含油含醇污泥脱水性能分析与应用

吴新民，曹 岗，刘 昂，王海蒙，姚 炬

（1.西安石油大学 石油工程学院，陕西 西安 710065； 2.中国石油 长庆油田分公司第二采气厂，陕西 榆林718400； 3.西安建筑科技大学 环境与市政工程学院，陕西 西安 710055）

0 引言

含油含醇污泥为由油包水（W／O）、水包油（O／W）乳化液及悬浮固体等成分组成的稳定悬浮乳状胶体，是气田污水处理过程中产生的伴生物[1-3］，其中含有大量凝析油、甲醇、化学处理剂、无机盐、细菌、腐蚀产物等，对环境危害大，将其直接排放或填埋，不仅占用大量耕地，还导致周围环境污染[4-5］.国内油田对含油污泥的处理与利用处于试验阶段[6］，李凡修等[7］通过对江汉油田某联合站污泥添加絮凝剂PAC和CPAM改善污泥脱水性能；Bock、Srivatsa、Corti等[8-10］分别采用调质-机械脱水工艺回收油的专利技术，通过投加表面活性剂、稀释剂（葵烷等）、电解质（NaCl溶液）或破乳剂（阴离子或非离子）、润湿剂、pH值调节剂等，并辅以加热（至50℃以上）减黏等调质手段，实现油—水—泥三相分离.Shie等[11］利用廉价的铁化合物和铝化合物代替普通催化剂，研究含油污泥高温催化降解特点.由于污泥性质和现场工艺差异，这些方法不适用于陕北某气田含油含醇污泥脱水.文中结合陕北某气田实际情况和含油含醇污泥的性质建立有效处理工艺和流程.文中以调质后含油含醇污泥的浓缩沉降指标分析含油含醇污泥脱水性能，优选适合的絮凝剂配方，为改善污泥处理工艺提供技术支持.

1 实验

1.1 材料

含油含醇污泥样品取自陕北某气田污水处理装置及污水罐的混合泥样.

1.2 试剂和仪器

（1）试剂：石油醚（成都市科龙化工试剂厂）；碳酸钠（西安化学试剂厂）；氧化钙（西安化学试剂厂）；PAC（巩义市荣昌供水材料厂）；PAM（巩义市荣昌供水材料厂）；SC-3（西安化学试剂厂）；SC-4（西安化学试剂厂），均为分析纯.

（2）仪器：激光粒度分析仪Mastersize 2000（英国马尔文仪器有限公司）；马弗炉SX-2.5-10（天津市泰斯特仪器有限公司）；赛多利斯分析天平BSA 2241（北京有限公司）；精密增力电动搅拌器JJ-1（常州国华电器有限公司）.

1.3 方法

1.3.1 组分和粒度分布

（1）现场采集含油含醇污泥样品，密闭带回实验室；样品搅拌均匀后，按天然气行业标准[12-13］分析样品组分.

（2）在500mL的烧杯内移取少量均匀含油含醇污泥样品，用Mastersize 2000激光粒度分析仪测定污泥样品中悬浮固体的粒径，绘制粒度分布曲线，分析含油含醇污泥脱水困难原因.

1.3.2 浓缩沉降实验

在室温下，取含油含醇污泥样品2L，通过电动搅拌器以500r／min的速度搅拌30min；移取150mL搅拌后含油含醇污泥样品至250mL烧杯内，加入不同类型、质量浓度的絮凝剂，用玻璃棒搅拌2min；移取其中100mL样品至量筒静置，观察沉降现象，记录沉降时间、清液和污泥样品体积，确定最合适絮凝剂类型、复配方案和投加剂量.

2 实验

2.1 组分与粒度分布

2.1.1 组分

通过物理、化学方法分析含油含醇污泥样品的密度、含水率、含油率、悬浮固体质量分数，以及铁、钙、镁、硫酸根和铝等无机盐类离子的质量分数，结果见表1.

表1 含油含醇污泥样品组分实验结果Table1 oily sludge samples containing alcohol component experimental results

由表1可知，含油含醇污泥具有性质：（1）密度与水较接近，导致其沉降速度慢、泥水分离效果差；（2）悬浮固体质量分数高，导致污泥脱水系统螺杆泵输泥困难、流量不稳定；（3）含油率高，导致其脱水困难；（4）在悬浮固体中无机盐类以钙、镁离子为主，污泥在高盐环境下具有较高分散稳定性，难以沉降.

2.1.2 粒度分布

采用Mastersize 2000激光粒度分析仪测定含油含醇污泥样品中悬浮固体的粒径，结果见图1.

由图1可知：含油含醇污泥样品中悬浮固体的表面积平均粒径为7.546μm，体积平均粒径为20.489μm，小于30μm的占80%，表明含油含醇污泥粒径过小，导致其沉降速度慢，难以依靠自身重力浓缩脱水；由于含油含醇污泥中悬浮固体的粒径远小于螺压脱水机滤网的孔径，无法直接利用螺压脱水机机械脱水.

图1 含油含醇污泥样品粒度分布Fig.1 The sludge containing oily substance and methanol particle size distribution

2.2 浓缩沉降实验

2.2.1 絮凝剂筛选

絮凝剂包括无机和有机2类，其中无机絮凝剂带正电荷，可中和污泥上所带的负电荷，破坏污泥稳定性及亲水性；有机絮凝剂在污泥颗粒间主要起吸附和架桥作用.选出6种现场常用絮凝剂[14-16］，按照1.3.2方法对含油含醇污泥样品进行浓缩沉降实验，分析不同絮凝剂脱水性能，结果见表2.

由表2可知：（1）在含油含醇污泥样品不加絮凝剂情况下，180min时很少沉降，说明污泥样品仅靠自重很难沉降.（2）无机絮凝剂CaO在120min时没有沉降，180min时，沉降清液2mL，沉降效果差；PAS和PAC在180min时，分别沉降清液16，18mL，原因是PAS和PAC可中和污泥所带负电荷，破坏污泥稳定性及亲水性[6］.（3）有机絮凝剂SC-3、SC-4比PAM沉降效果好，2h时沉降清液大于10mL，原因是SC-3和SC-4在含油含醇污泥颗粒间存在吸附和架桥作用，使污泥絮凝效果好.

表2 不同絮凝剂脱水性能Table2 The different flocculants dehydration performance comparison

2.2.2 絮凝剂复配

单一絮凝剂投加剂量大、浓缩沉降后污泥体积较大、作用时间较长.为使污泥浓缩沉降效果更好，对含油含醇污泥絮凝脱水效果较好的无机絮凝剂PAS、PAC和有机絮凝剂SC-3、SC-4进行复配实验.

按照1.3.2方法在含油含醇污泥样品中加入不同质量浓度的PAC、PAS、SC-3、SC-4组成复配方案的絮凝剂配方，进行浓缩沉降实验，结果见表3.

表3 絮凝剂复配实验结果Table3 Flocculants experimental results

由表3可见：4组配方均有浓缩沉降效果，其中质量浓度为500mg／L的PAC与50mg／L的SC-3组成的配方1相对其他3组配方，对含油污泥样品浓缩沉降效果明显，120min时可使含油含醇污泥样品从100mL浓缩沉降至75mL，含水率为88%左右；随着静置时间延长，浓缩脱水量增加，絮体浓缩体积减小变化量不大，说明该配方可大幅缩短含油含醇污泥样品浓缩沉降时间.

2.2.3 絮凝剂投加量

为确定配方1（见表3）的最佳投加剂量，对投加剂量进行优选实验，结果见图2.

由图2可见：（1）当SC-3投加剂量为30mg／L时，PAC的投加剂量为500mg／L，含油含醇污泥样品浓缩沉降体积最小；增大PAC投加剂量，清液体积略有降低，所以PAC最佳投加剂量为500mg／L.原因是：PAC与含油含醇污泥带互为相反的电荷，一方面，能中和含油含醇污泥中的胶体颗粒的电荷，使污泥胶体脱稳；另一方面，对含油含醇污泥具有一定絮凝架桥作用，超过一定投加剂量，使含油含醇污泥带有一定电荷，重新形成胶体并达到稳定.（2）当PAC投加剂量为500mg／L时，SC-3的最佳投加剂量为40mg／L，此时浓缩沉降体积最小，增大投加剂量清液体积变化不大.原因是有机絮凝剂SC-3具有较强的吸附架桥和分子间缠绕包裹作用，使小颗粒的含油含醇污泥缠绕包裹成大颗粒并迅速下沉，从而提高絮凝沉降脱水效率[9］.确定最佳絮凝剂配方为：PAC投加剂量为500mg／L；SC-3投加剂量为40mg／L.

图2 絮凝剂投加剂量优选实验结果Fig.2 The flocculant dosage preferable experimental results

2.2.4 絮凝剂适应性

为验证含油含醇污泥对采用最佳投加剂量的配方1的浓缩沉降适应性，按照1.3.2实验方法取不同含水率的含油含醇污泥样品进行浓缩沉降实验，对比不同时间含油含醇污泥样品浓缩沉降体积和浓缩沉降后含水率，结果见表4.

表4 不同含水率含油含醇污泥样品浓缩沉降实验结果Table4 Different moisture content of sludge thickening settlement experimental results

由表4可见：（1）不同含水率含油含醇污泥样品经采用最佳投加剂量的配方1处理，含水率均小于90%，体积缩小大于3／10.（2）浓缩沉降2h时间内，可以根据不同含水率对应不同处理时间.

3 现场应用

陕北某气田含油含醇污泥主要来自污水处理系统中的含油含醇污水和反洗水.含油含醇污水和反洗水通过污水缓冲池进入污泥分离池，对油、醇水、泥三相分离，分离的污泥经污泥泵（螺杆泵）处理后进入污泥沉降罐；加入文中配方1及最佳投加剂量絮凝剂浓缩沉降120min，浓缩沉降后污泥经污泥泵处理进入螺压脱水机机械脱水，脱水后的干污泥运出填埋，污水至污水处理系统进行污水处理.现场处理工艺流程见图3，处理效果见图4和表5.

图3 含油含醇污泥处理工艺流程示意Fig.3 Oil-containing alcohol sludge treatment process schematic

含油含醇污泥未加入絮凝剂前，表现为由油包水（W／O）、水包油（O／W）乳化液及悬浮固体等组成的稳定悬浮乳状胶体（见图4（a））.加入絮凝剂后，含油含醇污泥中悬浮固体形成的絮体在重力作用下很快下沉（见图4（b））.原因为：（1）絮凝剂与含油含醇污泥带相反电荷，中和含油含醇污泥所带电荷，使含油含醇污泥脱稳.（2）有机絮凝剂具有较强的吸附架桥和分子间缠绕包裹作用，使小颗粒的含油含醇污泥缠绕包裹成大颗粒并缓慢下沉，且在下降过程中捕集和清扫悬浮颗粒形成较大絮状团下沉，提高絮凝沉降脱水效率.经过螺压脱水机处理后含油含醇污泥含水率低于80%，污泥体积缩小为试验前的1／10，实现含油含醇污泥的减量化（见图4（c）和表5）.

图4 含油含醇污泥现场处理效果Fig.4 Oil-containing alcohol sludge scene processing test results

表5 含油含醇污泥现场处理含水率结果Table5 Different treatment process sludge moisture

4 结论

（1）对陕北某气田含油含醇污泥样品进行物理、化学性质分析，污泥中悬浮颗粒粒径小、沉降速度缓慢，泥水分离效果差.

（2）单一絮凝剂处理含油含醇污泥时，加剂量大、浓缩沉降污泥体积较大，作用时间较长.

（3）复配絮凝剂配方及投加剂量：无机絮凝剂为PAC，最佳投加剂质量浓度为500mg／L；有机絮凝剂为SC-3，最佳投加剂质浓度为40mg／L，絮凝沉降浓缩效果好，形成污泥絮体密实、体积小.

（4）优选配方现场适应性较好，对不同含水率含油含醇污泥样品浓缩沉降效果稳定，污泥含水率低于80%，体积浓缩为试验前的1／10.

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