浮选柱法在含油废水处理中的应用

李中秋，肖 瑜，龚秋实

（桂林理工大学 环境科学与工程学院，广西 桂林541004）

1 引言

浮选指的是从水的悬浮液中浮出固体的过程。它在细粒和极细粒物料分选过程中应用最广泛，处理效果最好。由于矿石资源越来越贫乏，如何更好地分选矿石，已经成为当前社会迫切需要解决的问题。

随着人类社会经济的快速发展，水污染愈演愈烈，浮选法逐步演变为一种水处理的新技术。国内外学者的深入研究，浮选技术取得了很大提高。石油、造纸、印染、电镀、化工、化纤、毛纺、皮革、食品等行业快速发展的同时，生产过程中产生的污水如何得到更好的处理，已是人类不可忽视的问题。国内外研究发现表明，浮选技术可以很好地解决这一系列问题，通过大量的实验研究以及实际的应用，浮选法确实是一种处理水污染的好方法，取得了良好的环境效益。

浮选法处理含油污水的机理分为两个阶段：第一个阶段为选择吸附阶段，在聚合物驱含油污水中加入煤粉载体，使含油污水中微细油珠及乳化油吸附到载体上；第二个阶段为柱气浮分离阶段，在浮选柱中油珠及吸附了油的煤粉载体和气泡碰撞粘附，形成带气絮粒上浮，从而使油水分离。

2 含油污水特点

油田含油污水主要包括采油废水、洗井回水、钻井污水、井下作业污水、联合站内各种原油储罐的罐底水、将含盐量较高的原油用其他清水洗盐后的污水、油区站场周边工业废水等。含油污水量较大，占油田总水量的2/3左右［1］。

含油污水的主要特点主要有5个方面：①含油污水中油类的密度一般都小于水的密度；②含油污水中的悬浮固体颗粒粒径小，但含量很高；③含油污水中细菌的含量很高；④含油污水中有机污染物的含量很高；⑤含油污水的矿化度很高。

油田含油污水是一种含有固体杂质、液体杂质、溶解气体和溶解盐类等较复杂的多相体系［2］。油在水体中的赋存状态多种多样，由于含油污水中油的粒径大小不一，可分为4种类型，即浮油、分散油、乳化油、溶解油。其中除了浮油比较容易处理之外，其他3种油由于自身的特性，在动力学上具有一定的稳定性，很难处理［3］。

3 国内外含油污水处理技术

由于含油污水自身组成复杂，故处理好含油污水是一个复杂的过程。大量的研究表明，不同种类的含油废水要采用不同的处理技术。含油污水的处理方法有很多，主要包括分离法（重力分离法、过滤分离法、离心分离法、浮选法），化学破乳法（凝聚法、盐析法、氧化还原法），电化学法，吸附法等［4］。

3.1 分离法

利用油与水之间的比重差以及二者之间的不溶性，使得油与水得到分离。作为处理含油污水的重要方法，分离法又分为重力分离法、过滤分离法、离心分离法、浮选法等。分离法可以用来去除含油污水中悬浮态存在的油，而不同粒径悬浮态的油可以通过不同的分离方法来处理。含油污水中存在的浮油，部分分散油、重油、油－固体物等不溶于水的物质，可以使用重力分离法去除［5］；含油污水中的部分原油和固体悬浮物滞留在细小滤料构成的滤层当中，可以使用过滤分离法来去除［6］；分散油的颗粒直径为10～100μm，在水中以悬浮态存在，这种油类可以使用离心分离法来去除［7］；对于颗粒直径为10～60μm的分散油，乳化油以及细小的固体悬浮物，浮选法的处理效果最为显著。值得注意的是，通过浮选法处理之后的含油污水，其油浓度可以降至20～30mg/L［8-9］，降解幅度很大，但是其处理过程中产生的浮渣比较难处理［10］。

3.2 化学破乳法

将含油污水中的污染物质通过化学反应转化为无毒无害物质，从而达到净化废水的目的。常用的化学破乳法主要包括凝聚法、盐析法、氧化还原法。通过向含油污水中添加絮凝剂，使水解作用后产生的带正电荷的胶团与带负电荷的乳化油中和，油粒之间发生聚集，从而颗粒直径变大，将直接导致浮力增大，最终实现油水分离，这个过程我们称之为絮凝法［11］。值得警惕的是，由于大多数絮凝剂及其在水中残留的离子会对环境产生极大的危害，所以，要尽量减少这种方法的使用［12］。盐析法是通过压缩油粒与水界面处双电层的厚度，使油粒脱稳，该法操作简单，费用低，但设备占地面积大，处理效果不好，作为初级处理应用更为广泛［13］。通过使用氧化剂，使得水中的有机物发生氧化反应，最终达到去除污染物的目的，这种方法我们称之为氧化还原法，常用的氧化剂有氧、臭氧、空气等［14-15］。

3.3 电化学法

通过使用可溶性阳极，发生电化学反应，反应过程中，阳极周围生成絮凝剂，阴极周围产生气泡，在沉降或气浮的作用下，最终达到絮凝体去除的目的［16］。在处理过程中，由于絮凝体自身比较难被沉降但却比较容易随着气泡上浮，而在气浮的过程，大多数污染物得到很好的去除，因此，适合采用电化学法处理技术［17］。

3.4 吸附法

通过使用多孔的固体，将物质从液相中迁移到固相表面。稀有材料种类繁多，其中最常使用的是活性炭，活性炭不仅对油拥有超强的吸附能力，而且对于含有污水中的分散油、乳化油以及溶解油也具有很好的吸附能力，同时对含油污水中的大多有机污染物的吸附效果也很显著。但是，由于活性炭的吸附容量有限，费用高，难以循环使用，所以活性炭一般被用来处理含油污水多级处理过程中的最后一级，最终含油污水的质量浓度可降低至0.1～0.2mg/L［18］。

3.5 其他方法

近20a来出现了许多新型水污染治理技术，光催化氧化技术就是其中最具代表性的一种［19］。这种方法的优点是完全矿物化，没有污染，效能高，并且几乎可以催化降解所有的有机物，缺点是对紫外光的效果很差、光能能耗高、电子－空穴复合率高、量子产率很低。而对于一些难降解的有机污染物质，光催化氧化技术的处理效果非常显著。

针对TiO2，ZnO，ZnS和SnO2等半导体材料都已进行催化研究［20］，其中TiO2以其高效、稳定、价廉等特性成为最有潜力的光催化材料［21］。将纳米TiO2用于各种有机物催化降解的结果表明，它对大多数有机物具有良好的催化性能，例如苯［22-23］、甲基蓝［24］、苯酚［25-26］、林丹［27］等，同时水域可以大面积接受太阳光照射，这为利用太阳光降解水中油污染提供了可能。用负载型TiO2固定相光催化降解含油废水，具有高效、节能、费用低等特点，显示出了良好的应用前景。

含油废水的处理方法虽然较多，但各种方法都有其局限性，难以得到实际应用及推广，因此需要以污染物去除率高、处理水质稳定、技术成熟、无二次污染、一次投资及运行费用低为原则，开发适合含油污水处理的工艺和技术。

4 浮选柱处理含油污水的优势

浮选柱具有结构简单、占地面积小、技术指标好、耗能低、药剂用量低、建设周期短、维护费用低、操作控制简单等优点。石油大学冯鹏邦［28］等用浮选柱处理含油污水，在实验装置上研究了其结构参数和操作参数对浮选性能的影响，研究结果表明：浮选柱是一种具有高效、节能等优点的含油污水处理装置，除油率在90%左右，处理污水能耗约为0.117kW·h/m3，比从国外引进的WEMCO充气浮选机能耗低50%，2台浮选柱的处理能力与1台WEMCO浮选机相当。含油污水中悬浮固体含量高、颗粒粒径小，分离时通常要求小的气泡，并且在分离区中需要安静的流体动力学环境。旋流——静态微泡浮选柱柱体上部的介质充填进一步强化了上部静态分离环境，下部的管流矿化进一步提高了下部的紊流矿化环境，从而构成从上到下静态——湍流——紊流的分选环境，且旋流——静态微泡浮选柱对微细粒矿物的分选选择性好、运行可靠性好、产品质量稳定、设备机械故障率低、操作与维护方便、能耗低。因此，浮选柱法处理含油污水具有很好的应用前景。

5 浮选柱法处理含油废水的常见问题

气含率、气泡尺寸及分布是相互关联的流体行为学参数。压差法测量浮选柱气含率具有可行性，操作简单。利用Matlab处理图像，计算气泡尺寸及分布存在一定误差，误差主要来源于3个方面：①由于柱体是圆形的，存在一定的柱体曲率，柱体边缘水平方向上物象被放大；②在统计气泡直径大小时假设气泡是球体；③统计取样过程中，为实现气泡分割，不可避免地对图像进行部分人为处理。

循环压力不仅在浮选过程中对气含率有所影响。在旋流——静态微泡浮选柱中，也给旋流分离段的旋流力场提供动力。因此，该因素的调节要考虑柱浮选段气含率，也要考虑旋流分离段对浮选产品的影响。

浮选柱循环压力可以利用变频调节和变流调节2种方式进行。当不改变进气阀门开度大小，保持全开状态时，气含率随着循环压力的增大而增大。当改变进气阀门开度，保持进气量大小不变时，气含率随循环压力的增大而减小，减小幅度不是很大。含油污水中的气含率比清水中的略大。纯水不易起泡，且气泡尺寸较大，而含油污水中含有的石油类物质有一定的表面活性，更易于起泡。循环压力越大，产生的微泡尺寸越小，数量越多。

随着循环压力的增大，含油污水中残余油浓度逐渐降低，悬浮物含量也逐渐降低。当循环压力达到一定数值后，脱油率及悬浮物脱除率达到最大值，继续增加压力，脱油率及悬浮物脱除率开始下降。压力过大时浮选柱内会形成紊流，对柱体内流体产生强烈的扰动，破坏气泡与油滴及固体悬浮颗粒形成的絮团，影响了浮选效率。

适当增加充气量有利于浮选时除油效果的发挥，但对除悬浮物效果影响不明显。气流量较小时，气泡的数量较多，气泡和油珠发生碰撞、附着在油珠上的气泡数量逐渐增多，故浮选柱的脱油效率不断增大。当充气量增大到一定程度，气泡互相兼并渐趋剧烈，而捕集油珠能力大的较小直径的气泡数量逐渐减少，同时，充气量增大，造成柱内污水返混剧烈，从而使浮选柱的浮选效率下降。

起泡剂用量增加，脱油率及悬浮物脱除率均呈增加趋势。一方面使气泡的尺寸减小，数量增加，增加了气泡与油粒的碰撞几率；另一方面使油粒絮体的附加憎水基团增加，提高了气泡的粘附数量及牢度，从而提高浮选效果。

气泡尺寸受许多因素影响，如气体、液体及固体颗粒的物理性质，气泡制造技术的不同类型，气泡制造装置和操作条件等。

6 结语

随着社会经济的发展，人类社会对于环境的破坏日益严重，人们希望环境可以得到改善。浮选柱法处理含油污水作为一种新型的水处理技术，应该得到重视，而开发以浮选柱法为处理技术的水处理设备刻不容缓。

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