钻井废泥浆脱水处理技术研究进展与展望

陈曦，喻可喆

（1.天津现代职业技术学院，天津 300350；2.天津科技大学海洋科学与工程学院，天津 300457）

在石油与天然气的钻探、钻井与开采过程中，会产生大量的钻井废泥浆。近年来由于石油开采量的不断增加，钻井深度的不断增加，导致钻井周期延长，以及大量使用磺化泥浆，使得废泥浆中污染物的浓度越来越高。钻井废泥浆成分复杂且十分稳定，在钻井过程中使用的钻井液多达上百种，含有各种复杂的石油烃 （PHCs）（0.5～3%）、水（90 ～ 99%）、 重金属和矿物质 （0.2% ～ 7%）［1］。如果不及时处理钻井废泥浆，它将对环境和人类健康造成重大危害。尤其是在海洋钻井平台产生的钻井废泥浆，对海洋生态与环境造成不可逆的危害［2］。很多国家将钻井废泥浆列为危险废弃物。在对钻井废泥浆无害化处理，如：填埋、焚烧、固化、溶解萃取、超声处理、高温热解、光催化、化学处理和生物降解之前［3］，通常要对钻井废泥浆进行脱水，以降低钻井废泥浆的体积，减少运输、处理成本。因此，对钻井废泥浆进行脱水对后续的无害化处理至关重要。随着油田开采程度的不断加深和环保力度的加强，如何更加有效、经济地对钻井废泥浆脱水成为各油田迫切需要解决的问题。

1 钻井废泥浆脱水技术现状

一般先向污泥中加入化学试剂如絮凝剂和助凝剂，增加泥饼的孔隙度和减少污泥的压缩系数，增加污泥的可滤性，然后对污泥采用机械脱水。机械脱水方法包括离心脱水和压滤脱水，这些方法能脱去污泥中20%～50%的水［1］。为了进一步优化污泥脱水效果，国内外学者不断研究污泥脱水技术。

1.1 污泥预处理工艺

通常为使污泥取得深度脱水的效果，研究者在对污泥进行絮凝、机械脱水以及其他工艺脱水之前，先对污泥进行预处理。其目的主要是去除污泥中束缚水的成分，如胞外聚合物、胶状物质等。

一些研究［4］表明，冷冻有助于含油污泥脱水。污泥冷冻处理后，能显著提高脱水特性，使絮体结构更加紧凑，减少污泥束缚水的含量。由于冰的结构具有高度的有序性和匀称性，不能容纳额外的原子或者颗粒。因此，只要还有水分子，污泥中的冰晶体将持续增长。污泥中的其他杂质和污泥颗粒被压缩、脱水，赶到冰晶体的边界。这种技术将污泥絮体转变为压缩的形态，减少污泥中束缚水的含量，使污泥更加适合沉淀和过滤。通常，缓慢的冰冻速率比快速的冰冻速率能使污泥具有更高的脱水能力［5］。

Shuhai Guo等人［6］对含油污泥进行酸化处理，如向含油污泥中加入浓H2SO4，降低含油污泥的pH。含油污泥胶质的主要成分是 Al（OH）3，在污泥浮选的过程中，污泥中的水被污泥颗粒、石油、Al（OH）3沉淀形成的胶质所捕获，这部分被捕获的水分难以被脱去。对含油污泥酸化后，Al（OH）3沉淀被溶解，污泥胶质被破坏，被污泥胶质捕获的水得到释放，从而可提高污泥的脱水性能。

1.2 絮凝剂对污泥脱水

通常，絮凝剂分为三类：无机絮凝剂，如明矾、铁盐絮凝剂或者聚合氯化铝；合成有机絮凝剂，如聚丙烯酰胺派生物；自然絮凝剂，如海藻酸钠或者微生物絮凝剂。另外，还有自然聚合物派生物，如淀粉派生物；淀粉和壳聚糖交联共聚物；腐殖酸；无机-有机复合物，如氢氧化铝聚丙烯酰胺聚合物。絮体的悬浮性取决于一些物理化学因素，包括颗粒的大小和分散程度，颗粒浓度，悬浮介质的pH与离子强度，絮凝剂的分子量与带电量［7］。絮凝剂通过电中和 （絮凝的产生是由于污泥颗粒之间的静电排斥力降低了。因此，聚合电解质所带电荷越多，其对污泥颗粒电中和絮凝作用越强。可以用表面电位测量污泥颗粒表面电荷在聚合电解质絮凝时的变化。Kleimann等人［8］发现当电位为零时，聚合电解质产生最佳絮凝。）、吸附架桥（聚合电解质分子链吸附污泥颗粒，形成污泥颗粒首尾连接的循环结构。两个污泥颗粒在一个污泥颗粒的首尾连接形成架桥。通常，架桥絮凝的效果与聚合电解质的分子量和其分子长度有关［9］。）、压缩双电层作用，使污泥颗粒聚集成絮体，翻卷成大絮团，为后续的机械脱水提高脱水效率。

Xuwei Long等人［1］采用生物表面活性剂鼠李糖脂对油田污泥进行脱水。糖脂类鼠李糖脂表面活性剂包含一个或两个鼠李糖分子和三个羟基脂肪酸分子，广泛应用于乳化、洗涤、增溶和分散过程中。研究者发现，鼠李糖脂在加量为300～1000 mg/L，污泥pH为5～7和温度为10～60℃时，鼠李糖脂能对稳定的含油污泥直接脱出50～80%的水。实验证明，鼠李糖脂表面活性剂对含油污泥具有脱水的能力，具有出众的表面活性能，高的可生物降解性，是一种环境友好型试剂。鼠李糖脂高效的脱水能力与其杰出的表面活性能有关，鼠李糖脂杰出的反乳化作用可提高含油污泥脱水能力，使从含油污泥中分离出的水中的油含量为 10 mg/L，COD 达到 800 mg/L，这些水可以直接流入生物处理系统进行处理。

Jing Zou 等［10］人研制了一种新的无机-有机复合絮凝剂CSSAD，它由玉米淀粉、丙烯酰胺、（2-甲基丙烯酰氧乙基）三甲基氯化铵和二氧化硅胶体溶液混合制成。CSSAD能有效地提高废钻井泥浆的脱水能力，在最优条件下泥饼的含水率能达到21.34%，比其他絮凝剂有更好的絮凝效果。淀粉是自然原料，是两种葡萄糖酐的聚合物。淀粉可以被改性，用离子官能团取代淀粉中葡萄糖苷结构中的OH-，可使淀粉转变为絮凝剂。CSSAD具有絮凝效果好、成本低等优点。

1.3 助滤剂增强絮体结构

污泥通过絮凝剂絮凝作用形成絮体。为了防止絮体在后阶段的机械脱水过程中，絮体结构被压力破坏、孔隙度减少、可压缩系数增大，从而阻碍滤液从泥饼中排出，一般向污泥絮体中加入惰性固体材料，使它形成坚固的三维立体晶格状结构［11］，变成更紧凑的污泥絮体，保持固相颗粒，允许水流出。有益的絮体结构能够提高污泥的脱水性能。高分子聚合物与污泥骨架构建者相互作用是改进污泥脱水的一个关键因素。

根据文献报道［12-15］，粉煤灰、水泥灰、生石灰、熟石灰、细粉煤、甘蔗渣、木屑和小麦渣等能成功地在污泥脱水过程中作为污泥絮体中的骨架建设者。

表1 助滤剂对污泥脱水性能的影响

从表1可以看出，助滤剂能降低污泥比阻、污泥毛细吸水时间和压缩系数。尽管表1中部分污泥不是钻井废泥浆，但是笔者认为它们的助滤机理相似，因此也能应用于钻井废泥浆。

1.4 污泥脱水工艺

1.4.1 电场污泥脱水

电场辅助污泥脱水，也可以叫做电场脱水，是在传统压滤脱水机理上结合电场效果，提高泥水固液分离效果，增加最终泥饼干燥程度。电场脱水并不是一个新的工艺，但它在工业上应用较少。近几年来，它得到了广泛的关注，尤其是在微粒污泥、凝胶状污泥、污水污泥、制药工业等领域，不能采用常用的脱水工艺时进行有效的脱水。

电场力学方法是利用一个低强度的直流电通过多孔介质两侧的电极，使水相进行电渗，离子与带电粒子在胶体系统中的电极附近分别进行迁移和电泳，电渗取决于离子与粒子所带电荷强度。由于在液相表面与固相表面存在双重电流，带电粒子或离子在胶体系统中朝带电性质相反的电极移动，因此电渗能在电场条件下去除毛细水。电渗流体的流动方向取决于污泥颗粒的带电性质。例如污泥颗粒带负电荷，导致水向阴极电极流动；污泥颗粒带正电荷，导致水向阳极电极流动。这项技术不仅可以脱水，去除多孔介质中可溶性离子和电中性的有机物，而且可以去除不溶性的有机物，污泥中的重金属（去除率达到90%以上）。

Lin Yang、George Nakhla 等［16］人发现，当电极间距为4 cm，电压为30 V时，含油污泥脱水效率最高，为56.3%。但其油脂的去除率并不高，因此扩大试验规模。当电极间距为22 cm，所加电压为60 V时，超过40%的水被去除，去除油的效率也非常高。M.Citeau等人［17］采用传统的压力装置与电场相结合对污泥进行脱水：当电流密度为40 A/m2，滤布厚度为 0.74 μm 时，消耗的能量最低；当泥饼厚度为1.82 cm时，泥饼的含水率最低。M.Loginov等人［18］在电场脱水技术中添加石灰，石灰有对污泥加热的功能，能降低滤液的粘度和增加过滤速度。还有的研究学者将电场脱水与超声波脱水相结合［19］，超声能量能产生热量，增加化学反应程度，降低滤液粘度，在污泥局部产生高温与高压，提高水与电极的接触面积，在滤饼中形成通道，促进水分离开滤饼。

1.4.2 芬顿试剂与助滤剂协同作用脱水

采用芬顿试剂和助滤剂协同作用，对污泥能达到深度脱水的效果。污泥含有细菌凝聚团，且细菌凝聚团表面呈片状。芬顿氧化后，胞外聚合物颗粒被破坏，蛋白质和多糖溶解在滤液中的数量增加。其间，污泥中细菌凝聚团变得更小。加入助滤剂后，不断改变的环境使污泥中的微生物衰老和死亡。大量片状结构消失，多孔性结构取而代之。不规则惰性物质镶嵌或穿透污泥，促进束缚水转变为自由水，也更进一步减小污泥颗粒的大小。额外的，这些不规则的惰性物质能在高压下形成一个多孔结构，将压力转移到污泥内部，为污泥中自由水的排出提供通道。Huan Liu等人［20］研究在最佳芬顿试剂加量下，泥饼含水率能达到49.5±0.5%以下。

2 结论与展望

随着科学技术的不断发展，钻井废泥浆脱水工艺更加成熟。根据钻井废泥浆的特性选择合适工艺进行脱水成为研究学者考虑的问题。对钻井废泥浆进行深度脱水一般分四步：第一步，根据钻井废泥浆特性选择合适的化学试剂对污泥进行预处理；第二步，选择合适的助滤剂如石膏、粉煤灰等降低污泥比阻，增大泥饼孔隙度；第三步，选择絮凝剂使污泥形成絮体；第四步，选择合适的脱水工艺，如离心脱水、压滤脱水。这四个步骤发挥协同作用，可使钻井废泥浆取得深度脱水的效果。一些研究者采用电场脱水工艺与其他工艺相结合，也能取得深度脱水的效果。还有一些研究者采用芬顿试剂与助滤剂对污泥进行脱水，效果也很好。

总之，钻井废泥浆脱水技术和工艺应朝着低成本、工艺流程简单、环保节能、效益高的方向发展，为后续的深化处理奠定基础。

［1］Long X， Zhang G， Han L， et al.Dewatering of floated oily sludge by treatment with rhamnolipid ［J］.Water research， 2013，47：4303-4311.

［2］Bakke T， Klungsyr J，Sanni S.Environmental impacts of produced water and drilling waste discharges from the Norwegian offshore petroleum industry ［J］.Marine environmental research，2013，92：154-169.

［3］Hu G， Li J， Zeng G.Recent development in the treatment of oily sludge from petroleum industry：A review［J］.Journal of hazardous materials， 2013， 261： 470-490.

［4］Buyukkamaci N， Kucukselek E.Improvement of dewatering capacity of a petrochemical sludge ［J］.Journal of hazardous materials， 2007， 144（1）： 323-327.

［5］Tuan P A， Sillanpää M.Effect of freeze/thaw conditions， polyelectrolyte addition， and sludge loading on sludge electro-dewatering process ［J］.Chemical Engineering Journal， 2010， 164（1）： 85-91.

［6］Guo S， Li G， Qu J， et al.Improvement of acidification on dewaterability of oily sludge from flotation［J］.Chemical Engineering Journal， 2011， 168（2）： 746-751.

［7］Thapa K B，Qi Y，Hoadley A F A.Interaction of polyelectrolyte with digested sewage sludge and lignite in sludge dewatering［J］.Colloids and Surfaces A： Physicochemical and Engineering Aspects， 2009， 334（1）： 66-73.

［8］Kleimann J， Gehin-Delval C， Auweter H， et al.Superstoichiometric charge neutralization in particle-polyelectrolyte systems ［J］.Langmuir， 2005， 21 （8）： 3688-3698.

［9］Von Homeyer A，Krentz D O，Kulicke W M，et al.Optimization of the polyelectrolyte dosage for dewatering sewage sludge suspensions by means of a new centrifugation analyser with an optoelectronic sensor［J］.Colloid and Polymer Science， 1999， 277（7）： 637-645.

［10］Zou J， Zhu H， Wang F， et al.Preparation of a newinorganic-organic composite flocculant used in solid-liquid separation for waste drilling fluid［J］.Chemical Engineering Journal， 2011， 171（1）： 350-356.

［11］Zhao Y Q.Enhancement of alum sludge dewatering capacity by using gypsum as skeleton builder ［J］.Colloids and Surfaces A：Physicochemical and Engineering Aspects， 2002， 211（2）： 205-212.

［12］Jing S R，Lin Y F，Lin Y M，et al.Evaluation of effective conditioners for enhancing sludge dewatering and subsequent detachment from filter cloth ［J］.Journal of Environmental Science＆ Health Part A，1999，34（7）： 1517-1531.

［13］Lee D， Jing S， Lin Y.Using seafood waste as sludge conditioners［J］.Water Science ＆ Technology， 2001，44（10）： 301-307.

［14］Zhao Y Q， Bache D H.Conditioning of alum sludge with polymer and gypsum ［J］.Colloids and Surfaces A： Physicochemical and Engineering Aspects， 2001，194（1）： 213-220.

［15］Ning X， Luo H， Liang X， et al.Effects of tannery sludge incineration slag pretreatment on sludge dewaterability ［J］. Chemical Engineering Journal，2013，221： 1-7.

［16］Yang L， Nakhla G， Bassi A.Electro-kinetic dewatering of oily sludges［J］.Journal of hazardous materials，2005， 125（1）： 130-140.

［17］Citeau M， Olivier J， Mahmoud A， et al.Pressurised electro-osmotic dewatering of activated and anaerobically digested sludges：Electrical variables analysis［J］.Water research， 2012， 46（14）： 4405-4416.

［18］Loginov M，Citeau M，Lebovka N，et al.Electro-dewatering of drilling sludge with liming and electrode heating ［J］.Separation and Purification Technology，2013，104： 89-99.

［19］Mahmoud A， Olivier J， Vaxelaire J， et al.Electrical field：A historical review of its application and contributions in wastewater sludge dewatering［J］.Water research， 2010， 44（8）： 2381-2407.

［20］H Liu， J Yang， N Zhu， H Zhang，et al.A comprehensive insight into the combined effects of Fenton’s reagent and skeleton builders on sludge deep dewatering performance ［J］.Journal of Hazardous Materials，2013， 258-259：144-150.