基于空化效应的微泡浮选油水分离方法

方济中1，安 宇，肖清明3，邹洪森4，韩 利1，吴 杨1，张庆霞1，潘 洁1，马 锐1，钱 勇1，曾 晰

(1.宁夏电力科学研究院，宁夏 银川 750002；2.浙江工业大学 机械工程学院，浙江 杭州 310023；3.国网宁夏电力有限公司，宁夏 银川 750001；4.国网宁夏电力有限公司检修公司，宁夏 银川 750002)

在清洁和检修变电站变压器时，一些机油和清洁产生的浮油会发生泄漏，绝大多数变电站将使用集油池来存储油，而不定时的地面冲洗废水和雨水渗入集油池会形成含油废水，含油废水中的污染物不能被有效降解排放，造成了环境污染。现代油水分离技术主要包括物理分离法和化学分离法两大类[1-2]。考虑到化学分离法会带来新的污染物，而物理分离法的成本较高，因此设计一种方便、安全的油水分离设备，并在初始油水分离完成后，进一步对分离出的废水进行降解净化[3]显得尤为重要。随着现代工业的迅速发展，水污染和水资源短缺已成为许多国家迫切需要解决的问题。由于废水中污染物种类繁多，且杂质颗粒较多，传统的常规水处理方法难以满足要求。利用水力空化降解在水中难以降解的有机污染物是一种较先进的水处理技术。与其他类型的空化方法相比，水力空化具有能耗相对较小、可重复利用、处理效果好、易于操作、反应设备相对简单以及维护成本更少等优点，更容易实现产业化和规模化。水力空化作为一种新型的水处理方法，在国内外已引起了广泛关注[4-5]。水力空化能降解污染物的原因有多种，当发生空化反应时，空化泡周围的环境发生变化(如高温与高压)，该环境足以加热并分解气泡内部气体和液体界面处的介质，间接地促进了反应的发生。由于空化产生的高温和高压环境，水将通过链式反应分解，反应式为

H2O→·H+·OH
O+H2O→·OH+·OH
·OH+·OH→H2O2
2·H→H2

氢基与羟基能够通过氧化还原反应和自由基的转化有效地处理废水，上述反应中产生的·OH和H2O2可与溶液的挥发溶质反应，甚至将有机物氧化，达到降解作用。水力空化也会产生机械振动，液泡的溃灭会产生巨大的水剪切力，提高了3种物理量(热量、动量和质量)的传递率。同时，产生的物理力不仅可以破坏大分子主链上的碳键，也可以破坏微生物的细胞壁，从多方面降解水中污染物，提高净化效率。楚晓婷[6]研究了多级孔板水力空化装置的级数和级与级孔板之间距离的影响，探究不同装置对空化作用的影响；张斌等[7]通过实验分析了旋流腔直径、空化器出液管直径和空化器进液管流速等工艺参数对自由基产量的影响，结果表明：进液管流速越大，出液管和旋流腔直径越小，·OH浓度越大。笔者在传统水力空化发生装置文丘里管的基础上，将其改成倒锥型，并且通过Fluent仿真得到最佳流道尺寸，以提升空化效果，提高对废水的净化程度。

1 油水分离

沉降罐的采油污水首先进入缓冲桶，控制流量后进入搅拌桶，在搅拌桶中按要求加入适量的起泡剂松醇油进行搅拌混合，从浮选柱的中上部进水，底部排水。循环压力、充气速率通过各阀门进行调节，试验设计如图1所示[8]。

图1 试验设计Fig.1 Experimental design

柱状分离系统由旋流-静态微泡浮选柱、进料泵(供进、出水使用)、循环泵和混合槽装置等组成。测量控制系统包括气体流量计、液体流量计、电动调节阀、PID数显调节器和气体含量率测量仪等。浮选柱液位自动控制系统由压力变送器、电子直冲程电动控制阀和PID数显调节器组成。液位控制的基本策略如图2所示。液位信息通过压力传感器的标准信号传输给数字PID调节器，根据预设值之间的偏差和实时检测的值，数字PID调节器形成负反馈，通过计算和自动调整浮选柱排出阀底部的开度，液位检测值可以跟踪设定值，从而实现浮选柱液位的自动控制。

图2 控制策略Fig.2 Control strategy

油水分离过程中油滴聚结是指通过改变原油粒径的分布情况，增大原油粒径，再结合合适的分离工艺，从而明显提高含油污水的除油效率。也就是说经过聚结处理后的含油污水，其含油性质并未发生改变，只是粒径增大易于后续分离。

油滴碰撞后发生聚结，主要是因为分散相油滴相互碰撞，促使油滴聚结的合力大于油滴与水之间的界面张力，油滴间因界面破裂发生聚结。旋流-静态微泡浮选柱内置旋流器中油滴碰撞情况如图3所示。

图3 浮选柱内置旋流器中油滴碰撞情况Fig.3 Collision of oil droplets in cyclones inside flotation column

图3中从左到右第1种情况是两油滴碰撞后相互弹回，若两油滴粒径不同，粒径较大的油滴会将一部分动量传递给粒径较小的油滴，最终粒径较大的油滴速度减小，粒径较小的油滴速度增加；第2种情况是两油滴碰撞后合并为一个较大的油滴，形成的大油滴速度方向与碰撞前动量较大的油滴速度方向相同；第3种情况是两油滴碰撞后先形成一个较大的油滴，然后大油滴分开形成两个油滴，此时两个油滴的动量及粒径不一定相同；第4种情况是两油滴碰撞后油滴发生破碎，引起油滴破碎的原因很多，不仅与油滴自身的运动特性有关，还受周边流体湍动的影响，碰撞后油滴破裂成更小油滴的情况取决于碰撞前油滴的动量[9]。

2 空化作用的发生与水力空化装置的改进

前文中介绍的几种降解机理中，以物理作用破坏碳键以及空化过程中产生羟基、过氧化氢与有机物的反应为主。不同形状的文丘里管会发生不同程度的空化反应，合适的反应装置以及装置的尺寸对空化反应的发生有着很大的影响[10-15]。

一般情况下，通常所述的空化即指水力空化。文丘里管是一种非常典型的空化发生装置，其结构如图4所示。文丘里管自左往右分别包括流道入口、收缩段、喉部、扩张段和流道出口。流体进入流道入口后，依次进入收缩段、喉部和扩张段，其流道截面的面积先缩小后扩大。由流量连续性方程可知：流体在流道内速度先增加后减小，流体经过喉部时流速最大。根据伯努利方程可得

(1)

式中：p为流道中某点静压力；ρ为液体密度；v为该点速度；g为重力加速度；h为该点高度；C为常数。由式(1)可知：流体到达收缩段后速度变大，静压力减小；进入扩张段后速度减小，静压力变大。在流道内部，喉部内以钝角的形式存在，其结构增加了对流体的扰动，从而增强了后方流体的涡强，有效实现了涡空化中的剪切空化，所以在扩张段，当流体静压力小于饱和蒸气压时，流体在管道内会发生空化反应。

1—入口；2—流道收缩段；3—喉部；4—流道扩张段。图4 标准的文丘里管Fig.4 Standard Venturi tube

由于油水分离后废水中所含杂质颗粒的原因，对标准的文丘里管结构进行改变和优化，改进结构和标准的对比图如图5所示，废水处理装置的内部流道是一种异形的文丘里管结构，其空化发生类型可以广义地归为水力空化，这里采用了文丘里管的空化设计理念，即利用流体通过流道内最小截面时产生的较低静压力发生空化。在此基础上，由于流道存在明显的转角，故单侧的壁面形成了一个完整的钝角结构，由于这种结构的存在，流道内的空化机理应属于剪切空化。与标准的文丘里管一样，剪切空化的产生是由于液体中涡流动造成的，当流场中钝体尾流存在明显扰流，流体处于涡流状态，在旋涡中心产生最低压力，此处是空化最初发生的位置[16-17]。

图5 流道对比图Fig.5 Comparison diagram of flow channels

流道的截面图如图6所示，其中装置顶部的入口2称为流道入口；装置内腔与外腔之间形成的流道3称为内部流道；装置外腔的下底面的流道1称为约束流道，在此处发生主要的空化作用；流道3的尺寸大小会影响流道1的空化效果。装置内腔与下底面之间形成的流道4被称为无用流道，无实际效果，笔者对该部位的流道不进行研究讨论。

1—约束流道；2—流道入口；3—内部流道；4—无用流道。图6 改进后流道截面图Fig.6 Cross section of improved flow passage

结合以上分析，废水处理装置流道中空化区域应该处于约束流道的位置，剪切空化由于剪切层的掺混作用，空化区域中主要以微气泡和液体混合物为主。而普通的剪切空化不同于旋转运动产生的旋涡空化，旋涡空化由于流场稳定，容易形成时间和空间均相对稳定的空化涡带，剪切空化一般是间歇性的，会出现空化区域下移的情况。当流体从装置内部流道进入约束流道时，由于类文丘里管结构产生的空化效应，在空化泡或空化云溃灭时产生巨大的能量和热量，除了引起湍流效应和微扰效应之外，还伴有高压脉冲，产生的微射流不仅可以击碎一些微小的杂质，还可破坏微生物的细胞壁，达到杀菌的效果，因此可有效去除水中的有害物质，达到进一步净化废水的目的[18]。

3 通过Fluent仿真得到最佳流道尺寸

流道内的空化状态和湍流状态影响废水净化的效果，而空化效果又取决于流道的尺寸，笔者主要通过Fluent仿真软件进行数值分析，得到某一流道的最佳设计尺寸。

3.1 空化理论模型

在空化作用下，废水处于空化泡、流体和杂质颗粒共存的一种复杂状态，同时高速运动的流体处于湍流状态。通过CFD分析主要为了获得不同尺寸参数下流体的空化状态，故对实际流场中气-液-固共存的状态进行简化，在计算模型中舍去杂质的固体颗粒项，即流道内主要以流体和空化泡为主，其中流体作为连续相，空化泡作为分散相。在简化之后，整个流道处于流体与空化泡共存的状态，该状态通过多相流模型进行描述；流体的空化作用导致流道中部分液相不断转化为气相，同时也因为空化泡溃灭作用，流道内的部分气相不断转化为液相，该状态通过空化模型进行描述；液相在流道内始终处于湍流状态，该状态通过湍流模型进行描述。所以本章的CFD分析主要利用多相流模型、空化模型和湍流模型进行控制。

文丘里管内的流动属于气液两相流，选用Fluent中的Mixture(混合)模型。Mixture模型对各相使用统一的混合物质量守恒方程，即

(2)

ρ=αρv+(1-α)ρl

(3)

(4)

标准模型的湍流耗散率为

(5)

(6)

标准k-ε模型的输运方程为

(7)

(8)

式中：G1ε=1.44；G2ε=1.92；Cμ=0.09；普朗特数σk=1.0，σε=1.3；Gk为速度梯度湍动能产生项；Gb为由浮力引起的项；YM为湍动能对耗散率影响的项。

Schnerr and Sauer模型未考虑液相中不可凝气体的影响，空化磨粒流加工中未通入外部气体，可近似认为是无不可凝气体的状态，同时该模型可与Mixture多相流模型和湍流模型完美匹配，且具有较好的稳定性[19]。

Schnerr and Sauer模型的控制方程为

(9)

(10)

式中：Fvap，Fcond分别为蒸发系数和冷凝系数的经验值，其中Fvap=50，Fcond=0.2；p为流场压力；pv为饱和蒸气压；Rb为气泡半径，其表达式为

(11)

由于受到湍流效应的影响，空化饱和蒸汽压的阈值可依据湍流参数进行修正，即

(12)

式中：psat为当前温度下水的饱和蒸气压；Co为经验系数，Co=0.39。

3.2 CFD的几何模型、边界条件及求解方式

由于改进的类文丘里管模型是回转体结构，采用三维建模网格的划分计算会更加复杂，因此简化为二维模型，平面图如图7所示，二维模型计算结果与三维一致。

图7 CFD模型网格划分图Fig.7 Grid division diagram of CFD model

在确定CFD的控制方程、几何模型和网格划分等参数后首先需要对模型的边界条件进行设定，然后需要确定CFD的求解方式和离散格式，从而获得准确的计算结果。设置压力大小为0.5 MPa，连续相比例为100%，离散相比例为0%。设置流道的壁面为刚性壁面，壁面属性为无穿透、无滑移。设置出口边界条件：出口压力大小为101 325 Pa，即一个标准大气压。

针对Schnerr and Sauer空化模型，选用基于压力的耦合求解器可以达到更快的收敛速度。基于上述多相流和空化模型，选择高阶的离散格式，在复杂的空化和湍流流场中，标准和线性的格式一般精度极低，不适合使用。此处选择压力项为PRESTO！格式，该格式主要用于高旋流和压力急剧变化的流体；其他项使用QUICK格式，QUICK格式是“对流项的二阶迎风插值”，这是一种改进的离散格式，该格式的对流项具有三阶精度，扩散项则采用二阶精度的中心差分格式，QUICK格式与二阶迎风格式相比更适用于结构化网格，即三维的六面体网格和二维的四边形网格。

3.3 仿真结果与分析

由图8，9仿真结果可知：在内部流道中流体速度最大，空化作用主要发生在内部流道，从而影响底部约束流道中对水处理的影响。因此，通过改变内部流道直径的尺寸得到不同的仿真结果，不同尺寸的流道模型如图10所示。

图8 内部流道为2 mm时的速度图Fig.8 Velocity diagram when internal flow channel is 2 mm

图9 内部流道为2 mm时的空化图Fig.9 Cavitation diagram when the internal flow channel is 2 mm

图10 不同尺寸的流道模型Fig.10 Flow channel models of different sizes

对于仿真结果的处理，选取湍动能的大小来表现空化反应的程度。由图11，12可知：在内部流道直径为1 mm时空化效果较好，湍动能较大。原液从内部流道流入底部约束流道时，由于结构是斜角的设计，在交接处会形成冲击，在底部约束流道左侧会发生一定程度的空化反应，湍动能上升；在底部入口右侧钝角的下边会发生主要的空化反应，湍动能急剧上升，从而形成两个高度不一致的峰值。由图13可以看出不同尺寸结构的压力分布，1 mm结构的压力变化曲线范围更大、曲线更陡，也间接说明了空化的剧烈程度。

图11 不同尺寸流道的面湍动能仿真图Fig.11 Simulation diagram of turbulent kinetic energy of differentflow channel sizes

图12 不同尺寸流道的面湍动能大小分布Fig.12 Distribution of surface turbulent kinetic energy of different flow channel sizes

图13 不同尺寸流道的面压力大小分布Fig.13 Surface pressure size distribution fordifferent flow channelsizes

4 空化实验验证

为了验证改进文丘里管不同尺寸的内部流道空化效果以及找到合适的入口压力，选取亚甲基蓝溶液作为检测试剂，亚基蓝溶液(简称MB)与自由基有着很强的亲和度，管内发生水力空化作用时，水分解发生链式反应从而产生羟基，MB与羟基发生反应生成MB—OH。不同的物质有不同的吸收光谱，且同一物质的浓度越大，吸光度就越大。所以可以通过可见分光光度计测出反应前后MB的吸光度值变化，得到MB的消耗量，从而通过吸光度变化大小反映空化作用的强弱。

试验操作步骤：使用亚甲基蓝试剂和蒸馏水配制一定浓度的MB溶液作为空化反应原液(浓度为8 μmol/L)，然后控制溶液温度为35 ℃，保持不变；开启泵，使液体流过类文丘里管空化发生段，运行一定时间后关闭泵，用分光光度计检测吸光度；改变反应时的操作参数(入口压力、时间)或类文丘里管的流道尺寸结构，重复上述步骤。

由图14可知：在试验进行20 min后，不同流道液体的吸光度变化值不同，其中1 mm尺寸流道液体的吸光度变化值最大，空化效果最好，2 mm次之，3 mm最弱，与仿真结果一致。由于类文丘里管的构造问题，在其他管路直径相同时，湍流频率与内部流道直径尺寸成反比，随着内部流道直径尺寸减小，湍流频率和湍流强度增大。因此增强了空化作用和空化泡溃灭强度，空化流场强度增强。

图14 内部流道尺寸对比折线图Fig.14 Internal runner size comparison line diagram

由图15可知：在空化的开始时期，随着入口压力的增加，空化作用也随之增加，但当压力达到0.5 MPa后，随着压力的增加，空化作用反而降低。这是因为在开始阶段，增大入口压力会在类文丘里管入口段产生较大压力降，空化效果较强，当超过最低液体的饱和气压时，空化泡会变成空泡云，水蒸气会形成含有分散液滴的连续相，阻碍空化的发生，使空化效率降低。

图15 入口压力对比折线图Fig.15 Inlet pressure comparison line diagram

在得到油水分离的废水后，将其引入水力空化实验装置中，在不同流道尺寸、不同入口压力以及不同空化时间等实验条件下进行水力空化水处理实验。先用红外分光测油仪测定空化前后水中变压器油质量浓度，绘制图形，得出试验结果。在废水含油初始质量浓度为100 mg/L、溶液温度为35 ℃、入口压力为0.3 MPa的条件下，分别对3组不同尺寸的内部流道进行水力空化去除废水中含油的实验，结果如图16所示。

图16 不同流道尺寸对水中油去除的影响 Fig.16 Effect of different flow channel sizes on the removal of oil in water

如图16所示，在实验的开始阶段，废水中油质量浓度随时间呈现上升趋势，到达顶点后，废水中油质量浓度开始下降。这是因为在含油废水中，变压器油主要以悬浮油和溶解油两种状态存在，开始阶段空化效应的机械作用大于降解作用，悬浮油的溶解性增加，水中油质量浓度增高，当空化效应进行一段时间后，降解作用开始大于机械作用，空化作用产生的羟基开始氧化分解油，使水中油质量浓度降低。在相同的实验环境下，不同的流道尺寸对废水中油的去除效果不同，在相继达到顶点后，流道尺寸为1 mm 时去除效果较好，去除率达到37%，与仿真结果一致。

针对0.25，0.30，0.35 MPa不同入口压力也进行了相应实验，在流道尺寸为1 mm、废水初始含油质量浓度为100 mg/L、溶液温度为35 ℃的条件下，进行含油废水的水力空化去除实验。

如图17所示，不同入口压力下废水中油质量浓度变化趋势相同，都是呈现先上升后下降的趋势，但是在空化反应的初期，入口压力越大，机械作用越强，水中溶解的油也会增加得更多，因此在0.35 MPa条件下，油质量浓度的顶点为最高。在合适的压力范围内，随着入口压力的增加，液体流速也增加，水力空化作用得到加强，但是过快的速度也会相应缩短液体在空化区的时间，空化泡的成长受到影响，来不及变大就产生溃灭，从而减弱空化效应，因此入口压力为0.30 MPa时降解效果较好。

图17 入口压力对水中油去除的影响Fig.17 Effect of inlet pressure on oil content removal in water

5 结 论

对含油废水进行油水分离后，利用空化原理进一步对后续废水进行降解处理，解决了废水排放引起的环境污染问题。首先，阐明了油水分离的原理；其次，利用水力空化作用对废油的降解能力，在传统空化发生装置基础上提出了一种倒锥式的类文丘里管装置，并且基于湍流模型、混合模型和空化模型，使用Fluent仿真软件进一步研究了此装置的结构参数和入口压力；最后，通过实验得到一系列最优参数，在废水含油初始质量浓度为100 mg/L、溶液温度为35 ℃、入口压力为0.3 MPa条件下，流道尺寸为1 mm时效果较好，油的去除率达到37%。