移动式 - 旋流 - 气浮选污水处理装置-

1、移动式、旋流气浮选污水处理装置倪玲英杨德伟(石油大学(华东石油工程系,东营257062摘要本文介绍了一种新型的双罐污水处理装置的设计思路,该装置的第一密闭罐中有一锥形旋流缸,第二密闭罐是多滤芯沉降过滤罐。该装置的原理是利用污水源的压力,通过一个喷嘴高速喷射产生的负压吸气、液旋流混合浮选,并采用多滤芯方式增大过滤面积,达到高效处理污水的目的。关键词:污水处理,负压吸气,浮选,旋流分离,分离效率,过滤目前油田或矿场的生产作业过程中,各种污水(如单井洗井液、油水井各种措施的反排液等的排放是环境污染源之一。这些污水具有不连续和分散的特点,给集中处理带来不便,往往任意就地排放,造成了对环境的污染。为此,

2、作者设计了一种移动式、旋流气浮选污水处理装置,该装置采用了小型化设计、结构简单、无易损坏部件,适合车载;通过更换喷嘴,可适合不同的水质和不同水量油田污水和矿场污水的处理。1装置的结构和工艺流程该装置流程如图1所示,污水经污水流入管(1流入截面面积很小的喷嘴(3,靠喷嘴的负压吸入一定量的空气,形成了气液混合多相流,以切线方向进入密闭的、竖直安放的锥形旋流分离缸(4内,形成气液混合旋流。同时在该过程中,吸入污水内的空气以气泡的形式迅速吸附待分离物,即浮渣。这时气液混合物在锥形缸中高速旋转流动,产生的离心力使浮渣和水上下分离。锥形缸的独特设计使得污水中污油自上部的排污口(6排出,浮选后的水经底流出口

3、(5流入沉降过滤罐(9,流体流速开始下降,出现沉降过程,同时过滤罐中安装多根滤芯、增加过滤面积,对水进行过滤。该装置的设计指标:处理量5m 3 h 左右,设计压力0.6M Pa ,工作压力0.20.6M Pa ;进出口压差0.20.4M Pa ,进口污水含油小于2000m g L ,固相含量小于50m 。经装置处理后的水中含油量小于40m g L ,固相含量小于5m ,经处理后的污水可重复使用或就地排放。2工作原理该装置的处理污水过程分为四个阶段。污水喷射和负压吸气,污水旋流一浮选分离,沉降分离,精细过滤。该装置的主要工作原理如下:第24卷第6期1998年12月水处理技术T ECHNOLO G

4、Y O F WA T ER TR EA TM EN T V o l .24N o.6D ec .,1998收稿日期:1997212202修稿日期:1998202220 图1装置流程图1.污水流入管;2.压力表;3.喷嘴;4.旋流分离缸;5.旋流缸底流出口;6.排污口;7.安全阀;8.沉降过滤罐进口;9.沉降过滤罐;10.排砂口;11.净水出口;12.滤芯;13.挡板2.1污水负压吸气原理污水以一定压力和流速流入管道,经过截面很小的喷嘴时,高速射出,在喷嘴的周围形成负压区,喷嘴的基本结构如图2所示,在负压作用下,通过进气孔,将大气中的空气吸入,污水携带气体进入混合室,气体在混合室的高度湍动作用下

5、被分散成小气泡,形成气、液混合物,经扩散管,被压缩再通过直管排入到旋流缸中,整个过程可分为吸气、混合、压缩,为实现气泡吸附创造条件。图2喷嘴的基本结构图1.污水进入管;2.压力表;3.进气孔;4.喷嘴;5.真空低压区;6.气液混合室;7.扩散管;8.排出管2.2气泡吸附原理吸入污水内的空气将被喷射湍流产生的切变应力剪碎为无数细小的气泡,并在一定条件下使呈现表面活性的待分离物质(油、固体颗粒吸附在气泡的表面,形成了视密度比水小得多的聚集物,即浮渣,来有效实现旋流浮选的分离目的。2.3旋流-浮选分离原理旋流分离是利用两种密度差进行离心式分离的,但对于油水分离而言,油和水的密度差较小,一般在5015

6、0kg m 3范围内,而且是从连续介质水中分离出密度稍小一点的分散相油,为了使旋流分离获得较高分离效率,污水在进入旋流缸之前,采用喷嘴来实现高速喷射、吸气、混气、气泡吸附,形成泡沫形式的浮渣,来增加油相和水的密度差。其工作原理如图3所示。当含有大量气泡的污水以一定压力切向进入圆锥形旋流缸高速旋转,这时离心力按密度253水处理技术第24卷第6期图3旋流-浮选分离原理图1.进液口;2.排污口;3.底流口;4.自下而上旋转油束;5.自上而下旋转水流束不同将组合流加以分离,其离心力的差值F =m V 2 r =d 3(1-2r6(1式中:液体的旋转角速度,1:水的密度,2:浮渣密度,r :半径,V :

7、离心力场中某一点的切向速度,m =d 3(1-26:浮渣在水中有效质量。密度较大的液体水,沿着旋流缸内壁自上旋转而下,经旋流缸的底流口排出,进入沉降过滤罐;密度较小的,即要被去除的油与气泡粘附形成密度较小的浮渣,则被迫卷入低压中心,逆轴向上流动,经旋流缸上部的排污口排出。2.4沉降过滤原理经旋流-气浮选处理后的水中仍含有一定的油份和固相颗粒,进入沉降过滤罐,使固相颗粒沉降;油份借助于过滤介质吸附在其表面。所以,通过沉降过滤罐进一步净化水质,处理后的污水可重复使用或就地排放。3影响旋流分离缸性能的因素3.1分流比F旋流分离缸分流比F 被定义为排污口的排出量Q 排与入口流量Q 入之比:F =Q 排

8、 Q 入(2分流比一般控制在5以下,否则大量液体从排污口排出,这样的旋流分离缸,即使分离效果好,意义也不大。影响分流比的主要因素有:排污口的直径d 排、底流口的直径d 出和入口流量Q 入等,如在工作压力不高于0.6M Pa ,则排污口的直径设计可参考下列经验公式:F =f (d 排 d 出2.2Q 0.5入(3式中f 为分流比系数,主要与污水的平均含油量有关,平均含油量越高,则分流比也越大,反之,分流比越小,所以最佳分流比不是一个定值。3.2分离效率E 和分离速率U旋流分离缸的设计以Stokes 定律为基础,Stokes 定律表明在水中油滴(浮渣的分离速率决定于两者的密度差、油滴的直径和水的粘

9、度。分离速率U =(1-2d 2 (4式中:水的粘度;d :油滴(浮渣的直径;:分离速率系数。旋流分离效率E 由下式(5定义:分离效率E =C 入-C 出C 入×100(5即为入口水中含油浓度C 入与底流口水中含油浓度C 出之差,除以入口水中含油浓度的百分数。对于有限停留时间的旋流分离缸来说,其分离效率E 一般是正比于分离速率V ,所以,分离效率受下列因素影响:3.2.1密度353倪玲英等,移动式、旋流气浮选污水处理装置453水处理技术第24卷第6期油和水分离,效率与它们的密度差有关,该差值越大,分离效果就越好。所以,采用喷嘴,以实现高速喷射、吸气、混气、气泡吸附,形成泡沫形式的浮渣

10、,来增加油相和水的密度差。3.2.2温度温度越高,液体粘度越小,分离速率和分离效率会增加。3.2.3油滴(浮渣直径国外的有关实验资料表明,当油滴直径在0.1mm以上,油滴容易被分离,但其直径减少到13m左右时,其被分离的可能性则下降50%,所以,旋流分离过程中不能片面追求较高的旋流速度,因离心加速度过高,油滴(浮渣会被剪切不利于油水分离,所以要控制好一定的旋转速度。在设计中应注意尽可能减少高剪切区域。3.2.4入口流量Q入入口流量决定了入口流速的大小,而流速大小决定了旋流离心力的大小,流量太小,则流速不足以产生旋流场,分离效率很低;流量增加,流速越大,一旦建立了旋流场,分离效率随流量增加而增加

11、;但如流速过大,使浮渣承受更大的切应力,使浮渣中的气体逸出,将浮渣破碎为更小的油滴,加速了油的浮化,分离反而困难。因而,对于一个固定尺寸的旋流缸,存在一个最佳处理量(入口流量Q入。入口流量是旋流分离缸一个重要性能参数,是指其处理能力,与分离缸的几何尺寸、进液压力P入、液体的密度和粘度有关。计算公式采用较准确的前苏联的波瓦罗夫、歇尔巴阔夫公式Q=K d入d排P0.5入(6式中K为旋流分离缸直径和锥角的影响系数。3.3工作压力为了使旋流缸进行良好的工作,其工作压力是关键。当流量一定时,必须要求一个最小的进口压力以便在旋流缸内产生旋流。当最小的进口压力满足要求时,进口与底流口和进口与排污口的压差控制

12、了旋流缸的性能。P d=P入-P出,即入口压力P入与底流口压力P出之差。P0=P入-P排,即入口压力P入与排污口压力P排之差。P d标志着污水流经旋流缸时的能量损失大小,显得更为重要。压降P d与入口流量Q入之间关系式如经验公式(7:P d=Q n入(7式中,-流量系数,n-流量指数,它们均是衡量旋流器处理能力指标,流量系数和流量指数越大,说明单位质量的流体通旋流缸时压力损失越大,对于一定尺寸的旋流器,和n均取决于几何结构,压降P d随入口流量Q入的增加而上升。在正常的工作状态下,底流口压力P出一般应高于排污口压力P排,以使旋流器中心处已分离出的油从排污口顺利排出。控制底流口出水压力P出,在一

13、定程度上能控制分流比,提高P出可使分流比增大;反之分流比则减小。当旋流缸分离效果变差时,适当提高底流压力,增加分流比能使分离效果提高。压差与分流比之间关系可用下面的经验公式F=R(P0 P d+C(8系数R、C与流量、压力均无关,只取决于旋流缸的几何结构。4结论该装置用于处理含油污水,可将污水中含油量小于2000m g L 降至含油量小于50m g L ,该装置技术先进,分离速度快,性能稳定,可大大简化工艺流程,是用于油田污水处理的理想产品。同时,旋流-气浮选污水处理装置的研究涉及多学科,目前尚无成熟的理论模型描述,其中液体在旋流缸中的流动机理复杂,气液混相后产生的浮渣的不稳定性等多因素,影响

14、油水分离的效果。所以,旋流-气选污水处理装置的设计急需系统化和规范化,随着研究的不断深入,旋流-气浮选污水处理装置将获得更加广泛的应用。该设计思想的特点是通过旋流、混气浮选,进行油水分离;通过沉降过滤除掉污水中的悬浮颗粒,提高污水处理效果。该设计的另一优点是处理装置的体积小,可以车载移动,特别适用于油田现场使用,如洗井液的处理、油水井各种措施的反排液处理。该设计还适用于矿山污水的处理。参考文献1白文雄译,静态水力旋流器与动态水力旋流器的现场比较,国外石油机械,1995,42袁恩熙,工程流体力学,石油工业出版社,19863贺杰等,水处理技术,1994,3:163-1674肖莉,液-液分离旋流器在

15、油田采出液处理中的应用,石油机械,增刊(1996R OTAT I ONAL D EV I CE F OR W ASTE W ATER TREAT M ENTB Y CYCLONE AND GAS F LOATAT I ONN i L ingying and Yang D ew ei(T he U niversity of P etroleum ,S hang d ong E am ous ,D ongy ing ,S hang d ong ,Y ang D e w ei ,257062Abstract :A new desihn idea of a doub le -tank w aste w

16、 ater treatm en t device w as in troducer w ith tw o tank s ,one is a con ical cyclone cylinder ,the o ther is m u lti -layer filtrati on tank .T he operating theo ry of th is device is to m ake u se of the p ressu re of the w ater sou rce ,B y m ean s of the negative sucti on of gas cau sed by h ig

17、h speed jet ,cyclone m ixed gas flo tati on and the exp an si on of filtrati on area by m ean s of m u lti -layer filtati on ,o il and w ater can bbe sep arated .A characteristic of th is design lies in the app licati on of gas flo tati on and cyclone at the sam e ti m e ,th rough the sedi m en tati on filtrati on ,the efficiency fo r w aste w ater treatm en t can be i m p roved A no ther characteristic of th is device is its com p actness ,it is easv to m ove from p lace to p lace ,especially app licab le in the o ilfield ,such as the treatm