高含水油泥調質—離心工藝參數優化室內實驗*

中國石油新疆油田公司

含油污泥是指在石油開采、運輸、煉制及含油污水處理過程中產生的含油固體廢物[1]，危害性極大。含油污泥中存在對人體危害極大的芳香烴類物質，以及急劇降低土壤酶的活性、干擾作物生長的油類物質，散落的含油污泥大量隨意堆放對地表水、地下水等水體構成極大的威脅，同時也阻礙了石油工業的發展[2-3]。

針對含油污泥減量化處理，當前的研究主要集中在調質脫水技術。朱義朝[4]研究表明，三氯化鐵、CPAM 和生石灰三種藥劑復合處理含油污泥，調質效果良好，并且可使泥餅中含水率下降至70.3%。余蘭蘭[5]等研究表明，破乳劑SP、絮凝劑CPAM、明礬三種藥劑在最佳處理條件下脫油率可達到90%以上。脫水設備主要有帶式壓濾機、板框式脫水機、疊螺機和離心機等。調質脫水是一種比較成熟的處理技術，脫水效果關鍵在于化學藥劑的種類與用量的選定、脫水機械類型的選擇以及脫水機械運行參數的確定[6-7]，本文研究的調質—離心工藝是調質脫水的一種方式，是指在含油污泥中投加一定量的聚丙烯酰胺（CPAM），通過電荷中和、網絡架橋作用，調整污泥顆粒的界面性狀和排列狀態，然后通過離心機脫水，此方式可有效降低污泥的含水率，使含水率從90%以上降低到80%以下[8-10]。

現場生產中將CPAM 的加量控制在3 mg/L，調質時間控制在30 s 左右，脫水機出泥含水率達到85%～90%，高于脫水機的正常脫泥含水率（75%～80%），后續污泥處理成本巨大。室內實驗模擬現場采用CPAM作為調質藥劑，湘儀離心機作為脫水設備。

1 含油污泥性質

實驗污泥樣品取自污泥濃縮池，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

一般認為比阻在109～1010s2/g 的污泥為難過濾的污泥，比阻在0.5×109～0.9×109s2/g的污泥過濾難度為中等，比阻小于0.4×109s2/g 的污泥容易過濾。

2 實驗

2.1 試劑與儀器

實驗試劑：離子型聚丙烯酰胺（相對分子質量1 200 萬，離子度60～80，白色粉末）；除硫劑（體積分數30%，無色液態，防止硫化氫，與陽離子型聚丙烯酰胺、含油污泥配伍性良好），含油污泥樣品。

實驗儀器：恒溫磁力攪拌器、古氏漏斗、湘儀離心機、移液管、秒表。

實驗條件：室溫，pH值7.5～8.0（模擬現場）。

2.2 方法

（1）樣品預處理。在取好的污泥樣品中按現場配比加入除硫劑，配制含油污泥母液（后述含油污泥均指含油污泥母液）。

稱取0.1 g 陽離子型聚丙烯酰胺固體粉末溶于100 mL 純水中，配制成0.1%（體積分數）的陽離子型聚丙烯酰胺母液備用。

（2）確定最佳沉降時間。取100 mL 含油污泥并加入0.3 mL 陽離子型聚丙烯酰胺母液，攪拌5 min后靜置。

（3）最佳攪拌速度與攪拌時間。取4份100 mL的含油污泥并分別加入0.5 mL陽離子型聚丙烯酰胺母液，然后分別以不攪拌直接靜置、100 r/min 及200 r/min 的速度攪拌1 min 后靜置、200 r/min 的速度攪拌2 min后靜置進行處理。

（4）確定最佳絮凝濃度。取4份100 mL的含油污泥分別加入陽離子型聚丙烯酰胺母液0.3、0.4、0.5、0.6 mL，攪拌1 min后靜置。

（5）測定污泥比阻。將上述調理的100 mL 污泥混合樣均勻倒入古氏漏斗內，靜置1 min，直至漏斗底部不再有濾液流出，開啟真空泵，至額定真空度（0.05 MPa）時，開始記錄濾液體積，每隔15 s 記錄1 次，直至漏斗中污泥層出現裂縫，真空被破壞為止[11]。

（6）確定最佳轉速與脫水時間。取9份100 mL的含油污泥樣品并分別加入0.5 mL的陽離子型聚丙烯酰胺母液，攪拌1 min 后靜置10 min。然后將9份樣品分別以2 500 r/min、3 000 r/min、3 500 r/min的攪拌速度離心2 min、4 min、6 min，之后取底部泥樣采用蒸餾法測定含水率。

3 結果與分析

3.1 絮凝沉降實驗

3.1.1 最佳沉降時間的確定

不同沉降時間對應的上濾液體積變化如圖1所示。含油污泥顆粒在CPAM的作用下，油珠及污泥顆粒表面的附著水轉化為游離水，污泥顆粒聚集成團隨藥劑一起沉降，沉降后所得的上清液體積可作為污泥表面附著水轉化為游離水的一個指標[12]。由圖1 可知，沉降0～10 min 時，上濾液體積不斷增大，說明污泥表面的自由水不斷脫除上浮；沉降10～14 min 時，上濾液體積增幅放緩，說明污泥表面大部分自由水已脫除。由此確定最佳沉降時間為10 min。

圖1 不同沉降時間對應的上濾液體積變化Fig.1 Volume change of upper filtrate corresponding to different settling times

3.1.2 最佳攪拌速度與攪拌時間

不同靜置時間對應的上濾液體積如圖2 所示。對于等量的藥劑投加，攪拌速度與攪拌時間影響含油污泥與CPAM 反應的充分程度[13]。由圖2 可知，攪拌速度越大，攪拌時間越長，污泥與藥劑反應更充分，上濾液體積越大，反之越小。對比未經攪拌和攪拌處理的樣品，未經攪拌處理的樣品在靜置1～3 min 內，上濾液體積無變化。而經攪拌處理的含油污泥靜置1～10 min，上濾液體積均一直增加，說明含油污泥與藥劑反應后含油污泥表面的自由水不斷脫落。對比攪拌轉速100 r/min（1 min）和200 r/min（1 min）可知，轉速200 r/min（1min）在1～10 min 時，上濾液體積一直大于100 r/min（1 min） 下的體積，說明在200 r/min（1 min）條件下藥劑與污泥反應更充分。對比200 r/min（1 min）和200 r/min（2 min）可知，兩者在1～10 min時上濾液體積變化差別不大，說明在兩種條件下藥劑與污泥反應均充分。由此確定攪拌轉速為200 r/min，攪拌時間為1 min。

圖2 不同靜置時間對應的上濾液體積Fig.2 Volume of upper filtrate corresponding to different standing times

3.1.3 絮凝濃度分析

對于陽離子型聚丙烯酰胺母液加藥量，每加入0.1 mL，相當于固體藥劑添加1 mg/L。后述加藥量為固體藥劑相對含油污泥的加藥量。

不同加藥濃度對應的絮體沉降狀況如表2 所示。含油污泥中的不同藥劑加量均可使絮體沉降，但是沉降的絮體大小、絮體松散度、沉降速度不同[14]。由表2 可知，污泥加藥量為3 mg/L、4 mg/L產生的絮體較加藥量為5 mg/L、6 mg/L產生的絮體小，松散且沉降速度慢。原因是前者加藥量偏小，使污泥顆粒絮凝程度不夠。污泥加藥量為5 mg/L比6 mg/L產生的絮體較密實。原因是后者相較于前者加藥偏大，藥劑中和污泥表面的負電荷后使絮體表面帶正電荷，絮體產生排斥作用。

圖3 不同加藥量對應的上濾液體積Fig.3 Volume of upper filtrate corresponding to different dosage

不同加藥量對應的上濾液體積如圖3所示。由圖3可知，隨靜置時間的延長，上濾液體積不斷增大且最終趨于穩定。沉降1～10 min時，污泥加藥量為5 mg/L 的上濾液體積較加藥量為3 mg/L、4 mg/L、6 mg/L 大，且在沉降10 min 時達到最大。分析可知，污泥加藥量為3 mg/L、4 mg/L相較于5 mg/L加藥不足，含油污泥與藥劑雖充分反應，但污泥顆粒表面的吸附水無法完全脫除。加藥量6 mg/L相較于5 mg/L，藥劑加量偏多，CPAM 分子的自身纏繞使其調質能力降低，污泥顆粒表面的吸附水無法完全脫除。最終確定CPAM加藥量為5 mg/L時較優，含油污泥的脫水效果達到最好。

3.1.4 污泥比阻確定

不同加藥量對應的污泥比阻及比阻降低率如表3 所示。由表3 可知，不同加藥濃度的污泥樣品在沉降10 min后，含油污泥的比阻均達到了易過濾的標準。

表2 不同加藥濃度對應的絮體沉降狀況Tab.2 Settlement of flocs corresponding to different dosing concentrations

表3 不同加藥量對應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 離心實驗

不同離心轉速與離心時間對應的含油污泥含水率及不同轉速、時間下的污泥含水率變化如圖4、表4所示。隨著離心時間的延長，各轉速對應的污泥含水率總體呈下降趨勢[15]。由圖4 可知，離心2～4 min 時污泥脫水速率較快，離心4～6 min 時脫水較慢，且在離心6 min 時，含水率降到最低值。由圖4、表4 可知，轉速3 500 r/min（6 min）對應的污泥含水率最低，其次是3 000 r/min（6 min）、2 500 r/min （6 min）。但3 500 r/min（6 min）與3 000 r/min（6 min）下的污泥含水率差別不大，從節能的角度考慮可選取3 000 r/min作為離心機的實際轉速。

圖4 不同離心轉速與離心時間對應的含油污泥含水率Fig.4 Water content of oily sludge corresponding to different centrifugal speeds and centrifugation times

4 經濟分析

加藥量3 mg/L 與5 mg/L 經濟參數如表5 所示。聯合站當前CPAM 加藥量為3 mg/L（干劑濃度），出泥含水率達85%～90%，處理成本約732萬元/年。若加藥方式改為5 mg/L，雖然將加藥量由3 mg/L變為5 mg/L 每年的加藥成本升高了17.28 萬元，但污泥含水率降低使污泥處理成本降低了321.53萬元/年，綜合處理成本減低了約304.25 萬元/年，證明優化后的藥劑加藥量對于降低成本來說是可行的。

表4 不同轉速、時間下的污泥含水率變化Tab.4 Changes of sludge moisture content at different speeds and times

表5 加藥量3 mg/L與5 mg/L經濟參數對比Tab.5 Comparison of the economic parameters at the dosage of 3 mg/L and 5 mg/L

5 結論

（1）通過預處理、攪拌、絮凝沉降實驗得出：加藥量5 mg/L，并以200 r/min 速度攪拌1 min，靜置10 min，污泥的沉降效果達到最佳。

（2）通過離心實驗確定了離心轉速為3 000 r/min，最佳離心時間為6 min，此時含水率較低，且經濟性較好。

（3）調質—離心工藝是含油污泥減量化的重要舉措，通過改進此工藝參數可以降低污泥的產量，節省處理成本，對節能減排、提質增效具有重要意義。