唐銘華 鐘錫鴻

（中國電器科學(xué)研究院股份有限公司 廣州 510300）

引言

涂裝前處理是工件涂裝前的基本處理工藝，脫脂是前處理的首要關(guān)鍵工序之一，以噴淋或浸漬方式，通過熱水洗、預(yù)脫脂和脫脂及后續(xù)水洗等多道工序完成，其目的就是清除工件表面所粘附的油脂、浮銹、灰塵、甚至鐵屑、焊渣、汗液等，滿足后續(xù)工序處理的質(zhì)量要求，確保涂裝涂層具有優(yōu)于預(yù)期的附著力和防護(hù)性能。隨著生產(chǎn)的持續(xù)，脫脂槽液的油污含量不斷增加，會導(dǎo)致槽液脫脂能力下降甚至報廢，所以，涂裝前處理生產(chǎn)線通常會配置油水分離器和過濾機(jī)，分離槽液中的油污和塵垢，穩(wěn)定脫脂質(zhì)量，延長槽液使用壽命，減少廢水和廢液的排放。

油水分離是一種極常用的技術(shù)，廣泛應(yīng)用于餐飲、交通、工業(yè)、石油、廢水處理等眾多行業(yè)，其技術(shù)和產(chǎn)品種類繁多。針對涂裝前處理的油水分離而言，其首先必須滿足生產(chǎn)工藝和產(chǎn)品質(zhì)量要求，而不僅僅是分離油。油水分離系統(tǒng)不是從脫脂液中提純油，而是從脫脂液中分離污染物，首要能力是從水、污垢、油、清洗劑、乳化劑等混合物中，盡可能分離出油和污垢，滿足前處理脫脂的生產(chǎn)質(zhì)量要求和工藝要求，符合經(jīng)濟(jì)性、穩(wěn)定性、可靠性、清潔生產(chǎn)、精益生產(chǎn)等現(xiàn)代企業(yè)生產(chǎn)管理要求。

1 油水分離原理

油水分離中的油實(shí)際上包含石油等礦物油及其制成品、植物油、以及脂類，如防銹油、拉伸油、潤滑油、潤滑脂、食用油等，不但是涂裝質(zhì)量的重要影響因素，也是環(huán)境污染的重要污染源，范圍廣、濃度低。油不溶于水是常識，但油以四種形態(tài)存在于水中，列表簡述如表1。

油水分離是一個簡單又復(fù)雜的問題，基于油和水的比重不同，和“油不溶于水”的特性，以及各種破乳技術(shù)，油水分離就沒有太多技術(shù)難點(diǎn)，綜合多年涂裝線的應(yīng)用經(jīng)驗，油水分離的難題在于經(jīng)濟(jì)性、可靠性、穩(wěn)定性，以及系統(tǒng)設(shè)計的適配性。長期持續(xù)的技術(shù)進(jìn)步，各種技術(shù)成果應(yīng)用到油水分離領(lǐng)域，技術(shù)、設(shè)備種類繁多，有些新技術(shù)也逐步擴(kuò)展應(yīng)用到脫脂油水分離。

油水分離一直遵循斯托克斯定律，斯托克斯定律見公式1，從公式中可以看出增加油粒半徑，減小介質(zhì)粘度、降低油粒密度是油水重力分離的可行路徑，加熱、過濾、聚結(jié)、濃縮、吸附聚結(jié)和氣浮等過程方法成為工程化實(shí)用性技術(shù)手段，得到飛速發(fā)展。

表1 油在水中的存在形態(tài)及特征[1]

公式1：斯托克斯定律（Stoke’s Law）

式中：FB=油滴浮力；FG=油滴重力；FR=摩擦力；r= 油滴半徑；g=重力加速度；η=液體粘度；ρ1=液體密度；ρ0=油的密度；v= 油上浮速度

2 簡述油水分離方法[2]

油水分離方法種類繁多，為便于對各種油水分離方法進(jìn)行簡單說明，將其簡單分為三大類，第一類是物理法，不改變油、水的物理特性，利用油和水的物理特性差異，進(jìn)行油水分離的各種技術(shù)方法總稱，包括重力法、離心法、物理吸附法、氣浮法、過濾法、加熱法、膜技術(shù)、超聲波等。第二類是化學(xué)法（這里將電化學(xué)也納入），是在油水混合液中加入化學(xué)材料，對水中的油進(jìn)行酸化、絮凝等過程，改變油的物理特性，這些油水分離方法的統(tǒng)稱為化學(xué)法，包括絮凝、酸化、鹽析、電解。這種方法除去水中的油，也可能產(chǎn)生另一種廢棄物。第三類是生物法，采用生物吸收、消化、從而分解水中的油，包括活性污泥、生物濾池、氧化塘。上述各種油水分離方法，各有其技術(shù)特點(diǎn)和應(yīng)用工況，所能達(dá)到的目標(biāo)各有千秋。而在實(shí)際應(yīng)用上，往往需要多種技術(shù)的綜合利用，才會達(dá)到理想的效果。

針對涂裝前處理油水分離，脫脂液中主要是噴淋或浸漬時的機(jī)械作用和乳化作用所產(chǎn)生的分散油和乳化油，為減少廢水排放，減少藥液浪費(fèi)，穩(wěn)定生產(chǎn)工藝質(zhì)量，降低污水處理成本，油水分離的目的是降低槽液的油分含量，使其滿足工藝質(zhì)量要求，長久以來采用加熱法和重力法組合而成的油水分離槽。隨著技術(shù)進(jìn)步，加速型物理法油水分離裝置也開始投入應(yīng)用，例如膜分離和重力法的組合，聚結(jié)法和重力法的組合，氣浮法和重力法的組合。組合的目的就是占地小、效率高、能源利用率高、運(yùn)行消耗低，同時滿足工藝質(zhì)量要求。

3 前處理脫脂常用油水分離系統(tǒng)

脫脂油水分離系統(tǒng)的目的是在可行的空間、時間、能源消耗前提下，不影響脫脂液中的脫脂有效化學(xué)成分，分離出脫脂過程中清洗所混入的油和污垢，并使槽液的油分濃度工藝控制小于3 000 mg/L[3]（一般要求槽液油分小于5 000 mg/L）。同時油污不容易堵塞熱交換器、過濾器和噴嘴，所以增強(qiáng)型重力法就是唯一可行的方法，常用的油水分離法包括熱分離、聚結(jié)法、膜分離、氣浮及各種技術(shù)的組合。

脫脂油水分離是先從脫脂槽抽取脫脂液，經(jīng)過固液分離和油水分離后回到脫脂槽，可以將這個過程分解為三個流程，見圖1，由此脫脂油水分離系統(tǒng)可以分為初分離和深化分離及固液分離，目前絕大多數(shù)油水分離系統(tǒng)主要針對“強(qiáng)化分離”，導(dǎo)致初分離、固液分離和強(qiáng)化分離分別獨(dú)立，不成系統(tǒng)，油水分離的效果和目的難以令人滿意。實(shí)際上，從圖可以看出，初分離是脫脂油水分離系統(tǒng)的重點(diǎn)和難點(diǎn)，油水分離系統(tǒng)是否“有效、減量、可靠”進(jìn)行分離，首要體現(xiàn)在初分離的效果，系統(tǒng)性設(shè)計成為是否成功的要素，所以前處理脫脂的油水分離系統(tǒng)需要從源頭開始進(jìn)行系統(tǒng)性設(shè)計，并成為一個符合生產(chǎn)工藝要求，滿足工藝質(zhì)量的脫脂系統(tǒng)。

固廢分離一般采用磁分離器、紙過濾機(jī)和袋式過濾器，與強(qiáng)化分離串聯(lián)和并聯(lián)均可，從近年的發(fā)展和強(qiáng)化分離設(shè)備的維護(hù)等方面分析，串聯(lián)是比較適合的系統(tǒng)，特別是采用聚結(jié)、過濾和膜過濾等油水分離方法。

3.1 熱分離

將油水分離槽的液體溫度控制到80 ℃，30 min以上，浮油和分散油會快速上浮，乳化油將破乳上浮，加熱過程的液體上下翻動，液體粘度也因溫度而下降，油粒上升到上層后，油粒密度增加，互相聚結(jié)，從而形成表層浮油層。熱分離的熱源一般采用蒸汽和電加熱，雖然加熱需要熱能消耗，但其分離后的液體回到脫脂槽，脫脂槽液的典型溫度范圍在45～55 ℃，不會影響實(shí)際能源利用率。結(jié)構(gòu)簡單、維護(hù)方便、操作簡單，一直是涂裝生產(chǎn)線的標(biāo)配。

其缺點(diǎn)主要是需要熱源，分離周期較長，體積比較大；不能過濾污垢，以致于一些比重較輕的油污在分離油以后，有些污垢可能隨清液回到脫脂槽，油分離綜合效率一般。

3.2 聚結(jié)分離和重力分離

近年來，國內(nèi)也進(jìn)口一些油水分離機(jī)，比較多的是OZ和OY系列油水分離機(jī)，其流程圖分別見圖2和圖3。這是一種專門為前處理脫脂工藝所需而設(shè)計的設(shè)備，OZ系列油水分離機(jī)就是斜板重力分離，采用浮吸口，將脫脂槽表層油水混合液泵送至OZ油水分離機(jī)進(jìn)行油水分離，適用于分離浮油和分散油，也就是說只適用于初級脫脂。OY系列油水分離機(jī)是將脫脂槽表層油水混合液通過溢流再泵送至OY油水分離機(jī)，再通過其聚結(jié)、吸附、過濾相結(jié)合的進(jìn)行油水分離，適用于分離浮油、分散油、和部分乳化油并過濾固體雜質(zhì)，適合于二級分離。在前處理脫脂油水分離系統(tǒng)中，需要OZ和OY結(jié)合使用，才能達(dá)到理想的效果。由于各種比較錯誤的認(rèn)知，在設(shè)計和使用過程中，國內(nèi)也出現(xiàn)許多錯誤，選用單級油水分離，造成系統(tǒng)不穩(wěn)定。國內(nèi)也有類似設(shè)計的油水分離系統(tǒng)，見圖4，其原理也是采用聚結(jié)、吸附、過濾、重力及其組合的方式進(jìn)行。

圖1 前處理脫脂油水分離通用流程圖

圖2 OZ系列油水分離機(jī)

圖3 OY系列油水分離機(jī)

圖4 無動力油水分離槽

聚結(jié)、吸附、過濾、及其組合等方式進(jìn)行油水分離，除穩(wěn)定態(tài)乳化油以外，可以分離不穩(wěn)定的乳化油、不小于5 um的油粒，出液含油不大于20 ppm，對于比重接近于1的污垢不易分離，也因此出現(xiàn)污染、甚至堵塞吸附和過濾材料，導(dǎo)致性能下降，導(dǎo)致其維護(hù)、過濾材料消耗等問題?？傮w而言，聚結(jié)、吸附和過濾所組合的油水分離機(jī)，無動力不耗能，結(jié)構(gòu)緊湊小型化、分離時間短、占地面積小，是一種比較理想的油水分離機(jī)。其缺點(diǎn)就是污垢堵塞問題，并且在設(shè)備維護(hù)時，仍會產(chǎn)生含油固液廢水。

3.3 膜分離

隨著技術(shù)進(jìn)步和市場的廣泛應(yīng)用，膜分離也逐步走入脫脂油水分離行列，膜分離系統(tǒng)見圖5，實(shí)際上，膜分離系統(tǒng)包括膜分離、過濾、聚結(jié)和重力分離的組合，初分離后，進(jìn)入聚結(jié)重力分離，一次清液再進(jìn)入膜分離，二次清液回脫脂槽，二次濃液回到重力分離槽，膜分離的本質(zhì)是水分離，也就是濃縮。

膜分離過程主要有微濾（MF）、超濾（UF）、納濾（NF）、反滲透（RO），微濾主要用于過濾0.1～10 μm大小的顆粒、細(xì)菌、膠體。微濾法處理含油廢水時，主要濾掉廢水中大顆粒物質(zhì)及固體懸浮物。超濾的膜孔徑范圍為0.05～1 nm，用于分離可溶性聚合物、生物分子、分散體和膠體。脫脂油水膜分離主要是將粉塵、油污等大分子物質(zhì)被截留，水、堿和表面活性劑等小分子物質(zhì)透過，要求其抗污染能力強(qiáng)，通量穩(wěn)定，耐溶劑和酸堿，PH范圍廣，適用溫度在5～85 ℃。

油水分離使用的超濾膜分為有機(jī)膜和無機(jī)膜。有機(jī)膜采用耐水憎油材料制作，但仍難以控制膜污染、清洗困難、投資大、能耗高、壽命短、性能下降快。而無機(jī)膜采用陶瓷膜，容易清洗、投資小、能耗小、壽命長、性能穩(wěn)定，特別是陶瓷膜可再生。在國內(nèi)，無機(jī)膜已規(guī)?；瘧?yīng)用于油水分離行業(yè)，也比較適合作為脫脂油水分離之用，但其體積較大，需要較好的聚結(jié)或氣浮油水分離槽配套，便于濃縮減量，提高膜使用壽命，降低運(yùn)行成本。

3.4 氣浮分離[4]

氣浮分離包括溶氣氣浮、葉輪氣浮、電解氣浮等多種方式，其中溶氣氣浮設(shè)備（DAF）是最廣泛的一種油水分離設(shè)備，應(yīng)用亨利定律（見公式2），通過加壓使空氣溶入液體至飽和液體，在常壓下，過飽和空氣釋放，成為大量20～80 um大小的微小氣泡，作為載體粘附液體中的油粒和輕質(zhì)污垢并上浮，特別適用于含油和表面活性物質(zhì)低的含油污水，去除污水中比重接近1的微細(xì)懸浮物和粒徑大于0.05 um的油污。溶氣氣浮系統(tǒng)的核心就是飽和循環(huán)系統(tǒng)，溶氣氣浮系統(tǒng)的驅(qū)動力是微米級氣泡，與其它的氣浮方法相比，其氣泡小，分布均勻，效率高，性能穩(wěn)定，效果優(yōu)越。

公式2：亨利定律（Henry’s Law）

式中：

Ceq=液相氣體濃度；

KH=亨利常數(shù)；

Pgas=氣體分壓。

圖5 膜分離油水分離系統(tǒng)

溶氣氣浮應(yīng)用于脫脂油水分離的流程圖見圖6，氣液混合泵抽取脫脂槽上層液體進(jìn)入溶氣氣浮機(jī)，釋放器釋放溶氣水，飽和溶氣水在常壓下釋放大量微小過飽和氣泡，微小氣泡在上升過程中粘附油粒和輕質(zhì)污垢，加速油粒和輕質(zhì)污垢上浮到液面，從而達(dá)到油水分離的目的。除溶氣氣浮以外，目前國內(nèi)也開發(fā)出布?xì)鈿飧?，采用壓縮空氣或氣泵，通過微孔曝氣器產(chǎn)生大量微小氣泡，產(chǎn)生氣浮效果，為縮小分離設(shè)備的體積，一般將氣浮和聚積組合使用。

3.5 SUPARATOR 油水分離系統(tǒng)[5]

SUPARATOR 油水分離系統(tǒng)是荷蘭Esselent Solution公司憑借其 Suparator? oil separation and Q-Filter? filtration兩項技術(shù)的組合而成，系統(tǒng)示意圖見7。首先其初分離采用脫脂槽內(nèi)的V形堰，結(jié)構(gòu)簡單，過流平順，過流量小，分離脫脂槽的表層油污水混合液達(dá)到最小化，進(jìn)入一級分離槽重力分離，經(jīng)過浮吸口將一級分離槽表層油水濃縮混合液泵送至二級分離槽進(jìn)行油水分離，二級分離槽的清液回到一級分離槽。從一級分離槽抽液到鼓形紙帶過濾機(jī)過濾，回到脫脂槽。

從系統(tǒng)圖可以得出，整個油水分離流程為三步：減量收集、濃縮、分離，其主要特點(diǎn)就是采取V形堰溢流收集，V形堰過流流量小且比較精確，過流平順，過流厚度可控，漂浮于液面的油污可以過流。一級分離槽再用浮吸口抽取一級分離槽表層濃縮混合液，浮吸口可以隨液面浮動，浮吸口的設(shè)計也比較有特點(diǎn)，抽液量比較小并始終保持穩(wěn)定。二級分離槽才是最終的油水分離槽。不斷濃縮減量的方式進(jìn)行油水分離，有效減小油水分離設(shè)備的體積，并保持回流液的油分含量低。這個系統(tǒng)的另一個特點(diǎn)是串并聯(lián)設(shè)計，“先分離油后分離污垢”，在一級分離槽抽取已分離的清液，通過鼓形紙帶過濾機(jī)的過濾再回到脫脂槽，其過濾紙的過濾精度可達(dá)5 um，滿足工藝要求，高效利用過濾紙，過濾效果比較好。

簡單說就是最小化收集、二次濃縮分離、油和污垢分級分離，串聯(lián)設(shè)置，“先分離油后分離污垢”，滿足歐洲固廢排放要求。

4 前處理脫脂油水分離系統(tǒng)分析

近年來，許多大型跨國企業(yè)在建設(shè)新工廠時，其整廠環(huán)保排放按廢水零排放要求設(shè)計，自建廠內(nèi)廢水站，廢水經(jīng)過處理再生繼續(xù)供應(yīng)工藝使用，所以，前處理脫脂油水分離系統(tǒng)的設(shè)計依據(jù)為：水資源消耗最小化，廢水回收利用最大化，經(jīng)濟(jì)適用，整體運(yùn)行成本低于以前的系統(tǒng)。也就是：廢水、廢液排放要盡可能少，在線油污分離，不僅需要減排，而且所排廢水的油分盡可能低，同時避免含油廢水排放對廢水處理站的設(shè)備運(yùn)行的沖擊。為此，需要按照新要求對系統(tǒng)進(jìn)行分析研究，以期滿足要求。

4.1 脫脂段工藝新方案

脫脂段工藝有多種方案，典型的是熱水洗、預(yù)脫脂、脫脂、水洗1、水洗2、水洗3等組合，其中熱水洗可以將工件表面污垢清除80 %以上，表面油脂去除率達(dá)60 %以上。預(yù)脫脂和脫脂則將工件表面的剩余油脂污垢清除干凈。為此，設(shè)計一個新的方案，見圖8脫脂段油污分離系統(tǒng)。

圖6 氣浮油水分離系統(tǒng)

圖7 SUPARATOR油污分離系統(tǒng)

熱水洗成為一個單獨(dú)的系統(tǒng)，通過渦吸口抽吸液體表層油污，經(jīng)過紙帶過濾機(jī)過濾固體污垢，再進(jìn)入聚結(jié)油水分離機(jī)或氣浮分離進(jìn)行油水分離，清液回到熱水洗槽。其混合液中沒有化學(xué)藥劑，浮油和分散油占主要部分，乳化油也基本處于不穩(wěn)定狀態(tài)，所以只需聚結(jié)分離，與紙帶過濾機(jī)串聯(lián)，無需增加動力消耗。沉于槽底的大比重固體則按分階段通過紙過濾機(jī)分離。而水消耗的補(bǔ)充來自后續(xù)的水洗1槽的清洗水。溫度為45～70 ℃的熱水洗將清除工件表面絕大多數(shù)的污染物，有效減少預(yù)脫脂和脫脂的清洗負(fù)荷。

預(yù)脫脂和脫脂與油水分離槽成為一個閉環(huán)，通過浮吸口抽取預(yù)脫脂槽表層混合液，經(jīng)過袋式過濾器過濾固廢，再進(jìn)入加熱型油水分離槽，脫乳分離后，回到脫脂槽，脫脂槽表層液體溢流到預(yù)脫脂槽。

4.2 初分離設(shè)計

脫脂前處理油水分離可以分為初分離、固液分離和強(qiáng)化分離等三段，前述油水分離系統(tǒng)主要針對固液分離和強(qiáng)化分離，但槽液油分能否滿足其工藝要求，初分離是關(guān)鍵環(huán)節(jié)，決定槽液油分、油水分離系統(tǒng)的大小和耗能、維修維護(hù)工作量大小和其它消耗等，能否提高初分離效率，直接決定脫脂油水分離的優(yōu)劣。實(shí)際上初分離才是脫脂油水分離的一個重點(diǎn)和難點(diǎn)，不論是噴淋或浸漬方式脫脂，槽液內(nèi)的油污濃度才是系統(tǒng)減排、減少維修維護(hù)、降低運(yùn)行成本等關(guān)鍵因素。

在脫脂過程中，槽液本身也會在液槽內(nèi)依據(jù)斯托克斯定律進(jìn)行分離，槽液循環(huán)包括循環(huán)（噴淋）系統(tǒng)及加熱系統(tǒng)，需要按照水力工程設(shè)計，見圖8。對循環(huán)入槽口位置重新設(shè)計，將油粒從槽液中上浮的流體調(diào)整為水從槽液中下降的流體設(shè)計，控制V0大小，減少沖擊和干擾，避免出現(xiàn)脫脂過程的液流沖擊干擾而使自身油水分離失能，堰流設(shè)計可以根據(jù)生產(chǎn)工藝不同選用浮動堰和固定堰兩種方案，采用浮動堰比固定堰更佳，適用于所有場合，油水分離流量最少可減少50 %以上，并且有效提高比重較輕的漂浮污垢溢流分離。根據(jù)生產(chǎn)工藝設(shè)計，以綜合成本和耗能為依據(jù)，也可以采取一些強(qiáng)化分離手段，如氣浮等，提高油污分離效率。

V0、V1和V2的大小一般按照脫脂槽水力計算，包括加熱、噴淋、油水分離等綜合設(shè)計計算而成，不論V1和V2的大小，首先必須有效控制V0的大小，切實(shí)避免V0過大所造成的局部沖擊和擾動，保持V1和V2在設(shè)計范圍內(nèi)均衡穩(wěn)定，以保持脫脂槽運(yùn)行過程的油水穩(wěn)定分離。

4.3 儲存槽配置

圖9 脫脂槽水力示意圖

脫脂液一般為堿、螯合劑和表面活性劑的組合，不論脫脂系統(tǒng)如何優(yōu)越，長時間運(yùn)行后，除脫脂液老化以外，必然需要進(jìn)行清洗、維護(hù)等作業(yè)，以保持脫脂系統(tǒng)的運(yùn)行穩(wěn)定。為此，新設(shè)計的系統(tǒng)中配置有儲存槽，利用儲存槽進(jìn)行分階段清洗、臨時存儲、可控排放到污水處理站，減少含油廢水的沖擊，減輕污水處理壓力，保證污水處理設(shè)備的穩(wěn)定運(yùn)行。

同時儲存槽也作為廢水處理系統(tǒng)的一部分，可以在較長的時間進(jìn)行重力分離，將排放到污水站的廢水油分含量降到最低，表層液體再受控進(jìn)入油水分離系統(tǒng)。

4.4 新系統(tǒng)的成效

與以前的系統(tǒng)相比，新系統(tǒng)設(shè)計是在占地面積不增加、能源利用率不變、廢水處理站無需增加投入的前提下，槽液排放量減少50 %以上，節(jié)約干凈水消耗量20 %以上，維修維護(hù)量減少75 %，維修維護(hù)消耗減少80 %，排放到污水站的油分總量減少90 %，同時有人值守變?yōu)檠惨曋凳?，為整廠廢水零排放提供良好的基礎(chǔ)，為全自動化運(yùn)行提供良好的條件。

5 結(jié)語

涂裝前處理油水分離是前處理生產(chǎn)線的一個外設(shè)，油水分離方法是否先進(jìn)不是脫脂油水分離選用的基準(zhǔn)，其價值的體現(xiàn)在于槽液含油分始終低于工藝要求的前提下，其廢水、廢液的排放量，脫脂系統(tǒng)和加熱系統(tǒng)的維護(hù)工作量和備品消耗，以及水利用率等參數(shù)的高低。設(shè)計優(yōu)秀的系統(tǒng)是廢水、廢液排放量少、廢水廢液中含油量少，油污分離系統(tǒng)的體積小，能源利用率高，運(yùn)行消耗低。

作為各種成熟技術(shù)的組合，脫脂油水分離系統(tǒng)設(shè)計不是取決于油水分離器或分離方法是否先進(jìn)，初分離才是脫脂油水分離的關(guān)鍵，也決定著油水分離系統(tǒng)的體積大小、能耗和運(yùn)行消耗，需要作為一個整體來設(shè)計，以適應(yīng)新時代的要求。