一、 前言
油在水體中存在的形式，根據油珠的大小可分為漂浮油、分散油和乳化油【1】。 「漂浮油」的油珠顆粒較大，在水中能很快上浮到水面；「分散油」為微小的油珠顆粒，分散懸浮在水相中，存在形式不穩定，其受外力作用可以聚並成比較大的油珠上浮到水面，也可進一步碎散成更小的油珠瀰散在水中；「乳化油」是以分子狀態或其他化學形式溶解於水中，比較穩定，在重力場和一般的離心力場中很難分離。
含油汙水的這幾種狀態，決定了油水分離是乙個分級處理過程：初級預處理主要針對去除漂浮油及分散油，次級精處理主要是通過投放獨特性質的化學新增物來實現破乳，之後的油汙水又回歸漂浮油、分散油狀態，可再次回流到初級工藝環節進行預處理。由此可見，預處理工藝在含油汙水處理系統中起重要作用。
二、 幾種處理系統的調研
1、 漢能電力發展****含油汙水處理系統【2】：
圖1、漢能含油汙水處理系統
1）流程原理：
汙水首先進入隔油池進行自然重力沉降分層，上層浮油被排至汙油池，下層汙水進入調節池；
調節池主要是對汙水流量進行控制，以保證絮凝裝置的穩定連續執行，至此汙水中絕大部分漂浮油已得到去除。
之後汙水進入混凝反應罐進行加藥混凝處理，加藥量可控，以實現乳化油破乳；破乳之後產生新的懸浮油，另有不溶物隨之生成繼而排出，懸浮油汙水進入沉澱池；
沉澱池中裝有傾斜安裝的波紋板組，當汙水流經波紋板組時，分散於水中的懸浮油珠被波紋板捕捉 ,聚結成大顆粒油滴浮上液面。當浮油積聚較多時，可利用手動撇油器送往調節池，進行進一步重力沉降並與調節池浮油彙總後排至汙油池。
為了確保排放水達到環保要求，汙水被送往油水分離器進行最後的分離。分離器的出口排放管道裝有**油分濃度監測器，可以連續自動監測水中的含油濃度。當水中含油濃度≤10mg/kg時，排放水可直接排出廠外；當含油濃度＞10mg/kg時，排放水被送**節池重新進行處理。
2）試驗結果：
系統可對流量為10t/h的油汙水進行處理，處理指標為：排放含油量<5mg/kg (環保標準10mg/kg)，懸浮物＜50mg/l(環保標準＜100mg/l)；漢能電力公司實際執行除錯過程中，除油率可達98%，排放水的含油濃度低於3mg/kg。
3）工藝特點：
優點：流程可控、低成本；
缺點：系統採取重力沉降進行預處理，相對於離心處理效率低，主要體現在隔油池與水力旋流器的效能差異。
2、 一種用於預處理的動力式水力旋流油水分離裝置【3】
1）概述：
水力旋流器是一種基於離心分離原則的油水分離裝置，它同重力分離裝置相比，具有體積小、重量輕、結構緊湊、工藝簡單等特點【4】。另外隨著油田聚合物驅採油技術的廣泛應用，後續油汙水處理難度日益增大，傳統沉降過濾工藝已不能滿足生產需要，合理設計的水力旋流器則可大大提高分離效率。
一般水力旋流器工作時【5】，混合液以一定壓力由進口沿切向進入，受邊壁約束，切向運動變為旋轉運動，產生高速旋轉的渦旋流。當混合液從圓柱段進人錐段，受錐面的作用，旋流強度加強。由於液體高速旋轉，產生很大的離心加速度，受離心力作用，密度較小的油向軸中心遷移，通過上游出口溢流口排出，而密度較大的水向邊壁運動，通過下流出口底流口排出旋流器。
底流出口為一圓柱段直管，它的作用是提供一定的背壓，以便在管芯建立並維持必要的逆向壓力梯度。上、下游出口流量可通過調節上下游出口閥門的開度來改變，也可通過改變進口流量來改變。
而動力旋流器則是對錐形管施加外力帶動其旋轉，這樣錐形管與來流會有更大的相對速度，產生更大的離心力，也降低了來流壓力要求。測試資料表明【6】，油汙水在旋流管中旋轉速度可達2000r/min，產生的離心力高達1000g(g為重力加速度)。
2）結構示意：
圖3、一種動力式旋流油水分離裝置
1、油水入口；2、機械密封圈；3、旋轉葉片；4、錐形管；5、油出口；6、水出口；7、混合液出口；8、液壓發動機；9、齒輪箱；10、機架；11、旋流器；
由圖可知，對於單個動力旋流器，其包含的關鍵特徵為：三個出口、錐形管及旋轉葉片。而整個裝置則是由多個獨立的旋流器經過傳動裝置併聯而成的，並通過液壓馬達提供旋轉動力；這樣設計一方面可以提供備用，另一方面通過合理的調節裝置結構，可以實現油水二次分離。
3）效能試驗：
試驗目的：
試驗主要是研究旋流管工作引數對於油水分離效果的影響；設計試驗用油水分離系統如下圖示意：
圖4、動力式旋流油水分離系統
1、液壓站；2、熱源；3、油汙水罐；4、攪拌器；5、接油器；6、接水器；7、回流管；8、截止閥；9、聯軸器；10、節流閥；11、i號液壓馬達；12、ii號液壓馬達；13、轉速感測器；14、流量計；15、旋流器；16、齒輪。
試驗過程：
試驗主要用到裝置中平行的兩個獨立旋流器來展開。i號液壓馬達作為提公升幫浦，抽取油罐混合液至旋流器中，其中可通過調節節流閥來控制旋流器入口流量；ii號液壓馬達提供旋轉動力，帶動旋流器旋轉以形成渦流，其中可通過調節節流閥來控制轉速；5、6分別接收旋流器油出口及水出口的排出液，而7管道則接收旋流器排出的混合相液體，重新輸送回儲油罐進行二次分離。
入口流量及旋流管轉速可由流量計14和速度感測器9讀出，5、6所示容器可以測量液體密度，由此結果，該試驗可以初步得出旋流裝置工作引數對於油水分離效果的影響規律率。
試驗結果：
表1、試驗引數記錄表
表2、不同轉速下油水分離率計算值及試驗值對比表
圖5、入口流量3.5m/h時，試驗效果圖
根據試驗結果可得出如下結論：入口流量提高會提高分離效率；轉速的高低對於分離效果有著不同的影響；粒徑大的流體顆粒更容易在旋流器中被分離。
基於上述結果，試驗印證了轉速可控的三相水力旋流器可以實現高效、可迴圈的油水分離。
4）裝置侷限：
旋流油水分離裝置有多處轉動部件，日常維護複雜，成本較高；
旋流器無法處理乳化油汙水，甚至旋流過程中內部剪下力會使得乳化更加嚴重；
5）體系展望：
水力旋流器作為新興的油水分離裝置，在油水分離預處理中有著無可比擬的優勢。考慮到流體粒徑大可獲得更好的分離效果，在體系中尋找一種恰當的物理或化學吸附方法來增大顆粒粒徑值得**；另外體系如何與後續油水分離精處理工藝配接，是體系發展的關鍵所在。
附表：旋流分離與沉降分離對比【7】
3、 一種基於浮選法的油水分離預處理工藝體系【8】
1）概述：
針對前述水力旋流器內部剪下力的不利影響，應考慮一種聚結油滴顆粒以粗化粒徑的合理方法，而傳統的浮選法滿足這一要求。浮選是指通過產生密集氣泡，攜帶油滴微粒上浮至液面，從而實現油水分離的一種方法。
考慮到氣泡攜帶油滴上公升過程中會形成微小油滴的大量聚結，從而摒除了水力旋流器的強旋流場對油滴的剪下乳化，另外水力旋流器的高效也會減少傳統浮選法較長的停留時間，由此分析，研製基於浮選法的氣旋浮油水分離裝置具有現實意義。
2）試驗裝置
試驗採用氣旋浮裝置如下圖示意：
圖6、氣旋浮油水分離器結構示意
1、排油排氣口；2、立式容器罐；3、切向進液管；4、螺旋導流板；
5、中心繞流柱；6、連桿；7、緩衝盤；8、排水口。
裝置執行時，油水氣三相混合物沿切向進入器腔，經由附於罐壁上的螺旋導流板導流後，會形成高速上旋的流場；在離心力的作用下，密度較大的水將向罐壁移動，而油滴和氣泡等較輕成分將被壓向罐中間，到達中心繞流柱；氣泡的上公升會同時對油滴進行浮選，油滴聚結後通過頂部的排油排氣口連續不斷地被清除。處理過的水經下部緩衝盤的緩流後，由罐底部的排水口排出。
3）工藝流程
氣旋浮油水分離系統流程圖標如下：
圖7、試驗工藝流程圖
1、出水口；2、儲氣罐；3、計量幫浦；4、油箱；5、水箱；6、靜態混合器；7、氣泡發生器；8、出油口；9、氣旋浮油水分離器。
試驗中，**與水在靜態混合器裡充分混合，之後經由噴射式氣泡發生器注入微小氣泡；分離器各進出口均設有取樣支流，以便於取樣分析。
4）試驗內容及結果分析
試驗目的是關注體系結構引數、操作引數的變化對於油水分離效能的影響。其中結構引數指：中心繞流柱直徑d，導流板與中心軸夾角α，導流板伸展角度β；操作引數包括：
入口流量、注氣方式等。試驗採取控制引數法，通過取樣濃度分析來研究自變引數對試驗的影響。
試驗結果如下：
中心繞流柱：新增中心繞流柱後，被分離到中心的油滴繞其外壁平穩上公升，而且不容易形成短路油流，故分離效能得到很大的提公升。試驗結果指出繞流柱與立罐的直徑比為1/5時處理效果最佳。
導流板與軸線夾角α：
圖8、β=180°，qin=2m/h時，夾角對於分離效率的影響曲線
混合液在導流板上流動時，速度可分解為軸向速度及切向速度；當夾角增大，軸向速度會減小，油液在導流板上的停留時間會增長，有利於油滴在水中的分離；但夾角過大會導致油滴不能及時排出。試驗結果指出，角度在60°時效率最高。
導流板伸展角度β：
圖9、α=60°時伸展角度及入口流量對分離效果的影響曲線
伸展角度越大，導流作用越平穩；但試驗發現，伸展角度在180°之後，分離效率不會有明顯提高，故伸展角度設定在180°。
入口流量qin：
圖10、入口流量對分離效率的影響曲線
入口流量增大會提高旋流速度，隨之提高分離率；但過大的流量會使流場紊流加劇，內部剪下力變大，導致油液乳化，故效率下降。因此對於乙個固定結構的分離器，入口流量都存在乙個最佳取值範圍。
注氣方式：
通過對於在罐體上設定進氣口，採用壓縮機單點注氣的工藝體系試驗發現，此種進氣方式會對流場產生較大的紊流干擾，從而會不利於流場穩定和油滴的分離。因此，改進體系採用噴射式微氣泡發生方式在進口處設定注氣點，在油水混合液進入分離器前混入氣相。
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