超重力技术在工业水处理中的应用研究述评

邵磊，崔伟松

专论与综述

超重力技术在工业水处理中的应用研究述评

邵磊1，崔伟松2

（1.北京化工大学教育部超重力工程研究中心，北京100029；2.中国石油天然气股份有限公司石油化工研究院，北京102206）

超重力技术通过转子旋转形成离心力场而模拟产生超重力环境，在该环境下液体处于剧烈的湍动状态，从而使传质效率显著提升。该技术对于气-液传质受限的过程展现出独特的优势，并在多种水处理工艺中得以应用，取得了良好的效果。对超重力技术在有机废水和含氨废水处理、“三废”治理、水脱氧和海水淡化等工业水处理领域中的应用进行了综述，并对该技术的特点和在水处理领域的应用前景进行了述评。

超重力；水处理；强化；传质

超重力技术是一项发轫于上个世纪的高效过程强化技术。近年来，这项技术在反应和分离过程强化、纳米颗粒材料制备等领域成功实现了工业应用，取得了良好的经济效益和深远的行业影响〔1-2〕。国内外多家研究机构也尝试将这项技术应用于工业水处理中，并取得了令人瞩目的进展。因此，有必要对这一技术在水处理领域的应用研究进行梳理和分析，为相关行业的发展提供参考。

图1　逆流RPB的结构

1　超重力技术的原理

超重力技术通过旋转填充床（RPB）来实现，因此也被称为超重力机。典型的RPB结构如图1所示。

由图1可见，充满填料的转子安装在一个静止的外套中，以每分钟几百转至几千转的速度旋转。液体或浆料由液体入口通过液体分布器喷入转子的内缘，并在离心力的作用下沿着转子的径向流动通过填料，最终汇集到液体出口流出RPB。气体由气体入口引入RPB，从转子的外缘向内缘流动，并在填料内与液体逆流接触完成气-液传质过程，剩余气体通过气体出口流出。

RPB通过转子旋转所形成的离心力来模拟超重力环境。在这种超重力环境中，不同大小分子间的分子扩散和相间传质过程均比常规重力场下要快得多，气-液两相在比地球重力场大数百倍至千倍的超重力环境下的多孔介质中流动接触，强大的剪切力把液体分散成微米至纳米级的液膜、液丝和液滴，产生巨大和快速更新的相界面，使相间传质速率比传统塔器中的提高1～3个数量级，微观混合和传质过程得到极大强化。同时，在超重力条件下不仅整个反应过程加快，气体的线速度也可大幅度提高，使单位设备体积的生产效率提高1～2个数量级，设备尺寸因此大幅度缩小〔3〕。

利用超重力环境下传质过程和微观混合过程高度强化的特性，可以将高达几十米的化工塔设备用高不及2m的RPB替代。因此，超重力技术被认为是强化传递和多相反应过程的一项突破性技术，超重力机也被誉为“化学工业的晶体管”。

2　超重力技术在有机废水处理中的应用

2.1超重力法高级氧化工艺处理有机废水

高级氧化工艺（AOPs）是通过产生强氧化性的羟基自由基（·OH）进行水处理的工艺。在基于臭氧的AOPs中，其关键问题是臭氧的吸收效率，将超重力技术与臭氧AOPs相结合，则可以显著提高臭氧的气-液传质过程，从而大幅提高该工艺对有机废水的处理效果。

2.1.1印染废水脱色

印染废水具有水量大、成分复杂、色度高等特点。李鑫等〔4〕将RPB与臭氧AOPs相结合，进行了酸性红B废水的脱色研究，发现超重力技术可以强化高级氧化过程。在酸性条件下，采用RPB-O3/Fe2+工艺酸性红B的脱色率可达97%以上。采用RPB-O3/ Fenton工艺可使溶液pH迅速降低，表明有较多的酸性红B被氧化生成有利于生物处理的小分子有机物，其脱色速率常数可达0.138 4min-1。C.C.Lin等〔5〕进行了RPB-O3工艺处理活性蓝19的研究，发现超重力水平对脱色率有显著影响，当RPB转速为1 748 r/min时，脱色率可达89.23%。采用RPB-O3工艺对活性黑5的研究则发现RPB单位体积的臭氧传质速率明显高于搅拌槽式反应器，表明RPB具有良好的气液传质性能〔6〕。N.C.Shang等〔7〕采用RPB-O3工艺处理活性红120和酸性红299溶液，这两种染料溶液的ADMI（美国染料制造商协会）指数降解率在2min之内均可达到100%，而主要由这两种染料组成的实际印染废水ADMI指数在处理30min后降解率为93%，表明实际废水中存在的其他物质的竞争作用对染料的降解有显著影响。

2.1.2含酚废水处理

含酚废水是一类危害大、难处理的有机废水。化学氧化法预处理后接生物处理是一种经济的酚类废水处理方法。Zeng Zequan等〔8-10〕在RPB中采用不同的臭氧AOPs进行处理模拟苯酚废水的研究，发现采用RPB-O3/H2O2处理40mg/L的苯酚废水在H2O2浓度为6.5mmol/L、RPB转速为1 200 r/min时，苯酚降解率可达100%；采用RPB-O3/Fe2+体系处理60 mg/L的苯酚废水，苯酚降解率为57%，B/C从0.2提高到0.59，显著高于搅拌反应器所得结果；采用RPB-O3/Fenton体系处理100mg/L的苯酚废水，苯酚降解率比O3体系的苯酚降解率高出约20%，可达98.3%，B/C从0.2提高到0.58，表明采用超重力技术强化臭氧AOPs处理酚类废水可显著改善其可生化性。C.C.Chang等〔11〕在RPB-O3处理工艺中引入催化剂和紫外光辐照强化苯酚溶液的降解效果，发现两者均有促进作用，但Pt/γ-Al2O3催化剂的影响比较微弱，而紫外光辐照可使RPB-O3工艺对总有机碳（TOC）的矿化效率从82%提高至94%。C.H.Ko等〔12〕采用RPB-O3工艺处理愈创木酚溶液，通过愈创木酚反应动力学和臭氧传质速率建立了一个动力学模型，可以预测不同工艺参数对愈创木酚、COD和TOC脱除率的影响，并指出RPB-O3工艺非常适合在碱性条件下处理高浓度的愈创木酚废水。

2.1.3抗生素废水处理

抗生素废水是制药行业排放的一类难降解和具有生物毒性的有机废水。各类抗生素因具有抗菌性结构和生物毒性，使得传统生物处理法很难对其进行有效降解，从而残留于水体中导致自然水体被污染。通过预处理提高抗生素废水可生化性后进行生物法处理则是一种可行的工艺。李墨等〔13-14〕在RPB中研究了Fenton工艺与Fenton+O3工艺处理模拟阿莫西林废水的效果，发现采用Fenton+O3两段工艺处理阿莫西林废水的COD脱除率达到57.9%，B/C从0增加到0.36，可满足后续生化处理要求。将RPB与搅拌釜式反应器（STR）进行比较研究发现，RPB-O3/Fenton工艺比STR-O3/Fenton工艺的COD脱除率高114%，B/C高140%，表明RPB对于臭氧AOPs具有良好的强化效果。

2.1.4焦化废水处理

焦化废水是排放量最大的工业废水之一，其成分复杂，种类繁多，主要含有苯酚、苯胺和喹啉等难以生物降解的有机物以及氨氮类无机物，造成生化处理困难，出水COD和氨氮难以达标排放。魏清等〔15〕研究了RPB-O3/Fenton工艺处理模拟焦化废水的效果，在O3为30mg/L，pH为6，温度为25℃，液体流量为20 L/h，气体流量为5 L/min，转速为1 000 r/min，H2O2为6.5mmol/L，Fe2+为0.4mmol/L的条件下，该废水的COD去除率达到43.57%，苯酚、苯胺、喹啉和氨氮的去除率分别达到81.56%、100%、81.17%和100%。进一步提高臭氧浓度后，4种污染物的去除率则分别达到100%、100%、95.68%和100%，B/C达到0.46。因此，RPB-O3/Fenton工艺可以作为一种预处理手段，为焦化废水的生化处理提供适宜的条件。

2.1.5其他有机废水处理

C.C.Chang等〔16〕进行了邻苯二甲酸二甲酯的降解研究，发现RPB-O3工艺结合Pt/γ-Al2O3催化剂和紫外光辐照可使TOC的矿化效率从45%提高至68%。C.Y.Chiu等〔17〕研究了RPB-O3工艺对多环芳烃的处理效果，以萘和卞泽30（月桂醇聚氧乙烯醚）分别为模型污染物和表面活性剂的研究表明，卞泽30对萘的去除有显著的不利影响，不添加表面活性剂时，萘在臭氧氧化及气体吹脱的共同作用下降解率可达近100%。刘有智等〔18〕采用RPB-O3/H2O2、RPB-O3/Fe2+和RPB-O3/Fenton等方法对黑索今（RDX）废水进行处理，20min后RDX去除率达到97.5%，出水达国家一级排放标准。郭亮等〔19〕采用RPBO3/H2O2工艺对含硝基苯类化合物炸药废水处理40min后，硝基苯类化合物的去除率可达99%，出水中硝基苯类化合物质量浓度小于3mg/L，达到国家二级排放标准。

上述研究表明超重力技术与高级氧化工艺结合处理有机废水具有良好的效果，这一新工艺尤其适于进行有机废水的预处理，以提高其可生化性，以及对出水水质难于达标的废水进行末端治理。

2.2超重力技术与其他工艺相结合处理有机废水

将超重力法技术与其他强化手段或废水处理技术相结合可使废水的处理效果进一步提高。如采用超声/RPB-O3工艺处理二硝基甲苯（DNT）废水，硝基化合物和COD去除率分别达到94.28%和86.5%〔20〕，如将该工艺与酸析处理相结合，则硝基化合物和COD去除率可达98.6%和94.04%，B/C可达0.68〔21〕。采用超声/RPB-O3工艺处理单偶氮活性艳红X-3B模拟染料废水，10min后脱色率达98%，30min后COD去除率达81.8%〔22〕。将超重力技术与电催化相结合处理含酚废水，苯酚去除率可达99.1%，COD去除率可达24.7%〔23〕。将撞击流与RPB（IS-RPB）相结合处理苯酚废水除酚率可以达到95%以上〔24〕，对于苯胺废水苯胺去除率可以达到99.5%〔25〕。采用酸析+IS-RPB/Fenton工艺预处理DNT生产废水，COD去除率可达98.95%，硝基化合物去除率达98.32%，B/C可达0.65〔26〕。上述耦合工艺处理有机废水虽然具有良好的效果，但工艺较为复杂，动力消耗较高，因此在实际应用中需要慎重考评其经济性。

2.3超重力法气提脱除水体中挥发性有机物

醋酸丁酯是一种常见的挥发性有机物，在其生产和使用过程中会产生大量废水，对废水中的醋酸丁酯进行回收利用，既可以降低生产成本，也是达到环保要求的必然选择。邹海魁等〔27〕采用超重力汽提法进行了处理醋酸丁酯的研究，利用蒸汽脱除废水中的醋酸丁酯，在适宜的工艺条件下，处理后液相出口醋酸丁酯质量分数低于70μg/g，脱除率达到98%以上。与传统的汽提塔相比该技术具有占地面积小、效率高、开停车容易、操作弹性大等优势。

薛翠芳等〔28〕进行了RPB气提处理丙烯腈废水的研究，采用塑料填料和304不锈钢填料的研究结果表明，两种填料对于丙烯腈的去除率均可达60%以上，但不锈钢填料由于具有较大的有效传质表面积、较强的剪切和分散作用、较优的润湿性能，从而比塑料填料的丙烯腈去除率高2.5%～4.8%。

美国密西根州的海岸警卫队采用RPB装置用空气对地下水中的苯类有机物进行吹脱后，污染物由5×10-4～30×10-4g/kg降至1×10-6g/kg左右。该装置正常运转6 a，直到全部被污染的地下水处理完毕〔29〕。K.Gudena等〔30〕也进行了RPB中空气吹脱地下水中三氯乙烯的研究，与传统气提设备相比，RPB在气液比、压降、投资和功耗方面均表现出明显的优势，并提出了工业超重力气提设备的优化方法，以便在挥发性有机物脱除率和成本之间取得平衡。

3　超重力技术在含氨废水处理中的应用

含氨废水能够导致水体富营养化，使藻类过度繁殖，不仅使水质恶化，并且氨被氧化生成的硝酸盐和亚硝酸盐还会影响水生生物和人类健康，因此，含氨废水的处理是目前众多行业面临的迫切问题之一。

在尿素合成工艺过程中存在较大量的工艺解析废水，该废水一般采用深度水解和解吸相结合的方法进行处理，即通过高温高压（350℃，3.8MPa）的深度水解塔将废水中的尿素分解为氨和二氧化碳，再通过解吸塔将氨和二氧化碳脱除。北京化工大学教育部超重力工程研究中心开发了超重力尿素水解工艺，可以在220～230℃，2.4～2.6MPa的较温和条件下，将尿素解析废水中尿素由100mg/L左右降至5 mg/L以下，处理后的水质能够满足中压锅炉用水的要求，不仅具有环境效益，而且还有经济效益和社会效益。该中心还采用超重力汽提技术，将某合成氨厂的铜洗车间含氨废水的氨由20 000～30 000mg/L降至100mg/L以下，在满足了环保要求的同时得到了15%～20%的浓氨水可以利用，解决了困扰企业的一个难题〔31〕。

谷德银等〔32〕采用RPB进行了空气吹脱氨氮废水的研究，发现在温度为10℃，气液比为1 000，pH为11.0，超重力因子为67的条件下，单级氨氮脱除率为43.87%，经过8次循环吹脱后，氨氮脱除率达到90.1%。针对不同的氨氮废水，优化RPB空气吹脱工艺后，单级氨氮脱除率则可达75%～85%〔33〕。

4　超重力技术在“三废”综合治理中的应用

利用超重力技术高度强化传质和混合的特点可以达到废水、废气和固体废弃物综合处理的目的。Baochang Sun等〔34〕针对纯碱工业中产生的大量CaCl2废液开展研究，在研究RPB中耦合吸收NH3和CO2的传质特性基础上，以RPB为反应器，利用模拟CaCl2废液同时吸收NH3和CO2两种气体，不仅可以达到CaCl2废液治理、含氨废气利用和CO2减排等多重环保目的，而且可以生产平均粒径为50nm左右的纳米CaCO3产品，展现出良好的环境效益和经济效益。

Shuyuan Pan等〔35-36〕则针对炼钢行业的碱性冷轧废水（CRW）开展研究，在RPB中利用CRW和碱性氧气转炉（BOF）炉渣吸收CO2，CO2的脱除率可达96%～99%。这一工艺不仅可以达到CO2减排的目的，而且可以通过BOF炉渣的加速碳化使其适于用作建筑材料，同时还能对CRW起到很好的中和作用。

5　超重力技术在水脱氧中的应用

5.1在饮料脱氧中的应用

饮料中含氧会影响饮料的品质，使口感变差，缩短饮料的保质期，因此啤酒、碳酸饮料和果汁等均需要进行脱氧处理。同时，啤酒和碳酸饮料中需要充入CO2（碳酸化）以达到调节风味、提供酸性环境和压力以防腐等目的。传统的工艺是采用CO2吹脱啤酒和碳酸饮料中的氧，可同时实现脱氧和碳酸化的目的，这一工艺可以将溶解氧脱至1.5～2.5mg/L，但会造成CO2的大量浪费，有时CO2的利用率仅为10%。

M.J.Brinn〔37〕采用超重力技术对上述工艺进行了根本的变革。将碳酸饮料的脱氧和碳酸化过程分解为两个工序，先采用超重力技术进行真空脱氧，然后再进行碳酸化处理，这一工艺革新带来了以下几个显著的效果：可以将饮料中的溶解氧降至0.5mg/L以下，仅为原先工艺的1/3至1/5，使产品的保质期延长；消除了原先系统采用CO2脱氧所产生的CO2废气，一般每条生产线每年可节约CO2约1 000 t；由于灌装过程中的起泡现象减轻，碳酸饮料灌装生产线的生产能力提高了25%～50%，同时由于灌装过程中饮料瓶罐液位过高或过低现象的大幅减少，废水和废品也随之减少，因此生产线的生产效率和产品质量均明显提升，生产成本下降。目前这一工艺已在北美和英国的二十多条碳酸饮料生产线中得到应用。

5.2在油田注水脱氧中的应用

在二次采油过程中，通过注水补充地层压力来达到提高原油采收率的目的，注水的氧质量浓度要求小于0.1mg/L，以防止地下管道的腐蚀以及好氧微生物繁殖堵塞油路，因此油田注水脱氧是一项重要的工序。传统工艺通过真空和化学试剂脱氧两段工艺以保证脱氧效果，而超重力技术则提供了一种高效的一段脱氧工艺。

周绪美等〔38〕在实验室研究的基础上，在胜利油田进行了超重力法注水脱氧的工业试验，利用不含氧的天然气解吸水中的氧，在气液比为1.8的条件下RPB可以将水中氧质量浓度从5～6mg/L脱除至0.05mg/L以下，脱氧效率达99%以上。随后进行了工业应用，两台处理量为250 t/h的超重力油田注水脱氧设备已经在胜利油田埕岛二号海上采油平台成功运行，脱氧机的工作压力为0.15～0.20MPa，出口水中氧质量浓度可降至0.03mg/L左右。此技术省去了庞大的真空系统和化学脱氧剂系统，不仅脱氧效果好，而且具有设备体积小、流程简单、运行成本低等优点〔39〕。

5.3在锅炉给水脱氧中的应用

锅炉给水中溶解氧会引起炉管和系统的氧腐蚀，所以必须严格控制给水中的含氧量。一般中、高压锅炉用水主要采用热力法脱氧，需要较高的脱氧温度和添加化学除氧剂以保证脱氧效果。

超重力法锅炉给水脱氧与油田注水脱氧为同样的原理，即使用不含氧气体对水中的溶解氧进行吹脱。陈建铭等〔40〕采用一台处理水量10 t/h的超重机进行了锅炉给水脱氧的现场试验研究，利用工厂的废热蒸汽或低压蒸汽（表压0.3MPa）脱氧，在无化学除氧剂的情况下水的氧质量浓度可降至5.8～6.8 μg/L，达到了中、高压蒸汽锅炉给水含氧量的要求。经过400 h的连续运转，证实了超重力技术具有指标稳定、操作弹性大的特点。另外，传统热力脱氧技术一般都采用0.6～1.0MPa的中压蒸汽，而超重力锅炉水脱氧技术采用0.3MPa以下的低压蒸汽或乏汽，使运行成本大大降低。

6　超重力技术在海水淡化中的应用

我国是一个水资源匮乏的国家，海水淡化已经成为我国解决淡水资源危机的重要途径。王东光等〔41〕提出了将超重力技术应用于低温多效海水淡化过程的设想，搭建了一套超重力海水淡化试验装置，其中海水淡化机主要由RPB组成，在RPB内构建了海水室、换热室、热回收室、气-液交换室、淡水室以及废气回收室等，指出超重力海水淡化工艺有如下优点：结构紧凑，换热与散热面积大；海水在RPB中停留时间短，不易结垢，可提高最高蒸发温度上限；换热管内、外壁液膜薄，气膜阻力小，总传热系数高，产水量高；易拆装，易规模化放大等。该技术可望快速生产大量高纯淡水，为海水淡化提供了一条新颖的技术路线。

易郴等〔42〕也进行了超重力真空海水淡化技术的研究，利用机械能驱动超重力蒸发室旋转形成真空环境实现海水常温淡化，用液封实现真空区域的密封，可降低或节约真空泵能耗，与自然重力真空蒸馏技术相比具有设备紧凑、结构简单等优点，认为该技术是一种适合风能等可再生机械能源直接驱动的、新型常温热法海水淡化技术。

7　结语

超重力技术在多种工业水处理领域的应用已表明这是一项极具发展潜力的新技术。概括而言，该技术在下列水处理工程中会展现出特别的优势：

（1）传质受限的过程。在臭氧高级氧化工艺处理有机废水、挥发性有机物脱除、氨氮废水处理、水脱氧等水处理过程中，气-液传质速率往往对水处理的效率具有重要的影响，因此利用超重力技术对传质的高度强化作用，可以显著提高相关水处理过程的效率和效果。

（2）空间受限的场合。在海上平台、舰船、地下巷道的水处理工程中，或现有水处理工艺改造升级以满足日趋严格的环保要求时，处理工艺的选择往往受制于空间的局限性，超重力设备则由于体积小、效率高的特点可显著节省空间，在这些场合成为一种具有独特优势的水处理装置。

（3）对处理工艺具有苛刻的要求。在处理对象分散、间歇和水量波动大的水处理场合，以及突发的水污染事故处置中，往往对处理工艺和设备的灵活性和适应性提出了较高的要求，利用超重力设备小型、操作简便、操作弹性大的特点可形成一种撬装式水处理装置和灵活快速的处理工艺，在此类场合超重力技术也将发挥传统水处理技术无法取代的作用。

为扩大超重力技术在工业水处理中的应用范围，将来应重点开展下述研究工作。

（1）气-液传质的基础理论研究。目前关于RPB中气-液传质系数的报道往往存在较大的差异，需要建立普适性的传质模型和方法论以指导水处理工程中RPB的设计。

（2）大型超重力设备的开发。在处理量大的水处理工程中需要大型的超重力设备以满足高通量的要求，因此需要探索和掌握大型RPB的设计、密封、动平衡等关键技术。

（3）新型填料的研制。在具有强酸/强碱、高温、高压等环境的水处理工程中，对RPB中填料的耐腐蚀性能和长周期运行的稳定性提出了较高的要求，需要开发能够满足极端环境要求的高性能填料。

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Review on the app lications ofhigh-gravity technology to industrialwater treatment

Shao Lei1，CuiWeisong2
（1.Research Centerof theMinistry ofEducation forHigh Gravity Engineeringand Technology，Beijing University ofChemical Technology，Beijing 100029，China；2.Petrochemical Research Institute，PetroChina，Beijing102206，China）

High-gravity technology createsa simulated high-gravity environmentvia centrifugal force field generated by the rotation of a rotor.Mass transfer can be boosted significantly due to violent turbulence of liquid in such an environment.Thehigh-gravity technology exhibitsuniqueadvantages in the process limited by gas-liquidmass transfer and has been applied to variouswater treatment processeswith good effects.This paper reviews the applications ofhigh-gravity technology to industrialwater treatment fields，such as organic and ammonia-containingwastewater，‘three-waste’treatment，water deoxygenation，and sea water desalination，etc.The characteristics and application prospectof thehigh-gravity technology towater treatment fieldsarealso reviewed.

high-gravity；water treatment；intensification；mass transfer

X703

A

1005-829X（2016）09-0001-06

邵磊（1968—），博士，教授。电话：13641092152，E-mail：shaol@mail.buct.edu.cn。

2016-06-01（修改稿）

高等学校博士学科点专项科研基金（20130010110001）