船舶舱底油污水处理系统研究 5页

第33卷第3期2014年6月海洋技术学报JOURNALOFOCEANTECHNOLOGYV01．33．No．3Jun，2014船舶舱底油污水处理系统研究蔡军，王威，黄荣富，武文斌，陈勇(镇江船艇学院，江苏镇江212003)摘要：根据MARPOL73／78公约，船舶舱底水必须经过油污水处理装置处理达标后方能排放。针对舱底水油水分离器工作负荷大、占地大、维护保养工作麻烦等诸多问题，提出了旋流分离、过滤分离、膜分离组合式三级舱底水处理工艺，并对该处理系统进行优化：采用预处理后选择性排放(通过油分浓度检测计取样)以减轻后继油水分离器的工作负荷；采用组合阀(浮球式自动排油阀／弹簧负荷式排水阀)以提高自动排油排水的稳定性：利用自动控制元件和PCL技术实现处理系统的自动控制以减轻船员的运行管理工作量。关键词：船舶；舱底油污水；系统优化；旋流分离器；膜分离器中图分类号：U664．9+1文献标志码：A文章编号：1003—2029(2014)03—0056—05为防止船舶机舱舱底油污水对水域的污染，船舶都装有油污水处理装置。目前较为成熟的油污水处理方法有重力分离法、吸附法、聚积分离法、过滤法、膜分离法、生物氧化法等，从当前的技术水平看，采用单一方法处理船舶油水，难以达到满意的效果，在实际应用中通常几种方法联合使用，形成多级处理的工艺⋯，如CYF，CYSC，YSC，YSCZ等类型油水分离器。在正常条件下，这些装置能达到IMO规定的15ppm的排放要求，但存在如下问题：(1)油污水产生量大时，油水分离器工作负荷过高，使维护管理工作量大；(2)重力分离装置体积大，且分离能力有限；(3)不能很好地处理乳化油；(4)系统结构复杂，维护保养工作较为麻烦等。针对上述问题，笔者对油水分离系统进行了设计和改进，以提高油水分离效果，减轻船员运行管理工作量。1油水分离器前预处理从舱底油污水油份浓度的分布看，底部的污水含油量较低，甚至低于15ppm，可不经过油水分离器处理，仅经过简单的粗滤可直接排放，从而降低后继油水分离器的工作负荷，减轻船员的运行管理工作量。在设计上对油水分离器预处理系统进行改进，油污水经粗滤器(双联)过滤后，出水经油份浓度检测计取样检测，若油份浓度低于15ppm，直接排放至舷外；若高于15ppm，污水进人油水分离器处理，实现预处理后选择性排放。2第一级处理单元目前船用油水分离器第一级处理通常采用重力分离，水在分离器中停留时间较长，装置体积大，且分离能力有限，运行管理复杂。而旋流分离器对油污水具有较高的处理效率，且具有体积小、重量轻、能耗低、工作性能稳定、维护维修量小、安装方便等优势，这对船舶油水的处理具有很大的吸引力。有资料显示旋流分离器能够去除油污水中的浮油(粒径大于100¨m)和大部分分散油(粒径为10～100斗m)，对于粒径大于60pm的油滴被分离的可能性高达99％12】。旋流分离器最早用于固一液分离，20世纪80年代，MTThew等[31首次使用旋流分离器成功进行收稿日期：2013-12—10作者简介：蔡军(1980一)，男，博士研究生，讲师，从事船舶辅助机械和水域环境保护教学与研究。E-maihcaijun993@163．corn\n第3期蔡军．等：船舶舱底油污水处理系统研究57了油污水的处理，开创了液一液分离技术的新篇章，同时使旋流分离器液一液分离成为研究的热．L41。近年来，我国在旋流分离器结构优化和应用研究领域已取得了一些成果，并在油田含油污水处理领域得到推广和应用，但一直未见用于船舶油污水处理的成型装置，原因主要有以下两个方面：(1)由于旋流分离器内流体产生一定的剪切作用，如参数设计不当，油滴易被剪切打碎，并产生油包水的乳化现象，分离效果降低151；(2)液一液旋流分离器可实现不同的密度液体的液一液分离，却不能进行固液分离，导致含油污水中的固体悬浮物不能很好地去除。对于前者，可通过优化旋流器的设计来降低油滴的乳化程度，杨琳等【6认为粘度肚、流量Q、人口速度秽、分散相表面张力盯对油水乳化起关键作用，在旋流器设计和操作时，应充分考虑这些因素有利于减轻油的乳化。对于后者，可通过旋流器前端设粗滤装置和后端设固体悬浮物的分离单元来弥补，如周程生等同采用两级旋流分离器(第一级主要除油，第二级主要除杂质)对机舱水系统进行改进，有效去除了污油中大量的污油和杂质；李莹等【8J采用旋流分离罐(旋流分离器和重力分离器的组合罐)对机舱油污水进行预处理，有效去除了污水中的大量污油和杂质。而两者相结合，程向新等f9忧化设计出动态旋流分离器样机，处理船舶油污水出水含油浓度可降至10～40ppm(进水为2000ppm)，若后继过滤／吸附处理法可使出水含油浓度低于15ppm。由此可见，通过优化设计或改进后，旋流分离器对船舶舱底油污水具有较好的适应性。3第二级处理单元常用的二级处理方法有聚结分离法、吸附分离法、过滤法等，各方法对比见表1。从乳化油和浮渣的处理问题出发，结合各处理方法的处理效果、设备投资、运行管理便利程度及占地等因素综合考虑，二级处理单元采用过滤法，长时间运行滤料易堵塞，需反复冲洗，其反冲洗形式可根据运行情况采用连续／脉冲的方式，利用压力水或气水联合的形式进行冲洗，使其恢复截油能力。表1油水分离器常用二级处理方法比较【lOl4第三级处理单元舱底水中的浮上油、分散油、溶解油和部分乳化油经粗滤、旋流分离器、过滤器处理后含油量降低，但仍有很大一部分的乳化油和溶解油以极微小油滴的形式，均匀、稳定地分布在水中，常规的油污水处理方法难以去除，而膜分离技术通过选用合适孔径的膜，可实现对乳化油、溶解油和小颗粒杂质去除。与传统水处理工艺相比，膜技术处理含油废水时不需投放化学药品，具有较好的破乳效果，且适用性较强，装置简单，分离效率高，能耗较低，容易控制⋯2】，近年来在船舶油污处理领域得到广泛的关注，是油污水处理装置发展趋势之一。如美国海军开发的横流薄膜处理系统，DVZ—SERVICES公司研发的PCM系列装置【13】，国内YWC系列装置等均采用膜分离技术对油水进行深度处理。YWC装置实践证明对乳化油具有较好的处理效果，排放含油量可达5ppm以下【lol。膜分离油污水最大的问题是长时间运行膜孑L堵塞，阻力增大，分离效果降低，膜使用寿命降低，必须进行清洗，这势必影响处理装置的处理能力和效率，而频繁的清洗又加重了船员的工作强度，可通过以下措施缓解膜污染的发生，降低膜清洗频率：(1)选用合适的膜组件，如采用亲水性的膜材料，管式结构，并根据乳化油的分子量、截留分子量\n58海洋技术学报第33卷等选择适宜的膜【14】。(2)在系统设计方面采用双向流技术，通过周期性地转换进／出口的位置，在过滤的同时进行冲刷清洗，使膜一直处于良好的工作状态[13】。(3)强化前段过滤处理，以去除较大的悬浮粒子或胶状物质，保护膜组件，延长膜组件使用寿命。(4)优化操作压力、膜面流速、运行温度等操作条件。5自动排油排水系统的设计上述三级处理单元中，旋流分离器可实现连续排油、排水；膜分离器截油量较少，通过周期性的双向流可实现排油；与膜分离器相比，过滤器截油量大，排油周期短，排油排水自动控制有利于减轻船员的工作量。目前排油的自动控制普遍根据油水界面的变化，采用低位和高位两根电极(传感器)控制排油电磁阀(气动阀)的启和闭。在该排油系统中，电极易被污染，导致灵敏度降低；电磁阀(气动阀)也容易发生故障，产生错误动作或拒动，从而影响油水分离器的正常工作，使分离装置失效。浮球式自动排油阀则有效解决上述问题，且不需要电气控制系统、结构简单、维护管理方便，其设计原理如下：(1)浮球的容重必须大于油的密度而小于水的密度；(2)当集油室的油越积越多，达到下液面时(图1a)，浮球的重力(忽略连杆、阀芯的作用)大于油液对其浮力的作用，浮球下沉，阀开启排油；(3)随着集油室的油排出，水位上升至上液面时(图lb)，浮球的浮力大于重力，浮球上浮，阀关闭。浮球的体积y计算如下式：P油印球印水，P球=删(1)由式(1)可得：m／p水15一ppm开'污水回舱底撇‰黑5即⋯上述程序的自动运行通过PLC技术编程实现(由于篇幅原因文章中程序未标注)，PLC和现场仪表组成开放、模块化、可扩展的数据采集和监控系统，由PLC控制站链接装置中的电磁阀、油份浓度检测计、泵、压差继电器等设备，在特定工况下完成相应动作，从而实现系统的自动运行。7结论上述处理系统对船舶舱底水处理具有以下优势：(1)在处理技术上，通过对传统的油污水处理技术／装置进行了改进，有利于提高处理效率，减轻\n海洋技术学报第33卷运行管理工作量。(2)在自动控制上，利用PLC控制站链接油份浓度检测计、压差继电器、电磁阀等元件，编制相应程序实现油污水处理装置的自动运行，有利于降低参考文献：船员的劳动强度。(3)在处理流程上，根据各单元污水处理效果，自动选择最短处理工艺，有利于节省能耗，降低运行成本，延长设备使用寿命。[1]蔡军，黄荣富，陈勇．舰艇水污染现状分析与防治措施[J】．船海工程，2007，36(2)：94—96．[2]袁惠新，余建峰，王跃进，等．用旋流分离器处理含油污水的前景【J】．炼油设计，2000，30(5)：48—51．[3]ThewMT．HydrocycloneRedesignforLiquid—LiquidSeparation[J]．ChemicialEngineer，1986(427)：17-23．[4]刘洪，郭清，胡攀峰．国内外液一液旋流分离器研究进展[J]．钻采工艺，2007，30(3)：83—87．[5】袁惠新，余建峰，王跃进，等．含油污水除油用旋流器的研究[J]．石油机械，2000，28(6)：21—24．[6】杨琳，梁政．液一液水力旋流器油水乳化机理研究[J】．石油机械，2007，35(12)：8-11．[7】周程生，李品芳，黄凯旋．旋流器在船舶舱底含油污水分离中的应用【J]．交通环保，2003，24(3)：36—38．[8】李莹，周晓军，叶熙．旋流分离技术在机舱底水处理中应用[J]．船舶工程，2008，30(2)：31—33．[9]程向新，任威，宋修福，等．船舶含油污水动态旋流分离器的结构设计研究[J]．船舶工程，2013，35(5)：36—39．[10】马如中，何丽君，张百祁．15mg／L舱底水分离器处理重油及乳化油的技术探讨[J]．船海工程，2010，39(6)：38—40．【11]蔺爱国，刘培勇，刘刚，等．膜分离技术在油田含油污水处理中的应用研究进展【J】．工业水处理，2006，26(1)：5-8[12]刘国强，王铎，王立国，等．膜技术处理含油废水的研究[J]．膜科学与技术，2007，27(1)：68—71．[13]崔建伟．船舶舱底含油污水处理技术研究[D]．上海：上海交通大学，2010．[14]杨元晖，陈羽．船用油污水分离装置现状及发展[J]．机电设备，2005，24(3)：5-10．StudyontheTreatmentSystemforOil-PollutedWaterinShipBilgeCAIJun，WANGWei，HUANGRong-fu，WUWen—bin，CHENYongZhenjiangWarercraftCollegeofthePLA，Zhenjiong212003，J／onoosuProvince，ChinaAbstract：AccordingtotheInternationalConventionMARPOL73／78forthepreventionofpollutionfromships，bilgewatermustbetreatedbyoilsewagetreatmentdevicestoachievestandardsbeforedischarge．Toresolveanumberofproblemsoftheoil—waterseparatorsusedtotreatshipbilgewater，suchasheavyworkload，largefootprintanddifficultaccesstomaintenance。thispaperpresentsathree—stagetreatmentprocessformedbyhydrocycloneandfiltrationandmembraneseparators．Thenthesystemisoptimized：adoptingselectiveemissionafterpretreatment(monitoredbyoilconcentrationdetector)toreducetheworkloadofsubsequentoil—waterseparators；usingthecombinationvalve(floatingballtypeautomaticoildrainvalveandspringloadtypedrainvalve)toimprovethestabilityofautomaticdischargeofoilandwater；andutilizingautomaticcontrolelementsandPLCtechnologytorealizesystemautomaticcontrol，SOastoreducethemanagementworkloadofthecrew．Keywords：ships；bilgeoil-pollutedwater；systemoptimization；hydrocyclone；membraneseparator