某润滑设备造成的环保问题与应对措施

杨顺成，王建兵，胡登明

（中船重工集团第七○四研究所，上海200031）

某润滑设备造成的环保问题与应对措施

杨顺成，王建兵，胡登明

（中船重工集团第七○四研究所，上海200031）

首先介绍了某船用润滑设备产生污染源的原因和过程、乳化废水造成的问题与处理要求，接着提出了两种处理方法：化学破乳与膜过滤综合运用法和以海水作为破乳剂的处理法，通过分析认为，这两种方法都是可行的，但考虑到船舶使用该润滑设备总有一定的空闲期，后者更适用于船舶，既节能又环保，因此，建议船舶总体设计所采用后面这一方法。

船舶；润滑设备；润滑油；乳化；海水

1978年经国际海事组织（IMO）最后协商和修改形成了海上环保公约（MARPOL73/78），其中对废油的排放海域、地点和排放浓度标准等都有严格的规定与要求，这一公约强调全面遵守环保法规，强调船舶对环境的低害化，对污染物的自主处理能力以及所采取环保措施的经济性。某船用润滑设备将应用于船舶，该设备的应用将会造成一个新的污染源，设备运转时其中的润滑油跟高温水汽混合而被乳化形成大量的乳浊液源源不断流出，量大且乳浊液油浓度很高（不包括浮于液面上未被乳化的润滑油）。采用以往的油水分离法在船上现场处理很不现实，代价很大，无疑这是船舶总体设计时所面临的难题，从船舶污染自主处理和经济性的角度，需要采取新的处理措施解决这一新问题。

1 污染源形成的原因与过程

经专门设计的这套润滑系统能提供源源不断的润滑油（1000号改性汽缸油），所选的这种油常温下很粘，但能保证在高温摩擦时仍具有一定的粘性，在摩擦表面能形成油膜。尽管如此，摩擦副表面到处都接触到高温水汽，润滑油部分被高温水汽乳化形成乳浊液，最终从该润滑设备两处流出，每次加注的润滑油几乎被一次性消耗掉，流出来的混合物主要由浮在顶层的未被乳化的润滑油、顶层与液面间被部分乳化呈黄色豆腐渣状的润滑油和被完全乳化均匀分散于水中的润滑油及水组成。现场试验检测表明，有10-15%的润滑油被基本乳化，而仅有约1%被完全乳化，均匀分布于水溶液中，设备在运行时润滑油被持续消耗，润滑系统不断地补充润滑油［1］，设备两处流出的混合液持续积累，废液池中的乳浊液量增多，而且乳化油浓度增高，尤其是液面上浮的润滑油层的变化最明显，越来越厚。两处废水池的作用有所不同，一个地点的废水有冷却功能且是静态的，油浓度逐渐升高可达2000～4000×10-6，废水体积可达30～50m3，而另一个地点的废水池的废水是循环用的，容积约4.5m3，废水油浓度也是逐次升高，可循环次数受到限制，当达到一定次数时废水油浓度升到警戒线，必须定期排放换新水。从设备的运行过程和要求来看，两处的废水务必分开处理，共同之处是首先得将废液中上层浮油跟下面的乳化液相分离，不同之处是其中一处的废液处理比较频繁。总之，这种润滑设备产生了两个不同规模和程度的污染源。

2 乳化废水造成的问题与处理要求

从环保的角度废液中的油最好能全部得到回收和利用，但正如前面所述这种润滑油只有一小部分被完全乳化，而有一部分只被部分乳化破坏，试验表明，静置这些废油也是分层的，只有最上层的才象原来的油，而下层的是被部分乳化破坏的呈豆腐渣状的油，这些浮在液面上的油须先通过密度差异法除去而收集起来[2]，问题是这种润滑油不论是合成的还是矿物型的，为了提高润滑油的综合性能而都加入了诸多化学添加剂，按照环保法规收集起来的废润滑油是不能象（舰）船上其它废弃可燃油那样直接放入焚烧炉燃烧掉，因为这样会产生严重的二次污染。还有一种办法就是先将废润滑油初步过滤后加热到50℃多度，再泵入到真空容器中，油中的水分蒸发变成水汽被真空泵抽走而跟油分离，之后油又再次被泵入精密过滤器进一步过滤。但目前考虑到这种回收的润滑油部分曾被高温蒸汽乳化破坏过，性能多少发生了变化，而且也未曾对这种回收再利用可能造成的风险进行过评估，因此，不敢贸然使用这种回收的润滑油。唯一的办法就是将废油储存在船上，需要设置专门的废油柜。

另一个最大的问题是该润滑设备两处产生的乳浊液废水的处理，废水的油浓度随着设备运转的次数增多而逐次增高，而且量也增大，不能直接排放入海，不论船上设置的废水池的容积多大，必须定期处理，把废液中油除去达到一定的浓度才可排放入海或港口，特别须注意的是这种废液不能跟其它废油水和生活污水混合，否则只会使其复杂化而大大增加了其处理难度。这种废液的处理采用一般的油水分离方法是难以达到环保要求的，主要是经高温乳化的溶于水中的润滑油要实现其油水分离比较困难，分离的效率直接取决于破乳剂的效能高低和系统处理流程的匹配性，因此，需要从经济性、效能和可操作性综合考虑破乳剂的选型和系统处理流程。

3 乳化废水处理方法

3.1 乳化废水液面浮油处理方法

见文献[2]，混合乳化液中真正被乳化而扩散于水中的润滑油的比例很小，不到1%，而受到高温水汽乳化破坏但仍能结块浮在液面的比例很大，超过99%，因此，在处理乳化油水前须将液面浮油预先处理，处理方法见图1。

图1利用密度差异除去液面浮油Fig.1 Removing floating oilby the difference of density

图1 中是利用润滑油和水的密度差异除去液面浮油：两个阀先关闭，后泵入混合乳化液，先进入上水箱的A腔中，待满后流入B腔中，再流入到下水箱的C腔中，这时A腔中下部的是乳化油水，而上部液面上的浮油被冲走。从观察窗看C腔中液面高度，快满时打开阀2，放出部分乳化油水另行处理。这样若干次后，C腔中浮油层达到一定厚度（保证浮油容量略小于A腔容积），最后一次待C腔满后打开阀1，让A腔中的废水流到C腔，C腔液位上升，浮油流入D腔，直到浮油几乎全进入D腔才关闭。

根据废水日产量的大小来决定C腔下部容积，因为可直接在C腔中放入适宜的破乳剂，假以时日C腔中下部的水会逐渐变清，关于这方面本课题组为此进行了深入的研究。乳化油水加入泥土粉末搅拌静置约几个小时后泥土沉底，水清程度跟泥的浓度即放入的泥土量有关，泥越多水越清，泥土是一种很好的吸附剂，放入柠檬酸效果更显著；另外这种乳化油水若分别加入NaCl、明矾、柠檬酸时，都能破乳脱油，特别是前二者，加入搅拌后30min液中大量的油上浮到液面。在陆上由于试验现场要求处理方法必须是快速高效，况且现场取土非常方便，所以采取泥土加柠檬酸的方法，这样只要10h就可排放浓度小于15×10-6的水。此法虽简单且快速有效，却累积的油污泥得另行采用OBT生物除油技术，生物降解其中的碳氢化合物转变成CO2和H2O，见文献[3]。在船上采用加泥土这种方式，虽废水除油直接、效率高，但后续泥中除油过程环节多而复杂，况且船上带泥土不方便，该方法不太适用于船舶。

为此，特对采用NaCl、明矾、柠檬酸处理乳化油水的效果和可行性展开深入试验研究，为以后做技术方案设计提供试验数据和依据。

根据试验结果，在乳化废水的浮油处理阶段，可在C腔中预先放入部分盐（如NaCl、明矾和柠檬酸钠等），这样即使时间不长，也能进行部分破乳，使纯粹乳化液中的部分油分离出而上浮，初步减小乳化液油浓度，以减轻后续处理的工作量，若时间允许可一步到位，C腔下面阀2排出的水就能符合环保标准。总的来说，有没有必要预先放入这些破乳剂，由整个废水处理的工艺流程设计决定。

3.2 乳化废水后续处理方法

乳化废水经初级处理基本除去液面上的浮油之后，剩下的乳化液需要采取针对性的处理工艺，除去液中被乳化的油，达到可排放标准即出水含油量小于20mg·L-1［4］，满足环保要求。以下有两种方法：

（1）化学破乳与膜过滤综合运用法前期对乳化液进行了破乳分离的科研试验，试验结果表明：该种乳化液是可以化学破乳的；该化学破乳和重力分离（利用密度差异）的停留时间较长，达到出水含油量小于20mg·L-1需停留的时间在24h以上，而破乳后1～2 h出水含油浓度在200～400mg·L-1。据此在破乳的基础上再进行优化，内容包括：（1）破乳后强化油水重力分离，采用气浮的技术措施加快油滴上浮的速度以减少水中停留时间；（2）经破乳和油水重力分离后的乳化液进一步采用膜过滤，一方面确保出水油含量小于20mg·L-1，另一方面减缓了对气浮处理效率的迫切要求，进一步减少前段气浮的停留时间，其主体工艺流程见图2。

图2 乳化废水处理主体工艺流程Fig.2 Main process flow diagram of emulsified wastewater disposal

根据其主体工艺流程可设计出专门的乳化废水处理装置，有针对性地处理废水池或箱中的乳化液。由图2可见，处理的主要工艺是加药破乳、混凝、溶气气浮和膜过滤。由功能要求可确定设备的组成，即乳化废水处理装置由进水模块、加药模块、破乳模块、溶气模块、气浮模块、膜分离模块、膜清洗模块和控制模块组成，其中进水模块包括浮油收集装置、进水泵、投入式浮球液位控制器等；加药模块包括1台破乳剂加药泵、1台混凝剂加药泵、2套加药装置；破乳模块包括管道混合器、破乳组件等；溶气模块包括溶气循环泵、溶气发生器等；气浮模块包括气浮装置，由接触柜和气浮柜等组成；污油模块包括污油贮存装置、污油泵、浮球液位控制器等；膜分离模块包括保安滤器、膜分离组件、膜过滤循环泵等；膜清洗模块包括清洗装置、清洗泵，清洗装置用于配置膜组件清洗液，清洗泵用于对膜组件进行反冲洗；控制模块包括控制箱、油份浓度计、浮球液位控制器等［5］。

（2）用海水作为破乳剂处理法海水中含有很多元素，其主要成分为国际上以国际标准海水-大西洋海水实用盐度35‰（质量百分比）作为固定参考标准［6］，我国周围海水域海水盐度在30‰～35‰之间，南海盐度达35‰，最高，而渤海的仅30‰，最低。海水中盐份这么高，在此完全可以作为天然的化学破乳剂，在海面船上能取之不尽用之不竭。具体的做法是将乳化废水跟海水按一定的比例混合并搅拌后使之泵入通过管道混合器迅速均匀地进一步混合，再通过内置有折板絮凝器的破乳组件，使水流在异波折板间缩放流动，形成众多小涡流，造成油份颗粒碰撞，减少絮凝停留时间；接着用溶气循环泵把海水泵入溶气发生器（由喷射器、溶气罐和填料等组成），让一部分空气在溶气罐内一定压力下溶解于水，产生溶气水，再将经破乳与混凝的乳化液跟此溶气水在接触柜或罐中混合，溶气水释放出微小气泡，粘附乳化液中的污油絮体，形成密度小于1的絮体而上浮到水面，在水面上形成浮油层，从而达到油水分离。这个工艺流程完成油去除能力在70%～90%之间。

附带说明一下，上述步骤中采用溶气水除油，只是为了提高海水破乳除油过程的效率，破乳效果还是由海水混合液中盐的浓度决定。

至此，乳化废水中绝大部分油被去除，剩余液中盐的浓度远比油的浓度高，再静置，底部的海水由底向上逐渐变清，24～48h后液面下完全变清并可达标排放，而且排放的海水还可循环用。

3.3 后续处理两种方法的比较

化学破乳与膜过滤综合运用法处理效率高，在该特种设备边工作时，也能边及时处理其所产乳化废水，但整个工艺流程比较复杂，中间环节多，对整个设备的性能要求高，尤其是其电控复杂，这样导致整个处理设备的可靠性不高，具体体现在：（1）设备组成太多，维护保养工作量大；（2）超滤膜组容易被堵塞，需要定期清洗，包括清水反冲和药洗，尽管如此膜的渗透性能仍会不断衰减，5年左右需要更换；（3）泵组太多，运行过程的时间顺序控制、逻辑控制等电路复杂；（4）用于监控的传感器多，而且工作环境比较恶劣，对其工作寿命影响大。另外这种综合运用方法涉及到的后勤工作多，除了定期从船上搬走废油柜里的废润滑油之外，还需要在船上储备一定数量的化学破乳剂和清洗膜用的药剂。这种方法对操作维护人员的要求也颇高，他们必须了解整个处理工艺流程，要具备一定的机械和电控知识，经过培训懂得如何维护和保养，特别是运行成本高，膜组件昂贵，寿命到期更换代价大。

以海水作为破乳剂处理法相对来说简单、直接，整个处理工艺流程比较简洁，中间环节少，采用溶气水过程可省略，对整个设备的性能要求不高，控制也简单，所以整个设备的可靠性高。特别是运行成本低，无易损件和消耗品，海水可循环利用，舰船上除设置废油柜之外，不需要储备其它化学物品，更不会发生二次污染，维护保养工作量也小，对操作维护人员要求不高，既节能又环保。但整个处理工艺流程时间效率较低，如果是几天几夜连续工作，那么这种方法就难以及时处理废液达标排放，不过这种情况只在非常特殊的情况下即战争时才发生。

4 结论与建议

某润滑设备将在船舶上运行产生的乳化废水可采用化学破乳与膜过滤综合运用法和以海水作为破乳剂处理法进行除油净化处理，两个方法中，前者快速效率高，但处理系统组成复杂，运行成本高，可靠性低，后勤服务内容要求多，而后者对应的处理系统简单，设备及运行成本低，可靠性高，后勤服务内容要求少，但运行时间效率低。而从环保和节能的角度，后者更适用，一切船都有或长或短的空闲期，可以充分利用其空闲来静置处理已被去除绝大部分油的乳化废水，这样可使系统构成简化，运行成本降低，同时又符合环保和节能要求。所以建议船舶总体设计所加装这套润滑设备时考虑采用以海水作为破乳剂处理乳化废水的方法，且留出一定的空间设置专门的海水池，因为从整体占用的空间大小看，这两种方法的几乎一样。

［1］杨顺成，张俊锋，王建兵，等.某大型专用设备润滑系统［J］.舰船科学技术，2013，35（1）：111-116.

［2］杨顺成，张康，倪海，等.1000号汽缸油蒸汽乳化油水分离方法研究［J］.化学工程师，2012，202（26）：58-62.

［3］供应美国高效生物除油剂［EB/OL］.http：//www.shui.tsinghua. com/product-page/id-115520 2012-2-19.

［4］GB/T16488-1996，红外光度法［S］.

［5］杨顺成，邵晓华，王建兵，等.试验场水汽乳化液油污水处理系统设计［J］.化学工程师，2016，251（30）：38-42.

［6］张正斌，刘莲生.海洋化学（上卷）［M］.济南：山东教育出版社, 2004.62-66.

Discussion on method of answering the environmental pollution questions resulting from application of certain marine lubricating equipment

YANG Shun-cheng,WANG Jian-bing,HU Deng-ming
（No.704 Research Institute of China Ship Heavy Industry Group,Shanghai 200031,China）

Firstly the reason and process of environmental pollution resulting from certain marine lubricating equipment and these questions caused from emulsified oil wastewater and their disposal requirements had been introduced,then two disposal ways were given:one is compositive disposal way of chemical emulsion splitting and membrane filtration,another is that of using seawater as emulsion splitters,finally through analyses it was thought that both ways would be feasible,but the latter way would be better for ships considering that the equipment would be used intermittently in ships,therefore it was suggested that the overall ship design institutes should adopt the latter way.

ship;lubricating equipment；lubricating oil；emulsification；seawater

U661.72

A

10.16247/j.cnki.23-1171/tq.20170134

2016-11-28

杨顺成（1966-），男，硕士，高级工程师，1992年南京理工大学机械学硕士毕业，从事过环保和惰气防爆研究工作，在核心期刊上已发表10多篇论文，目前，从事特种装置研制工作。