1983年,Miller和Hupka设计了世界上第一台用于油水分离的充气水力旋流器,其结构如图1所示。该设备的主体部分由两个同心的竖直圆管组成,通过位于中心的多孔管来注入空气。外面的非孔隙管用作空气夹套,内外管之间形成的空气腔室能使得通过多孔中心管的空气均匀分布。切向进料口在其底部,分离后的油相和水相都从顶部流出,通过顶部的可调间隙来调节溢流和底流的分流比。该设备的多孔管直径为50mm,高为250mm,多孔柱上的微孔平均孔径为1μm,经流体剪切后可产生的气泡尺寸范围在0.2～0.5mm。实验结果表明,当分流比为3/10、气液比为11/10,且不加表面活性剂时分离效率最高,能够去除油滴粒径在5～50μm的机械配制油水乳化液,但底流口的含油量仅仅下降了40%。
国内四川大学、东北大学、中国石油大学(北京)等单位也开展了充气水力旋流器的应用研究工作。1996年,余仁焕等人设计了一台上部呈双对称配制的切向进料充气旋流器,结构如图3所示。在顶部设计一个溢流节流室,利用溢流导管把溢流和含油泡沫及时排出,从而有利于泡沫柱的稳定[8]。2007年左右,中国石油大学(北京)郭绍辉课题组自行设计研制了50mm充气水力旋流器,其结构如图4所示。利用含油质量浓度800mg/L的炼油污水进行了室内净化实验研究,除油效率最高达82%,所分离油滴粒径下限为4μm;现场中试时,进水含油质量浓度平均为909mg/L,出水含油质量浓度平均为227mg/L,平均除油效率达74.7%,可以替代炼油污水处理流程中的隔油段。具体联系污水宝或参见http://www.dowater.com更多相关技术文档。
与国内近期仍然继续围绕充气旋流器开展研究工作有所不同的是,Miller等人于2006年左右通过研究ASH中气泡与油滴之间的相互作用,发现气泡与油滴之间的碰撞效率要显著低于其与矿物颗粒之间的碰撞效率,虽然油滴与气泡之间的黏附强度大于矿物颗粒与气泡之间的黏附强度,但乳化使得油滴需要较大的耗散能方能上浮,因此需要使用水溶性大分子聚合物絮凝剂以克服湍流的负面效应。鉴于ASH技术早已存在的诸多不足,Miller等人于1997年左右便开始对其进行改进,提出了气泡加速气浮(babbleac-celeratedflotation,BAF)技术,相应的污水处理系统包括一个立式气泡腔和一个BAF池。除了顶部没有溢流口而仅在底部设有一个出口之外,立式气泡腔的工作原理与ASH基本一致,当从上部进入的污水自上涡旋而下从底部出口离开气泡腔时,已经形成了气泡-微细颗粒黏附体,凝聚和絮凝已经完全结束;污水混合流最后进入BAF池完成分离过程。
1998年,Miller等人又基于立式气泡腔进一步修正了离心气浮的概念,研制开发了液体旋流-颗粒定位器(LCPP)和液-固-气混合器(LSGM),能够改变混合能、实现最优絮凝所必须的调节能量,从而能给在不破坏絮凝体的情况下添加化学药剂和优化液-固分离。2003年,美国CleanWaterTechnolgy公司基于LCPP和LS-GM系统,推出了名为复合离心气浮-溶气气浮系统,并冠名为气体能量混合(GEM)系统,该系统综合了离心气浮和DAF的全部优点,而且在相同条件下占地面积仅为常规DAF系统的1/10。显然,BAF系统和GEM系统的研发,表明Miller等人实际上已经抛弃了当初希望仅通过ASH完成分离目标的想法,而是仅将离心气浮技术作为一种促进泡-微细颗粒黏附的预处理手段,但迄今未见到处理含油污水的应用案例。