響應(yīng)面法優(yōu)化絮凝劑加藥工藝的應(yīng)用研究

皮富強(qiáng)

(延長(zhǎng)油田股份有限公司 富縣采油廠，陜西 富縣 727500)

油氣田采出水是油氣田污水的重要組成部分，未經(jīng)處理的油氣田污水具有較高的油層傷害性。油氣田污水處理方法有：重力分離法、過(guò)濾法、化學(xué)絮凝法、氣浮法、生物法等[1]。其中絮凝處理技術(shù)是污水處理的重要技術(shù)手段，該法通過(guò)向污水中投加一定量的化學(xué)物質(zhì)，來(lái)改變或破壞水相中物質(zhì)的電勢(shì)電位，使物質(zhì)發(fā)生吸附、架橋，將微粒雜質(zhì)凝聚成粗大的絮體，然后通過(guò)沉淀、氣浮、過(guò)濾等手段進(jìn)行分離[2]。顆粒產(chǎn)生絮凝需要兩個(gè)基本前提，顆粒間的接觸(碰撞)以及接觸后的聚集。顆粒的接觸并不等于聚集，如果顆粒不具備彼此結(jié)合的能力，接觸后的顆粒會(huì)處于分散狀態(tài)，它取決于絮凝劑的性質(zhì)[3]。選擇合適的絮凝劑對(duì)污水處理效果尤為重要，同時(shí)加藥順序、間隔和攪拌速率等因素對(duì)絮凝效果也起著不可忽略的作用[1]。陳斌等[4]通過(guò)實(shí)驗(yàn)研究得出結(jié)論，先加無(wú)機(jī)絮凝劑聚合氯化鋁(PAC)后加有機(jī)絮凝劑聚丙烯酰胺(PAM)的效果比先加PAM后加PAC的效果好。

在絮凝過(guò)程中，加藥工藝條件對(duì)絮凝效果有顯著影響。多數(shù)污水處理工藝本質(zhì)是以污染物去除率為目標(biāo)函數(shù)的多變量問(wèn)題，因此工藝參數(shù)的優(yōu)化在污水處理中起著至關(guān)重要的作用。單因素試驗(yàn)僅考察單一因素對(duì)響應(yīng)的影響；正交試驗(yàn)雖考察不同因素的綜合影響，但也無(wú)法找到整個(gè)區(qū)域上各因素的最優(yōu)參數(shù)與最優(yōu)響應(yīng)值。響應(yīng)面法利用合理的試驗(yàn)設(shè)計(jì)方法并通過(guò)實(shí)驗(yàn)得到一定數(shù)據(jù)，采用多元二次回歸方程擬合多個(gè)因素與響應(yīng)值之間的函數(shù)關(guān)系，通過(guò)分析回歸方程來(lái)尋求最優(yōu)工藝參數(shù)，解決多變量問(wèn)題。它作為一種有效且廣泛使用的試驗(yàn)設(shè)計(jì)和優(yōu)化技術(shù)，可適應(yīng)不同廢水處理過(guò)程的參數(shù)優(yōu)化[5-7]。

為了從理論上探索并優(yōu)化油氣田采出水絮凝效果，本實(shí)驗(yàn)采用響應(yīng)面法建立模型，優(yōu)化絮凝劑加藥，包括有機(jī)、無(wú)機(jī)絮凝劑加量，加藥間隔及攪拌速率，以采出水透光率響應(yīng)，通過(guò)上述回歸模型分析，對(duì)最佳條件進(jìn)行完善。

1 響應(yīng)面模型的建立

1.1 試驗(yàn)方法

以單因素實(shí)驗(yàn)結(jié)果為依據(jù)，選擇富縣采油廠馬蓮溝長(zhǎng)2采出水為研究對(duì)象，以PAC加量、PAM加量、加藥間隔及攪拌速率為相應(yīng)變量，對(duì)實(shí)驗(yàn)條件進(jìn)行優(yōu)化，采用紫外-可見(jiàn)分光光度計(jì)在600 nm處測(cè)量采出水處理前后的透光率，以透光率為響應(yīng)值，利用Box-Behnken設(shè)計(jì)建立響應(yīng)面實(shí)驗(yàn)。

1.2 試驗(yàn)結(jié)果

進(jìn)行因素水平及編碼設(shè)計(jì)如表1所示，響應(yīng)面的實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)及測(cè)定結(jié)果見(jiàn)表1-2所示。采用Design-Expert.8.0.6.1軟件對(duì)表2的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行多元擬合，得到響應(yīng)值透光率對(duì)無(wú)機(jī)絮凝劑的加量、有機(jī)絮凝劑的加量、加藥間隔與攪拌速率的二次多項(xiàng)式回歸模型方程：

Y=96.44+0.63A+0.99B-0.77C+1.39D-0.15AB-1.80AC+1.85AD-1.43BC-0.050BD-3.38CD-7.09A-4.40B2-7.21C2-2.75D2。

式中：Y為透光率；A為無(wú)機(jī)絮凝劑的加量；B為有機(jī)絮凝劑的加量；C為加藥間隔；D為攪拌速率。

表1 響應(yīng)面實(shí)驗(yàn)因素水平及編碼

表2 響應(yīng)面實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)及測(cè)定結(jié)果

續(xù)上表2

實(shí)驗(yàn)組A/(mg/L)B/(mg/L)C/(s)D/(r/min)Y/(%)191001303098.9201001204093211001303097.922901304092231101.2303090.4241001.2302089251000.8302090.726100130309527100130309428100140209029901302087.5

對(duì)此模型進(jìn)行最優(yōu)分析，并通過(guò)對(duì)響應(yīng)面正交實(shí)驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行顯著性分析去判斷模型方程是否可用，結(jié)果如表3所示。從表可以看出，模型與實(shí)際值的擬合程度達(dá)到93.09%，模型顯著(顯著水平P=0.0113<0.05)，失擬項(xiàng)(P失擬=0.0796>0.05)不顯著，表明回歸模型基本不存在失擬因素，模型的擬合度較好。在實(shí)驗(yàn)因素的定義區(qū)間中，對(duì)采出水的透光率影響大小，攪拌速率>有機(jī)絮凝劑的加量>加藥間隔>無(wú)機(jī)絮凝劑的加量。

表3 回歸模型方程方差分析

2 響應(yīng)面分析與優(yōu)化

為了進(jìn)一步考察A、B、C與D這4種因素對(duì)透光率的影響以及各個(gè)因素之間的交互作用，將其中兩個(gè)因素固定，采用Design-Expert.8.0.6.1軟件繪制響應(yīng)面三維圖和等高線，分析另外兩個(gè)因素及其交互作用對(duì)透光率的影響。等高線的形狀趨于圓形時(shí)，表明響應(yīng)面的因素之間交互作用較小，若趨于橢圓形，則說(shuō)明各因素之間交互作用明顯，各因素的三維圖和等高線如圖1至圖6所示。

2.1 絮凝劑加量及加藥間隔時(shí)間優(yōu)化

由圖1可知，隨著PAC和PAM加量增大，采出污水的透光率隨之增大，當(dāng)PAC的加量為100 mg/L及PAM加量為1 mg/L時(shí)，采出污水的透光率達(dá)到最大，此時(shí)水中的沉淀情況達(dá)到穩(wěn)定。但繼續(xù)增加PAC和PAM加量時(shí)，采出污水的透光率反而下降，這可能是由于過(guò)剩的絮凝劑對(duì)采出水帶來(lái)二次污染。由圖2可知，PAC的加量與加藥間隔對(duì)采出污水存在最佳條件，當(dāng)加藥量不斷增大，加藥間隔對(duì)其的影響先增大后漸漸趨于平緩，當(dāng)加藥量一定，加藥間隔大概在30 s時(shí)，藥劑充分發(fā)揮作用，此時(shí)污水的透光率達(dá)到最大。

圖1 PAM和PAC加量?jī)?yōu)化

圖2 PAC加量與加藥間隔優(yōu)化

2.2 PAC加量與攪拌速度及加藥間隔時(shí)間優(yōu)化

當(dāng)PAC和PAM復(fù)合使用時(shí)，應(yīng)考慮加藥間隔時(shí)間對(duì)絮體生成的影響[8,9]。由圖3可知，攪拌速率與無(wú)機(jī)絮凝劑的加量對(duì)采出污水透光率的影響不是很大，這是因?yàn)镻AC的加入主要是中和電荷，攪拌的目的主要是使藥劑與采出污水混合均勻。由圖4可知，當(dāng)PAM的加量一定時(shí)，隨著加藥間隔逐漸增大，污水的透光率先增大后減小，這是因?yàn)楫?dāng)先加入的PAC剛剛完全作用時(shí)，加入PAM使其沉淀聚集，形成礬花沉淀。隨著時(shí)間的增長(zhǎng)，PAC的作用消退，加入的PAM不能使其完全作用。故當(dāng)PAC與PAM的加量確定后，最佳的加藥間隔應(yīng)在30 s時(shí)，采出污水的透光率達(dá)到最大。

圖3 攪拌速率與PAC加量?jī)?yōu)化

圖4 加藥間隔與PAM加量?jī)?yōu)化

2.3 PAM加量與攪拌速度及加藥間隔時(shí)間優(yōu)化

除了絮凝劑加量對(duì)絮凝效果影響較大以外，攪拌時(shí)間和攪拌速率等攪拌條件對(duì)絮凝劑的絮凝效果也有很大的影響，其主要影響絮凝反應(yīng)過(guò)程、絮凝體生長(zhǎng)及沉降分離過(guò)程[10]。由圖5可知，攪拌速率與PAM的加量對(duì)采污水透光率有一定的影響，當(dāng)PAM的加量一定時(shí)，隨著攪拌速率的不斷提升，采出污水的透光率先增大后減小，說(shuō)明攪拌速率對(duì)采出污水的透光率存在最優(yōu)值。從等高圖中可以看出，攪拌速率和PAM的加量存在一定的交互作用，但交互作用較小。這是因?yàn)楫?dāng)加入PAM后，攪拌速率過(guò)高可能會(huì)將新形成的礬花絮體打碎，使其不容易沉降。從圖6可以看出，當(dāng)加藥間隔一定時(shí)，隨著攪拌速率不斷增加，采出污水的透光率先快速增加，隨后緩慢增加，最后基本趨于平緩。綜合圖5與圖6，攪拌速率選用30 r/min時(shí)，采出污水的透光率達(dá)到最大。因此，可得出使得透光率最大的最佳條件為：PAC加量98.31 mg/L，PAM加量1.02 mg/L，兩者加藥間隔30.02 s，攪拌速率30.41 r/min，在此條件下得到采出水透光率的預(yù)測(cè)值為95.40%。

圖5 攪拌速率與PAM加量?jī)?yōu)化

圖6 攪拌速率與加藥間隔優(yōu)化

3 回歸模型的驗(yàn)證

通過(guò)表3回歸模型的分析，對(duì)最佳條件進(jìn)行修正，針對(duì)馬蓮溝長(zhǎng)2采出水，最終結(jié)果為：PAC(RH-02)的加量為100 mg/L，PAM(ZLGD-01)的加量為1 mg/L，兩者加藥間隔30 s，攪拌速率30 r/min，與單因素實(shí)驗(yàn)探究的最佳條件一致，在該條件下再進(jìn)行3次平行實(shí)驗(yàn)，實(shí)際測(cè)得污水透光率的平均值為98%，結(jié)果與預(yù)測(cè)值95.40%差異較小，說(shuō)明采用響應(yīng)面法優(yōu)化加藥配方及工藝是準(zhǔn)確可靠的。

圖7 馬蓮溝長(zhǎng)2采出水在最佳加藥條件下的絮凝效果圖

4 結(jié)論

針對(duì)馬蓮溝長(zhǎng)2采出水，通過(guò)響應(yīng)面模型建立，再通過(guò)回歸模型分析，修正最優(yōu)條件，發(fā)現(xiàn)當(dāng)PAC(RH-02)的加量為100 mg/L，PAM(ZLGD-01)的加量為1 mg/L，兩者加藥間隔30 s，攪拌速率30 r/min。在該條件下再進(jìn)行3次平行實(shí)驗(yàn)，實(shí)際測(cè)得污水透光率的平均值為98%，與理論值95.40%差異較小，驗(yàn)證了響應(yīng)面法優(yōu)化加藥配方及工藝的可靠性。