空化射流处理含油废水的研究

文/雷飞东 邓松圣 赵云峰

含油废水的处理主要是通过外力将废水中的油水大分子剥离、再重新组合，实现油水分离，即乳化油的破乳，其中物理法因无二次污染、处理速度快、经济效益好、油水皆可回收利用等特点应用最广。本研究介绍了一种新近发展起来的物理破乳方法，水力空化破乳法。

流体流过一个限流区域(如多孔板、文丘里管等)时会产生压降，若压力降至液体饱和蒸汽压力时，溶解在流体中气核会迅速膨胀，在液体内部形成含有水蒸气或其它气体的空泡并迅速聚合长大，当液流压力恢复时，空泡受挤压而溃灭，即水力空化。水力空化能够在常温常压下的流体中产生瞬时局部高温(1000～5000K)和高压((1～5)×107Pa)。空化射流处理含油废水就是利用空化射流产生的瞬时高温、高压、强烈冲击波和紊动剪切应力破坏油水界膜，使油珠微粒相互接近并聚集成大油滴，从而浮出水面，实现油水分离，是一种离解有机污染物的有效处理方法。

1.实验装置

实验装置如图1所示，具体组成：50L的储罐，2900rpm，5.5KW的离心泵，三个流量控制阀和一个孔板，两条内径为20mm通向储罐的管路。多孔板直径为20mm，用法兰固定。孔板1中孔的直径为4mm，过流系数(孔板过流面积与管道横截面积的比率)β0为0.2，孔板2中孔的直径为2mm，其β0的值为0.13。

2.实验方法

储罐充液量为满储量的80%，阀V1，V2，V3处于全开状态，试验过程中，通过阀门V2来调节孔板上游进口压力P1的大小（即泵的出口压力），以满足实验要求。实验溶液为柴油和自来水充分振荡并静置1小时而形成的浓度为260mg/L的含油废水。通过储罐冷凝外套中冷却水的流速来调节溶液温度，并控制在36±2度范围内。反应分别进行20、40、60、80 分钟后将废水静置半小时后在液面下20～30cm处取样，含油废水的浓度用红外分光测油仪测定。

3.实验结果与分析

3.1 处理时间与水样油浓度间的关系

入口压力为3atm，分别使用多孔板1和2，得到水样油浓度与处理时间关系，如图2所示。由图可见，处理的初始阶段，油浓度与处理时间关系曲线斜率很大，下降速度快，20分钟后水样浓度变化趋缓，反应进行60分钟时，装配孔板1的实验装置的油去除率 (离解出的油浓度与初始油浓度的比值)接近90%，水样已达到污水综合排放三级标准。由于反应初始阶段空化的除气效应，即，溶解在废水中的空气在空化初期使得水样压力减小，空化气泡数量陡增，空化强度大大加强；另一方面，反应初期水样油浓度较大，油粒分子间相互碰撞比较频繁，使得油水界膜遭破坏、油珠微粒相互接近并聚集成大油滴的几率增大，因而离解出的油滴量增幅较大。

3.2 进口压力对水样油浓度的影响

处理时间为60分钟，进口压力与水样油浓度的关系如图3所示。由图可知，油浓度随进口压力增大而降低，在进口压力为4atm左右时，油浓度达到最低，离解效果最佳；这是由于随着进口压力增大，进入到高剪切力区域和高紊流区域的射流容积量增加，导致空化产生量增大，整体空化效应增强，离解效果也更好。但压力增得过大时，液流的紊动强度剧烈，使得储罐上层水溶液过多参与反应，大量被离解出的大分子油滴被重新乳化，同时超空化的产生也使得废水的离解效果反而变差，因而当压力大于4atm时，孔板1条件下废水离解效果变化不明显，孔板2条件下的水样油浓度略有升高。

3.3 空化数对水样油浓度的影响

空化数是无量纲参数，其物理意义是：

空化数=抑制空化产生的力/促使空化出现的力

对于具体的液流系统，空化数可定义为：

其中，P2是孔板下游恢复压力，Pv是在储罐液体温度下的液体饱和蒸汽压力，Vth是孔板处液流速度。Vth可通过连续方程求取：Q=Vth·Ath=V2·A

即，Vth=V2·A/Ath=V2/β0

V2是孔板下游液流稳定后的流速，假定管道内壁足够光滑，且孔板下游管道长度不大，沿程阻力损失可忽略，则V2可近似为出口端流速。通过进口压力调节水样的出流速度，进而推算出不同的空化数。

处理时间为60分钟，空化数与水样油浓度的关系如图4所示。从图4可以看出，空化数越低，经处理的水样油浓度越低，在空化数为0.2左右时达到最低，因为空化数越低，流经孔板的液流产生的空化气泡越多，越易聚集生成更大的空化气泡，空化也更为剧烈，含油废水的除油率也就越高；但另一方面，空化数过低，易产生超空化现象，同时，由于系统压力升得过高，液流流经孔板时受阻而产生的负面效应也显现出来，这都导致了油滴离解效果变差。

3.4 孔板结构特性对水样油浓度的影响

从油浓度与处理时间关系图和油浓度与进口压力关系图可知，孔板2对水样的离解效果好于孔板1。这是由于孔板2的过流面积及单孔面积都比较小，在进口压力一定的条件下，孔板处液流的紊动强度更大，产生的剪切力更高，加剧了空化气泡的溃灭；另一方面，由于孔板2的孔洞数量较多，穿越孔洞形成的高剪切区分布更为均匀，空化产生的区域更广。

在图4中，空化数为0.15～0.2时，孔板2处理的含油废水离解效果受超空化的影响比孔板1要小得多；在0.2～0.25的空化数区间上，两种多孔板都显示了较好的空化性能，且孔板1略优于孔板2，但在过流系数β0较低的条件下，由于大量的空穴进入剪切层和高紊流区，使得空穴溃灭更为剧烈，孔板2在较低的进口压力条件下就能获得与孔板1相同的空化数，其能效比要低得多，体现出较好的经济性；孔板1还存在空化数大于0.25的区间，在该区间上，空化不易发生，空化活动不剧烈，含油废水的离解效果差。

4.结论

(1)空化射流对含油废水进行离解处理，效果是明显的；废水经较短时间处理能达到排放标准，处理效率较高。

(2) 该实验条件下，进口压力为4atm、空化数为0.2左右时，含油废水的处理效果较为理想，经60min处理后能达到二级排放标准。

(3)孔洞分布较为均匀，过流系数β0较小的孔板有利于废水的处理，还能有效地抑制超空化问题对油滴离解产生的负面影响。