(chuàng)造條件。圖2噴嘴的基本結(jié)構(gòu)圖1.污水進(jìn)入管;2.壓力表;3.進(jìn)氣孔;4.噴嘴;5.真空低壓區(qū);6.氣液混合室;7.擴(kuò)散管;8.排出管2.2氣泡吸附原理吸入污水內(nèi)的空氣將被噴射湍流產(chǎn)生的切變應(yīng)力剪碎為無(wú)數(shù)細(xì)小的氣泡,并在一定條件下使呈現(xiàn)表面活性的待分離物質(zhì)(油、固體顆粒吸附在氣泡的表面,形成了視密度比水小得多的聚集物,即浮渣,來(lái)有效實(shí)現(xiàn)旋流浮選的分離目的。2.3旋流-浮選分離原理旋流分離是利用兩種密度差進(jìn)行離心式分離的,但對(duì)于油水分離而言,油和水的密度差較小,一般在5015

6、0kg m 3范圍內(nèi),而且是從連續(xù)介質(zhì)水中分離出密度稍小一點(diǎn)的分散相油,為了使旋流分離獲得較高分離效率,污水在進(jìn)入旋流缸之前,采用噴嘴來(lái)實(shí)現(xiàn)高速噴射、吸氣、混氣、氣泡吸附,形成泡沫形式的浮渣,來(lái)增加油相和水的密度差。其工作原理如圖3所示。當(dāng)含有大量氣泡的污水以一定壓力切向進(jìn)入圓錐形旋流缸高速旋轉(zhuǎn),這時(shí)離心力按密度253水處理技術(shù)第24卷第6期圖3旋流-浮選分離原理圖1.進(jìn)液口;2.排污口;3.底流口;4.自下而上旋轉(zhuǎn)油束;5.自上而下旋轉(zhuǎn)水流束不同將組合流加以分離,其離心力的差值F =m V 2 r =d 3(1-2r6(1式中:液體的旋轉(zhuǎn)角速度,1:水的密度,2:浮渣密度,r :半徑,V :

7、離心力場(chǎng)中某一點(diǎn)的切向速度,m =d 3(1-26:浮渣在水中有效質(zhì)量。密度較大的液體水,沿著旋流缸內(nèi)壁自上旋轉(zhuǎn)而下,經(jīng)旋流缸的底流口排出,進(jìn)入沉降過(guò)濾罐;密度較小的,即要被去除的油與氣泡粘附形成密度較小的浮渣,則被迫卷入低壓中心,逆軸向上流動(dòng),經(jīng)旋流缸上部的排污口排出。2.4沉降過(guò)濾原理經(jīng)旋流-氣浮選處理后的水中仍含有一定的油份和固相顆粒,進(jìn)入沉降過(guò)濾罐,使固相顆粒沉降;油份借助于過(guò)濾介質(zhì)吸附在其表面。所以,通過(guò)沉降過(guò)濾罐進(jìn)一步凈化水質(zhì),處理后的污水可重復(fù)使用或就地排放。3影響旋流分離缸性能的因素3.1分流比F旋流分離缸分流比F 被定義為排污口的排出量Q 排與入口流量Q 入之比:F =Q 排

8、 Q 入(2分流比一般控制在5以下,否則大量液體從排污口排出,這樣的旋流分離缸,即使分離效果好,意義也不大。影響分流比的主要因素有:排污口的直徑d 排、底流口的直徑d 出和入口流量Q 入等,如在工作壓力不高于0.6M Pa ,則排污口的直徑設(shè)計(jì)可參考下列經(jīng)驗(yàn)公式:F =f (d 排 d 出2.2Q 0.5入(3式中f 為分流比系數(shù),主要與污水的平均含油量有關(guān),平均含油量越高,則分流比也越大,反之,分流比越小,所以最佳分流比不是一個(gè)定值。3.2分離效率E 和分離速率U旋流分離缸的設(shè)計(jì)以Stokes 定律為基礎(chǔ),Stokes 定律表明在水中油滴(浮渣的分離速率決定于兩者的密度差、油滴的直徑和水的粘

9、度。分離速率U =(1-2d 2 (4式中:水的粘度;d :油滴(浮渣的直徑;:分離速率系數(shù)。旋流分離效率E 由下式(5定義:分離效率E =C 入-C 出C 入×100(5即為入口水中含油濃度C 入與底流口水中含油濃度C 出之差,除以入口水中含油濃度的百分?jǐn)?shù)。對(duì)于有限停留時(shí)間的旋流分離缸來(lái)說(shuō),其分離效率E 一般是正比于分離速率V ,所以,分離效率受下列因素影響:353倪玲英等,移動(dòng)式、旋流氣浮選污水處理裝置453水處理技術(shù)第24卷第6期油和水分離,效率與它們的密度差有關(guān),該差值越大,分離效果就越好。所以,采用噴嘴,以實(shí)現(xiàn)高速噴射、吸氣、混氣、氣泡吸附,形成泡沫形式的浮渣,來(lái)增加油相和

10、水的密度差。溫度越高,液體粘度越小,分離速率和分離效率會(huì)增加。國(guó)外的有關(guān)實(shí)驗(yàn)資料表明,當(dāng)油滴直徑在0.1mm以上,油滴容易被分離,但其直徑減少到13m左右時(shí),其被分離的可能性則下降50%,所以,旋流分離過(guò)程中不能片面追求較高的旋流速度,因離心加速度過(guò)高,油滴(浮渣會(huì)被剪切不利于油水分離,所以要控制好一定的旋轉(zhuǎn)速度。在設(shè)計(jì)中應(yīng)注意盡可能減少高剪切區(qū)域。入口流量決定了入口流速的大小,而流速大小決定了旋流離心力的大小,流量太小,則流速不足以產(chǎn)生旋流場(chǎng),分離效率很低;流量增加,流速越大,一旦建立了旋流場(chǎng),分離效率隨流量增加而增加;但如流速過(guò)大,使浮渣承受更大的切應(yīng)力,使浮渣中的氣體逸出,將浮渣破碎為更

11、小的油滴,加速了油的浮化,分離反而困難。因而,對(duì)于一個(gè)固定尺寸的旋流缸,存在一個(gè)最佳處理量(入口流量Q入。入口流量是旋流分離缸一個(gè)重要性能參數(shù),是指其處理能力,與分離缸的幾何尺寸、進(jìn)液壓力P入、液體的密度和粘度有關(guān)。計(jì)算公式采用較準(zhǔn)確的前蘇聯(lián)的波瓦羅夫、歇爾巴闊夫公式Q=K d入d排P0.5入(6式中K為旋流分離缸直徑和錐角的影響系數(shù)。3.3工作壓力為了使旋流缸進(jìn)行良好的工作,其工作壓力是關(guān)鍵。當(dāng)流量一定時(shí),必須要求一個(gè)最小的進(jìn)口壓力以便在旋流缸內(nèi)產(chǎn)生旋流。當(dāng)最小的進(jìn)口壓力滿足要求時(shí),進(jìn)口與底流口和進(jìn)口與排污口的壓差控制了旋流缸的性能。P d=P入-P出,即入口壓力P入與底流口壓力P出之差。P

12、0=P入-P排,即入口壓力P入與排污口壓力P排之差。P d標(biāo)志著污水流經(jīng)旋流缸時(shí)的能量損失大小,顯得更為重要。壓降P d與入口流量Q入之間關(guān)系式如經(jīng)驗(yàn)公式(7:P d=Q n入(7式中,-流量系數(shù),n-流量指數(shù),它們均是衡量旋流器處理能力指標(biāo),流量系數(shù)和流量指數(shù)越大,說(shuō)明單位質(zhì)量的流體通旋流缸時(shí)壓力損失越大,對(duì)于一定尺寸的旋流器,和n均取決于幾何結(jié)構(gòu),壓降P d隨入口流量Q入的增加而上升。在正常的工作狀態(tài)下,底流口壓力P出一般應(yīng)高于排污口壓力P排,以使旋流器中心處已分離出的油從排污口順利排出?？刂频琢骺诔鏊畨毫出,在一定程度上能控制分流比,提高P出可使分流比增大;反之分流比則減小。當(dāng)旋流缸分

13、離效果變差時(shí),適當(dāng)提高底流壓力,增加分流比能使分離效果提高。壓差與分流比之間關(guān)系可用下面的經(jīng)驗(yàn)公式F=R(P0 P d+C(8系數(shù)R、C與流量、壓力均無(wú)關(guān),只取決于旋流缸的幾何結(jié)構(gòu)。4結(jié)論該裝置用于處理含油污水,可將污水中含油量小于2000m g L 降至含油量小于50m g L ,該裝置技術(shù)先進(jìn),分離速度快,性能穩(wěn)定,可大大簡(jiǎn)化工藝流程,是用于油田污水處理的理想產(chǎn)品。同時(shí),旋流-氣浮選污水處理裝置的研究涉及多學(xué)科,目前尚無(wú)成熟的理論模型描述,其中液體在旋流缸中的流動(dòng)機(jī)理復(fù)雜,氣液混相后產(chǎn)生的浮渣的不穩(wěn)定性等多因素,影響油水分離的效果。所以,旋流-氣選污水處理裝置的設(shè)計(jì)急需系統(tǒng)化和規(guī)范化,隨著

14、研究的不斷深入,旋流-氣浮選污水處理裝置將獲得更加廣泛的應(yīng)用。該設(shè)計(jì)思想的特點(diǎn)是通過(guò)旋流、混氣浮選,進(jìn)行油水分離;通過(guò)沉降過(guò)濾除掉污水中的懸浮顆粒,提高污水處理效果。該設(shè)計(jì)的另一優(yōu)點(diǎn)是處理裝置的體積小,可以車載移動(dòng),特別適用于油田現(xiàn)場(chǎng)使用,如洗井液的處理、油水井各種措施的反排液處理。該設(shè)計(jì)還適用于礦山污水的處理。參考文獻(xiàn)1白文雄譯,靜態(tài)水力旋流器與動(dòng)態(tài)水力旋流器的現(xiàn)場(chǎng)比較,國(guó)外石油機(jī)械,1995,42袁恩熙,工程流體力學(xué),石油工業(yè)出版社,19863賀杰等,水處理技術(shù),1994,3:163-1674肖莉,液-液分離旋流器在油田采出液處理中的應(yīng)用,石油機(jī)械,增刊(1996R OTAT I ONAL

15、 D EV I CE F OR W ASTE W ATER TREAT M ENTB Y CYCLONE AND GAS F LOATAT I ONN i L ingying and Yang D ew ei(T he U niversity of P etroleum ,S hang d ong E am ous ,D ongy ing ,S hang d ong ,Y ang D e w ei ,257062Abstract :A new desihn idea of a doub le -tank w aste w ater treatm en t device w as in trod

16、ucer w ith tw o tank s ,one is a con ical cyclone cylinder ,the o ther is m u lti -layer filtrati on tank .T he operating theo ry of th is device is to m ake u se of the p ressu re of the w ater sou rce ,B y m ean s of the negative sucti on of gas cau sed by h igh speed jet ,cyclone m ixed gas flo t

17、ati on and the exp an si on of filtrati on area by m ean s of m u lti -layer filtati on ,o il and w ater can bbe sep arated .A characteristic of th is design lies in the app licati on of gas flo tati on and cyclone at the sam e ti m e ,th rough the sedi m en tati on filtrati on ,the efficiency fo r w aste w ater treatm en t can be i m p roved A no ther characteristic of th is device is its com p actness ,it is easv to m ove from p lace to p lace ,especially app licab le in the o ilfield ,such as the treatm e