钢铁企业废水的油水分离工艺_徐亮.pdf

112钢铁企业废水的油水分离工艺徐亮中冶京诚工程技术有限公司北京100000摘 要：为克服废水物化处理工艺处理含油废水的局限性，充分发挥这一工艺流程的优势，通过对含油废水分离技术进行研究，提升物化处理工艺流程接收含油污水的能力。关键词：油水分离；隔油池；溶气气浮DOI:10.19569/119313/tu.202318038钢铁企业节能降耗已成为企业可持续发展必由之路。我国钢铁行业的用水量约占全国工业生产耗水量的10%，排放的废水量约占工业生产废水排放14%。如能实现钢铁企业的废水零排放，会降低钢铁企业生产成本，同时消除废水对环境的影响。目前，国内大部分钢铁企业全厂废水处理厂工艺都采用调蓄池+高效澄清池+V型滤池作为预处理，然后通过多介质过滤器+超滤+反渗透进行除盐深度处理的物化处理流程。这一工艺流程工艺简单、能耗低、效率高，但这个工艺流程有两个主要缺陷：第一是处理过程会在工艺流程进水前端使悬浮物不断累计，水的盐度不断增加，最终这部分高浊度浓盐水无法处理，只能排放；第二就是富含油类和有机质污水会加快V型滤池和多介质的滤料板结，会污染超滤和反渗透的滤膜，降低设备使用寿命。1 钢铁企业废水含油的情况分析钢铁工业中的含油废水主要来自炼铁车间、炼钢车间、轧钢车间用于冷却和洗涤两大类废水。一般含有炼铁车间废水悬浮物浓度大、水温随高、含酚、氰等有机杂质多、含油少；炼钢废水主要来自设备和产品的冷却废水，含有大量氧化铁和少量润滑油脂；轧钢车间废水含有大量氧化铁和油，水温高、水量大。冶金工业含油废水成分非常复杂，主要含有矿物油、乳化剂、表面活性剂等。油份颗粒形态大小不一，包括：油珠粒径大于100m的浮油；粒径约10100m悬浮于水中的不稳定分散油；油珠小于10m，在0.12m之间性质稳定的乳化油；粒径小于0.1m溶于水的溶解油。2 油水分离技术研究现有的除油技术可以分为三大类：物理除油、化学除油和生物法除油。2.1 主要的物理除油技术（1）重力分离法利用水与油两相的密度差，及油和水的不相溶性，依靠地球引力场的作用或外力作用使之发生相对运动，油液上升水分下降，从而就达到了油水分离的目。重力分离法分为采用自然重力的隔油池工艺和需要外力的离心式油水分离的技术。隔油池通常使废水低速流动，设备简单，耗能低，单位时间处理废水量大。离心式油水分离装置是通过外力将油水分离的技术，油水分离效果较好，但耗能、单位时间废水处理数量有限。（2）粗粒化技术是利用粗粒化材料的聚结性能，将细小颗粒油脂聚集成较大颗粒或油膜，用来处理分散油和乳化油。（3）过滤法是利用滤料或过滤膜对不同物质粒径的筛选功能将水和油分离的技术。这种方法随运行时间的增加，分离能力会逐渐降低，需经常进行反冲洗，才保证正常运行。2.2 化学除油技术化学除油技术是采用硫酸铝、硫酸亚铁、三氯化铁、聚合氯化铝、聚合氯化铝等无机絮凝剂和聚丙烯酰胺、丙烯酰胺等絮凝剂使废水中的油滴和其它悬浮物与絮凝剂一起形成大颗粒絮凝物，然后采用重力沉降实现油水分离。化学除油通常需要只作为除油工艺流程的一部分。必须配合其它工艺流程才能实现水油分离。2.3 生物法除油技术就是利用生化池技术培养能够降解油脂的活性污泥。在有氧的条件下，活性污泥分解废水中的溶解油转化为CO2和H2O等，从而达到降解废水中油粒的目的。由于活性污泥法为活性微生物，受环境和进水水质，特别是重金属、有毒物质等外部因素对微生物的活性影响较大，因此在钢铁冶金行业应用还在探索阶段。3 钢铁冶金工业含油废水处理现状炼钢连铸的含油废水采用投加絮凝剂的化学除油方法。这种工艺的问题是循环水量突然变大时，斜板沉降室内循环水和污泥形成对流，循环水会将一部分小絮体带到上层，形成“翻池”现象，并将大量油泥带入过滤器。化学除油器内的水质恶化情况需要相当长的时间才能达到新的平衡。西北某大型钢铁企业总排水综合治理的工艺流程中，采用过滤油水分离工艺，过滤系统采用瓷砂滤料，运行一段节能环保113时间就会造成过滤器滤料板结。需要频繁水和气反洗来恢复过滤器的性能。该钢铁企业的轧钢生产线产生的含有氧化铁皮和少量油的废水是经旋流沉淀池沉淀、高速过滤器过滤及化学除油器除油，再经冷却塔冷却后循环使用，为保持水质稳定，需要外排一定数量的废水，同时补充一定量的新水。4 钢铁冶金含油废水物化处理工艺研究4.1 含油废水物化处理工艺组成含油废水物化处理工艺需要综合考虑实际处理废水的情况，通过多道工艺流程充分去除各种粒径的油粒。钢铁冶金企业设置废水除油工序目的是废水回用和保证后续深度废水物化处理设备的正常稳定运行。由于废水含油份颗粒大小不同导致废水的水质特点不同，需要选择合适的处理工艺去除污水中的油分才能保证废水处理流程可以经济、可靠、稳定运行。现阶段成熟的物化油水分离技术是采用预处理、隔油池和气浮法配合实现油水分离，工艺简单、可靠、除油效率可满足后续工艺对水质的要求1。4.2 预处理阶段工艺流程在油水分离过程中，水中存在的大块异物可能会堵塞管路和设备，使得流动通道变小，造成油滴的碰撞机率降低，从而影响水油分离的效果，因此需要在油水分离工艺的最前端根据进水水质所含异物的特点加上一级细格栅或粗细两级格栅清除水中异物，使油水分离效果更好。格栅还可以控制进入废水的速度，一般可以控制在25mm/s。然后汇聚至集水池，将各种生产过程中的含油废水混合，形成均质溶液。4.3 平流隔油池工艺流程预处理后的废水从集水池通过配水口进入隔油池，以较低的水平流速流经池子，流动过程中，油珠粒径较大的浮油与水的分层，密度小于水的油粒上升到水面，密度大于水的其它悬浮物沉于池底，上层浮油通过油水分离器将废油收集，并导入废油收集池，下层废水进入下一道工序。4.3.1 隔油池的除油理论基础隔油池实现油水分离的基本理论依据是基于流通力学的纳维-斯托克斯方程推导出的最终脱除效率简化模型：=dp2(-p)gS/(18Q)，公式一，其中为直径dp油滴的脱除效率；dp为油滴粒径直径，单位m；为水的密度，单位kg/m3；p为油滴密度，单位kg/m3；g为重力加速度9.8，单位m/s2；S为浮升面积，单位m2；为水的粘度，单位kg/(ms)；Q为实际处理废水量，单位m3/s。从油水分离的数学模型可知，隔油池是利用重力的作用下将两种不同密度物质分离的设施。在沿水平方向缓慢流动流动过程中，相对密度小于1g/mm3而粒径较大的油粒在浮力的作用下上浮，并且聚集在水的表面，形成浮油。浮油随水流进入设置在隔油池上层的集油管或由刮油机推送到集油管中，然后导入废油收集池。与此同时，在隔油池中密度大于1g/mm3的大颗粒油泥沉淀下来和其它悬浮物一起下沉至池底，并在池底积聚，通过设置在池底的刮泥机送至污泥槽中，污泥槽中的污泥由污泥泵定期进行清理。经过油水分离的废水出水区需考虑水流均匀性问题，经过隔油池处理的废水可将粒径60m以上的浮油和不稳定分散油去除90%以上。4.3.2 隔油池的结构隔油池多采用平流式，其结构是分为前池、分离池和后池。前池作用是收集漂浮物、沉淀、减少湍流，并将废水均匀分配给分离池。分离池依据导流分离原理以及紊流变层流的流体运动过程，使废水在流经此区域的过程中，流速降低，通过增加过水断面将废水的流速降低至不大于5mm/s，使废水在分离区停留足够长时间，完成油水分离。后池是收集除油后的废水，通过出口流入下一道处理系统。隔油池水面以上的油层厚度不大于0.25m。除油器的管径为200300mm，为保证收油效果，采用机械系统实现除油器管的上下移动和转动，上下移动范围根据设计池顶和水面标高确定，转动范围090。排油时，控制集油管的开槽与油层位置，使集油管的收集油口的开槽下边沿浸入浮油层之下，集油管与集油池连通，浮油通过油口进入收集器，并导入集油池。4.3.3 隔油池的参数设计按照国家标准建筑给水排水设计规范（GB50015-2019）相关规定，隔油池工作环境温度在540；含油废水池内停留时间1.5-2h，除油效率一般在60%以上，出水含油量为100-200mg/L。隔油池结构尺寸设计。第一步先根据工艺需要，在考虑进/出水含油率Ci和Co，考虑隔油池的进水量Qi大于出水量Qo情况下，分离直径dp的油粒，可计算得到油水分离的效率数值=(CiQi-CoQo）/CiQi100%；第二步计算水的粘度，=0.001779/(1+0.03368T+0.000221T2)，T为环境温度；第三步通过上文的公式一得到隔油池油水分离的域的上表面面积S。第四步计算油粒的上浮速度u=dp2(-p)g/(18)，式中为油粒上浮阻力系数，=（4104+0.8Cs2）/(4104+Cs2)，Cs为废水悬浮物浓度。上浮速度主要用于校验隔油池的水平流速。第五步校验水平流速。水平流速是影响水油分离效果的重要参数，流速越快，油水分离效果越差。一般在池内水流的水平流速15u，且流速在25mm/s时，水油分离效果最佳。在这种条件下，能加快油水分离的速度，还能产生聚结破乳的效应，分离出来的油所含杂质较低。因此，节能环保114在u计算结果满足15u情况下，可选择2mm/s和5mm/s作为流速的上下限，用于计算隔油池的竖向垂直的截面积A。第六步采用公式A=Qi/，将流速的上下限带入公式，得到过水竖向垂直的截面积A的上下限。第七步计算隔油池的长L、宽W、水深H1的尺寸。根据上表面面积S=WL，垂直的截面积A=WH1，隔油池的长高比L/H1=/u，计算时，将截面积A的上下限带入计算公式，可得到隔油池的有效容积的上下限尺寸，然后在水深H1再增加0.5m，即H=H1+0.5m，就可以得到隔油池的深度H。4.4 溶气气浮工艺流程隔油池不能去除溶解于水的溶解油和部分小颗粒乳化油，需要通过气浮法去除。在隔油池的出水侧设置溶气式气浮油水分离池。溶气气浮法工艺是由压力溶气系统、溶气释放系统及气浮分离系统三部分组成。4.4.1 气浮除油基本原理利用水在不同的压力下气体溶解度的不同，采用空压机向溶气罐的水压入空气，形成饱和溶气水，然后将饱和溶气水在气浮池的废水底层减压释放，溶气水在水中形成高度分散的微小气泡，废水中的溶解油、乳化油、微小悬浮颗粒等物质附着在气泡上，形成表观密度小于水的絮体而上浮到水面，形成气、水、颗粒三相混合体泡沫，实现固液和液液分离的过程。形成的泡沫状物质，通过气浮池上安装的刮沫机，将泡沫刮入污泥池，清水从下部经溢流槽进入清水池2。实现气浮分离过程的必要条件：能够在水中产生足够细小的气泡；使污染物质形成悬浮状态；使气泡与悬浮物产生黏附作用。但并非气泡越小越好，气泡过小会影响上浮速度。气泡半径越小，泡内所受压强越大，泡内空气分子对气泡膜的碰撞机率也越大、越剧烈，容易导致气泡破裂，一般把气泡控制在10100m。4.4.2 压力溶气系统压力溶气系统有横置和竖置两种方式的压力容器罐，空压机采用34公斤的压力将气融到压力容器罐内储存的水里，因在静态下完成溶气过程，效率低，目前的新技术是采用在溶气罐内部装文丘里管实现射流溶气。对于溶气系统，需要确定所需的空气质量Qg和溶气水量Qr。所需的空气质量Qg=rCs(fP-1)RQ/1000，溶气水量Qr=Qg/736 fPKT，两式中r为空气容量；Q为气浮池处理水量；R为溶气水回流比；Cs为一定温度一个大气压下的空气溶解度；P是溶气压力；f为加压溶气系统的溶气效率，f=0.80.9；KT为溶解度系数。4.4.3 溶气释放和气浮分离系统溶气释放和气浮分离过程是由气浮池的接触池和分离池实现的。溶气释放系统是由安装在接触池底的减压阀、释放器和水管路组成。释放器将带压力的溶气水通过消能、减压，使溶于水中的气体以微气泡的形式释放出来，并迅速而均匀地与水中悬浮物吸附在一起3。气浮接触池的尺寸设计可根据以下公式得到，即接触池表面积Ac=(Q+Qr)/3600vc，接触池长度L=Ac/Bc，接触池堰上水深H2=Bc，接触池水深H1=H2+tcvc，接触池深度H=H1+0.5m，式中Q为气浮池处理水量；Qr为溶气水量；Bc接触池宽度；tc为汽水接触时间，tc60s；vc为水流平均速度。气浮分离过程是水中悬浮物吸附在气泡上，在浮力、重力、水的阻力作用下以速度uy向上浮或向下沉淀。在运动过程中，还有水平推力所产生的水平速度ux，这两种流速的合成速度u决定了带气悬浮物运动速度的大小及方向。气浮分离就地使带气悬浮物的合成速度u向上运动，且运动速度越大，气浮发去除水中悬浮物的效率越高。另外，通过加药发生絮凝反应更有利于提升气浮分离效果。气浮分离池的表面积AS=(Q+Qr)/(3600vs)；分离池长度Ls=As/Bs；气浮分离水深H=vst；总停留时间T=60(Ac+As)H/(Q+Qr)，式中，vs为水流向下平均速度，Bs为分离池宽度，矩形池长宽比取2:13:1，t为悬浮物在分离池停留时间，T为总停留时间。5 结论油水分离工艺流程是处理含油污水的关键技术，与现有钢铁冶金企业的物化水处理工艺相结合，可以提高现有钢铁企业综合水处理系统接纳含油污水的能力，提升水资源利用效率。是实现整个钢铁行业节水减排，真正实现钢铁企业废水的零排放目标进行提升改造的一项关键技术工艺流程。参考文献：1 王运飞,李春民,董金冀.冷轧含油及乳化液废水处理工艺优化实践J.水处理技术,2020,46(6):4.2 魏在山,徐晓军,宁平,徐金球.气浮法处理废水的研究及其进展J.安全与环境学报，2001(04)：14-18.3 张景来.冶金工业污水处理技术及工程实例M.北京:化学工业出版社,2003:200-214.作者简介：徐亮，研究生，中冶京诚工程技术有限公司，高级工程师，研究方向：环境工程-水处理。节能环保