（市政工程专业论文）热轧浊循环水系统工艺改造研究.pdf

华中科技大学硕士学位论文 摘要 武汉钢铁公司热轧车间是生产热轧钢板的大型车间，该车间排放的热轧废水含 大量氧化铁皮、油份，水量大。氧化铁皮可以通过热轧水站现有的工艺去除，但是 水中的油类较难去除，回用水不能达到生产要求。针对这一问题，本课题进行了热 轧浊循环水系统工艺改造研究。 在原有的隔油工序后，投加p a c 絮凝剂破乳，增加叶轮浮选工艺，对于去除热 轧废水中的乳化油具有很好的效果。在对叶轮浮选法处理含油污水技术进行理论分 析基础上，进行了叶轮转速、浮选剂投加量、污水在浮选池中的停留时间等因素对 浮选处理效果影响的试验研究。 为了进一步提高滤池过滤性能，选用均匀粒径的陶粒和无烟煤滤料，形成一种 较为理想的反粒度过滤，充分发挥整个滤池的截污作用。并作了模型对比过滤试验， 确定了相关参数。获得满意的结果。 最后，综合试验研究成果，并通过技术经济分析，确定了改造后热轧浊循环水 系统工艺，该工艺具有处理效果好，可操作性强的优点，同时具有一定的经济效益 和社会效益。 关键词：热轧浊循环紊统含狂涯水叶轮t 薄均粒溏j 料陶夜关键词：热轧浊循环系统含油废水叶轮气浮均粒滤料陶粒 华中科技大学硕士学位论文 ；= = = = = = = = = = = = = = i = = = = = = = = = = = = = = = = = = 一= a b s t r a c t h o t - s t r i p p e dw o r k s h o pi st h el a r g ew o r k s h o po fw uh a ni r o na n ds t e e lc o l t d p r o d u c i n g a r m o u r p l a t e s ，w h i c hd i s c h a r g e sh o t s t r i p p e dw a s t e w a t e r ，c o n t a i n i n go x i d i z e d i r o ns h e e t sa n do i l ，t h ea m o u n to f e f f l u e n ti sl a r g e ，o x i d i z e di r o ns h e e t sc a nb cr e m o v e d b yt e c h n i q u ea tp r e s e n t ，h o w e v e r ，t h e o i li nw a s t e w a t e ra f t e rt r e a t i n gc a nn o ts a t i s f y r e c y c l e d r e u s ec r i t e r i o n t h eh o t - s t r i p p e dt u r b i d c i r c u l a t i n gs y s t e m st e c h n i q u e i s r e f o r m e dt os o l v et h ep r o b l e m p a ci su s e df o rd e m u l s i f i c a t i o na f t e rt h eo i l s e p a r a t i o n ，t h e n e x ti st u r b i n e f l o a t a t i o n t e c h n i q u e ，w h i c h i ss i g n i f i c a n tt or e m o v eo i le m u l s i o n o nt h eb a s i so f t h e o r y a n a l y s i so f t u r b i n e f i o a t a t i o nt r e a t i n go i l yw a s t e w a t e r ，t h ea u t h o rm a k e se x p e r i m e n t so n t u m i n gs p e e do f t u r b i n e ，a d d i n ga m o u n t o f f l o a t a t i o na g e n t ，a n dt h ef l o a t a f i o nt r e a t m e n t r e s u l te f f e c t e db yt h es e w a g em a i n t a i nt i m ei nf l o a t a t i o np 0 0 1 i no r d e rt oi m p r o v et h ep r o p e r t yo ff i l t e r ，t h ef i l t e rb e dw h i c hc o n s i s t so fm i x e d c e r a m s i t e sa n dh a r dc o a l sw i t l lu n i f o r md i a m e t e r s ot h a ta 虹n do f t h ef i l 廿a t i o na g a i n s t p a r t i c l e si sf o r m e d ，i n t h i sw a yt h ef u n c t i o no ft h ew h o l ef i l t e rb e d si n t e r c e p t i n go i li s f u l l yd e v e l o p e d ，t h r o u g h t h em o d e le x p e r i m e n tb yc o n t r a s t ，t e c h n i q u ep a r a m e t e r sa r e a c q u i r e d ，t h er e s u l ti ss a t i s f y i n g f i n a l l y ，s y n t h e s i z i n gt h er e s u l t so f e x p e r i m e n t s a n dr e s e a r c h e s ，a st h er e s u l to f t h i s r e s e a r c h ，t h r o u g ht h e t e c h n i c a la n de c o n o m i c a l a n a l y s i s ，d e f i n e d t h er e f o r m e d h o t s t r i p p e dt u r b i dc i r c u l a t i n gw a s t e w a t e rs y s t e mp r o c e s s i t se f f e c ti ss i g n i f i c a n t ，t h e m e t h o di sf e a s i b l ea n dp o s s e s s e sg o o do p e r a t i o n ，t h a ti sb e n e f i tt oe c o n o m y a n d s o c i e t y - k e yw o r d s ：h o t s t r i p p e dt u r b i dc i r c u l a t i n gs y s t e m o i l yw a s t e w a t e r t u r b i n e f l o a t a t i o nu n i f o r mc , m n u l a rf i l t e r - m e d i a c e r a m i cp a r t i c l e s i i 华中科技大学硕士学位论文 = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = 一 1 绪言 热轧废水是直接冷却轧辊、轧辊轴承设备及轧件时产生的废水【1 】，其特点是含 有大量的氧化铁皮和油，水量大，使用后温度上升较高。由于热轧废水的以上特点， 处理时主要采用沉淀、机械除油、过滤、冷却等物理方法，处理后的废水一般均能 循环利用。废水中的氧化铁皮可以用自然沉淀、混凝沉淀或过滤的方法予以分离并 加以利用。热轧废水中所含的油大多数在沉淀构筑物内分离并进行回收，少量油分 通过过滤器净化。 1 1 系统概况 武汉钢铁公司热轧车间是生产热轧钢板的大型车间，在钢板的热轧生产过程 中，需要大量的水作为冷却介质，对轧辊与钢板进行冷却。由于轧辊需要擦油进行 润滑，润滑油被溶入冷却水中，故冷却水中含有一些废油；同时由于轧辊轴承内的 黄油有时外渗溶入冷却水中，使得冷却水的含油量增大；冲洗热轧车间机械、地面 的水也流入其中，使冷却水的污染程度加剧；此外，热轧的高温钢板在冷却过程中， 会产生一些废铁渣与铁粉，这些铁渣与水中的油混合在一起，形成了铁油混合物， 浓度高时形成油泥，混合在废水中，浓度低时形成低浓度的含油废水。含有上述各 类污染物的废水统称为热轧浊循环水。 该车间外排废水量大，正常生产时最大日排废水量接近2 0 1 0 4 吨。废水的p h 值缸9 ，所排出的热轧废水中含油1 0 0 2 0 0 m g l ，浓度高时达3 0 0 5 0 0 m g l 。悬浮物 浓度在2 0 0 m g l 左右。该车间排出的冷却废水水质、排放标准列于表1 - 1 。 表1 - 1 含油废水水质及排放标准 油 油品质及排放标准 s s ( r a g l 1 )p h ( n a g l 。1 ) 浊环水( 原水) 2 0 3 0 01 0 0 3 0 01 8 国家标准 1 07 0 1 5 06 9 厂方热轧冷却水标准 52 06 9 华中科技大学硕士学位论文 = = ；= = = = = = = = ；= = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = 一 若一次性地使用排放，不仅对环境会造成严重的污染，而且还会造成大量水资 源浪费：热轧生产工艺要求冷却回水的含油量不得超过5 m g l ，若不经处理而直接 循环利用，又会影响热轧钢板的质量。因此必须对热轧冷却水进行处理，使水质达 标后循环利用，减少一次性使用的冷却水量，既保护了环境，又降低热轧钢板的生 产成本，同时保证热轧钢板的质量。 热轧车间现有的浊循环系统流程为： 图1 - l 浊循环水工艺流程图 轧线回水含大量氧化铁皮、润滑油和乳化液，经过沉淀池沉淀、过滤器过滤、 冷却塔冷却等处理后循环使用。废水中的氧化铁皮在铁皮坑内沉淀通过氧化铁皮抓 斗带出，少部分氧化铁皮在沉淀池中被去除。废水中最难去除的是水中所含的油。 1 2 研究目的和意义 现有的工艺已经运行十几年，随着轧钢生产规模的日益加大，设备的年久失修， 泄漏油量增加，上述工艺处理出水水质经常达不到热轧生产工艺要求，进而影响到 热轧钢板的质量。该工艺面临两大困境：( 1 ) 工艺简单，出水水质( 含油量等) 达 不到生产冷却用水的要求，( 2 ) 压滤罐内的石英砂易被油泥阻塞，形成油泥砂层而 降低过滤效率。 油泥砂的形成使得石英砂的使用寿命减小，出水水质超标，而需频繁地更换石 英砂，造成每年投入3 0 0 多万元更换新砂，增大了工人的劳动强度，加上其它费用， 每年约需1 0 0 0 多万元的水处理费用。 华中科技大学硕士学位论文 而若日用2 0 1 0 4 m 3 生产用的自来水作为冷却水，水价按0 8 元m 3 计，则每 年冷却水费用高达6 0 0 0 万元。 从上面可以看出，无论是用石英砂过滤作深度处理，还是直接用自来水作为冷 却水，都会增大轧钢成本。如果在现有的工艺技术基础上进行改造，采用新的技术 与材料对含油废水进行预处理、中处理、深处理三个环节的除油除渣处理，达标后 循环使用，循环水处理的成本可大幅降低，每年可节约大量的水费开支与节省大量 水资源。 本课题基于该热轧车间的热轧浊循环水处理工艺改造的需求，于2 0 0 2 年已在 武汉钢铁集团公司立项。 1 3 国内外主要发展动态 国内外关于热轧含油废水的处理，方法众多【2 矧。含油废水处理难度大，往往 需要多种方法组合使用，如重力分离、离心分离、溶剂抽提、气浮法、化学法、生 物法、膜法、吸附法、粗粒化法等。 ( 1 ) 钢铁粉渣的去除 主要是采用重力分离法，其中有旋流分离，斜板、管沉淀与平流沉淀。这类方 法只能去除废水中的较粗颗粒的钢铁颗粒，对于粉状以及与油粘混在一起的微粒， 则去除甚微。采用高分子膜过滤法，可以去除这类物质，但由于膜易被堵塞，再生 较困难，且使用寿命短，膜的制造成本较高，废水加压膜滤的电耗高，故目前尚未 普遍应用，仅在美、日等发达国家有少量使用。采用普通砂滤可去除部分铁粉微粒， 但效果并不显著，且易在滤层表面结成油泥板块，致使滤料失效。 ( 2 ) 油的去除 对于热轧浊循环水的处理方法和技术【8 1 ，国内外研究机构一直在不懈的进行深 入研究与探讨。其目标是既要去除水中溶解的大量油类，同时兼顾去除水中溶解的 有机物( c o d ) 、悬浮物、酸碱、硫化物和氨氮等。其处理手段大体为以物理方法 华中科技大学硕士学位论文 分离，以化学方法去除，以生物法降解。在2 0 世纪7 0 年代，各国广泛采用气浮发 去除水中悬浮态乳化油，同时结合生物法降解c o d 。日本学者研究出用电絮凝剂处 理含油废水、用超声波分离乳化液，用亲油材料吸附油。 近几年发展用膜法处理含油废水，一般可不经过破乳过程，直接实现油水分离。 并且在膜法分离油水过程中，不产生含油污泥，浓缩液可焚烧处理；透过水量和水 质较稳定，不随进水中油分浓度波动而变化；一般只需压力循环水泵，设备费用和 运转费用低，特别适合于高浓度乳化油废水的处理。以压力差为推动力的膜分离过 程一般有微滤、超滤和反渗透三种 9 1 。它们是根据被过滤物质质点的大小来分的。 反渗透膜一般只允许溶剂粒子透过，而其中的小分子、大分子及微粒不能透过。超 滤膜可允许溶剂粒子和小分子透过，而大分子和微粒不能透过。微滤膜则只能阻止 微粒的通过。 膜材料由早期的醋酸纤维素扩到芳香族缩聚产物，后来又开发出耐高温高压的 无机膜。滤膜形式有板式、管式、卷式、和空心纤维式。m g r ：n a 研究了膜技术， 利用超滤、反渗透技术处理船舱含油废水【10 1 ，认为在较好的预处理条件下，该方法 对乳化油的分离具有良好的效果，结合膜蒸馏工艺，可以保证出水含油量在5 p p m 以下【】；在膜分离技术中，微滤的应用最广，经济价值最大。微滤膜通常由特种纤 维素酯或高分子聚合物制成，具有孔径均匀、空隙率高和滤材薄的特点。平均孔径 为0 4 5 “m 的滤膜，其孔径变化范围在0 4 5 + 0 0 2 t m ：微滤膜表面的微孔约1 0 7 1 0 1 1 个c m 2 的滤膜，空隙率可达8 0 左右；大部分微滤膜的厚度都在1 5 0 “m 左右。 因此，微滤膜具有滤速快、吸附少和无介质脱落等优点【1 2 j 。微滤膜主要用于分离流 体中尺寸为o 1 1 0 m 的微生物和微粒子。微滤法处理含油废水时，主要滤掉废 水中大颗粒物质及固体悬浮物。有文献表明【n 】，以陶瓷为支持物的微滤膜处理过的 含油废水中，油和油脂含量在5 m e e t , 以下，固体悬浮物含量在l m g l 以下l l 。 4 华中科技大学硕士学位论文 = 目= = = = = 2 = = = = = = ；= = = = = = = ；= = = = = = = = 一 超滤的分离原理是对料液施加一定压力后，高分子物质、胶体物质等被超滤膜 阻止，而水和低分子物质通过膜。超滤膜比起微滤膜，其孔径相对要小，在0 7 7 k g c m 2 的压力下工作时，用于分离直径在l o “m 以内的分子和微粒f 1 5 】。 近几年来超滤研究的一个热点是多种新型超滤膜的研制。这些新型超滤膜克服 了传统醋酸纤维素膜化学稳定性差、p h 值适用范围窄等缺陷，在含油废水处理方 面起到了重要作用。新型超滤膜主要有聚氯乙烯聚丙烯腈膜1 6 1 、荧光塑料膜n 7 1 、 以多孔陶瓷为支持物的聚合物膜【1 8 】、其他聚合物膜，一种是聚醚聚砜膜，它具有 很好的耐热性及化学稳定性；另一种是聚醚聚酮膜，这种膜可以阻止低分子量化合 物的通过f 1 9 】。 反渗透也称为超滤，但严格说来又区别于超滤。首先，二者的操作压力有很大 不同。反渗透需要高压，一般为1 0 1 0 0 k g c m 2 ；超滤只需低压，一般为1 1 0 k g c m 2 。 其次，二者分离质点的范围不同，超滤分离的是溶质分子量大约1 0 0 5 0 0 万、分 子大小约3 0 0 i o a 的高分子；反渗透能够分离的是只有几a 大小的无机离子和有 机小分子。因此，含乳化油废水中透过超滤膜的表面活性剂和其它低分子物质可为 反渗透膜所阻止。最近有专利报澍”】，把盐析和反渗透结合起来处理乳化油废水效 果很好，其要点是在含油废水中加入i o 4 5 的铝或水溶性盐，在p h 值2 5 范围内搅拌混合，静置o 5 l h ，油分上浮，除去漂浮油后进行过滤，可进一步除 去以铝铁絮凝形态残存于水中的油分，去除率高达9 9 。而后用反渗透处理含铝盐 或铁盐的水溶液，盐的去除率接近1 0 0 。透过水可以回用，浓缩水在油水分离工 序中循环，该方法不产生污泥。美国还研究出动力膜，将渗透膜做在多孔材料上， 应用于含油废水处理中。 含油废水处理难度大，往往需要多种方法组合使用，才能达到效果【5 】。国外发 达国家主要致力于二级处理、三级( 深度) 处理，而我国大部分停留于一级处理和 二级处理，很少采用三级处理。对于含油废水通常采用的工艺是用隔油池去除悬浮 态油，用气浮法去除乳化态油，用生化法去除溶解态油和绝大部分有机物。 华中科技大学项士学位论文 1 4 研究内容 含油废水处理方法较多，各有优缺点【2 】。但因含油废水成分比较复杂，油分 含量及在水中存在形式的不同，因此单一方法处理往往效果不佳。同时，因各种 方法都有其局限性，在实际应用中通常是两三种方法联合使用，使出水水质达到排 放标准。如安徽全柴动力股份有限公司处理机械制造含油废水，采用“隔油+ 气浮+ 生物法”工艺，运行结果表明，该方法切实可行1 2 0 1 。抚顺石化公司石油三厂各炼油 废水采用粗粒化过滤工艺处理，去除效果相当好【2 l 】；抚顺石化二厂采用活性炭纤维 吸附进行深度处理含油废水，达到国家有关标准等等田】。在这些工艺流程中，常见 的一级处理有沉降、浮选及离心分离，主要去除浮油及油湿固体；二级处理有租粒 化、化学方法等，主要是破乳和去除分散油；深度处理有超滤、活性炭吸附、生化 处理等，主要是进一步去除微细的分散油和溶解油等。 表1 2 热轧浊循环水处理各种技术类型比较 从含油废水的处理效果来看，含油量是主要的污染指标，其它的污染指标都 与含油量有关。所以只要将废水的含油量降低到一定的范围内，就可以达到排放水 体或回收利用的目的。考虑到环保要求，采用物理方法处理是总的趋势，该方法操 作简单，出水水质好，不产生二次污染。 针对武汉钢铁公司热轧车间浊循环水处理工艺存在的问题，考察了国内外有 关处理工艺，在工艺改造试验方案制定中，遵循以下几条原则： ( 1 ) 处理效果好，出水水质达标，不造成二次污染； ( 2 ) 运行稳定，管理方便； 6 华中科技大学硕士学位论文 ( 3 ) 工艺成熟，改造力度适中，节约成本。 表i 3 含油废水主要处理方法比较 方法名称适用范围 专噔等尹 主要优缺点 粗粒化法分散、乳化油 l o设备小，操作简便：材料易堵塞 过滤法分散、乳化油 1 0 出水镳蠹瓣执 吸附法溶解油 浮选法分散、乳化油 膜分离法乳化、溶解油 化学凝聚法 活性污泥法 生物滤池法 氧化塘法 电解法 乳化油 溶解油 溶解油 溶解油 乳化油 1 0 1 0 1 0 9 0 。的称为疏水表面，易 于为气泡吸附，而目 9 0 。的称为亲水表面，不易为气泡所吸附。 从物理化学热力学得知，有水、气泡和颗粒组成的三相混合液中，存在着体系 界面自由能( ) 。体系界面自由能( ) 存在着力图减至最小的趋势，使分散相总 表面积减小。 - a 群 ，o d 。：、，、 一一一一i 遗一 一一。支至撇、 撇 + 一一一一 图2 - 2 三相间的吸附界面图2 - 3 亲水性和疏水性物质的接触角 已知，乔面自由能( ) 等于： w=盯s(2-4) 式中s 界面面积，c m 2 。 当颗粒与气泡粘附前，颗粒和气泡单位面积( s = 1 ) 的界面能，分别为仃l ，3 及盯1 1 2 ，这时单位面积上的界面能之和为： w l = 盯1 、2 + 盯1 、3 ( n m ) ( 2 - 5 ) 当颗粒与气泡粘附后，界面能减少了，见图2 3 。此时粘附面上单位面积的界 面能为： w 2 = 仃2 、3 ( n m ) ( 2 - 6 ) 因此，界面能的减少值( 4 矽) 为： = 一赐= 盯i 3 + i 2 0 2 3 ( 2 - 7 ) 由此式可以看出，4 矽越大，即颗粒与气泡粘附后的自由能越小。则推动力越 大，气浮处理就越容易；反之，则相反。 1 4 华中科技大学硕士学位论文 = ；= = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = 一： ( 2 ) 气一粒气浮体的亲水吸附和疏水吸附 如图所示，由于水中颗粒表面性质的不同，所构成的气一粒气浮体的粘附情况 也不同。亲水性颗粒润湿接触角( 0 ) 小，气粒两相接触面积小，气浮体接合不牢 易脱落，此为亲水吸附。疏水性颗粒润湿接触角( 0 ) 大，气浮体接合牢不易脱落 此为疏水吸附。 平衡状态时，三相界面张力之间关系式为： c r l 、3 = 盯l ，2x c o s ( 1 8 0 。一目) 十口2 3( 2 - 8 ) 将( 2 8 ) 代入( 2 - 7 ) 并整理可得： 形= 盯l 、2 ( 1 - c o s 8 )( 2 - 9 ) 从式( 2 - 9 ) 可知，当毋哼0 。，c o s 专l ，则( i - c o s 0 ) 啼0 ，这种物质不易 于气泡粘附，不能用气浮法去除。当目一1 8 0 。，c o s 斗1 ，则( 1 c o s 0 ) 斗2 这种物质易于气泡粘附，宜于用气浮法去除。 接触角占 9 0 。见图2 3 ，由式 或 盯l ，2 c o s o = 叮2 ，3 一盯l ，3 ( 2 一1 0 ) c o s 0 ：巳：i ：堡：j q ，： ( 2 1 1 ) 式( 2 1 1 ) 表明，水中颗粒的润湿接触角( 0 ) 是随水的表面张力( 盯l ，2 ) 的 不同而改变的。增大水的表面张力( 盯l 2 ) ，可以使接触角增加，有利于气粒结合。 反之，则有碍于气粒结合，不能形成牢固结合的气粒气浮体，不适宜于用气浮法处 理。 2 界面电现象 华中科技大学硕士学位论文 乳化油按其表面性质来说是完全疏水的，而且比重小于水，按道理是应该能够 互相集聚，兼并成较大油珠，并且借比重差自行上浮到水面，但事实并非如此。乳 化油形成的是一种非常稳定的体系【”l 。 由于水中含有两亲分子组成的表面活性物质，表面活性物质的非极性段吸附在 油粒内，极性端则伸向水中，在水中的极性端进一步电离，从而导致油珠界面背包 围了一层负电荷。例如，在水中与油珠结合的皂类和酚类物质，它们的极性端羧基 c o o h 和羟基o h 伸入水中电离后的情况就是这样。由此产生了双电层现象，提高 了粒子的表面电位。增大了的芒一电位值不仅阻碍细小油珠的相互兼并，并且影响 油珠向气泡表面的粘附。式乳化油水成为稳定的体系，从而不利于用气浮法处理。 3 破乳机理 从废水处理角度来看，水中细分散杂质的芒一电位值高是不利的，它不仅促进 乳化【2 6 1 ，而且影响气一粒结合体( 气浮体) 的形成。由于乳化剂分子在油水界面 上定向吸附并形成坚固的界面膜，同时增大了扩散双电层的有效厚度，并且使得双 电层的电位分布宽度和陡度增大，使油粒高度均匀地分散在水中，从而使乳化液具 有相当的稳定性。因此要使乳化液失去稳定性，就必须设法消除或减弱乳化剂保护 巍化液稳定的能力，即破坏油水界面上的吸附膜，减少分散粒子所带的同种电荷量。 最后实现油水分离、达到破乳的目的。由此可见，破乳是处理乳化液废水的关键之 所在。 为此，水中荷电污染粒子在气浮前最好采取脱稳破乳措施 2 7 1 。目前有效的方法 是投加破乳剂，水解后生成胶体，吸附油珠，并通过絮凝作用产生矾花等物理化学 作用，使水中增加相反的电荷胶体，中和表面电荷，使其凝聚，压缩双电层，达到 降低芒一电位值的目的，破坏乳化液的稳定性，从而有利于气一粒结合，达到油水 分离的目的。 1 6 华中科技大学硕士学位论文 关于破乳作用的机理已有较多的研究，但由于油的种类繁多，成分复杂，对油 水界面的研究技术较困难。目前，破乳机理概括起来主要有以下几点： ( 1 ) 凝聚、絮凝、聚集机理乳化油废水因阴离子表面活性剂的存在，多位 带负电荷的o w 型乳状液，凝聚( c o a g u l a t i o n ) 即是利用破乳剂的电荷中和作用， 降低表面电位，破坏乳状液的稳定性达到破乳的目的。絮凝( f l o c c u l a t i o n ) 即是在 热能、机械能的作用下，相对分子质量较大的破乳剂分散在乳状液中，通过高分子 架桥作用使细小液滴相互聚集( a g g r e g a t i o n ) 成大液滴，但各液滴仍然存在并不合 并：该液滴直径达到一定程度后，也可破乳，使油、水完全分离。聚结则是凝聚与 絮凝的总称。 ( 2 ) 碰撞破坏界面膜机理在热能和机械能的作用下，破乳剂分子活动加剧， 有较多机会与界面膜发生碰撞，通过击破油一水界面膜破坏乳状液的稳定性，达到 破乳的目的。 ( 3 ) 界面膜接触，乳状液变型机理破乳剂分子在热能、机械能的作用下与 界面膜接触加剧，渗入并粘浮在乳状液滴的界面；派出或置换出天然乳化剂，并破 坏表面膜，形成新的油水界面膜；乳状液发生变型，外相互相凝结，使油水分离， 达到破乳的目的。 ( 4 ) 褶皱变形机理近年来，随着显微技术的发展【2 8 1 ，发现w o 型乳状液均 有双层或多层水圈，水圈之间为油圈，其结构如褶皱。液滴在热能、机械能或破乳 剂分子等的作用下，各层水圈相连通，发生褶皱变形，使液滴聚集而达到破乳的目 的。 化学破乳法一般包括酸碱度调节、凝聚、吸附等过程。此法处理后水质较好， 残余油量少，处理速度快，工艺和设备简单。 华中科技大学硕士学位论文 = = ；= = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = ；= = 一 2 3 过滤法 2 3 1 过滤机理 在废水回用中，过滤技术是得到最普遍应用的一种技术2 9 1 ，是产生高质量的出 水的关键。过滤技术一直是给水处理中为获得优质水而经常采用的关键工序，直至 2 0 世纪6 0 年代，由于水资源严重短缺，废水回用问题提到了议事日程，废水的过 滤技术才日益得到重视。 过滤法的原理是利用颗粒介质滤床的截留、惯性碰撞、筛分、表面黏附、聚并 等作用，截留水中悬浮杂质，从而去除水中油分，使水获得澄清d 们。 以单层砂滤池为例，单层砂滤池滤料粒径极配通常自0 5 m m 至1 2 m m ，滤层 厚度约7 0 c m 。经过水力反冲洗后的水力筛分，从上而下循水力方向，滤料粒径依 次增大，大致按从细到粗依次排列，称为滤料的水力分级。滤层中孔隙尺寸也因此 由上而下逐渐增大。设表层细砂料径为0 5 m m ，以球体计，滤料额料之间的孔隙尺 寸约8 0 m 。但是，进入滤池的悬浮物颗料尺寸介子2 3 0 “r r l 之间，仍然能被滤 层截留下来，而且在滤层深处( 孔隙大于8 0 “m ) 也会被截留，说明过滤显然不是机 械筛滤作用的结果。如此微小的颗粒居然能被滤料层截留下来可有几种机理给予解 释，主要有筛滤作用、沉淀作用和接触絮凝作用。 ( 1 ) 筛滤作用把滤料层看作“筛子”。由于单层滤料层中颓粒的级配特点是 上细下粗，即上层空隙小，下层空隙大。当废水由上而下流经滤斟层时，某些粒径 大于孔隙尺寸的杂质首先被截留在层顶的空隙中，形成一层主要由污染物组成的薄 膜，起主要的过滤作用。这种过滤作用属于阻力截留或筛滤作用， ( 2 ) 沉淀作用把滤料层看作类似于层层叠起的一个多层沉淀池。当废水通 过滤料层时，众多的滤料颗粒提供了巨大的沉淀面积i 如l m 3 粒径为0 5 m m 的滤料 中，可供悬浮物沉淀的有效面积大约有4 0 0 m z 。当废水流经滤料层时，只要速度适 宜，其中的悬浮杂质就会向这些沉淀面沉降。 墙 华中科技大学硕士学位论文 = = = 自= = = = = = = = ；= = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = 一 ( 3 ) 接触絮凝作用滤料表面对废水中的污染物具有吸附和凝聚作用。滤料 一般都具有广大的表面积，和微小污染物之间有着明显的物理吸附作用，可以看作 接触吸附介质，滤层排列得更紧密、更稳定。废水在滤层孔隙中曲折流动时，杂质 与滤料具有更多的接触吸附机会，因而滤料表面对杂质的吸着粘附作用很强，去除 细小悬浮物的能力更强。 实际上，过滤机理是一个包含有许多影响因素的复杂过程的概括。快滤池过滤 悬浮颗粒就涉及了多种因素和过程，一般分为三类，即迁移机理、附着机理和脱落 机理。 i 迁移机理 油分脱离流线与滤料接触的过程就是迁移过程。迁移机理主要包括截留、扩散、 惯性、沉降及水力撞击等作用。 ( 1 ) 阻力截留阻力截留作用即为前面所述的筛滤作用，其强度取决于表层 滤料最小粒径和水中油分粒径，并与流速有关。油分粒径越大，表层滤料粒径与滤 速越小，愈易形成表面筛滤膜，阻力截留能力也越高。若直径为d 的油颗粒随水流 进入到一个颗粒滤料表面，在流线内颗粒有很低的惯性，并在d 2 范围内接近滤料 颗粒表面，则粒子与表面发生接触，因而产生附着。这是一种直接的截留作用，它 不依赖于任何其他的力量，是靠概率接触附着而发生的，即使颗粒极小，这种拦截 仍是一种有效机理。由于这种类型的接触主要是由于颗粒微孔沟道及曲形表面附近 的收缩处的流线聚会造成的，所以与油分的形状及大小有关，而与其质量和密度无 关，对于直径为0 1 2 0 m 的油分来说，拦截作用要超过沉淀、布朗运动及惯性撞 击的作用。拦截的去除概率与颗粒直径的平方成正比，与滤料粒径的立方成反比， 同时也是雷诺准数的函数，当雷诺数较低时有较好的去除率。 ( 2 ) 布朗扩散截留细微的油分由于周围水分子热能而形成不规则的运动即 布朗运动，从而使得油分朝着滤辩颖粒表面靠的很近。扩散作用取决于水温和油分 1 9 华中科技大学硕士学位论文 = = ；= = = = l = = = = = = = = = = = = = ；= = = = = = = = = = ：= = = ：= ： 颗粒的大小一般认为，扩散对粒径大于l g m 的油分并不重要，只是对粒径小于 l 工f m 的油分才有意义，且随粒径的减小，布朗扩散明显增加。 ( 3 ) 惯性撞击截留当流线接近滤料颗粒并要绕过其表面时，若油分具有较 大的动量和密度，因为惯性冲击就会脱离流线与滤料颗粒撞击，失去动量而被附着 在邻近的滤料表面上。惯性对于颗粒在滤料表面上的聚集效果不是主要的，对空气 的过滤则是一个很重要的机理。当过滤水时，滤速高时的惯性作用比滤速低时为大。 ( 4 ) 重力沉降截留若水中油分的粒径较大，且密度超过水的密度时，颗粒 就会按斯托克斯公式沉降速度沿地心引力方向移动，从而穿越流线与滤料表面接触 而沉淀。此时，滤层中的每个小孔隙起着一个浅层沉淀池的作用，而滤床就类似于 无数集合重叠的微型沉淀池。沉淀效率取决于颗粒沉降速度和滤速的相对大小和方 向。对与含油废水处理中极细的油分来说，沉淀作用并不显著。 ( 5 ) 水力撞击截留在低雷诺数的水力条件下，滤层中的空隙和油分的形状 是极不规则的，在不均匀的剪力场中，水中的油分受到不平衡力的作用不断转动出 现明显的偏移，从而横跨滤料孔隙中的流水线，贴近静止滤料颗粒表面而被截留。 在实际的过滤中，油分的迁移将受到上述各种机理的综合作用，它们的相对重 要性取决于水流状况、滤层孔隙形状及油分本身的性质( 形状、密度等) 。一般而 言，对粒径小于l 口m 的油分来说，扩散作用是主要的；对于粒径大于1 0 岸m 且其 密度大与水的密度的油分，则沉淀作用是主要的：总之，杂质颗粒愈大，截留作用 则愈明显。 2 附着机理 由上述迁移过程而与滤料接触的油分，附着在滤料表面上不再脱离的过程及为 附着过程，一般归结为物理化学和分子力的作用，引起油分附着的因素主要有以下 几种。 2 0 华中科技大学硕士学位论文 ( 1 ) 接触絮凝在原废水中投加凝聚剂，以压缩油分颗粒和滤料表面的双电 层且在形成絮凝体前进行过滤，则水中脱稳的油分很容易与滤料表