煤層氣污水處理方法分析與研究

張景輝 羅 雷 張惠南 王 軍 張永琪 苗存龍

(中國石油華北油田山西煤層氣勘探開發(fā)分公司，山西 048000)

1 煤層氣污水系統(tǒng)處理流程及工作原理

1.1 煤層氣污水處理系統(tǒng)關(guān)鍵設(shè)備及作用

圖1 污水處理系統(tǒng)流程框圖

新型污水處理系統(tǒng)采用的是先過濾再吸附的工藝流程，設(shè)備由5個(gè)部分組成：刮油機(jī)、快速過濾器、兩級(jí)油水分離器和活性炭過濾器，如圖1所示。原水靜置后首先由刮油機(jī)將表層浮油刮掉，然后經(jīng)快速過濾器過濾，再經(jīng)油水分離器分離油份，最后經(jīng)過活性炭濾器過濾后排放。快速過濾器每個(gè)單體為一個(gè)過濾單元，使用了特殊的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)配合使用一種新型的過濾材料，運(yùn)轉(zhuǎn)時(shí)需過濾的水流入壓緊的濾料，經(jīng)濾料過濾后，由水收集器流出，完成過濾程序。當(dāng)濾料截留物質(zhì)增多，水頭損失加大時(shí)，需要反沖洗。首先氣缸將壓板提起，然后反沖水從水收集器流入松散的濾料，清洗濾料后流出。

1.2 污水處理系統(tǒng)工作原理

本系統(tǒng)的油水分離器采用潤濕凝結(jié)的原理制作。其機(jī)制就是將水中細(xì)小的油滴在材料的表面聚集長大后從材料表面分離上升到水體表面從而實(shí)現(xiàn)分離,這種分離方法可以達(dá)到很高的精度。解決了常規(guī)油水分離器無法解決的問題。因?yàn)橛筒蝗苡谒蟛糠值挠驮谒惺且愿∮蛯拥男问酱嬖凇５徊糠钟褪且苑稚⒂汀⑷榛秃腿芙庥托问酱嬖?還有部分是以油-固體懸浮物形式存在)。這部分油不易從水中分離出來，采取一般的分離方法分離的能力有限。

該系統(tǒng)運(yùn)用的是粗粒化原理中的潤濕聚結(jié)方式。粗粒化原理：根據(jù)Stock’s定律

Vt=kD2

其中：Vt—油滴在水中的上升速度；k—常數(shù)(與水溫、油黏度等因素有關(guān))；D—油滴的直徑。

從公式中可以看出，油滴在水中的上升速度是和油滴直徑的平方成正比的。根據(jù)有關(guān)理論，固體材料對(duì)液體有著不同的潤濕度，兩相在接觸面體現(xiàn)出不同的潤濕角，當(dāng)液體中的兩相在同一表面潤濕角之差大于70度時(shí)(α-β>70°)，兩相可以分離。親油疏水的材料的表面，油滴被大量吸引，得以粗粒化。

新型濾芯的核心技術(shù)是纖維材料的分子改性技術(shù)。纖維經(jīng)過改性之后具有親油疏水的表面特性。通過光學(xué)顯微鏡(OLYMPUS BX41)觀察改性前與改性后纖維在不同進(jìn)水情況下表面的變化情況，可以說明纖維的吸油性能，如圖2所示。改性纖維先捕獲油珠，然后油珠在纖維表面聚結(jié)，聚結(jié)到一定程度，在纖維表面形成一層油膜。

圖2 改性前、后纖維原狀對(duì)比圖

2 煤層氣污水化驗(yàn)結(jié)果分析

通過對(duì)污水的送檢化驗(yàn)得知污水中各組分的原始含量如表1。

表1 污水組分檢驗(yàn)結(jié)果

之后，我們又對(duì)污水中含有的固體雜質(zhì)進(jìn)行了深入的檢測(cè)。

由紅外光譜分析可知，樣品中主要為無機(jī)物質(zhì)(圖3)。

圖3 樣品的紅外光譜圖

圖4 樣品及灰分的ESD譜圖

由ESD分析可知，樣品中主要含有C、O、S、Fe等元素(圖4)。

由XRD譜圖分析可知，樣品中含有硫酸鐵、鐵粉、碳、硫磺等物質(zhì)，樣品灰分中主要含有氧化鐵等物質(zhì)。

由以上分析可知，污水中含有石油類物質(zhì)、硫酸鐵、鐵粉、碳、硫磺等物質(zhì)，組分多樣，但要想很好對(duì)其進(jìn)行凈化處理，首先要考慮石油類物質(zhì)，即隨壓縮機(jī)排出的乳化油。為此，我們會(huì)同生產(chǎn)廠家一起，考慮增設(shè)了一臺(tái)刮油機(jī)，待生產(chǎn)污水靜置24小時(shí)油水徹底分層以后，使用鋼帶式刮油機(jī)將其表面的浮油刮掉，然后抽出污水進(jìn)行處理。這樣就大大減少了污油對(duì)改性纖維的污染，延長使用壽命，提高處理效果，降低更換濾芯濾料的使用成本。

3 結(jié)論

3.1 人機(jī)交互界面設(shè)計(jì)

本系統(tǒng)的運(yùn)行通過PLC進(jìn)行控制，可以顯示各閥門的狀態(tài)和各傳感器數(shù)值。通過運(yùn)行一段時(shí)間后，該控制系統(tǒng)能夠滿足現(xiàn)場(chǎng)的手動(dòng)和自動(dòng)控制需求。進(jìn)入控制界面可以對(duì)設(shè)備進(jìn)行模式切換、強(qiáng)制排油、強(qiáng)制排污和強(qiáng)制觸發(fā)反沖操作。也可以進(jìn)行參數(shù)設(shè)定和報(bào)警信息查詢。系統(tǒng)開機(jī)后，默認(rèn)的運(yùn)行狀態(tài)為手動(dòng)狀態(tài)，點(diǎn)擊“自動(dòng)”、“手動(dòng)”進(jìn)行切換。

3.2 試運(yùn)行過程中發(fā)現(xiàn)的問題

通過實(shí)際運(yùn)行發(fā)現(xiàn)，處理后的凈化水能夠滿足現(xiàn)場(chǎng)環(huán)保要求。但仍存在幾個(gè)小問題需要下一步改進(jìn)，一是刮油機(jī)刮出的油純度不高；二是分離出油泥提升和處理困難。

考慮本系統(tǒng)的運(yùn)行條件，計(jì)劃在現(xiàn)有的基礎(chǔ)上進(jìn)行改造，將原來的生活調(diào)節(jié)污水池改造為二次刮油池，即經(jīng)過一次刮油后的油不裝桶，直接進(jìn)入二次刮油池。然后經(jīng)過加藥(破乳劑)，靜置再刮油，試驗(yàn)證明經(jīng)過破乳后刮出的油含油量在80%以上。

針對(duì)分離出油泥提升和處理困難問題，添置了疊螺機(jī)，主要有三部分構(gòu)成，包括污泥提升泵、加藥機(jī)、疊螺裝置。目的是將提升上來的污泥加藥絮凝以后擠干水分，形成泥餅進(jìn)行再利用。

4 實(shí)驗(yàn)及數(shù)據(jù)分析

通過第三方檢測(cè)公司對(duì)凈化水的送檢，得出技術(shù)改造前后凈化水各項(xiàng)檢測(cè)指標(biāo)對(duì)比如表2所示。

表2 技術(shù)改造前后凈化水各項(xiàng)檢測(cè)指標(biāo)對(duì)比表

通過上述實(shí)驗(yàn)的數(shù)據(jù)可以看出，通過技術(shù)改造以后，原來處理完的凈化水中不合格項(xiàng)目都已經(jīng)達(dá)到小于標(biāo)準(zhǔn)限值，符合《GB 8978—1996污水綜合排放標(biāo)準(zhǔn)》中一級(jí)標(biāo)準(zhǔn)限值，達(dá)到了預(yù)期目的。