立式气旋浮设备作为一种高效、紧凑的新型含油污水处理设备,利用旋流分离与气浮分离联用的方式实现油水分离过程。在总结国内外部分典型立式气旋浮设备结构的基础上,自主设计了一种立式两级气旋浮设备,以及一种旋流式微气泡发生器,旨在从微气泡的产生阶段开始,对立式气旋浮设备的紧凑性与分离效率进行全面优化。通过理论计算与CFD数值模拟手段,对旋流式微气泡发生器的结构进行初步设计与优化,最终确定旋流式微气泡发生器的结构参数。经室内实验测试,旋流式微气泡发生器产生的微气泡粒径最小为148μm,清水流量与注气比对气泡粒径分布产生影响;微孔管式微气泡发生器所产生的微气泡最小可达到45μm左右,清水流量、注气比、注气压差影响最终的微气泡粒径分布。优选微孔管式微气泡发生器为立式气旋浮设备的室内实验提供微气泡。通过额定处理量等参数,设计立式两级气旋浮设备的初步结构,之后利用CFD数值模拟结合Plackett-Burman筛选实验设计与响应曲面优化方法,确定立式两级气旋浮设备的最终结构。将去除二次起旋部件的立式单级气旋浮设备与立式两级气旋浮设备进行对比,数值模拟结果显示立式两级气旋浮设备内部的旋流流场更为稳定、均匀;室内实验结果显示两级结构的除油效率在单级结构的基础上提高了 54%左右,且运行成本更低,排油液中含水率更低,利于排油液的后续处理。