含油污泥調質-三相分離減量化工藝方法研究

宋繁永,傅曉文，季蕾，王加寧，郭書海，李天元，張強

(齊魯工業大學(山東省科學院)，山東省科學院生態研究所，山東省應用微生物重點實驗室，山東 濟南 250103)

石油的開采、生產、煉化等各個階段都會產生含油污泥，這些污泥包含了大量的懸浮固體和油，還包含各種化學添加劑等有害物質，如不及時處理，將會對油田的生產和發展以及周圍環境帶來很多危害[1-3]。隨著國家環保要求的日益嚴格和監管制度的逐步完善，石油化工企業對含油污泥的處理愈加重視,含油污泥減量化、資源化、無害化成為必然的發展趨勢[4-5]。含油污泥成分的復雜性決定了其處理技術的多樣性，但減量化是含油污泥處理的關鍵環節。含油污泥含液率降低之后，可以降低后續污泥處理難度和設備負荷，明顯減少后續處置費用[6]。目前在含油污泥減量化過程中常用的設備為疊螺機或兩相離心機，但脫水后的油泥含水率在70%以上，且無法實現原油的回收[5-6]。本文采用調質-三相分離工藝對含油污泥進行減量化處理，通過化學調質加三相離心機可使含油污泥脫水后的含固率達到40%以上，同時實現油、水、泥的三相分離。文中詳細考察了藥劑種類與用量，加熱溫度、離心轉速與離心時間對含油污泥減量化效果的影響。

1 實驗方法

1.1 含油污泥種類及性質

原油開采和加工過程中產生的含油污泥主要是石油和石油產品在貯罐中沉積的罐底油泥和處理含油廢水過程產生的隔油池底泥、浮渣等[7-10]。本文選取勝利油田某采油廠石油儲罐清罐底泥和勝利油田某煉化廠污水處理池底泥，其具體成分見表1。

表1 含油污泥種類及性質Table 1 Types and properties of oil sludge

1.2 含油污泥調質-三相分離處理工藝

實驗流程見圖1。含油污泥首先經過油浴鍋進行加熱、攪拌，加熱到一定溫度后，先后加入一定量的破乳劑、絮凝劑，攪拌反應30 min后進行離心分離，對分離出的油、水、泥進行分析測試，見圖2。

圖1 含油污泥調質-三相分離實驗流程Fig.1 Flow chart for the experiments

圖2 含油污泥調質-離心分離后樣品示意圖Fig.2 Diagram of oil sludge after separation

1.3 試劑與儀器

破乳劑：油泥高效破乳劑P-A(含NP-10)；專效破乳劑HW-07(含四乙烯五胺聚氧乙烯醚)；絮凝劑：三氯化鐵(FeCl3)，配制成質量分數30%的溶液；陽離子聚丙烯酰胺(CPAM)，配置成質量分數2‰的溶液。RE-52AA型旋轉蒸發器(上海亞榮生化儀器廠)；TP-214型電子天秤(北京塞多利斯儀器系統有限公司)；DF-101S集熱式恒溫加熱磁力攪拌器(鞏義市予華儀器有限責任公司)；TDL-5-A型實驗室離心機(上海安亭科學儀器廠)；OIL460型紅外測油儀(北京華夏科創儀器技術有限公司)。

2 結果與討論

2.1 藥劑種類與用量對含油污泥減量化效果的影響

含油污泥乳化狀態穩定，直接進行離心處理無法實現油、泥、水的分離，因此需要運用物理、化學方法對其進行調質處理，破壞其乳化狀態，促使油、泥、水的分離。本文中采用加熱-加入化學藥劑的方法對含油污泥進行調質。傳統的藥劑選擇均為單一的破乳劑組合或者單一的絮凝劑組合，本文中考察了不同的破乳劑與不同的絮凝劑進行組合的效果。將含油污泥加熱到70oC，設定離心機轉速為4 000 r/min，離心時間設定為10 min[1,6-7]，實驗中考察了8種藥劑組合，分別編號(括號中為投加藥劑質量分數)為1#P-A(1%)、2#HW-07(1%)、3#FeCl3(1%)、4#CPAM(1%)、5#P-A(1%)+FeCl3(1%)、6 #HW-07(1%)+FeCl3(1%)、7 #P-A(1%)+CPAM(1%)、；8#HW-07(1%)+CPAM(1%)。根據離心后出泥中的含油率、含水率、含固率對含油污泥減量化效果進行評價，結果見圖3。

圖3 不同種類藥劑組合對含油污泥減量化效果的影響Fig.3 Effect of different agent types combinations on reduction of oily sludge

從圖3中可以看出，無論針對污水廠底泥還是清罐底泥，單純添加破乳劑或絮凝劑時含油污泥的減量化效果較差，破乳劑與絮凝劑配合使用可明顯提高含油污泥的減量化效果。這是因為含油污泥溶液充分乳化，污泥顆粒表面吸附同種電荷，性質穩定，使得油、水、泥分離比較困難。由于破乳劑的界面活性高于乳狀液中成膜物質的界面活性，加入破乳劑后能在相界面上吸附，并且與原油中的成膜物質形成具有比原來界面膜強度更低的混合膜，因此導致油水界面膜破壞，將膜內水釋放出來，水滴互相聚結形成大水滴沉降到底部，達到破乳的目的[11]。加入絮凝劑主要是通過吸附架橋或網捕、卷掃等作用使污泥顆粒聚集并生成絮團，進一步加強油、水、泥的分離效果[12]。

清罐底泥的含油率以及乳化程度均高于污水處理廠底泥，因此經過相同調質處理后，其分離出泥中含固率均低于污水廠底泥，含油率均高于污水廠底泥。在圖3中還可看出，基于出泥中的含油率可以判斷出，破乳劑P-A的破乳效果要優于HW-07。編號7#、8#測試結果中，添加P-A的污水廠底泥和清罐底泥中出泥含油率可低至2%、4%；而添加HW-07的污水廠底泥和清罐底泥中出泥含油率為2.4%、4.5%，說明在分離過程中添加破乳劑P-A可以將含油污泥中更多的油分離出來。

基于出泥中的含固率可以判斷出，針對本文中的兩種含油污泥，絮凝劑CPAM的絮凝效果要優于FeCl3。編號5#、7#結果中，同樣添加1%的破乳劑P-A，使用FeCl3作為絮凝劑的污水廠底泥和清罐底泥中出泥含固率分別為30%與26%；而使用CPAM作為絮凝劑的污水廠底泥和清罐底泥中出泥含固率則分別達到40%與31%。

2.2 破乳劑的不同用量對含油污泥減量化效果的影響

根據2.1中結論，破乳劑與絮凝劑需要配合使用才能達到較好的減量化效果。將含油污泥加熱溫度設為70oC，離心機轉速設定為4 000 r/min，離心時間設定為10 min，以CPAM(添加量1%)作為絮凝劑，分別研究了破乳劑P-A和HW-07的不同用量對含油污泥減量化效果的影響，結果見圖4與圖5。

圖4 不同P-A加量對含油污泥分離后泥中含油率的影響Fig.4 Effect of different P-A dosage on oil content in sludge

圖5 不同HW-07加量對含油污泥分離后泥中含油率的影響Fig.5 Effect of different HW-07 dosage on oil content in sludge

由圖4可知，隨著破乳劑P-A加量的增加，污水廠底泥與清罐底泥分離后出泥中含油率逐漸降低，但在P-A加量超過1%以后，泥中含油率趨于穩定并且在超過2%以后略有上升趨勢，因此P-A的最佳用量為1～1.5%。不同用量破乳劑HW-07對含油污泥調質-三相分離后出泥中含油率的影響趨勢與破乳劑P-A類似，由圖5可知其最佳用量為1%。

2.3 絮凝劑的不同用量對含油污泥減量化效果的影響

設定加熱溫度為70oC，離心機轉速為4 000 r/min，離心時間為10 min，以P-A(添加量1%)作為絮凝劑，分別研究了不同添加量的絮凝劑P-A和HW-07對含油污泥減量化效果的影響，結果見圖6與圖7。

由圖6可知，隨著絮凝劑CPAM加量的增加，污水廠底泥與清罐底泥分離后出泥中含固率呈現先升高后降低的趨勢，CPAM的最佳用量為1.5%，CPAM的用量超過2%以后出泥中含固率出現明顯的下降趨勢。不同用量絮凝劑FeCl3對含油污泥調質-三相分離后出泥中含固率的影響趨勢與破乳劑P-A類似，由圖7可知其最佳用量為2%～2.5%。

圖6 不同CPAM加量對含油污泥減量化效果的影響Fig.6 Effect of different CPAM dosage on the reduction of oil sludge

圖7 不同FeCl3加量對含油污泥減量化效果的影響 Fig.7 Effect of different FeCl3 dosage on the reduction of oil sludge

2.4 工藝參數對含油污泥減量化效果的影響

2.4.1 不同溫度對含油污泥分離效果的影響

通過上述實驗確定破乳劑需要與絮凝劑配合使用才能得到最佳的含油污泥減量化效果，最佳藥劑組合和用量為P-A(1%)+CPAM(1.5%)。在離心機轉速為4 000 r/min，離心時間10 min的情況下，研究了不同溫度下含油污泥的減量化效果，結果見圖8。

從圖8可知，隨著溫度的升高，含油污泥三相分離后出泥的含固率逐漸升高，減量化效果逐漸提高。污水廠底泥和清罐底泥在80 ℃時出泥含固率分別達到40%和34%，遠遠高于20 ℃時的10%和12%。隨著溫度的升高，含油污泥粘度降低，油水分離趨勢增強[13]。超過80 ℃以后，溫度的升高對含油污泥減量化的影響基本不大，因此反應溫度應控制在80 ℃。

圖8 不同溫度下含油污泥減量化效果Fig.8 Reducing effect of oily sludge at different temperatures

2.4.2 不同轉速對分離效果的影響

在藥劑組合和用量為P-A(1%)+ CPAM(1.5%)，加熱溫度為80 ℃，離心時間為10 min的基礎上，研究了離心機不同轉速對含油污泥減量化效果的影響，分別測試了在離心轉速為2 000、3 000、4 000、5 000、6 000 r/min下含油污泥分離后泥中含固率的變化，結果見圖9。

從圖9中可見，隨著離心機的轉速逐漸升高，分離后出泥中的含固率逐漸提高，減量化效果不斷增強。污水廠底泥和清罐底泥分離后的出泥含固率分別從2 000 r/min的24%和20%升高到4 000 r/min時的41%和34%。經過加熱-加藥劑預處理之后，含油污泥中的乳化狀態已經被打破，油、水、泥已經彼此分開，需要借助離心機的離心力進行加速分離，轉速越大，離心力越大，分離效果越好。超過4 000 r/min后，再提高轉速已經不能進一步促進含油污泥的減量化效果，因此最佳離心速度為4 000 r/min。

圖9 不同轉速下含油污泥減量化效果Fig.9 Reducing effect of oily sludge at different speeds

2.4.3 不同離心時間對分離效果的影響

在藥劑組合和用量為P-A(1%)+ CPAM(1.5%)，加熱溫度為80 ℃，離心速度為4 000 r/min的基礎上，研究了離心機不同離心時間對含油污泥減量化效果的影響，結果見圖10。

從圖10可知，隨著離心時間的增加，含油污泥調質-三相分離后的出泥含固率有明顯提高，污水廠底泥和清罐底泥分離后的出泥含固率分別從2 min的25%和20%升高到10 min時的39%和33%。乳化狀態被打破的含油污泥，游離的油分子、水分子和泥顆粒在離心力的作用下實現聚集、分層。當離心時間超過10 min后，再延長離心時間對進一步提高含油污泥的減量化效果作用很小，因此最佳離心時間為10 min。

圖10 不同離心時間下含油污泥減量化效果Fig.10 Reducing effect of oily sludge at different centrifugal time

3 結語

含油污泥性質穩定、乳化充分、不易分離，采用加熱同時添加破乳劑與絮凝劑可實現含油污泥的破乳，促進油、水、泥的分開，再通過離心分離的方式即可實現良好的減量化效果。

破乳劑P-A(1%)配合絮凝劑CPAM(1.5%)使用，可使污水廠底泥和清罐底泥經調質-三相分離后的出泥含固率分別達到40%和31%。由實驗得知，調質-三相分離工藝中反應溫度應為不低于80 ℃，離心速度不低于4 000 r/min，離心時間不低于10 min。