劉國華，趙 京，師東陽，公永建，王振艷

(河南工學(xué)院 機(jī)電工程系，河南 新鄉(xiāng) 453003)

氣浮法是含油廢水、印染廢水、含藻廢水的常用處理方法[1-3]。與傳統(tǒng)的空壓機(jī)加壓溶氣法相比，射流氣浮能夠加速空氣溶解，降低運(yùn)行能耗，減少投資成本，具有更強(qiáng)的技術(shù)優(yōu)勢。但普通的射流氣浮機(jī)存在氣體吸入量低、溶氣效果差、溶氣罐占地大等問題[4-5]，這在一定程度上限制了射流氣浮工藝的推廣應(yīng)用。射流氣浮技術(shù)源自射流曝氣器[6]。目前，對射流器的研究主要集中在運(yùn)行參數(shù)(噴口壓力、流量、安裝高度等)與流體參數(shù)(流體黏度，表面張力，流速等)方面[7]，射流器構(gòu)型上的改變也有研究，如：在噴嘴處加入旋轉(zhuǎn)體，提高氣體吸入量[8-9]；從流態(tài)方面改進(jìn)旋轉(zhuǎn)體對射流器的影響[10]，使液體部分軸向動(dòng)量轉(zhuǎn)變?yōu)榻窍騽?dòng)量，同時(shí)使氣液混合區(qū)穩(wěn)定在喉管處，提高射流器的工作性能。旋流對射流器有極大促進(jìn)作用，在射流器噴嘴處安裝葉片可提高充氣量。傳統(tǒng)溶氣罐通常體積較大，且易出現(xiàn)堵塞、溶氣效率低等問題[5]。根據(jù)雙膜理論[11]、溶質(zhì)滲透理論[12]與表面更新理論[13]，降低液膜厚度、縮短氣液接觸時(shí)間，同時(shí)采用雷諾數(shù)較高的流態(tài)增加液相表面更新頻率，可以提高氣體在液相中的傳質(zhì)系數(shù)，提高溶氣率[5]。

針對目前射流氣浮機(jī)存在的問題[4-5]，以雙膜理論、溶質(zhì)滲透理論、表面更新理論為依據(jù)，研發(fā)了新型螺旋射流氣浮機(jī)，并考察了此氣浮機(jī)對含油廢水的處理效果。

1 新型螺旋射流氣浮技術(shù)原理

旋流進(jìn)水可加大射流器的吸氣量，穩(wěn)定氣液混合區(qū)，提高射流器工作性能[7]。雙膜理論[11]認(rèn)為，增大液相流速、降低液膜厚度，可以提高氣體的液相傳質(zhì)系數(shù)；溶質(zhì)滲透理論[12]認(rèn)為，降低氣液接觸時(shí)間，有利于提高氣體擴(kuò)散速率；表面更新理論認(rèn)為，采用雷諾數(shù)較高的流態(tài)、增加液相表面更新頻率均能提高氣體在液相中的傳質(zhì)系數(shù)。根據(jù)上述理論，對傳統(tǒng)射流氣浮機(jī)進(jìn)行優(yōu)化改進(jìn)：一是改變射流器噴頭形狀為螺旋狀，使射流混合液出水呈旋轉(zhuǎn)狀前進(jìn)，與在噴嘴內(nèi)嵌旋轉(zhuǎn)體或安裝混合葉片方式相比，射流器工作效率大大提高，且成本與維護(hù)難度大大降低；二是在射流器尾端安裝旋轉(zhuǎn)葉輪刀片，對射流器出水氣泡進(jìn)行切割破碎，使進(jìn)入射流器出水混合液氣泡粒徑變小、變細(xì)，易于溶解；三是采用管道混合器替代高壓溶氣罐，縮短氣液接觸時(shí)間，混合器內(nèi)部的Z型板構(gòu)件能夠創(chuàng)造并維持具有一定雷諾數(shù)的水力流態(tài)，這既降低了液膜厚度又增大了氣液接觸面的更新頻率，進(jìn)而提高氣體在液相中的傳質(zhì)系數(shù)；此外，通過混合器內(nèi)部的Z型板構(gòu)件對進(jìn)入釋放器的混合液氣泡進(jìn)行二次切割破碎，確保氣浮過程氣泡粒徑達(dá)到最小，增強(qiáng)氣浮溶氣效果，提高氣浮去除效率。前期研究結(jié)果表明，經(jīng)過Z型管道混合器后的溶氣水，氣泡粒徑≤30 μm，氣液比達(dá)0.3。

2 新型螺旋射流氣浮機(jī)結(jié)構(gòu)

螺旋射流氣浮機(jī)外形為長方形，主要由氣浮池箱體、螺旋射流溶氣系統(tǒng)、刮渣排泥系統(tǒng)3部分構(gòu)成，結(jié)構(gòu)如圖1所示。氣浮池箱體、刮渣排泥系統(tǒng)可采用平流式氣浮池結(jié)構(gòu)。螺旋射流溶氣系統(tǒng)為本裝置的核心構(gòu)件，主要包括螺旋射流器和Z型板管道混合器2部分。螺旋射流器結(jié)構(gòu)如圖2所示，由進(jìn)氣口、氣室、進(jìn)水口、螺旋噴嘴、喉管、擴(kuò)散管、旋轉(zhuǎn)葉輪刀片等構(gòu)成，進(jìn)水經(jīng)螺旋噴嘴后，混合液出水呈旋流狀前進(jìn)。與文丘里射流器相比，旋流進(jìn)水可增大吸氣量，并能穩(wěn)定氣液混合區(qū)，提高射流器工作性能。氣液混合液經(jīng)過漸擴(kuò)管末端帶動(dòng)旋轉(zhuǎn)葉輪刀片高速運(yùn)轉(zhuǎn)，對出水混合液中的氣泡進(jìn)行二次切割，進(jìn)一步減小溶氣氣泡粒徑。Z型板管道混合器在普通溶氣氣浮機(jī)溶氣罐基礎(chǔ)上進(jìn)行優(yōu)化改進(jìn)，容積減小三分之二；同時(shí)在內(nèi)部增加Z型擋板，使氣水混合液接觸更加充分，大幅度縮短溶氣時(shí)間。

1—?dú)飧C(jī)箱體；2—泥斗；3—擋水板；4—釋放器；5—Z型管道混合器；6—刮渣板；7—排渣槽；8—清水槽；9—螺旋射流器；10—射流泵。

3 試驗(yàn)系統(tǒng)與方法

試驗(yàn)采用新型螺旋射流氣浮機(jī)。新型螺旋射流氣浮機(jī)設(shè)計(jì)處理量為5 m3/h，氣浮池箱體主體尺寸為3 750 mm×1 000 mm×2 000 mm，設(shè)計(jì)有效水深h效=1 700 mm，釋放器接觸室停留時(shí)間tc=5 min，氣浮分離室停留時(shí)間ts=30 min，配置射流泵型號ISW32-200A，螺旋射流器主體尺寸為φ57 mm×400 mm，Z型管道混合器主體尺寸為φ219 mm×800 mm。

設(shè)計(jì)進(jìn)水流量(Q)為2～6 m3/h,測定該裝置對含油廢水處理效果最佳時(shí)的進(jìn)水量，并在最佳進(jìn)水流量條件下，考察不同回流比(10%～50%)條件下系統(tǒng)對含油廢水的處理效能;之后在進(jìn)水流量為5 m3/h、回流比為30%條件下，考察不同絮凝劑對高濃度含油廢水氣浮效果的影響。

配制廢水所用污油取自某煉油廠污油池。該污油是煉油污水源水經(jīng)平流隔油—斜板隔油后回收得到。污油用膠體磨處理后置入水箱中，同時(shí)開啟高速旋渦泵循環(huán)剪切48 h，形成良好的油滴分散狀態(tài)。廢水中油質(zhì)量濃度為0.80 g/L，COD為18.36 g/L。另配制油質(zhì)量濃度為1.20 g/L、COD為27.80 g/L的高濃度含油廢水，pH=7.0。

PAM、PAC、AlCl3、CaCl2，均為分析純。

水中油質(zhì)量濃度用OIL-460型紅外分光測油儀測定，COD用重鉻酸鉀法測定。分離效率通過測定出水油質(zhì)量濃度與COD后計(jì)算得出。

4 試驗(yàn)結(jié)果與分析

4.1 進(jìn)水流量對含油廢水處理效果的影響

控制回流比為30%。流量升高意味著停留時(shí)間縮短。不同進(jìn)水流量下出水的油質(zhì)量濃度、油去除率(a)與COD、COD去除率(b)如圖3所示。可以看出，初始進(jìn)水流量為2 m3/h時(shí)，出水油質(zhì)量濃度為60.10 mg/L，此時(shí)COD為1.74 g/L；隨進(jìn)水流量提高至6 m3/h，出水油質(zhì)量濃度升高至78.30 mg/L，COD升高至2.26 g/L。一般來說，氣泡與油粒的接觸時(shí)間縮短，處理效果就會(huì)有所下降，但試驗(yàn)結(jié)果表明：在進(jìn)水量為3 m3/h以下時(shí)，處理效率沒有顯著降低；進(jìn)水量增至4 m3/h時(shí)，出水油質(zhì)量濃度還在下降，為12.4 mg/L。這主要是因?yàn)殡S進(jìn)水量增大，回流比保持不變，回流水量隨之升高，射流器內(nèi)的流速最高，漸擴(kuò)管尾端安裝的刀片高速旋轉(zhuǎn)，對氣泡進(jìn)行切割的作用增大；且回流管路流量增大，混合器內(nèi)的紊流程度急劇增加，這有利于管道對氣泡的進(jìn)一步切割，釋放的氣泡粒徑更小。進(jìn)水量為4 m3/h時(shí)，氣浮池內(nèi)溶氣水白度明顯提高，此時(shí)系統(tǒng)處理效率也達(dá)最高，油去除率為97.5%，COD去除率達(dá)98.1%。

圖3 不同進(jìn)水流量下出水的油質(zhì)量濃度、油去除率(a)與COD、COD去除率(b)

4.2 回流比對含油廢水處理效果的影響

控制進(jìn)水流量4 m3/h，回流比10%～50%。不同回流比下氣浮池出水的油質(zhì)量濃度、油去除率(a)與COD、COD去除率(b)如圖4所示?？梢钥闯?，初始回流比為10%時(shí)，出水油質(zhì)量濃度為89.40 mg/L，COD為2.60 g/L；隨回流比增大，油去除率迅速升高，回流比為30%時(shí)，出水油質(zhì)量濃度與COD分別降至30 mg/L與0.87 g/L，油去除率與COD去除率分別為95.1%與95.3%。回流管路引自氣浮池尾端的凈化水，適當(dāng)提高回流比時(shí)，射流器內(nèi)液體流速增大，氣口進(jìn)氣量增加，氣泡產(chǎn)量也會(huì)增大，這有助于提高氣泡與油粒的粘附效率;回流比增大，紊流度提高，氣泡粒徑降低[14]：這兩方面作用的增強(qiáng)均有利于提高系統(tǒng)除油量。而回流比升至30%以后，出水油質(zhì)量濃度與COD雖有降低但趨向平穩(wěn)；回流比升至50%時(shí)，出水油質(zhì)量濃度與COD分別為24.3、694.8 mg/L，比回流比為30%時(shí)僅分別降低了5.7、137.7 mg/L：這表明進(jìn)一步提高回流比對除油效能已無更明顯促進(jìn)作用。這與文獻(xiàn)[15]的研究結(jié)果一致。過高的回流比增加了回流管路上的能耗，降低了凈化水產(chǎn)量，因此就本系統(tǒng)而言，控制回流比在30%左右為宜。

圖4 不同回流比下氣浮池出水的油質(zhì)量濃度、油去除率(a)與COD、COD去除率(b)

4.3 絮凝劑對高濃度含油廢水氣浮效果的影響

配制油質(zhì)量濃度為1.20 g/L廢水，控制系統(tǒng)進(jìn)水流量為5 m3/h，回流比為30%。經(jīng)過處理后出水的COD為12.40 g/L、油質(zhì)量濃度為0.49 g/L，油去除率為59.1%，較前期處理低濃度含油廢水的效果明顯降低，表明氣浮機(jī)對高濃度含油廢水的處理能力有限。為進(jìn)一步提高氣浮機(jī)除油效率，在廢水進(jìn)入系統(tǒng)前，分別投加氯化鈣、氯化鋁、PAM、PAC等常見絮凝劑，經(jīng)反應(yīng)5 min后進(jìn)入試驗(yàn)系統(tǒng)。絮凝劑對高濃度含油廢水氣浮效果的影響試驗(yàn)結(jié)果如圖5所示。

圖5 絮凝劑對高濃度含油廢水氣浮效果的影響

由圖5看出，不同絮凝劑對氣浮效果的促進(jìn)作用明顯：氯化鈣、氯化鋁、PAM、PAC分別能將油去除率提高至64.6%、68.3%、78.8%和83.9%；4種絮凝劑中，以投加PAC處理的除油效果最好，出水油質(zhì)量濃度降至193 mg/L，COD降至4.37 g/L。

5 結(jié)論

新型射流氣浮機(jī)將射流器噴頭的形狀改為螺旋結(jié)構(gòu)，尾端安裝刀片葉輪，采用Z型管道混合器替代高壓溶氣罐，與傳統(tǒng)的射流氣浮裝置相比，在吸氣量、氣泡粒徑、溶氣效率等工作性能方面均有顯著提升，且具有節(jié)省基建投資、占地面積少、能耗小、操作維護(hù)簡便等特點(diǎn)。

新型射流氣浮機(jī)對含油廢水的處理效果顯著，且對進(jìn)水量波動(dòng)具有很好的適應(yīng)能力。進(jìn)水量為4 m3/h時(shí)，除油效率為97.5%，COD去除率為98.1%。進(jìn)水量超過5 m3/h時(shí)，油去除率維持在87%以上。適當(dāng)增大回流比，有利于油去除率提高，試驗(yàn)條件下，控制回流比為30%時(shí)可使油去除率不低于95.1%。在處理高濃度含油廢水時(shí)，可考慮投加一定量PAC以提高氣浮機(jī)的處理效果。