方濟中1，安 宇，肖清明3，鄒洪森4，韓 利1，吳 楊1，張慶霞1，潘 潔1，馬 銳1，錢 勇1，曾 晰

(1.寧夏電力科學研究院，寧夏 銀川 750002；2.浙江工業(yè)大學 機械工程學院，浙江 杭州 310023；3.國網(wǎng)寧夏電力有限公司，寧夏 銀川 750001；4.國網(wǎng)寧夏電力有限公司檢修公司，寧夏 銀川 750002)

在清潔和檢修變電站變壓器時，一些機油和清潔產(chǎn)生的浮油會發(fā)生泄漏，絕大多數(shù)變電站將使用集油池來存儲油，而不定時的地面沖洗廢水和雨水滲入集油池會形成含油廢水，含油廢水中的污染物不能被有效降解排放，造成了環(huán)境污染?，F(xiàn)代油水分離技術主要包括物理分離法和化學分離法兩大類[1-2]?？紤]到化學分離法會帶來新的污染物，而物理分離法的成本較高，因此設計一種方便、安全的油水分離設備，并在初始油水分離完成后，進一步對分離出的廢水進行降解凈化[3]顯得尤為重要。隨著現(xiàn)代工業(yè)的迅速發(fā)展，水污染和水資源短缺已成為許多國家迫切需要解決的問題。由于廢水中污染物種類繁多，且雜質(zhì)顆粒較多，傳統(tǒng)的常規(guī)水處理方法難以滿足要求。利用水力空化降解在水中難以降解的有機污染物是一種較先進的水處理技術。與其他類型的空化方法相比，水力空化具有能耗相對較小、可重復利用、處理效果好、易于操作、反應設備相對簡單以及維護成本更少等優(yōu)點，更容易實現(xiàn)產(chǎn)業(yè)化和規(guī)?；?。水力空化作為一種新型的水處理方法，在國內(nèi)外已引起了廣泛關注[4-5]。水力空化能降解污染物的原因有多種，當發(fā)生空化反應時，空化泡周圍的環(huán)境發(fā)生變化(如高溫與高壓)，該環(huán)境足以加熱并分解氣泡內(nèi)部氣體和液體界面處的介質(zhì)，間接地促進了反應的發(fā)生。由于空化產(chǎn)生的高溫和高壓環(huán)境，水將通過鏈式反應分解，反應式為

H2O→·H+·OH
O+H2O→·OH+·OH
·OH+·OH→H2O2
2·H→H2

氫基與羥基能夠通過氧化還原反應和自由基的轉(zhuǎn)化有效地處理廢水，上述反應中產(chǎn)生的·OH和H2O2可與溶液的揮發(fā)溶質(zhì)反應，甚至將有機物氧化，達到降解作用。水力空化也會產(chǎn)生機械振動，液泡的潰滅會產(chǎn)生巨大的水剪切力，提高了3種物理量(熱量、動量和質(zhì)量)的傳遞率。同時，產(chǎn)生的物理力不僅可以破壞大分子主鏈上的碳鍵，也可以破壞微生物的細胞壁，從多方面降解水中污染物，提高凈化效率。楚曉婷[6]研究了多級孔板水力空化裝置的級數(shù)和級與級孔板之間距離的影響，探究不同裝置對空化作用的影響；張斌等[7]通過實驗分析了旋流腔直徑、空化器出液管直徑和空化器進液管流速等工藝參數(shù)對自由基產(chǎn)量的影響，結(jié)果表明：進液管流速越大，出液管和旋流腔直徑越小，·OH濃度越大。筆者在傳統(tǒng)水力空化發(fā)生裝置文丘里管的基礎上，將其改成倒錐型，并且通過Fluent仿真得到最佳流道尺寸，以提升空化效果，提高對廢水的凈化程度。

1 油水分離

沉降罐的采油污水首先進入緩沖桶，控制流量后進入攪拌桶，在攪拌桶中按要求加入適量的起泡劑松醇油進行攪拌混合，從浮選柱的中上部進水，底部排水。循環(huán)壓力、充氣速率通過各閥門進行調(diào)節(jié)，試驗設計如圖1所示[8]。

圖1 試驗設計Fig.1 Experimental design

柱狀分離系統(tǒng)由旋流-靜態(tài)微泡浮選柱、進料泵(供進、出水使用)、循環(huán)泵和混合槽裝置等組成。測量控制系統(tǒng)包括氣體流量計、液體流量計、電動調(diào)節(jié)閥、PID數(shù)顯調(diào)節(jié)器和氣體含量率測量儀等。浮選柱液位自動控制系統(tǒng)由壓力變送器、電子直沖程電動控制閥和PID數(shù)顯調(diào)節(jié)器組成。液位控制的基本策略如圖2所示。液位信息通過壓力傳感器的標準信號傳輸給數(shù)字PID調(diào)節(jié)器，根據(jù)預設值之間的偏差和實時檢測的值，數(shù)字PID調(diào)節(jié)器形成負反饋，通過計算和自動調(diào)整浮選柱排出閥底部的開度，液位檢測值可以跟蹤設定值，從而實現(xiàn)浮選柱液位的自動控制。

圖2 控制策略Fig.2 Control strategy

油水分離過程中油滴聚結(jié)是指通過改變原油粒徑的分布情況，增大原油粒徑，再結(jié)合合適的分離工藝，從而明顯提高含油污水的除油效率。也就是說經(jīng)過聚結(jié)處理后的含油污水，其含油性質(zhì)并未發(fā)生改變，只是粒徑增大易于后續(xù)分離。

油滴碰撞后發(fā)生聚結(jié)，主要是因為分散相油滴相互碰撞，促使油滴聚結(jié)的合力大于油滴與水之間的界面張力，油滴間因界面破裂發(fā)生聚結(jié)。旋流-靜態(tài)微泡浮選柱內(nèi)置旋流器中油滴碰撞情況如圖3所示。

圖3 浮選柱內(nèi)置旋流器中油滴碰撞情況Fig.3 Collision of oil droplets in cyclones inside flotation column

圖3中從左到右第1種情況是兩油滴碰撞后相互彈回，若兩油滴粒徑不同，粒徑較大的油滴會將一部分動量傳遞給粒徑較小的油滴，最終粒徑較大的油滴速度減小，粒徑較小的油滴速度增加；第2種情況是兩油滴碰撞后合并為一個較大的油滴，形成的大油滴速度方向與碰撞前動量較大的油滴速度方向相同；第3種情況是兩油滴碰撞后先形成一個較大的油滴，然后大油滴分開形成兩個油滴，此時兩個油滴的動量及粒徑不一定相同；第4種情況是兩油滴碰撞后油滴發(fā)生破碎，引起油滴破碎的原因很多，不僅與油滴自身的運動特性有關，還受周邊流體湍動的影響，碰撞后油滴破裂成更小油滴的情況取決于碰撞前油滴的動量[9]。

2 空化作用的發(fā)生與水力空化裝置的改進

前文中介紹的幾種降解機理中，以物理作用破壞碳鍵以及空化過程中產(chǎn)生羥基、過氧化氫與有機物的反應為主。不同形狀的文丘里管會發(fā)生不同程度的空化反應，合適的反應裝置以及裝置的尺寸對空化反應的發(fā)生有著很大的影響[10-15]。

一般情況下，通常所述的空化即指水力空化。文丘里管是一種非常典型的空化發(fā)生裝置，其結(jié)構如圖4所示。文丘里管自左往右分別包括流道入口、收縮段、喉部、擴張段和流道出口。流體進入流道入口后，依次進入收縮段、喉部和擴張段，其流道截面的面積先縮小后擴大。由流量連續(xù)性方程可知：流體在流道內(nèi)速度先增加后減小，流體經(jīng)過喉部時流速最大。根據(jù)伯努利方程可得

(1)

式中：p為流道中某點靜壓力；ρ為液體密度；v為該點速度；g為重力加速度；h為該點高度；C為常數(shù)。由式(1)可知：流體到達收縮段后速度變大，靜壓力減??；進入擴張段后速度減小，靜壓力變大。在流道內(nèi)部，喉部內(nèi)以鈍角的形式存在，其結(jié)構增加了對流體的擾動，從而增強了后方流體的渦強，有效實現(xiàn)了渦空化中的剪切空化，所以在擴張段，當流體靜壓力小于飽和蒸氣壓時，流體在管道內(nèi)會發(fā)生空化反應。

1—入口；2—流道收縮段；3—喉部；4—流道擴張段。圖4 標準的文丘里管Fig.4 Standard Venturi tube

由于油水分離后廢水中所含雜質(zhì)顆粒的原因，對標準的文丘里管結(jié)構進行改變和優(yōu)化，改進結(jié)構和標準的對比圖如圖5所示，廢水處理裝置的內(nèi)部流道是一種異形的文丘里管結(jié)構，其空化發(fā)生類型可以廣義地歸為水力空化，這里采用了文丘里管的空化設計理念，即利用流體通過流道內(nèi)最小截面時產(chǎn)生的較低靜壓力發(fā)生空化。在此基礎上，由于流道存在明顯的轉(zhuǎn)角，故單側(cè)的壁面形成了一個完整的鈍角結(jié)構，由于這種結(jié)構的存在，流道內(nèi)的空化機理應屬于剪切空化。與標準的文丘里管一樣，剪切空化的產(chǎn)生是由于液體中渦流動造成的，當流場中鈍體尾流存在明顯擾流，流體處于渦流狀態(tài)，在旋渦中心產(chǎn)生最低壓力，此處是空化最初發(fā)生的位置[16-17]。

圖5 流道對比圖Fig.5 Comparison diagram of flow channels

流道的截面圖如圖6所示，其中裝置頂部的入口2稱為流道入口；裝置內(nèi)腔與外腔之間形成的流道3稱為內(nèi)部流道；裝置外腔的下底面的流道1稱為約束流道，在此處發(fā)生主要的空化作用；流道3的尺寸大小會影響流道1的空化效果。裝置內(nèi)腔與下底面之間形成的流道4被稱為無用流道，無實際效果，筆者對該部位的流道不進行研究討論。

1—約束流道；2—流道入口；3—內(nèi)部流道；4—無用流道。圖6 改進后流道截面圖Fig.6 Cross section of improved flow passage

結(jié)合以上分析，廢水處理裝置流道中空化區(qū)域應該處于約束流道的位置，剪切空化由于剪切層的摻混作用，空化區(qū)域中主要以微氣泡和液體混合物為主。而普通的剪切空化不同于旋轉(zhuǎn)運動產(chǎn)生的旋渦空化，旋渦空化由于流場穩(wěn)定，容易形成時間和空間均相對穩(wěn)定的空化渦帶，剪切空化一般是間歇性的，會出現(xiàn)空化區(qū)域下移的情況。當流體從裝置內(nèi)部流道進入約束流道時，由于類文丘里管結(jié)構產(chǎn)生的空化效應，在空化泡或空化云潰滅時產(chǎn)生巨大的能量和熱量，除了引起湍流效應和微擾效應之外，還伴有高壓脈沖，產(chǎn)生的微射流不僅可以擊碎一些微小的雜質(zhì)，還可破壞微生物的細胞壁，達到殺菌的效果，因此可有效去除水中的有害物質(zhì)，達到進一步凈化廢水的目的[18]。

3 通過Fluent仿真得到最佳流道尺寸

流道內(nèi)的空化狀態(tài)和湍流狀態(tài)影響廢水凈化的效果，而空化效果又取決于流道的尺寸，筆者主要通過Fluent仿真軟件進行數(shù)值分析，得到某一流道的最佳設計尺寸。

3.1 空化理論模型

在空化作用下，廢水處于空化泡、流體和雜質(zhì)顆粒共存的一種復雜狀態(tài)，同時高速運動的流體處于湍流狀態(tài)。通過CFD分析主要為了獲得不同尺寸參數(shù)下流體的空化狀態(tài)，故對實際流場中氣-液-固共存的狀態(tài)進行簡化，在計算模型中舍去雜質(zhì)的固體顆粒項，即流道內(nèi)主要以流體和空化泡為主，其中流體作為連續(xù)相，空化泡作為分散相。在簡化之后，整個流道處于流體與空化泡共存的狀態(tài)，該狀態(tài)通過多相流模型進行描述；流體的空化作用導致流道中部分液相不斷轉(zhuǎn)化為氣相，同時也因為空化泡潰滅作用，流道內(nèi)的部分氣相不斷轉(zhuǎn)化為液相，該狀態(tài)通過空化模型進行描述；液相在流道內(nèi)始終處于湍流狀態(tài)，該狀態(tài)通過湍流模型進行描述。所以本章的CFD分析主要利用多相流模型、空化模型和湍流模型進行控制。

文丘里管內(nèi)的流動屬于氣液兩相流，選用Fluent中的Mixture(混合)模型。Mixture模型對各相使用統(tǒng)一的混合物質(zhì)量守恒方程，即

(2)

ρ=αρv+(1-α)ρl

(3)

(4)

標準模型的湍流耗散率為

(5)

(6)

標準k-ε模型的輸運方程為

(7)

(8)

式中：G1ε=1.44；G2ε=1.92；Cμ=0.09；普朗特數(shù)σk=1.0，σε=1.3；Gk為速度梯度湍動能產(chǎn)生項；Gb為由浮力引起的項；YM為湍動能對耗散率影響的項。

Schnerr and Sauer模型未考慮液相中不可凝氣體的影響，空化磨粒流加工中未通入外部氣體，可近似認為是無不可凝氣體的狀態(tài)，同時該模型可與Mixture多相流模型和湍流模型完美匹配，且具有較好的穩(wěn)定性[19]。

Schnerr and Sauer模型的控制方程為

(9)

(10)

式中：Fvap，F(xiàn)cond分別為蒸發(fā)系數(shù)和冷凝系數(shù)的經(jīng)驗值，其中Fvap=50，F(xiàn)cond=0.2；p為流場壓力；pv為飽和蒸氣壓；Rb為氣泡半徑，其表達式為

(11)

由于受到湍流效應的影響，空化飽和蒸汽壓的閾值可依據(jù)湍流參數(shù)進行修正，即

(12)

式中：psat為當前溫度下水的飽和蒸氣壓；Co為經(jīng)驗系數(shù)，Co=0.39。

3.2 CFD的幾何模型、邊界條件及求解方式

由于改進的類文丘里管模型是回轉(zhuǎn)體結(jié)構，采用三維建模網(wǎng)格的劃分計算會更加復雜，因此簡化為二維模型，平面圖如圖7所示，二維模型計算結(jié)果與三維一致。

圖7 CFD模型網(wǎng)格劃分圖Fig.7 Grid division diagram of CFD model

在確定CFD的控制方程、幾何模型和網(wǎng)格劃分等參數(shù)后首先需要對模型的邊界條件進行設定，然后需要確定CFD的求解方式和離散格式，從而獲得準確的計算結(jié)果。設置壓力大小為0.5 MPa，連續(xù)相比例為100%，離散相比例為0%。設置流道的壁面為剛性壁面，壁面屬性為無穿透、無滑移。設置出口邊界條件：出口壓力大小為101 325 Pa，即一個標準大氣壓。

針對Schnerr and Sauer空化模型，選用基于壓力的耦合求解器可以達到更快的收斂速度?；谏鲜龆嘞嗔骱涂栈Ｐ停x擇高階的離散格式，在復雜的空化和湍流流場中，標準和線性的格式一般精度極低，不適合使用。此處選擇壓力項為PRESTO！格式，該格式主要用于高旋流和壓力急劇變化的流體；其他項使用QUICK格式，QUICK格式是“對流項的二階迎風插值”，這是一種改進的離散格式，該格式的對流項具有三階精度，擴散項則采用二階精度的中心差分格式，QUICK格式與二階迎風格式相比更適用于結(jié)構化網(wǎng)格，即三維的六面體網(wǎng)格和二維的四邊形網(wǎng)格。

3.3 仿真結(jié)果與分析

由圖8，9仿真結(jié)果可知：在內(nèi)部流道中流體速度最大，空化作用主要發(fā)生在內(nèi)部流道，從而影響底部約束流道中對水處理的影響。因此，通過改變內(nèi)部流道直徑的尺寸得到不同的仿真結(jié)果，不同尺寸的流道模型如圖10所示。

圖8 內(nèi)部流道為2 mm時的速度圖Fig.8 Velocity diagram when internal flow channel is 2 mm

圖9 內(nèi)部流道為2 mm時的空化圖Fig.9 Cavitation diagram when the internal flow channel is 2 mm

圖10 不同尺寸的流道模型Fig.10 Flow channel models of different sizes

對于仿真結(jié)果的處理，選取湍動能的大小來表現(xiàn)空化反應的程度。由圖11，12可知：在內(nèi)部流道直徑為1 mm時空化效果較好，湍動能較大。原液從內(nèi)部流道流入底部約束流道時，由于結(jié)構是斜角的設計，在交接處會形成沖擊，在底部約束流道左側(cè)會發(fā)生一定程度的空化反應，湍動能上升；在底部入口右側(cè)鈍角的下邊會發(fā)生主要的空化反應，湍動能急劇上升，從而形成兩個高度不一致的峰值。由圖13可以看出不同尺寸結(jié)構的壓力分布，1 mm結(jié)構的壓力變化曲線范圍更大、曲線更陡，也間接說明了空化的劇烈程度。

圖11 不同尺寸流道的面湍動能仿真圖Fig.11 Simulation diagram of turbulent kinetic energy of differentflow channel sizes

圖12 不同尺寸流道的面湍動能大小分布Fig.12 Distribution of surface turbulent kinetic energy of different flow channel sizes

圖13 不同尺寸流道的面壓力大小分布Fig.13 Surface pressure size distribution fordifferent flow channelsizes

4 空化實驗驗證

為了驗證改進文丘里管不同尺寸的內(nèi)部流道空化效果以及找到合適的入口壓力，選取亞甲基藍溶液作為檢測試劑，亞基藍溶液(簡稱MB)與自由基有著很強的親和度，管內(nèi)發(fā)生水力空化作用時，水分解發(fā)生鏈式反應從而產(chǎn)生羥基，MB與羥基發(fā)生反應生成MB—OH。不同的物質(zhì)有不同的吸收光譜，且同一物質(zhì)的濃度越大，吸光度就越大。所以可以通過可見分光光度計測出反應前后MB的吸光度值變化，得到MB的消耗量，從而通過吸光度變化大小反映空化作用的強弱。

試驗操作步驟：使用亞甲基藍試劑和蒸餾水配制一定濃度的MB溶液作為空化反應原液(濃度為8 μmol/L)，然后控制溶液溫度為35 ℃，保持不變；開啟泵，使液體流過類文丘里管空化發(fā)生段，運行一定時間后關閉泵，用分光光度計檢測吸光度；改變反應時的操作參數(shù)(入口壓力、時間)或類文丘里管的流道尺寸結(jié)構，重復上述步驟。

由圖14可知：在試驗進行20 min后，不同流道液體的吸光度變化值不同，其中1 mm尺寸流道液體的吸光度變化值最大，空化效果最好，2 mm次之，3 mm最弱，與仿真結(jié)果一致。由于類文丘里管的構造問題，在其他管路直徑相同時，湍流頻率與內(nèi)部流道直徑尺寸成反比，隨著內(nèi)部流道直徑尺寸減小，湍流頻率和湍流強度增大。因此增強了空化作用和空化泡潰滅強度，空化流場強度增強。

圖14 內(nèi)部流道尺寸對比折線圖Fig.14 Internal runner size comparison line diagram

由圖15可知：在空化的開始時期，隨著入口壓力的增加，空化作用也隨之增加，但當壓力達到0.5 MPa后，隨著壓力的增加，空化作用反而降低。這是因為在開始階段，增大入口壓力會在類文丘里管入口段產(chǎn)生較大壓力降，空化效果較強，當超過最低液體的飽和氣壓時，空化泡會變成空泡云，水蒸氣會形成含有分散液滴的連續(xù)相，阻礙空化的發(fā)生，使空化效率降低。

圖15 入口壓力對比折線圖Fig.15 Inlet pressure comparison line diagram

在得到油水分離的廢水后，將其引入水力空化實驗裝置中，在不同流道尺寸、不同入口壓力以及不同空化時間等實驗條件下進行水力空化水處理實驗。先用紅外分光測油儀測定空化前后水中變壓器油質(zhì)量濃度，繪制圖形，得出試驗結(jié)果。在廢水含油初始質(zhì)量濃度為100 mg/L、溶液溫度為35 ℃、入口壓力為0.3 MPa的條件下，分別對3組不同尺寸的內(nèi)部流道進行水力空化去除廢水中含油的實驗，結(jié)果如圖16所示。

圖16 不同流道尺寸對水中油去除的影響 Fig.16 Effect of different flow channel sizes on the removal of oil in water

如圖16所示，在實驗的開始階段，廢水中油質(zhì)量濃度隨時間呈現(xiàn)上升趨勢，到達頂點后，廢水中油質(zhì)量濃度開始下降。這是因為在含油廢水中，變壓器油主要以懸浮油和溶解油兩種狀態(tài)存在，開始階段空化效應的機械作用大于降解作用，懸浮油的溶解性增加，水中油質(zhì)量濃度增高，當空化效應進行一段時間后，降解作用開始大于機械作用，空化作用產(chǎn)生的羥基開始氧化分解油，使水中油質(zhì)量濃度降低。在相同的實驗環(huán)境下，不同的流道尺寸對廢水中油的去除效果不同，在相繼達到頂點后，流道尺寸為1 mm 時去除效果較好，去除率達到37%，與仿真結(jié)果一致。

針對0.25，0.30，0.35 MPa不同入口壓力也進行了相應實驗，在流道尺寸為1 mm、廢水初始含油質(zhì)量濃度為100 mg/L、溶液溫度為35 ℃的條件下，進行含油廢水的水力空化去除實驗。

如圖17所示，不同入口壓力下廢水中油質(zhì)量濃度變化趨勢相同，都是呈現(xiàn)先上升后下降的趨勢，但是在空化反應的初期，入口壓力越大，機械作用越強，水中溶解的油也會增加得更多，因此在0.35 MPa條件下，油質(zhì)量濃度的頂點為最高。在合適的壓力范圍內(nèi)，隨著入口壓力的增加，液體流速也增加，水力空化作用得到加強，但是過快的速度也會相應縮短液體在空化區(qū)的時間，空化泡的成長受到影響，來不及變大就產(chǎn)生潰滅，從而減弱空化效應，因此入口壓力為0.30 MPa時降解效果較好。

圖17 入口壓力對水中油去除的影響Fig.17 Effect of inlet pressure on oil content removal in water

5 結(jié) 論

對含油廢水進行油水分離后，利用空化原理進一步對后續(xù)廢水進行降解處理，解決了廢水排放引起的環(huán)境污染問題。首先，闡明了油水分離的原理；其次，利用水力空化作用對廢油的降解能力，在傳統(tǒng)空化發(fā)生裝置基礎上提出了一種倒錐式的類文丘里管裝置，并且基于湍流模型、混合模型和空化模型，使用Fluent仿真軟件進一步研究了此裝置的結(jié)構參數(shù)和入口壓力；最后，通過實驗得到一系列最優(yōu)參數(shù)，在廢水含油初始質(zhì)量濃度為100 mg/L、溶液溫度為35 ℃、入口壓力為0.3 MPa條件下，流道尺寸為1 mm時效果較好，油的去除率達到37%。