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(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，北京 102249； 2.中國(guó)石油集團(tuán)安全環(huán)保技術(shù)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(pán)錦 124080； 5. 渤海裝備遼河熱采機(jī)械公司，遼寧盤(pán)錦 124211）

2020 年我國(guó)原油消費(fèi)總量接近7 億t，原油需求量依然龐大。原油在生產(chǎn)或加工過(guò)程中會(huì)伴生大量廢水，例如在原油開(kāi)采過(guò)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(huì)進(jìn)一步提升〔1〕。油田采出液或煉廠進(jìn)料原油通常需經(jīng)過(guò)脫水預(yù)處理，因此廢水呈現(xiàn)高含油的特性，且伴隨高含量固體懸浮物、溶解鹽等。根據(jù)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(huì)在水體表面形成油膜造成水體缺氧，從而影響水生動(dòng)植物的生長(zhǎng)，如若將其回注地層則容易對(duì)地層造成堵塞，影響注水開(kāi)發(fā)效果〔2〕。針對(duì)不同賦存形態(tài)的油，常見(jiàn)的含油廢水除油處理技術(shù)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(jí)氧化〔8〕以及膜分離〔9〕等。重力分離和離心分離技術(shù)通常用于對(duì)懸浮油的去除，氣浮、混凝用于對(duì)乳化油和分散油的去除，混凝、生物處理、高級(jí)氧化以及膜分離法則用于對(duì)溶解油的去除。值得注意的是，乳化油和分散油油滴尺寸較?。?～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(wěn)態(tài)，導(dǎo)致油水分離極為困難〔10〕。因此針對(duì)乳化油和分散油的去除成為含油廢水處理工藝中較為關(guān)鍵的環(huán)節(jié)，氣浮和混凝技術(shù)也成為該領(lǐng)域的研究重點(diǎn)。

1 氣浮、混凝原理及影響因素

1.1 氣浮

氣浮是通過(guò)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(shí)現(xiàn)固液或液液分離的一種方法。以下從概率學(xué)、物質(zhì)之間結(jié)合力、氣泡與液滴的運(yùn)動(dòng)形式3 個(gè)角度分析氣浮原理及其影響因素。

1）從概率學(xué)角度分析。

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

其中，Pc可依據(jù)式（2）進(jìn)行計(jì)算。

式中：d0——油滴直徑，m；

db——?dú)馀葜睆剑琺；

A、n——隨雷諾系數(shù)（Re）變化的參數(shù)。

由式（2）可知，Pc由系統(tǒng)的流體動(dòng)力學(xué)決定，其受油滴大小、氣泡大小和液體流場(chǎng)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(jù)式（3）進(jìn)行計(jì)算〔12〕。

式中：vb——?dú)馀莸纳仙俾?，m/s；

ti——誘導(dǎo)時(shí)間，s。

由式（3）可知，Pa主要由氣泡上升速率、誘導(dǎo)時(shí)間決定。當(dāng)氣泡上升速率、誘導(dǎo)時(shí)間越小，Pa越大，即附著概率越大。

除了通過(guò)附著概率判定氣泡能否與油滴附著之外，通過(guò)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(guò)程中，界面能可依據(jù)式（4）計(jì)算。

式中： ΔW——?dú)馀菖c油滴之間的界面能，J/m2；

γw-g——?dú)馀菖c水的界面張力，N/m；

θ——?dú)馀菖c油滴接觸角，（°）。

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

Pd可依據(jù)式（5）進(jìn)行計(jì)算。

式中：γ——液體的表面張力，N/m；

ε——機(jī)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(zhì)之間結(jié)合力的角度分析。

根據(jù)經(jīng)典DLVO 理論〔式（6）、式（7）〕，膠體體系穩(wěn)定性由范德華力和雙電層力共同控制，但在氣泡存在時(shí)，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(qiáng)黏附力以克服排斥力的作用將在氣泡與油滴的黏附過(guò)程中發(fā)揮著關(guān)鍵作用。油滴與氣泡在發(fā)生碰撞時(shí)若要發(fā)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(shí)產(chǎn)生氣泡和油滴的結(jié)合力最強(qiáng)，除油效果最佳。

式中：V——?dú)馀菖c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——?dú)馀菖c油滴的黏附作用力，N；

S——疏水力常數(shù)，J；

D——疏水力的衰減長(zhǎng)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(yùn)動(dòng)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(shí)，液滴、小氣泡在液體中的相對(duì)運(yùn)動(dòng)可采用式（8）所示的Stokes 定律方程進(jìn)行直觀描述。

式中：u∞——?dú)馀?液滴上升速度，m/s；

g——重力加速度，m/s2；

dp——?dú)馀?液滴直徑，m；

ρl——液體密度，kg/m3；

ρp——?dú)馀?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(jié)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(shí)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(guò)某種方法使廢水中的膠體粒子和微小懸浮顆粒聚集的過(guò)程，包含凝聚和絮凝兩個(gè)階段。凝聚是指膠體脫穩(wěn)并生成微小聚集體的過(guò)程，絮凝是指脫穩(wěn)的膠體或微小懸浮顆粒聚結(jié)變大的過(guò)程。混凝機(jī)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(wǎng)捕〔20〕。其中壓縮雙電層和吸附電中和機(jī)理基于擴(kuò)散雙層模型和DLVO 理論：分散在水體中的膠體顆粒大多帶負(fù)電，膠體顆粒之間的靜電排斥使系統(tǒng)具有穩(wěn)定性，當(dāng)金屬鹽混凝劑加入水中時(shí)，金屬鹽可以迅速水解形成各種陽(yáng)離子，使介質(zhì)中的離子強(qiáng)度和擴(kuò)散雙層中的反離子濃度增加，甚至擴(kuò)散到膠體的致密雙電層中，從而導(dǎo)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(fā)生聚集〔21〕。吸附架橋是基于高分子物質(zhì)與膠粒之間的相互吸附作用，通過(guò)靜電引力、范德華力和化學(xué)鍵的作用，使聚合物活性位點(diǎn)與不穩(wěn)定的膠體顆粒連接來(lái)發(fā)揮吸附橋接作用，在此過(guò)程中膠體顆粒凝聚變大成為絮凝體，而實(shí)質(zhì)上膠體顆粒之間并不直接接觸〔22〕。沉淀物網(wǎng)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(wǎng)狀表面結(jié)構(gòu)和一定的靜電黏附能力，在沉淀物形成過(guò)程中，膠體顆?？杀贿@些沉淀物網(wǎng)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?；炷齽┯昧窟^(guò)低時(shí)，無(wú)法破壞膠體顆粒的穩(wěn)定性，混凝劑過(guò)量時(shí)，Zeta 電位增加，懸浮顆粒會(huì)再次重新穩(wěn)定〔24〕。離子型混凝劑對(duì)pH 有較強(qiáng)的依賴性，不同pH 可通過(guò)影響膠體顆粒表面電性、離子電荷密度以及水解聚合反應(yīng)直接影響混凝效果和作用機(jī)制〔25〕；非離子聚合物絮凝劑因其獨(dú)特的分子結(jié)構(gòu)和電荷特性受pH影響較低〔26〕。當(dāng)溫度提升時(shí)，有利于無(wú)機(jī)鹽混凝劑水解反應(yīng)的進(jìn)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(yùn)動(dòng)也會(huì)增強(qiáng)從而增加碰撞概率，同時(shí)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(guò)高時(shí)容易引發(fā)絮體脫穩(wěn)〔27〕。在油質(zhì)量濃度達(dá)到5 000 mg/L 及以上時(shí)，混凝往往達(dá)不到理想的除油效率〔28〕，因此混凝更適用于處理油質(zhì)量濃度低于5 000 mg/L 的含油廢水。

混凝過(guò)程通常旨在改變膠態(tài)分散體系和溶質(zhì)的性質(zhì)。含油廢水經(jīng)混凝處理后，Zeta 電位降低，疏水性改變，更容易實(shí)現(xiàn)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?！?9〕，進(jìn)而有利于氣浮過(guò)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(tǒng)的研究現(xiàn)狀

混凝氣浮一般是指在氣浮過(guò)程前或氣浮過(guò)程中加入混凝劑，以提升氣浮除油效率。其反應(yīng)裝置依托氣浮系統(tǒng)，而氣浮系統(tǒng)主要由氣泡發(fā)生系統(tǒng)和氣浮分離系統(tǒng)組成。氣泡發(fā)生系統(tǒng)可通過(guò)外流場(chǎng)作用、加壓溶氣或電解等方式產(chǎn)生微氣泡減小氣泡直徑，提升氣泡密度，從而增強(qiáng)除油效率。通過(guò)改進(jìn)氣浮分離系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)可改變流體水力特性，同時(shí)結(jié)合混凝劑的投加增大絮體粒徑，進(jìn)而增強(qiáng)氣泡與油滴/絮體的碰撞概率，提升處理性能。

2.1 氣泡發(fā)生系統(tǒng)

2.1.1 外流場(chǎng)作用產(chǎn)生氣泡

外流場(chǎng)作用通常需借助高速機(jī)械攪拌器或空氣噴射器，通過(guò)機(jī)械或液壓的方式將氣體誘導(dǎo)引入水中形成氣泡，產(chǎn)生的氣泡直徑通常大于100 μm。目前葉輪誘導(dǎo)和噴射誘導(dǎo)為主要的氣泡生成方式。

葉輪誘導(dǎo)氣浮設(shè)備是20 世紀(jì)90 年代前后國(guó)外采用最多的浮選設(shè)備，其作用原理是借助葉輪高速旋轉(zhuǎn)時(shí)在固定蓋板下產(chǎn)生負(fù)壓，進(jìn)而從進(jìn)氣管中吸入空氣，空氣與循環(huán)水流被葉輪充分?jǐn)嚢璩蔀榧?xì)小的氣泡甩出導(dǎo)向葉片，經(jīng)過(guò)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(jié)構(gòu)（美國(guó)Wemco 公司），該裝置中，葉輪機(jī)是核心部件，葉輪結(jié)構(gòu)、氣浮槽的幾何尺寸、環(huán)形微孔板的微孔數(shù)目和微孔直徑以及浮選劑共同決定了設(shè)備的氣浮除油性能〔31〕。葉輪氣浮具有安全可靠、適應(yīng)性強(qiáng)和引入氣量大等優(yōu)點(diǎn)。20 世紀(jì)80 年代中后期，我國(guó)石油石化行業(yè)陸續(xù)從美國(guó)引進(jìn)葉輪氣浮裝置用于含油污水處理，但單機(jī)使用除油率僅為50%左右，需使用進(jìn)口浮選劑以達(dá)到更高的除油效率，而進(jìn)口藥劑成本過(guò)高，因此國(guó)內(nèi)一些油田嘗試采用無(wú)機(jī)凝聚劑和有機(jī)絮凝劑代替進(jìn)口浮選劑，但多數(shù)處理效果不理想〔32〕。葉輪氣浮典型缺點(diǎn)為氣泡直徑較大，停留時(shí)間短，容易造成氣泡對(duì)絮體顆粒黏附力差，且紊流狀態(tài)下絮粒翻滾致使油水難以實(shí)現(xiàn)完全分離〔33〕，因此許多學(xué)者通過(guò)調(diào)節(jié)葉輪直徑、葉片形狀和角度等優(yōu)化停留時(shí)間并增強(qiáng)氣泡對(duì)絮體顆粒的黏附力，結(jié)果表明，氣泡停留時(shí)間會(huì)隨葉輪直徑與罐體直徑比值的增加而增加，圓盤(pán)狀葉輪有助于增強(qiáng)氣泡黏附力〔34〕。同時(shí)研究人員也致力于開(kāi)發(fā)浮選劑來(lái)提升氣泡對(duì)油滴或絮粒的附著能力，減小紊流狀態(tài)下油水分離的難度，例如開(kāi)發(fā)的陽(yáng)離子型聚合物浮選劑，由于其陽(yáng)離子基團(tuán)能增強(qiáng)藥劑對(duì)雙電層的壓縮能力，從而利于形成帶氣絮體〔35〕。也有少數(shù)研究發(fā)現(xiàn)，通過(guò)葉輪自引氣式氣液混合設(shè)備產(chǎn)生微氣泡，同時(shí)投加聚鋁（20 mg/L）和聚丙烯酰胺（1.6 mg/L）混凝劑時(shí)，除油效果與現(xiàn)場(chǎng)應(yīng)用的壓力溶氣氣浮工藝相比水平相當(dāng)，表現(xiàn)出設(shè)備結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、能耗低、停留時(shí)間短和占地面積小的優(yōu)勢(shì)，但因水量波動(dòng)需注意絮凝劑投加量〔36〕。

圖1 葉輪誘導(dǎo)氣浮裝置Fig.1 Impeller induced air flotation device

噴射誘導(dǎo)浮選設(shè)備最早出現(xiàn)于20 世紀(jì)70 年代，其作用原理是利用加壓水流經(jīng)噴射器噴射形成負(fù)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(jìn)行浮選。初期的噴射誘導(dǎo)氣浮裝置如圖2（a）所示，其與葉輪誘導(dǎo)氣浮裝置的池體結(jié)構(gòu)基本相似，均為方錐形結(jié)構(gòu)，氣泡由池底產(chǎn)生，兩側(cè)設(shè)置撇油板和集油槽，不同之處在于利用噴射器代替葉輪機(jī)改變了氣體的引入方式。高效噴射器是噴射誘導(dǎo)浮選設(shè)備的核心部件，其結(jié)構(gòu)決定了產(chǎn)生氣泡的大小、濃度和穩(wěn)定性。通過(guò)優(yōu)化噴嘴進(jìn)出水口角度或引入渦流場(chǎng)可以進(jìn)一步減小氣泡尺寸〔圖2（b）〕，如C. LEE 等〔37〕發(fā)現(xiàn)，在流速低于260 L/min 時(shí)，氣泡直徑隨進(jìn)出口角度增加而減少。華北油田設(shè)計(jì)院設(shè)計(jì)了一種噴射誘導(dǎo)氣浮裝置，罐體采用標(biāo)準(zhǔn)臥式圓筒形，由4 級(jí)氣浮室和出水室組成，現(xiàn)場(chǎng)應(yīng)用除油率85%，懸浮物去除率76%〔38〕。噴射誘導(dǎo)氣浮的優(yōu)點(diǎn)在于動(dòng)力設(shè)備少、結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，可實(shí)現(xiàn)全封閉運(yùn)行，但在實(shí)際運(yùn)行過(guò)程中，存在停留時(shí)間短、噴射器易堵塞、化學(xué)藥劑投加量大等問(wèn)題〔39〕。

圖2 噴射誘導(dǎo)氣浮裝置（a）和改進(jìn)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(shù)預(yù)先通過(guò)高壓將空氣溶解到水體中并達(dá)到飽和，當(dāng)壓力驟然降低后溶解的氣體以微氣泡的形式產(chǎn)生，氣泡直徑通常在10～100 μm 之間〔40〕。因其對(duì)氣泡與水體的接觸時(shí)間可控，被廣泛認(rèn)為除油效率高于誘導(dǎo)氣浮。

溶氣氣浮裝置主要由溶氣罐和溶氣釋放器組成，產(chǎn)生氣泡的大小和數(shù)量取決于施加的壓差〔41〕。通過(guò)增設(shè)隔套、填料或擋板等方式，可以增大溶氣罐內(nèi)紊流程度，避免溶氣罐內(nèi)短流現(xiàn)象的發(fā)生，同時(shí)增加氣水接觸面積，進(jìn)而提升溶氣量。根據(jù)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(wú)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(duì)生成氣泡的尺寸同樣至關(guān)重要，其孔隙大小、溶氣水折流次數(shù)以及釋放器放置傾角直接影響生成氣泡的大小。目前應(yīng)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(dāng)增大溶氣釋放器的出口直徑有利于形成數(shù)量密集、大小均勻、氣浮停留時(shí)間久的高質(zhì)量微氣泡，從而在氣浮凈水過(guò)程中獲得更好的凈水效率〔44〕，但在實(shí)際使用中存在彈簧部件損壞率高、易堵塞等問(wèn)題。丁國(guó)棟等〔45〕采用弧形分流槽加芯體的設(shè)計(jì)，使水流撞擊芯體上端的反射孔產(chǎn)生一次消能，而后由分流槽分流，在空化效應(yīng)作用下形成整體旋流；相較于傳統(tǒng)物理激發(fā)器，弧形分流槽增加了水流湍流強(qiáng)度和壓力損失，不僅避免了堵塞問(wèn)題，同時(shí)實(shí)現(xiàn)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(jù)微分消能釋氣原理，結(jié)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(yīng)，從而獲得物理性能優(yōu)異的微氣泡。

另外根據(jù)加壓溶氣與廢水的比例，可將傳統(tǒng)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(tǒng)工藝。3 種工藝在裝置設(shè)計(jì)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(xiàn)出溶氣量大、氣浮池體積小的特點(diǎn)，但藥劑的投加在溶氣釋放過(guò)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(xì)均勻、密度大，加壓水量小，能耗更低〔47〕，逐漸成為應(yīng)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(chǎng)的作用，使水體通過(guò)電解產(chǎn)生微氣泡進(jìn)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(guò)電化學(xué)反應(yīng)產(chǎn)生次氯酸等氧化劑氧化溶解性有機(jī)污染物〔49〕。此外，若陽(yáng)極采用鐵陽(yáng)極或鋁陽(yáng)極時(shí)，可溶性金屬離子會(huì)優(yōu)先發(fā)生水解聚合作用，產(chǎn)生多核羥基絡(luò)合物及氫氧化物作為絮凝劑，對(duì)廢水中懸浮物及油類進(jìn)行混凝處理〔50〕，從而強(qiáng)化氣浮效果。

電解池/電凝聚池是電氣浮系統(tǒng)產(chǎn)生微氣泡的主要場(chǎng)所，且電導(dǎo)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(shí)電極網(wǎng)格的布置也影響進(jìn)料水和氣泡之間的均勻混合程度〔52〕。目前，關(guān)于電氣浮的研究多處于實(shí)驗(yàn)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(lián)/串聯(lián)或雙極串聯(lián)為主〔53〕。單級(jí)并聯(lián)時(shí)，電流被均分在極板之間，與單級(jí)串聯(lián)相比，其產(chǎn)生電位差較低，且單級(jí)串聯(lián)內(nèi)部電極不與外部電源相連接，可降低陽(yáng)極消耗和陰極鈍化的速度〔54〕。雙極串聯(lián)的內(nèi)部電極電流通過(guò)溶液相互傳導(dǎo)，可通過(guò)調(diào)節(jié)電極板厚度和極板間距優(yōu)化電解性能〔55〕。目前電凝聚氣浮電解槽外形以臥式長(zhǎng)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(shè)備體積小、投資成本少，同時(shí)通過(guò)圓柱形電解槽的設(shè)計(jì)，可以提升流體的傳質(zhì)從而高效分離懸浮物，并可連續(xù)運(yùn)行，易實(shí)現(xiàn)自動(dòng)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(wèn)題〔57〕，限制了其工程應(yīng)用。

2.2 氣浮分離系統(tǒng)

2.2.1 溶氣氣浮池

氣浮池常規(guī)結(jié)構(gòu)一般由混凝室、氣泡接觸室、分離室3 部分組成，在混凝室內(nèi)通過(guò)混凝反應(yīng)絮體體積被增大，氣泡接觸室內(nèi)進(jìn)行微氣泡黏附和捕集絮體顆粒的過(guò)程，分離室內(nèi)絮體顆粒與水進(jìn)行分離。對(duì)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(shí)間，因此設(shè)備占地面積較大，近年來(lái)，混凝與氣浮的耦合逐漸成為熱點(diǎn)，部分研究采用在分離區(qū)前面增加一個(gè)混凝區(qū)來(lái)改進(jìn)氣浮池結(jié)構(gòu)，通過(guò)在該混凝區(qū)投加絮凝劑從而使油滴聚結(jié)并形成大絮凝體以利于浮選〔60-61〕。

根據(jù)水流方向一般可將傳統(tǒng)氣浮池構(gòu)型分為平流式氣浮池和豎流式氣浮池，相應(yīng)的平流式氣浮裝置和豎流式氣浮裝置示意見(jiàn)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(jìn)料水在反應(yīng)池與混凝劑發(fā)生反應(yīng)后，水流從底部進(jìn)入氣浮接觸室，如此可延長(zhǎng)絮體與氣泡的接觸時(shí)間，縮減池體設(shè)計(jì)深度；氣泡主要在氣浮接觸區(qū)底部發(fā)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(qū)水力呈現(xiàn)出下部湍流和上部類平推流的特性，分離區(qū)水力呈現(xiàn)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(shù)與平流式氣浮池相同，不同之處在于接觸室位置設(shè)置于池體中央，可使水流向四周擴(kuò)散，形成良好的水力條件，適用于處理含有可沉淀物質(zhì)較多的廢水。

2.2.2 渦凹?xì)飧〕?/p>

渦凹?xì)飧∈腔跍u凹曝氣器引入氣體產(chǎn)生微氣泡的方式進(jìn)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(jìn)料水體同時(shí)加入，需在池體進(jìn)水口上方單獨(dú)設(shè)置絮凝劑投加點(diǎn)〔63〕。典型的渦凹?xì)飧⊙b置如圖4 所示〔64〕，其顯著優(yōu)勢(shì)在于設(shè)備簡(jiǎn)單，但葉輪引發(fā)的水體湍流容易影響絮體的穩(wěn)定，且產(chǎn)生氣泡尺寸較大，對(duì)于絮體含量少的水體處理效果相對(duì)較差，適用于重度污染廢水的一級(jí)氣浮處理。例如延長(zhǎng)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(fā)生溶氣釋放器堵塞等問(wèn)題，采用渦凹?xì)飧〕刈鳛橐患?jí)氣浮裝置，協(xié)同高效混凝劑的投加，可保障溶氣氣浮裝置正常運(yùn)行，提高污水處理性能〔65〕。

圖4 渦凹?xì)飧⊙b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(tǒng)內(nèi)增設(shè)斜板，可以將有效水深減小至400～500 mm，同時(shí)流體在斜板之間可以保持層流狀態(tài)，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(shí)斜板表面水體流速幾乎為零，不會(huì)阻礙絮體粒子的流動(dòng)，絮體顆粒在斜板上浮的過(guò)程中可進(jìn)行二次絮凝，從而實(shí)現(xiàn)良好的固液分離效果〔66-67〕。國(guó)內(nèi)某油田采用斜板溶氣氣浮法處理油田采出水，當(dāng)回流比為30%時(shí)，油和固體懸浮物的去除率分別可達(dá)到94.8% 和94.2%，出水水質(zhì)優(yōu)于無(wú)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(tài)〔68〕。勝利油田某污水處理聯(lián)合站采用斜板溶氣氣浮進(jìn)行現(xiàn)場(chǎng)污水處理試驗(yàn)，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(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)效果良好〔69〕。值得注意的是斜板材質(zhì)的選擇極為重要，玻璃鋼材質(zhì)的波紋斜板易老化脫落，影響裝置運(yùn)行效果〔70〕。

氣浮池池體多數(shù)采用矩形氣浮池體，設(shè)備固定而水體運(yùn)動(dòng)，容易引起擾動(dòng)。圖5（a）〔66〕所示為典型的淺層氣浮池結(jié)構(gòu)，其通過(guò)同時(shí)旋轉(zhuǎn)進(jìn)水配水管和出水集水管，且出水流速與進(jìn)水流速保持相同，可使池體內(nèi)水體保持相對(duì)靜態(tài)，不受進(jìn)水和出水的動(dòng)態(tài)干擾。同時(shí)輔助增設(shè)斜板，每相鄰兩塊錐形板組成一個(gè)傾斜的環(huán)行氣浮區(qū)域，該區(qū)域內(nèi)水流保持層流狀態(tài)，可加快絮體顆粒/油滴與微氣泡的上浮速度。相較于傳統(tǒng)氣浮裝置，淺層氣浮裝置盡可能地克服了運(yùn)動(dòng)水體引起的湍流和干擾，使池內(nèi)水體保持“靜止?fàn)顟B(tài)”，有利于微氣泡和絮粒黏附，使得水中的顆粒以近似靜態(tài)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(dá)到67%和71%，同時(shí)COD 去除率達(dá)到39%。但淺層氣浮池也有一定的不足，其在實(shí)際運(yùn)行中溶氣罐內(nèi)液位高度、絮凝劑投加量以及前端除油設(shè)備運(yùn)行狀態(tài)對(duì)除油效率影響較大，且高效淺層氣浮設(shè)備的轉(zhuǎn)動(dòng)設(shè)備較多，增加了設(shè)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(chǎng)與氣浮分離過(guò)程耦合，離心力場(chǎng)會(huì)促使絮體顆粒/油滴和氣泡沿徑向方向向力場(chǎng)中心做定向運(yùn)動(dòng)，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(guò)程，強(qiáng)化絮體顆粒/油滴與水體的分離過(guò)程〔73〕。按照離心力場(chǎng)的強(qiáng)弱，可將旋流氣浮裝置分為高強(qiáng)度離心力場(chǎng)氣浮裝置和低強(qiáng)度離心力場(chǎng)氣浮裝置。

高強(qiáng)度離心力場(chǎng)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(jié)構(gòu)是由靜態(tài)水力旋流管改進(jìn)而來(lái)。充氣水力旋流器的外形為圓柱形，由進(jìn)料段、浮選段和底流段組成。進(jìn)水從裝置頂部切向泵入，借助壓力形成水力旋流，空氣通過(guò)多孔管輸入內(nèi)腔，在水力流場(chǎng)的剪切力下形成氣泡，絮體顆粒/油滴與氣泡發(fā)生黏附，在離心力場(chǎng)作用下向中心移動(dòng)，上浮至頂部從溢流口排出。高強(qiáng)度離心力場(chǎng)氣浮的特點(diǎn)是停留時(shí)間短、離心力場(chǎng)強(qiáng)、裝置體積小，但壓降較大，湍流、渦流、強(qiáng)剪切作用可能導(dǎo)致乳化油的形成，且水力旋流器只能通過(guò)多臺(tái)并聯(lián)的方式來(lái)適應(yīng)較大的處理量〔59〕。通過(guò)對(duì)充氣水力旋流器進(jìn)料口、溢流管內(nèi)徑和多孔管的優(yōu)化，在某煉油污水處理廠開(kāi)展現(xiàn)場(chǎng)中試實(shí)驗(yàn)，除油率達(dá)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(jìn)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(jìn)料口流量與進(jìn)料口底流口壓降關(guān)系沒(méi)有明顯變化〔75〕。

低強(qiáng)度離心力場(chǎng)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(chǎng)產(chǎn)生強(qiáng)剪切作用的缺點(diǎn)，使旋流分離的作用相對(duì)降低，氣浮作用相對(duì)上升〔59〕。低強(qiáng)度離心力場(chǎng)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(hù)，可根據(jù)不同處理量放大設(shè)備。國(guó)外針對(duì)緊湊型旋流氣浮組合裝置的研究已取得較大進(jìn)展，所開(kāi)發(fā)出的代表性產(chǎn)品見(jiàn)圖6〔76〕?？傮w來(lái)看，國(guó)外緊湊型氣浮裝置多采取立式圓柱形容器結(jié)構(gòu)，通過(guò)誘導(dǎo)或溶氣等方式產(chǎn)生微氣泡，借助導(dǎo)向組件或旋轉(zhuǎn)組件實(shí)現(xiàn)進(jìn)料旋流，輔以聚結(jié)填料、混凝劑或多級(jí)處理以提升除油效率。國(guó)內(nèi)對(duì)于緊湊型氣浮裝置的研究也取得較大進(jìn)展。蔡小壘等〔77〕自主研制的BIPCFU-Ⅲ型旋流氣浮一體化處理機(jī)，以緊湊型氣浮罐為核心裝置，通過(guò)微氣泡發(fā)生器注入細(xì)微氣泡，結(jié)合氣液混合泵回流實(shí)現(xiàn)在緊湊型氣浮罐內(nèi)進(jìn)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(xiàn)場(chǎng)連續(xù)運(yùn)行試驗(yàn)證明了該裝置即使在不加藥劑條件下，平均除油率也可達(dá)到98.7%，且除油性能穩(wěn)定。實(shí)際生產(chǎn)中，國(guó)內(nèi)關(guān)于緊湊型裝置的應(yīng)用主要集中于海上油田。蔣孟生等〔78〕調(diào)研了南海東部海域12 座海上油田平臺(tái)關(guān)于國(guó)內(nèi)外緊湊型氣浮裝置的應(yīng)用情況，其中國(guó)產(chǎn)緊湊型氣浮裝置除油率可達(dá)50%以上，但與國(guó)外緊湊型氣浮裝置對(duì)比，除油效率及處理性能還存在一定差距。

圖6 國(guó)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(shù)

傳統(tǒng)的油氣田采出水處理工藝為沉降—除油—過(guò)濾—回注，隨著油氣開(kāi)采技術(shù)的更迭，采出水聚合物的存在加大了油水分離難度，需進(jìn)一步結(jié)合生化或高級(jí)氧化法去除有機(jī)聚合物。隨著油氣田采出水水質(zhì)的復(fù)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(zhuǎn)變。為強(qiáng)化多功能協(xié)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(kāi)發(fā)，成為油田污水處理的發(fā)展趨勢(shì)。

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(tǒng)中產(chǎn)生氣泡的氣體替換為臭氧，利用臭氧的強(qiáng)氧化性快速降解含油廢水中的有機(jī)聚合物，起到破乳和降黏的作用，從而強(qiáng)化氣浮除油效率。邱煜凱等〔79〕設(shè)計(jì)了一種臭氧氣浮一體化裝置，該裝置利用臭氧發(fā)生器產(chǎn)生臭氧，采用溶氣罐制備加壓溶氣，在一個(gè)反應(yīng)器內(nèi)同時(shí)實(shí)現(xiàn)臭氧氧化、混凝、溶氣氣浮固液分離和殺菌等多個(gè)反應(yīng)過(guò)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(jìn)一步提高臭氧利用率，可通過(guò)設(shè)置兩級(jí)臭氧氧化區(qū)實(shí)現(xiàn)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(jí)生化反應(yīng)器與氣浮裝置進(jìn)行串聯(lián)而開(kāi)發(fā)的氣浮生物床一體化裝置，可結(jié)合不同微生物的群體協(xié)同作用實(shí)現(xiàn)對(duì)含油廢水中高分子有機(jī)聚合物的去除。王堅(jiān)等〔81〕針對(duì)大慶油田某氣井采出水，通過(guò)實(shí)驗(yàn)室小試研究，確定了混凝+氣浮+粗過(guò)濾+水解酸化浮動(dòng)床生物膜反應(yīng)器+移動(dòng)床生物膜反應(yīng)器+曝氣生物濾池的組合工藝一體化處理裝置，該裝置對(duì)油和固體懸浮物的去除率可分別達(dá)到98%和85%，同時(shí)對(duì)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(tài)調(diào)整和微氣泡耦合的高效處理技術(shù)，其通過(guò)強(qiáng)化復(fù)合功能性藥劑體系在渦流場(chǎng)中的破膠與聚結(jié)分離效率而實(shí)現(xiàn)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(tài)碰撞聚結(jié)效率、加大微氣泡黏附作用、采用淺池斜板聚結(jié)分離等多個(gè)方面進(jìn)行結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計(jì)和一體化創(chuàng)新集成。反應(yīng)器設(shè)計(jì)將以旋流反應(yīng)區(qū)、渦流反應(yīng)區(qū)和分離區(qū)為主體，進(jìn)料水體沿切向進(jìn)入反應(yīng)器的旋流反應(yīng)區(qū)，細(xì)小絮體與微氣泡可在旋流絮凝反應(yīng)區(qū)初步接觸，形成較大粒徑絮體，同時(shí)通過(guò)旋流反應(yīng)區(qū)內(nèi)的離心力作用，密度大的絮體顆粒將沿周向移動(dòng)并沿反應(yīng)器內(nèi)壁向下運(yùn)動(dòng)至渦流反應(yīng)區(qū)，密度小的絮體顆粒將從反應(yīng)器中間向上運(yùn)動(dòng)至渦流反應(yīng)區(qū)。渦流反應(yīng)區(qū)可進(jìn)一步促進(jìn)絮體顆粒與微氣泡的絮凝反應(yīng)，形成密實(shí)且不易破碎的絮體，以實(shí)現(xiàn)絮體與水的快速分離。

4 結(jié)論與展望

隨著油氣開(kāi)采技術(shù)的深入應(yīng)用，采出水的成分越來(lái)越復(fù)雜，呈現(xiàn)油含量高、懸浮物含量高和乳化穩(wěn)定性強(qiáng)的特性。乳化油、分散油及輕質(zhì)懸浮物的去除是含油廢水處理工藝中的重要環(huán)節(jié)。延長(zhǎng)氣泡與油滴的接觸時(shí)間、增大油滴直徑、減小氣泡直徑和提高微細(xì)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(guò)程可通過(guò)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(guò)外流場(chǎng)作用、加壓溶氣或電解等方式產(chǎn)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(tǒng)氣浮池的結(jié)構(gòu)，通過(guò)分離混凝區(qū)和氣浮區(qū)，增設(shè)斜板、渦凹或水流導(dǎo)向組件等可改變流體水力特性，實(shí)現(xiàn)除油效率的提升。

隨著水質(zhì)復(fù)雜化，混凝氣浮處理裝置應(yīng)依據(jù)不同污水水質(zhì)特征進(jìn)行特殊功能以及精細(xì)化、多元化設(shè)計(jì)，強(qiáng)化與藥劑的協(xié)同作用和強(qiáng)化多功能協(xié)同作用?；诹鲬B(tài)調(diào)整和微氣泡耦合，由單一處理工藝轉(zhuǎn)向多種處理工藝組合開(kāi)發(fā)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(shí)現(xiàn)含油廢水的高效處理。另外，結(jié)合目前“節(jié)能減排”和“雙碳”的戰(zhàn)略目標(biāo)，氣浮裝置的供能方式以及對(duì)于所產(chǎn)生揮發(fā)性有機(jī)物（VOC）的處置方法也將是未來(lái)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(shí)現(xiàn)“節(jié)能減排”；開(kāi)發(fā)“綠電”供能或針對(duì)電解氣浮研發(fā)制氫協(xié)同裝置將有效助力實(shí)現(xiàn)石油石化企業(yè)“雙碳目標(biāo)”。