唐铭华 钟锡鸿

（中国电器科学研究院股份有限公司 广州 510300）

引言

涂装前处理是工件涂装前的基本处理工艺，脱脂是前处理的首要关键工序之一，以喷淋或浸渍方式，通过热水洗、预脱脂和脱脂及后续水洗等多道工序完成，其目的就是清除工件表面所粘附的油脂、浮锈、灰尘、甚至铁屑、焊渣、汗液等，满足后续工序处理的质量要求，确保涂装涂层具有优于预期的附着力和防护性能。随着生产的持续，脱脂槽液的油污含量不断增加，会导致槽液脱脂能力下降甚至报废，所以，涂装前处理生产线通常会配置油水分离器和过滤机，分离槽液中的油污和尘垢，稳定脱脂质量，延长槽液使用寿命，减少废水和废液的排放。

油水分离是一种极常用的技术，广泛应用于餐饮、交通、工业、石油、废水处理等众多行业，其技术和产品种类繁多。针对涂装前处理的油水分离而言，其首先必须满足生产工艺和产品质量要求，而不仅仅是分离油。油水分离系统不是从脱脂液中提纯油，而是从脱脂液中分离污染物，首要能力是从水、污垢、油、清洗剂、乳化剂等混合物中，尽可能分离出油和污垢，满足前处理脱脂的生产质量要求和工艺要求，符合经济性、稳定性、可靠性、清洁生产、精益生产等现代企业生产管理要求。

1 油水分离原理

油水分离中的油实际上包含石油等矿物油及其制成品、植物油、以及脂类，如防锈油、拉伸油、润滑油、润滑脂、食用油等，不但是涂装质量的重要影响因素，也是环境污染的重要污染源，范围广、浓度低。油不溶于水是常识，但油以四种形态存在于水中，列表简述如表1。

油水分离是一个简单又复杂的问题，基于油和水的比重不同，和“油不溶于水”的特性，以及各种破乳技术，油水分离就没有太多技术难点，综合多年涂装线的应用经验，油水分离的难题在于经济性、可靠性、稳定性，以及系统设计的适配性。长期持续的技术进步，各种技术成果应用到油水分离领域，技术、设备种类繁多，有些新技术也逐步扩展应用到脱脂油水分离。

油水分离一直遵循斯托克斯定律，斯托克斯定律见公式1，从公式中可以看出增加油粒半径，减小介质粘度、降低油粒密度是油水重力分离的可行路径，加热、过滤、聚结、浓缩、吸附聚结和气浮等过程方法成为工程化实用性技术手段，得到飞速发展。

表1 油在水中的存在形态及特征[1]

公式1：斯托克斯定律（Stoke’s Law）

式中：FB=油滴浮力；FG=油滴重力；FR=摩擦力；r= 油滴半径；g=重力加速度；η=液体粘度；ρ1=液体密度；ρ0=油的密度；v= 油上浮速度

2 简述油水分离方法[2]

油水分离方法种类繁多，为便于对各种油水分离方法进行简单说明，将其简单分为三大类，第一类是物理法，不改变油、水的物理特性，利用油和水的物理特性差异，进行油水分离的各种技术方法总称，包括重力法、离心法、物理吸附法、气浮法、过滤法、加热法、膜技术、超声波等。第二类是化学法（这里将电化学也纳入），是在油水混合液中加入化学材料，对水中的油进行酸化、絮凝等过程，改变油的物理特性，这些油水分离方法的统称为化学法，包括絮凝、酸化、盐析、电解。这种方法除去水中的油，也可能产生另一种废弃物。第三类是生物法，采用生物吸收、消化、从而分解水中的油，包括活性污泥、生物滤池、氧化塘。上述各种油水分离方法，各有其技术特点和应用工况，所能达到的目标各有千秋。而在实际应用上，往往需要多种技术的综合利用，才会达到理想的效果。

针对涂装前处理油水分离，脱脂液中主要是喷淋或浸渍时的机械作用和乳化作用所产生的分散油和乳化油，为减少废水排放，减少药液浪费，稳定生产工艺质量，降低污水处理成本，油水分离的目的是降低槽液的油分含量，使其满足工艺质量要求，长久以来采用加热法和重力法组合而成的油水分离槽。随着技术进步，加速型物理法油水分离装置也开始投入应用，例如膜分离和重力法的组合，聚结法和重力法的组合，气浮法和重力法的组合。组合的目的就是占地小、效率高、能源利用率高、运行消耗低，同时满足工艺质量要求。

3 前处理脱脂常用油水分离系统

脱脂油水分离系统的目的是在可行的空间、时间、能源消耗前提下，不影响脱脂液中的脱脂有效化学成分，分离出脱脂过程中清洗所混入的油和污垢，并使槽液的油分浓度工艺控制小于3 000 mg/L[3]（一般要求槽液油分小于5 000 mg/L）。同时油污不容易堵塞热交换器、过滤器和喷嘴，所以增强型重力法就是唯一可行的方法，常用的油水分离法包括热分离、聚结法、膜分离、气浮及各种技术的组合。

脱脂油水分离是先从脱脂槽抽取脱脂液，经过固液分离和油水分离后回到脱脂槽，可以将这个过程分解为三个流程，见图1，由此脱脂油水分离系统可以分为初分离和深化分离及固液分离，目前绝大多数油水分离系统主要针对“强化分离”，导致初分离、固液分离和强化分离分别独立，不成系统，油水分离的效果和目的难以令人满意。实际上，从图可以看出，初分离是脱脂油水分离系统的重点和难点，油水分离系统是否“有效、减量、可靠”进行分离，首要体现在初分离的效果，系统性设计成为是否成功的要素，所以前处理脱脂的油水分离系统需要从源头开始进行系统性设计，并成为一个符合生产工艺要求，满足工艺质量的脱脂系统。

固废分离一般采用磁分离器、纸过滤机和袋式过滤器，与强化分离串联和并联均可，从近年的发展和强化分离设备的维护等方面分析，串联是比较适合的系统，特别是采用聚结、过滤和膜过滤等油水分离方法。

3.1 热分离

将油水分离槽的液体温度控制到80 ℃，30 min以上，浮油和分散油会快速上浮，乳化油将破乳上浮，加热过程的液体上下翻动，液体粘度也因温度而下降，油粒上升到上层后，油粒密度增加，互相聚结，从而形成表层浮油层。热分离的热源一般采用蒸汽和电加热，虽然加热需要热能消耗，但其分离后的液体回到脱脂槽，脱脂槽液的典型温度范围在45～55 ℃，不会影响实际能源利用率。结构简单、维护方便、操作简单，一直是涂装生产线的标配。

其缺点主要是需要热源，分离周期较长，体积比较大；不能过滤污垢，以致于一些比重较轻的油污在分离油以后，有些污垢可能随清液回到脱脂槽，油分离综合效率一般。

3.2 聚结分离和重力分离

近年来，国内也进口一些油水分离机，比较多的是OZ和OY系列油水分离机，其流程图分别见图2和图3。这是一种专门为前处理脱脂工艺所需而设计的设备，OZ系列油水分离机就是斜板重力分离，采用浮吸口，将脱脂槽表层油水混合液泵送至OZ油水分离机进行油水分离，适用于分离浮油和分散油，也就是说只适用于初级脱脂。OY系列油水分离机是将脱脂槽表层油水混合液通过溢流再泵送至OY油水分离机，再通过其聚结、吸附、过滤相结合的进行油水分离，适用于分离浮油、分散油、和部分乳化油并过滤固体杂质，适合于二级分离。在前处理脱脂油水分离系统中，需要OZ和OY结合使用，才能达到理想的效果。由于各种比较错误的认知，在设计和使用过程中，国内也出现许多错误，选用单级油水分离，造成系统不稳定。国内也有类似设计的油水分离系统，见图4，其原理也是采用聚结、吸附、过滤、重力及其组合的方式进行。

图1 前处理脱脂油水分离通用流程图

图2 OZ系列油水分离机

图3 OY系列油水分离机

图4 无动力油水分离槽

聚结、吸附、过滤、及其组合等方式进行油水分离，除稳定态乳化油以外，可以分离不稳定的乳化油、不小于5 um的油粒，出液含油不大于20 ppm，对于比重接近于1的污垢不易分离，也因此出现污染、甚至堵塞吸附和过滤材料，导致性能下降，导致其维护、过滤材料消耗等问题。总体而言，聚结、吸附和过滤所组合的油水分离机，无动力不耗能，结构紧凑小型化、分离时间短、占地面积小，是一种比较理想的油水分离机。其缺点就是污垢堵塞问题，并且在设备维护时，仍会产生含油固液废水。

3.3 膜分离

随着技术进步和市场的广泛应用，膜分离也逐步走入脱脂油水分离行列，膜分离系统见图5，实际上，膜分离系统包括膜分离、过滤、聚结和重力分离的组合，初分离后，进入聚结重力分离，一次清液再进入膜分离，二次清液回脱脂槽，二次浓液回到重力分离槽，膜分离的本质是水分离，也就是浓缩。

膜分离过程主要有微滤（MF）、超滤（UF）、纳滤（NF）、反渗透（RO），微滤主要用于过滤0.1～10 μm大小的颗粒、细菌、胶体。微滤法处理含油废水时，主要滤掉废水中大颗粒物质及固体悬浮物。超滤的膜孔径范围为0.05～1 nm，用于分离可溶性聚合物、生物分子、分散体和胶体。脱脂油水膜分离主要是将粉尘、油污等大分子物质被截留，水、碱和表面活性剂等小分子物质透过，要求其抗污染能力强，通量稳定，耐溶剂和酸碱，PH范围广，适用温度在5～85 ℃。

油水分离使用的超滤膜分为有机膜和无机膜。有机膜采用耐水憎油材料制作，但仍难以控制膜污染、清洗困难、投资大、能耗高、寿命短、性能下降快。而无机膜采用陶瓷膜，容易清洗、投资小、能耗小、寿命长、性能稳定，特别是陶瓷膜可再生。在国内，无机膜已规模化应用于油水分离行业，也比较适合作为脱脂油水分离之用，但其体积较大，需要较好的聚结或气浮油水分离槽配套，便于浓缩减量，提高膜使用寿命，降低运行成本。

3.4 气浮分离[4]

气浮分离包括溶气气浮、叶轮气浮、电解气浮等多种方式，其中溶气气浮设备（DAF）是最广泛的一种油水分离设备，应用亨利定律（见公式2），通过加压使空气溶入液体至饱和液体，在常压下，过饱和空气释放，成为大量20～80 um大小的微小气泡，作为载体粘附液体中的油粒和轻质污垢并上浮，特别适用于含油和表面活性物质低的含油污水，去除污水中比重接近1的微细悬浮物和粒径大于0.05 um的油污。溶气气浮系统的核心就是饱和循环系统，溶气气浮系统的驱动力是微米级气泡，与其它的气浮方法相比，其气泡小，分布均匀，效率高，性能稳定，效果优越。

公式2：亨利定律（Henry’s Law）

式中：

Ceq=液相气体浓度；

KH=亨利常数；

Pgas=气体分压。

图5 膜分离油水分离系统

溶气气浮应用于脱脂油水分离的流程图见图6，气液混合泵抽取脱脂槽上层液体进入溶气气浮机，释放器释放溶气水，饱和溶气水在常压下释放大量微小过饱和气泡，微小气泡在上升过程中粘附油粒和轻质污垢，加速油粒和轻质污垢上浮到液面，从而达到油水分离的目的。除溶气气浮以外，目前国内也开发出布气气浮，采用压缩空气或气泵，通过微孔曝气器产生大量微小气泡，产生气浮效果，为缩小分离设备的体积，一般将气浮和聚积组合使用。

3.5 SUPARATOR 油水分离系统[5]

SUPARATOR 油水分离系统是荷兰Esselent Solution公司凭借其 Suparator® oil separation and Q-Filter® filtration两项技术的组合而成，系统示意图见7。首先其初分离采用脱脂槽内的V形堰，结构简单，过流平顺，过流量小，分离脱脂槽的表层油污水混合液达到最小化，进入一级分离槽重力分离，经过浮吸口将一级分离槽表层油水浓缩混合液泵送至二级分离槽进行油水分离，二级分离槽的清液回到一级分离槽。从一级分离槽抽液到鼓形纸带过滤机过滤，回到脱脂槽。

从系统图可以得出，整个油水分离流程为三步：减量收集、浓缩、分离，其主要特点就是采取V形堰溢流收集，V形堰过流流量小且比较精确，过流平顺，过流厚度可控，漂浮于液面的油污可以过流。一级分离槽再用浮吸口抽取一级分离槽表层浓缩混合液，浮吸口可以随液面浮动，浮吸口的设计也比较有特点，抽液量比较小并始终保持稳定。二级分离槽才是最终的油水分离槽。不断浓缩减量的方式进行油水分离，有效减小油水分离设备的体积，并保持回流液的油分含量低。这个系统的另一个特点是串并联设计，“先分离油后分离污垢”，在一级分离槽抽取已分离的清液，通过鼓形纸带过滤机的过滤再回到脱脂槽，其过滤纸的过滤精度可达5 um，满足工艺要求，高效利用过滤纸，过滤效果比较好。

简单说就是最小化收集、二次浓缩分离、油和污垢分级分离，串联设置，“先分离油后分离污垢”，满足欧洲固废排放要求。

4 前处理脱脂油水分离系统分析

近年来，许多大型跨国企业在建设新工厂时，其整厂环保排放按废水零排放要求设计，自建厂内废水站，废水经过处理再生继续供应工艺使用，所以，前处理脱脂油水分离系统的设计依据为：水资源消耗最小化，废水回收利用最大化，经济适用，整体运行成本低于以前的系统。也就是：废水、废液排放要尽可能少，在线油污分离，不仅需要减排，而且所排废水的油分尽可能低，同时避免含油废水排放对废水处理站的设备运行的冲击。为此，需要按照新要求对系统进行分析研究，以期满足要求。

4.1 脱脂段工艺新方案

脱脂段工艺有多种方案，典型的是热水洗、预脱脂、脱脂、水洗1、水洗2、水洗3等组合，其中热水洗可以将工件表面污垢清除80 %以上，表面油脂去除率达60 %以上。预脱脂和脱脂则将工件表面的剩余油脂污垢清除干净。为此，设计一个新的方案，见图8脱脂段油污分离系统。

图6 气浮油水分离系统

图7 SUPARATOR油污分离系统

热水洗成为一个单独的系统，通过涡吸口抽吸液体表层油污，经过纸带过滤机过滤固体污垢，再进入聚结油水分离机或气浮分离进行油水分离，清液回到热水洗槽。其混合液中没有化学药剂，浮油和分散油占主要部分，乳化油也基本处于不稳定状态，所以只需聚结分离，与纸带过滤机串联，无需增加动力消耗。沉于槽底的大比重固体则按分阶段通过纸过滤机分离。而水消耗的补充来自后续的水洗1槽的清洗水。温度为45～70 ℃的热水洗将清除工件表面绝大多数的污染物，有效减少预脱脂和脱脂的清洗负荷。

预脱脂和脱脂与油水分离槽成为一个闭环，通过浮吸口抽取预脱脂槽表层混合液，经过袋式过滤器过滤固废，再进入加热型油水分离槽，脱乳分离后，回到脱脂槽，脱脂槽表层液体溢流到预脱脂槽。

4.2 初分离设计

脱脂前处理油水分离可以分为初分离、固液分离和强化分离等三段，前述油水分离系统主要针对固液分离和强化分离，但槽液油分能否满足其工艺要求，初分离是关键环节，决定槽液油分、油水分离系统的大小和耗能、维修维护工作量大小和其它消耗等，能否提高初分离效率，直接决定脱脂油水分离的优劣。实际上初分离才是脱脂油水分离的一个重点和难点，不论是喷淋或浸渍方式脱脂，槽液内的油污浓度才是系统减排、减少维修维护、降低运行成本等关键因素。

在脱脂过程中，槽液本身也会在液槽内依据斯托克斯定律进行分离，槽液循环包括循环（喷淋）系统及加热系统，需要按照水力工程设计，见图8。对循环入槽口位置重新设计，将油粒从槽液中上浮的流体调整为水从槽液中下降的流体设计，控制V0大小，减少冲击和干扰，避免出现脱脂过程的液流冲击干扰而使自身油水分离失能，堰流设计可以根据生产工艺不同选用浮动堰和固定堰两种方案，采用浮动堰比固定堰更佳，适用于所有场合，油水分离流量最少可减少50 %以上，并且有效提高比重较轻的漂浮污垢溢流分离。根据生产工艺设计，以综合成本和耗能为依据，也可以采取一些强化分离手段，如气浮等，提高油污分离效率。

V0、V1和V2的大小一般按照脱脂槽水力计算，包括加热、喷淋、油水分离等综合设计计算而成，不论V1和V2的大小，首先必须有效控制V0的大小，切实避免V0过大所造成的局部冲击和扰动，保持V1和V2在设计范围内均衡稳定，以保持脱脂槽运行过程的油水稳定分离。

4.3 储存槽配置

图9 脱脂槽水力示意图

脱脂液一般为碱、螯合剂和表面活性剂的组合，不论脱脂系统如何优越，长时间运行后，除脱脂液老化以外，必然需要进行清洗、维护等作业，以保持脱脂系统的运行稳定。为此，新设计的系统中配置有储存槽，利用储存槽进行分阶段清洗、临时存储、可控排放到污水处理站，减少含油废水的冲击，减轻污水处理压力，保证污水处理设备的稳定运行。

同时储存槽也作为废水处理系统的一部分，可以在较长的时间进行重力分离，将排放到污水站的废水油分含量降到最低，表层液体再受控进入油水分离系统。

4.4 新系统的成效

与以前的系统相比，新系统设计是在占地面积不增加、能源利用率不变、废水处理站无需增加投入的前提下，槽液排放量减少50 %以上，节约干净水消耗量20 %以上，维修维护量减少75 %，维修维护消耗减少80 %，排放到污水站的油分总量减少90 %，同时有人值守变为巡视值守，为整厂废水零排放提供良好的基础，为全自动化运行提供良好的条件。

5 结语

涂装前处理油水分离是前处理生产线的一个外设，油水分离方法是否先进不是脱脂油水分离选用的基准，其价值的体现在于槽液含油分始终低于工艺要求的前提下，其废水、废液的排放量，脱脂系统和加热系统的维护工作量和备品消耗，以及水利用率等参数的高低。设计优秀的系统是废水、废液排放量少、废水废液中含油量少，油污分离系统的体积小，能源利用率高，运行消耗低。

作为各种成熟技术的组合，脱脂油水分离系统设计不是取决于油水分离器或分离方法是否先进，初分离才是脱脂油水分离的关键，也决定着油水分离系统的体积大小、能耗和运行消耗，需要作为一个整体来设计，以适应新时代的要求。