钻井泥浆废水混凝处理实验研究

2020-05-25于冬冬钱雅洁刘保江

工业水处理 2020年5期

于冬冬，钱雅洁，刘保江，薛罡，高品

（1.东华大学环境科学与工程学院，上海201620；2.东华大学化学化工与生物工程学院，上海201620）

钻井工程中所产生的大量泥浆废水具有污染负荷高、成分复杂等特点，主要包括悬浮物、黏土、无机盐、以及钻井过程中所使用的添加剂等。泥浆废水组成的复杂程度随着钻井深度的增加而增加，相应的泥浆水处理难度也越来越大〔1-3〕。泥浆废水含水率约为30%～90%，pH偏碱性，若不经处理直接排放会对周围生态环境造成严重污染〔4〕。在工程现场，钻井泥浆废水通常被排入贮水池中，经较长时间的重力沉降固液分离后，上清液进行外排，这一处理方法存在占地面积大、泥水分离效果差、处理时间长等缺点。因此，如何快速有效地将泥浆废水进行固液分离是其处理的关键，分离所得上清液可回用于钻井工程中，减少水资源消耗，而沉淀泥浆在固结处理后可用于烧砖等行业〔5〕。

本研究以天津某钻井作业场地泥浆废水作为研究对象，探讨了不同混凝剂、初始pH和助凝剂聚丙烯酰胺（PAM）对其固液分离的影响，并采用上清液浊度、总有机碳（TOC）、以及泥浆沉降比对比分析固液分离效果，以期为泥浆废水的混凝处理工程实践提供数据支持。

1 材料与方法

1.1 试剂与仪器

试剂：氢氧化钠、七水合硫酸亚铁（FeSO4·7H2O）、盐酸均为分析纯，购自国药集团化学试剂有限公司；PAM（阳离子型、相对分子质量约为900万）、聚合氯化铝（PAC）（Al2O3有效质量分数为28%）、聚合硫酸铁（PFS）（质量分数为10%）均为工业品，由无锡绿达环保工程有限公司提供。

仪器：CM-02SS型台式浊度仪，北京双晖京承电子产品有限公司；pH计，梅特勒-托利多仪器有限公司；multi N/C3100 TOC型总有机碳/总氮分析仪，德国耶拿分析仪器股份公司。

1.2 混凝条件优化实验

泥浆废水采集于天津某钻井作业场地，水质偏碱性，pH约为10.0，含泥量较高，自由沉降30 min后，上清液浊度为100.1 NTU，TOC为48.2 mg/L。

采用FeSO4、PAC、PFS作为混凝剂，分别考察了混凝剂投加量、初始pH和助凝剂PAM对泥浆废水上清液浊度和TOC的去除效果，以及泥浆沉降比的影响，从而优化确定了混凝工艺的最佳运行参数。

1.2.1 不同混凝剂及其投加量对混凝效果的影响

取150 mL泥浆废水于若干烧杯中，分别投加25、50、100、200、400 mg/L 的 FeSO4、PAC、PFS，快速搅拌3 min，静置30 min，固液分离后测定上清液浊度和TOC，同时记录泥浆沉降比。

1.2.2 初始pH对混凝效果的影响

取150 mL泥浆废水于若干烧杯中，使用浓度为1.0 mol/L的盐酸溶液和1.0 mol/L的氢氧化钠溶液调节泥浆废水 pH 分别为 6.0、8.0、9.0、10.0、11.0，加入200 mg/L混凝剂，快速搅拌3 min，静置30 min，固液分离后测定上清液浊度和TOC，同时记录泥浆沉降比。

1.2.3 PAM对混凝效果的影响

取150 mL泥浆废水于若干烧杯中，加入200 mg/L 混凝剂，再分别投加 5、10、15、20、30 mg/L 的PAM，快速搅拌3 min，静置30 min，固液分离后测定上清液浊度和TOC，同时记录泥浆沉降比。

2 结果与讨论

2.1 不同混凝剂及其投加量对混凝效果的影响

考察不同混凝剂及其投加量对泥浆废水混凝效果的影响，结果见图1。

图1 不同混凝剂及其投加量对泥浆废水混凝效果的影响

由图1（a）可知，随着混凝剂投加量的逐渐增大，上清液浊度呈现逐渐下降的趋势（FeSO4除外），且FeSO4和PAC对上清液浊度的去除效果总体优于PFS。当混凝剂投加量为200 mg/L时，FeSO4、PAC混凝处理上清液浊度分别为37.9、38.3 NTU，而当混凝剂投加量增大至400 mg/L时，除PFS对上清液浊度去除有所改善外，FeSO4作为混凝剂时的上清液浊度出现反弹。相比之下，当PAC作为混凝剂，投加量分别为200、400 mg/L时，上清液浊度相对稳定，可维持在40 NTU以下。

由图1（b）可知，混凝处理对泥浆废水TOC同样具有较好的去除效果。上清液TOC去除率随着混凝剂投加量的增大而总体呈现出升高趋势，与FeSO4和PFS相比，PAC对上清液TOC去除效果最好，PAC投加量为100～400 mg/L时对TOC的去除率可保持在91%以上。相比之下，FeSO4混凝对上清液TOC的去除效果最差，TOC去除率约为77%。

由此可见，相比于FeSO4和PFS，采用 PAC对泥浆废水进行混凝处理效果最好，当PAC投加量为200 mg/L时，混凝上清液浊度可降至38.3 NTU，TOC去除率可达91.5%以上，而继续增大PAC投加量对上清液浊度和TOC的去除效果影响不大，这与刘鹏〔6〕在对比筛选铝、铁和镁等无机混凝剂对油田钻井废水混凝处理结果相似。泥浆废水主要是由微米级尺寸、带负电荷的矿物质组分所形成的分散悬浮体系，PAC溶于水后会发生聚合反应生成羟基配合物，具有较大的比表面积，且其所携带的正电荷有利于与带有负电荷的矿物颗粒之间发生静电吸附作用，达到较好的混凝效果〔4〕。

考察不同混凝剂及其投加量对泥浆沉降比和上清液pH的影响，结果见表1。

表1 不同混凝剂及其投加量对泥浆沉降比和上清液pH的影响

由表1可知，PAC对泥浆废水混凝固液分离效果相对较好，当PAC投加量为200 mg/L，静置30 min后，泥浆废水沉降比约为66.7%，上清液pH由初始的10.0降至9.0左右，混凝剂的加入会造成上清液pH的降低，其混凝剂投加量越大，上清液pH降低幅度越大，这主要是由于FeSO4、PAC、PFS本身呈酸性所导致的。因此，在后续实验中，混凝剂投加量均采用200 mg/L进行不同工艺参数的优化。

2.2 初始pH对混凝效果的影响

考察泥浆废水初始pH对不同混凝剂混凝效果的影响，结果见图2。

由图2（a）可知，随着初始pH的增大，FeSO4混凝处理后上清液浊度相应降低，当初始pH从6.0升高至10.0时，上清液浊度可从95.1 NTU降至37.9 NTU。相比之下，当采用PAC作为混凝剂时，初始pH对上清液浊度的去除影响相对较小，当初始pH从6.0升高至10.0时，上清液浊度从41.5 NTU降至38.3 NTU。当初始pH继续从10.0增大至11.0时，FeSO4和PAC混凝对上清液浊度去除的影响很小，基本维持稳定，且效果优于PFS。

图2 初始pH对不同混凝剂混凝效果的影响

由图2（b）可知，PAC对上清液TOC的去除效果始终优于FeSO4和PFS，且初始pH对其影响较小，在不同pH条件下对上清液TOC的去除率均可维持在85%以上，表现出较好的混凝效果。

通常情况下，无机铁盐混凝剂在pH范围为4～11时都会形成絮体，铁离子能与水中的氢氧根离子反应生成 Fe（OH）2和 Fe（OH）3胶体，对泥浆废水中的胶体物质和细小固体颗粒具有较好的捕集分离作用，且废水TOC随着溶液pH的升高而降低〔7〕。无机铝盐混凝剂 PAC 溶于水后会反应生成〔Al6（OH）14〕4+、〔Al8（OH）15〕3+、〔Al13（OH）34〕5+等高价带正电荷的离子，能够有效地与泥浆废水中带有负电荷的黏土颗粒等发生电荷中和反应，强化混凝效果〔5〕。

考察初始pH对泥浆沉降比和上清液pH的影响，结果见表2。

表2 初始pH对泥浆沉降比和上清液pH的影响

由表 2可知，当初始pH为 6.0时，FeSO4、PAC、PFS混凝处理后泥浆沉降比均最小，分别为61.3%、56.0%、61.3%，这可能是因为混凝剂本身生成的氢氧化物沉淀在酸性条件下会发生分解所导致的。当初始pH为10.0时，不同混凝剂混凝处理后的泥浆沉降比较为接近，而继续升高初始pH至11.0时，对泥浆沉降比基本无影响。

2.3 PAM对混凝上清液浊度、TOC及泥浆沉降比的作用影响

PAM作为助凝剂与无机铁盐或铝盐混凝剂联用，已被广泛应用于废水处理中〔8-10〕。为了考察PAM是否能够进一步强化PAC对泥浆废水的混凝效果，本研究实验探讨了在PAC投加量为200 mg/L和初始pH为10.0时，不同PAM投加量对混凝上清液浊度和TOC的去除效果影响，结果见图3。

图3 PAM对泥浆废水混凝效果的影响

由图3可知，当PAM投加量从5 mg/L升高至20 mg/L时，上清液浊度相应从249.7 NTU降低至135.7 NTU，但对上清液TOC总体影响不大。随着PAM投加量继续增大至30 mg/L，上清液浊度和TOC浓度均出现反弹升高趋势。

考察PAM投加量对泥浆沉降比的影响，结果见表3。

表3 PAM投加量对泥浆沉降比的影响

由表3可知，PAM投加量的增大对泥浆沉降比的影响不显著，当PAM投加量从5 mg/L增大至10 mg/L时，泥浆沉降比相应从50%降至33.3%，而继续增大PAM投加量对其无影响。

综上所述，通过实验研究，综合考虑不同混凝剂对上清液浊度和TOC去除效果，以及泥浆沉降比的影响，确定泥浆废水混凝处理最佳参数条件为：PAC作为混凝剂，PAC投加量为200 mg/L，初始pH为10.0（泥浆废水原始pH，无需调节）。在此工艺条件下，混凝处理静置30 min后，上清液浊度可降至38.3 NTU，TOC去除率达91.5%，泥浆沉降比约为66.7%，根据厂家询价，PAC价格按2 600元/t进行核算，则PAC药剂成本约为0.52元/t。需要注意的是，尽管PAM的投加可以有效降低泥浆沉降比，但同时会造成上清液浊度大幅度升高，在实际工程应用时可根据实际情况进行确定，投加时建议投加量为20 mg/L。泥浆废水经混凝处理后，上清液pH为9.0左右，可以满足钻井作业用水要求，因此可集中收集进行回用，沉淀泥浆经脱水后再行资源化处置。