高含水油泥调质—离心工艺参数优化室内实验*

中国石油新疆油田公司

含油污泥是指在石油开采、运输、炼制及含油污水处理过程中产生的含油固体废物[1]，危害性极大。含油污泥中存在对人体危害极大的芳香烃类物质，以及急剧降低土壤酶的活性、干扰作物生长的油类物质，散落的含油污泥大量随意堆放对地表水、地下水等水体构成极大的威胁，同时也阻碍了石油工业的发展[2-3]。

针对含油污泥减量化处理，当前的研究主要集中在调质脱水技术。朱义朝[4]研究表明，三氯化铁、CPAM 和生石灰三种药剂复合处理含油污泥，调质效果良好，并且可使泥饼中含水率下降至70.3%。余兰兰[5]等研究表明，破乳剂SP、絮凝剂CPAM、明矾三种药剂在最佳处理条件下脱油率可达到90%以上。脱水设备主要有带式压滤机、板框式脱水机、叠螺机和离心机等。调质脱水是一种比较成熟的处理技术，脱水效果关键在于化学药剂的种类与用量的选定、脱水机械类型的选择以及脱水机械运行参数的确定[6-7]，本文研究的调质—离心工艺是调质脱水的一种方式，是指在含油污泥中投加一定量的聚丙烯酰胺（CPAM），通过电荷中和、网络架桥作用，调整污泥颗粒的界面性状和排列状态，然后通过离心机脱水，此方式可有效降低污泥的含水率，使含水率从90%以上降低到80%以下[8-10]。

现场生产中将CPAM 的加量控制在3 mg/L，调质时间控制在30 s 左右，脱水机出泥含水率达到85%～90%，高于脱水机的正常脱泥含水率（75%～80%），后续污泥处理成本巨大。室内实验模拟现场采用CPAM作为调质药剂，湘仪离心机作为脱水设备。

1 含油污泥性质

实验污泥样品取自污泥浓缩池，其含水率、含油率、含固率如表1所示。

表1 污泥特性Tab.1 Sludge characteristics

一般认为比阻在109～1010s2/g 的污泥为难过滤的污泥，比阻在0.5×109～0.9×109s2/g的污泥过滤难度为中等，比阻小于0.4×109s2/g 的污泥容易过滤。

2 实验

2.1 试剂与仪器

实验试剂：离子型聚丙烯酰胺（相对分子质量1 200 万，离子度60～80，白色粉末）；除硫剂（体积分数30%，无色液态，防止硫化氢，与阳离子型聚丙烯酰胺、含油污泥配伍性良好），含油污泥样品。

实验仪器：恒温磁力搅拌器、古氏漏斗、湘仪离心机、移液管、秒表。

实验条件：室温，pH值7.5～8.0（模拟现场）。

2.2 方法

（1）样品预处理。在取好的污泥样品中按现场配比加入除硫剂，配制含油污泥母液（后述含油污泥均指含油污泥母液）。

称取0.1 g 阳离子型聚丙烯酰胺固体粉末溶于100 mL 纯水中，配制成0.1%（体积分数）的阳离子型聚丙烯酰胺母液备用。

（2）确定最佳沉降时间。取100 mL 含油污泥并加入0.3 mL 阳离子型聚丙烯酰胺母液，搅拌5 min后静置。

（3）最佳搅拌速度与搅拌时间。取4份100 mL的含油污泥并分别加入0.5 mL阳离子型聚丙烯酰胺母液，然后分别以不搅拌直接静置、100 r/min 及200 r/min 的速度搅拌1 min 后静置、200 r/min 的速度搅拌2 min后静置进行处理。

（4）确定最佳絮凝浓度。取4份100 mL的含油污泥分别加入阳离子型聚丙烯酰胺母液0.3、0.4、0.5、0.6 mL，搅拌1 min后静置。

（5）测定污泥比阻。将上述调理的100 mL 污泥混合样均匀倒入古氏漏斗内，静置1 min，直至漏斗底部不再有滤液流出，开启真空泵，至额定真空度（0.05 MPa）时，开始记录滤液体积，每隔15 s 记录1 次，直至漏斗中污泥层出现裂缝，真空被破坏为止[11]。

（6）确定最佳转速与脱水时间。取9份100 mL的含油污泥样品并分别加入0.5 mL的阳离子型聚丙烯酰胺母液，搅拌1 min 后静置10 min。然后将9份样品分别以2 500 r/min、3 000 r/min、3 500 r/min的搅拌速度离心2 min、4 min、6 min，之后取底部泥样采用蒸馏法测定含水率。

3 结果与分析

3.1 絮凝沉降实验

3.1.1 最佳沉降时间的确定

不同沉降时间对应的上滤液体积变化如图1所示。含油污泥颗粒在CPAM的作用下，油珠及污泥颗粒表面的附着水转化为游离水，污泥颗粒聚集成团随药剂一起沉降，沉降后所得的上清液体积可作为污泥表面附着水转化为游离水的一个指标[12]。由图1 可知，沉降0～10 min 时，上滤液体积不断增大，说明污泥表面的自由水不断脱除上浮；沉降10～14 min 时，上滤液体积增幅放缓，说明污泥表面大部分自由水已脱除。由此确定最佳沉降时间为10 min。

图1 不同沉降时间对应的上滤液体积变化Fig.1 Volume change of upper filtrate corresponding to different settling times

3.1.2 最佳搅拌速度与搅拌时间

不同静置时间对应的上滤液体积如图2 所示。对于等量的药剂投加，搅拌速度与搅拌时间影响含油污泥与CPAM 反应的充分程度[13]。由图2 可知，搅拌速度越大，搅拌时间越长，污泥与药剂反应更充分，上滤液体积越大，反之越小。对比未经搅拌和搅拌处理的样品，未经搅拌处理的样品在静置1～3 min 内，上滤液体积无变化。而经搅拌处理的含油污泥静置1～10 min，上滤液体积均一直增加，说明含油污泥与药剂反应后含油污泥表面的自由水不断脱落。对比搅拌转速100 r/min（1 min）和200 r/min（1 min）可知，转速200 r/min（1min）在1～10 min 时，上滤液体积一直大于100 r/min（1 min） 下的体积，说明在200 r/min（1 min）条件下药剂与污泥反应更充分。对比200 r/min（1 min）和200 r/min（2 min）可知，两者在1～10 min时上滤液体积变化差别不大，说明在两种条件下药剂与污泥反应均充分。由此确定搅拌转速为200 r/min，搅拌时间为1 min。

图2 不同静置时间对应的上滤液体积Fig.2 Volume of upper filtrate corresponding to different standing times

3.1.3 絮凝浓度分析

对于阳离子型聚丙烯酰胺母液加药量，每加入0.1 mL，相当于固体药剂添加1 mg/L。后述加药量为固体药剂相对含油污泥的加药量。

不同加药浓度对应的絮体沉降状况如表2 所示。含油污泥中的不同药剂加量均可使絮体沉降，但是沉降的絮体大小、絮体松散度、沉降速度不同[14]。由表2 可知，污泥加药量为3 mg/L、4 mg/L产生的絮体较加药量为5 mg/L、6 mg/L产生的絮体小，松散且沉降速度慢。原因是前者加药量偏小，使污泥颗粒絮凝程度不够。污泥加药量为5 mg/L比6 mg/L产生的絮体较密实。原因是后者相较于前者加药偏大，药剂中和污泥表面的负电荷后使絮体表面带正电荷，絮体产生排斥作用。

图3 不同加药量对应的上滤液体积Fig.3 Volume of upper filtrate corresponding to different dosage

不同加药量对应的上滤液体积如图3所示。由图3可知，随静置时间的延长，上滤液体积不断增大且最终趋于稳定。沉降1～10 min时，污泥加药量为5 mg/L 的上滤液体积较加药量为3 mg/L、4 mg/L、6 mg/L 大，且在沉降10 min 时达到最大。分析可知，污泥加药量为3 mg/L、4 mg/L相较于5 mg/L加药不足，含油污泥与药剂虽充分反应，但污泥颗粒表面的吸附水无法完全脱除。加药量6 mg/L相较于5 mg/L，药剂加量偏多，CPAM 分子的自身缠绕使其调质能力降低，污泥颗粒表面的吸附水无法完全脱除。最终确定CPAM加药量为5 mg/L时较优，含油污泥的脱水效果达到最好。

3.1.4 污泥比阻确定

不同加药量对应的污泥比阻及比阻降低率如表3 所示。由表3 可知，不同加药浓度的污泥样品在沉降10 min后，含油污泥的比阻均达到了易过滤的标准。

表2 不同加药浓度对应的絮体沉降状况Tab.2 Settlement of flocs corresponding to different dosing concentrations

表3 不同加药量对应的污泥比阻及比阻降低率Tab.3 Different sludge specific resistance and specific resistance reduction rate corresponding to different dosage

3.2 离心实验

不同离心转速与离心时间对应的含油污泥含水率及不同转速、时间下的污泥含水率变化如图4、表4所示。随着离心时间的延长，各转速对应的污泥含水率总体呈下降趋势[15]。由图4 可知，离心2～4 min 时污泥脱水速率较快，离心4～6 min 时脱水较慢，且在离心6 min 时，含水率降到最低值。由图4、表4 可知，转速3 500 r/min（6 min）对应的污泥含水率最低，其次是3 000 r/min（6 min）、2 500 r/min （6 min）。但3 500 r/min（6 min）与3 000 r/min（6 min）下的污泥含水率差别不大，从节能的角度考虑可选取3 000 r/min作为离心机的实际转速。

图4 不同离心转速与离心时间对应的含油污泥含水率Fig.4 Water content of oily sludge corresponding to different centrifugal speeds and centrifugation times

4 经济分析

加药量3 mg/L 与5 mg/L 经济参数如表5 所示。联合站当前CPAM 加药量为3 mg/L（干剂浓度），出泥含水率达85%～90%，处理成本约732万元/年。若加药方式改为5 mg/L，虽然将加药量由3 mg/L变为5 mg/L 每年的加药成本升高了17.28 万元，但污泥含水率降低使污泥处理成本降低了321.53万元/年，综合处理成本减低了约304.25 万元/年，证明优化后的药剂加药量对于降低成本来说是可行的。

表4 不同转速、时间下的污泥含水率变化Tab.4 Changes of sludge moisture content at different speeds and times

表5 加药量3 mg/L与5 mg/L经济参数对比Tab.5 Comparison of the economic parameters at the dosage of 3 mg/L and 5 mg/L

5 结论

（1）通过预处理、搅拌、絮凝沉降实验得出：加药量5 mg/L，并以200 r/min 速度搅拌1 min，静置10 min，污泥的沉降效果达到最佳。

（2）通过离心实验确定了离心转速为3 000 r/min，最佳离心时间为6 min，此时含水率较低，且经济性较好。

（3）调质—离心工艺是含油污泥减量化的重要举措，通过改进此工艺参数可以降低污泥的产量，节省处理成本，对节能减排、提质增效具有重要意义。