第三章 粗粒化形式选择试验及其机理探讨
3.1 实验部分
3.1.1试验内容
为了确定适合的粗粒化形式，来完成粗粒化工艺影响因素的试验研究，就必须选择粗粒化材料和粗粒化反应器。本章实验分三个部分：(1) 含油废水类型的鉴定实验；(2)粗粒化材料选择实验；(3)粗粒化反应器选择实验。粗粒化效果应该以进出水的油滴大小的变化和油滴的上浮性能的改善进行评价，但由于无法采集用显微镜观测到的油珠粒径大小，因此试验中粗粒化效果的好坏不是直接对油滴粒径进行观测，而是对以静置一段时间后进出水油水分离的效果(下清液的含油量)来判断。
3.1.1.1含油废水类型的鉴定实验
不同类型的乳状液有不同的性质。O/W和W/O两种类型的乳状液的聚结机理是不一样的。鉴定含油废水的类型，对确定粗粒化工艺的影响因素和设计处理含油废水的粗粒化反应器，是非常有意义的。 3.1.1.2 粗粒化材料选择实验
初步确定所选粗粒化材料为：新型环保陶瓷滤料、纤维球滤料以及石英砂滤料，其中新型环保陶瓷滤料分为普通滤料和疏油性改性滤料两种。通过实验测定每种滤料的除油率，从中选出一种作为粗粒化反应器的填料。 3.1.1.3 粗粒化反应器选择实验
选定两种粗粒化反应器进行对比实验：堆积填料式分离器和波纹板式分离器。设计出一个堆积填料式粗粒化反应器和一个聚丙烯斜板反应器，根据反应器的运行效果，从中选出一种应用到以后的试验中。
3.1.2 实验装置与试验方法
实验作为研究方法，在水处理研究中是非常重要的。水流在多孔介质中的流动，主要受水力条件影响，滤层中的流动只要满足实际相似准则即可，而不考虑它的几何相似，从而用模型滤池来确定实际运行滤池的各项参数。Hutchison和Foley的试验结果表明在滤层组成相同的情况下，模型试验得到的数据与实际所测结果有很好的相关性。
本试验装置流程依据粗粒化工艺的特点及课题研究的要求设计。原水通过水泵提升直接进入填料柱。所用到的小试实验装置如图3-1和图3-2。
图3-1小试实验装置图
1.原水样 2.提升水泵 3.截止阀 4.承托层 5.无表面改性滤 6.粗粒化柱 6.有机玻璃柱 7.出水水箱 8.转子流量计 7.出水样 8.转子流量计 9.表面疏油改性滤料1.进水水箱 2.提升水泵 3.截止阀 4.承托层 5. 粗粒化材料
图3-2粗粒化材料选择实验装置模型
该模型装置采用内径为50mm，高2m的一根透明有机玻璃柱。整体固定于支架上，滤柱上设有进水管、出水管及反冲洗进出水管。可用于散射光浊度与悬浮物含量之间的关系实验和粗粒化材料选择实验，前者装填普通滤料，如图3-1；后者装填上一节提到的粗粒化材料，如图3-2。
承托层有两个作用，一是支撑滤料层，防止过滤时滤料通过配水系统的孔眼进入滤出水中；二是在反冲洗时保持稳定并对均匀配水起协调作用。本试验采用卵石作为承托层，从上到下粒径逐渐增大，总厚度150mm。因滤柱模型内径较小，配水均匀性基本可以保证。
另外，原水水箱为两个0.6×0.6×0.9尺寸的无机玻璃水箱；原水泵为上海吉田电器制造有限公司制造，型号25ZB23-0.37D。
图3-3斜板隔油池小试装置模型
该模型装置为L×B×H=0.6m×0.5m×0.5m的有机玻璃板制成的斜板式粗粒化反应器。其中，填料为聚丙烯波纹板，填装时与竖直方向呈60°安装，波纹板交错排列，间距50mm，如图3-3。
3.1.3 分析方法和仪器
本章的试验中所需要测试的指标包括废水中悬浮物SS含量、进出水浊度以及水中油份含量。
废水中悬浮物SS含量的测定方法参照《水和废水检测分析》一书。 进出水浊度采用浊度仪测定。
水中油份含量采用红外分光光度法用测油仪快速测定。 涉及到的主要实验仪器及设备见下表3-1：
表3-1 实验仪器及药品
名称 红外分光侧油仪 射流萃取器 电子精密天平
型号 JDS-106U型 CQQ-1000×3型
生产厂家
吉林市北光分析仪器厂 吉林市北光分析仪器厂 梅特勒-脱离多仪器有限公司
红外分光测油仪专用四氯化碳
无水硫酸钠(AR)
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天津市北辰区昌茂化学试剂厂
上海试剂一厂
3.2 结果与分析
3.2.1 含油废水类型的鉴定实验
本试验采用稀释法来鉴别含油废水的乳状液类型。取一支试管装入超纯水，滴入少量含油废水，摇动试管。试管中的水呈均匀的乳白色，可以断定此含油废水为O/W型。由于乳白色较浅，可粗略断定该含油废水的乳化程度不高，即油珠粒径在10μm以上，适合使用粗粒化工艺进行处理。
3.2.2 粗粒化材料选择实验
3.2.2.1 不同粗粒化材料的除油效果
根据3.1中的初步设想，选择粒径为1~3mm的新型环保陶瓷滤料，粒径为1~3mm的石英砂滤料，纤维球滤料这三种填料进行除油实验。实验条件为填料层厚度700mm，流向为下向流，流速为8m/h，运行时间3小时。
实验结果如下表所示：
表3-2 三种填料处理含油废水出水含油量 时间（h）
陶瓷滤料出水含油量（mg/L） 纤维球滤料水含油量（mg/L） 石英砂出水含油量（mg/L）
0.5 2.45 / 11.30
1 2.20 3.60 3.65
1.5 1.96 2.00 8.80
2 1.42 3.90 1.71
3 1.14 5.50 2.85
从上表中的数据可以看出，选用新型环保陶瓷滤料处理含油废水时，出水中的含油量在3个小时内都低于2.5mg/L，且从开始到实验结束，出水中的含油量一直呈下降趋势，在第3小时试验结束时，达到1.14mg/L；当选用纤维球滤料时，虽然其处理后的出水中的含油量也较低，但是从整个过程来看，其处理后的出水最好效果在2.00mg/L，且从上述数据来看，在1.5h之后，出水中的含油量开始呈上升趋势，由此可以断定纤维球滤料在处理含油废水时其成熟期很长，不适合作为长时间运行下的粗粒化材料；当选用石英砂滤料时，虽然在有些时段内其可以达到很低的油份浓度，但是其起伏不定的除油效果，在大规模工业应用中是很难采用的。
对三种填料的除油效果进行分析后，不难发现纤维球滤料相比较其它两种填料的除油效果最差。纤维球滤料虽然有较大的比表面积，但由于其单个球体直径较大，且堆积没其他两种材料密实，形成较大的空隙，使油珠很容易穿透滤层，因而从曲线上来看纤维球的除油率在较长时间内都低于80%。另外，纤维球滤料为亲油型滤料，滤料表面对油珠的吸附需要一个成熟的过程，由于吸附的程度加剧，使滤料表面吸附的油份颗粒发生“润湿聚结”，此时，除油效果才会稳定，但除油率取决于滤料的吸附能力。亲油型滤料的吸油能力有限，并且在反冲洗时难以直接冲洗掉吸附的油珠，必须使用清洗剂，加大了反洗的成本，且增加了反洗水的污染程度。
石英砂滤料过滤含油废水时，在实验过程中总体油份去除率高于70%，但除油率波动较大，对此现象可作如下解释：石英砂滤料具有较小的比表面积，对水流中的油份吸附能力较低，同时石英砂滤料颗粒的形状不规则、光滑度较差，堆积较为密实，空隙较少。由于水流的通道很窄，单位时间单位空间内允许油份颗粒进入的数量有限，造成颗粒间碰撞几率很小，从而造成开始一段时间内除油率较低的现象。待填料的空隙内聚集了一部分油份颗粒之后，石英砂滤料间较小的空隙使水流中的油珠很容易就和空隙内的油份颗粒或石英砂表面吸附的油份颗粒发生“润湿聚结”，使除油率升高。除油率升高一段时间后，石英砂滤料空隙被油份颗粒所占据，水流通道更窄，水流中的油份颗粒被大量截留，随着时间的延长，空隙全被油份等颗粒堵塞，水流阻力增大，通过空隙的流速，此前碰撞吸附的油份颗粒被高速水流带掉，出水油份含量开始增大，由以上可以说明石英砂的成熟期较长，截污不稳定，抗冲击能力较差，出水水质波动较大。
陶瓷滤料在0.5h就达到85%左右的去除率，之后除油率不断增加，到3h时最大为93%。陶瓷滤料有如此高的去除率完全归结于它较大的比表面积和孔隙率，使油份更容易在滤料的空隙内碰撞聚结，形成更大颗粒的油份团，与水流中的油份颗粒碰撞的几率更大，并且在一段时间后滤料表面沉积少量的油泥时，陶瓷滤料就有了亲油性，也会出现“润湿聚结”现象。
综上所述，石英砂滤料和陶瓷滤料处理含油废水都有较高的除油效果，但是石英砂除油波动较大，且成熟期较长，周期较短，而陶瓷滤料成熟期较短，除油周期较长，且除油率高且稳定，因此综合考虑选择陶瓷滤料。