陳曦，喻可喆

（1.天津現(xiàn)代職業(yè)技術學院，天津 300350；2.天津科技大學海洋科學與工程學院，天津 300457）

在石油與天然氣的鉆探、鉆井與開采過程中，會產(chǎn)生大量的鉆井廢泥漿。近年來由于石油開采量的不斷增加，鉆井深度的不斷增加，導致鉆井周期延長，以及大量使用磺化泥漿，使得廢泥漿中污染物的濃度越來越高。鉆井廢泥漿成分復雜且十分穩(wěn)定，在鉆井過程中使用的鉆井液多達上百種，含有各種復雜的石油烴 （PHCs）（0.5～3%）、水（90 ～ 99%）、 重金屬和礦物質(zhì) （0.2% ～ 7%）［1］。如果不及時處理鉆井廢泥漿，它將對環(huán)境和人類健康造成重大危害。尤其是在海洋鉆井平臺產(chǎn)生的鉆井廢泥漿，對海洋生態(tài)與環(huán)境造成不可逆的危害［2］。很多國家將鉆井廢泥漿列為危險廢棄物。在對鉆井廢泥漿無害化處理，如：填埋、焚燒、固化、溶解萃取、超聲處理、高溫熱解、光催化、化學處理和生物降解之前［3］，通常要對鉆井廢泥漿進行脫水，以降低鉆井廢泥漿的體積，減少運輸、處理成本。因此，對鉆井廢泥漿進行脫水對后續(xù)的無害化處理至關重要。隨著油田開采程度的不斷加深和環(huán)保力度的加強，如何更加有效、經(jīng)濟地對鉆井廢泥漿脫水成為各油田迫切需要解決的問題。

1 鉆井廢泥漿脫水技術現(xiàn)狀

一般先向污泥中加入化學試劑如絮凝劑和助凝劑，增加泥餅的孔隙度和減少污泥的壓縮系數(shù)，增加污泥的可濾性，然后對污泥采用機械脫水。機械脫水方法包括離心脫水和壓濾脫水，這些方法能脫去污泥中20%～50%的水［1］。為了進一步優(yōu)化污泥脫水效果，國內(nèi)外學者不斷研究污泥脫水技術。

1.1 污泥預處理工藝

通常為使污泥取得深度脫水的效果，研究者在對污泥進行絮凝、機械脫水以及其他工藝脫水之前，先對污泥進行預處理。其目的主要是去除污泥中束縛水的成分，如胞外聚合物、膠狀物質(zhì)等。

一些研究［4］表明，冷凍有助于含油污泥脫水。污泥冷凍處理后，能顯著提高脫水特性，使絮體結構更加緊湊，減少污泥束縛水的含量。由于冰的結構具有高度的有序性和勻稱性，不能容納額外的原子或者顆粒。因此，只要還有水分子，污泥中的冰晶體將持續(xù)增長。污泥中的其他雜質(zhì)和污泥顆粒被壓縮、脫水，趕到冰晶體的邊界。這種技術將污泥絮體轉變?yōu)閴嚎s的形態(tài)，減少污泥中束縛水的含量，使污泥更加適合沉淀和過濾。通常，緩慢的冰凍速率比快速的冰凍速率能使污泥具有更高的脫水能力［5］。

Shuhai Guo等人［6］對含油污泥進行酸化處理，如向含油污泥中加入濃H2SO4，降低含油污泥的pH。含油污泥膠質(zhì)的主要成分是 Al（OH）3，在污泥浮選的過程中，污泥中的水被污泥顆粒、石油、Al（OH）3沉淀形成的膠質(zhì)所捕獲，這部分被捕獲的水分難以被脫去。對含油污泥酸化后，Al（OH）3沉淀被溶解，污泥膠質(zhì)被破壞，被污泥膠質(zhì)捕獲的水得到釋放，從而可提高污泥的脫水性能。

1.2 絮凝劑對污泥脫水

通常，絮凝劑分為三類：無機絮凝劑，如明礬、鐵鹽絮凝劑或者聚合氯化鋁；合成有機絮凝劑，如聚丙烯酰胺派生物；自然絮凝劑，如海藻酸鈉或者微生物絮凝劑。另外，還有自然聚合物派生物，如淀粉派生物；淀粉和殼聚糖交聯(lián)共聚物；腐殖酸；無機-有機復合物，如氫氧化鋁聚丙烯酰胺聚合物。絮體的懸浮性取決于一些物理化學因素，包括顆粒的大小和分散程度，顆粒濃度，懸浮介質(zhì)的pH與離子強度，絮凝劑的分子量與帶電量［7］。絮凝劑通過電中和 （絮凝的產(chǎn)生是由于污泥顆粒之間的靜電排斥力降低了。因此，聚合電解質(zhì)所帶電荷越多，其對污泥顆粒電中和絮凝作用越強。可以用表面電位測量污泥顆粒表面電荷在聚合電解質(zhì)絮凝時的變化。Kleimann等人［8］發(fā)現(xiàn)當電位為零時，聚合電解質(zhì)產(chǎn)生最佳絮凝。）、吸附架橋（聚合電解質(zhì)分子鏈吸附污泥顆粒，形成污泥顆粒首尾連接的循環(huán)結構。兩個污泥顆粒在一個污泥顆粒的首尾連接形成架橋。通常，架橋絮凝的效果與聚合電解質(zhì)的分子量和其分子長度有關［9］。）、壓縮雙電層作用，使污泥顆粒聚集成絮體，翻卷成大絮團，為后續(xù)的機械脫水提高脫水效率。

Xuwei Long等人［1］采用生物表面活性劑鼠李糖脂對油田污泥進行脫水。糖脂類鼠李糖脂表面活性劑包含一個或兩個鼠李糖分子和三個羥基脂肪酸分子，廣泛應用于乳化、洗滌、增溶和分散過程中。研究者發(fā)現(xiàn)，鼠李糖脂在加量為300～1000 mg/L，污泥pH為5～7和溫度為10～60℃時，鼠李糖脂能對穩(wěn)定的含油污泥直接脫出50～80%的水。實驗證明，鼠李糖脂表面活性劑對含油污泥具有脫水的能力，具有出眾的表面活性能，高的可生物降解性，是一種環(huán)境友好型試劑。鼠李糖脂高效的脫水能力與其杰出的表面活性能有關，鼠李糖脂杰出的反乳化作用可提高含油污泥脫水能力，使從含油污泥中分離出的水中的油含量為 10 mg/L，COD 達到 800 mg/L，這些水可以直接流入生物處理系統(tǒng)進行處理。

Jing Zou 等［10］人研制了一種新的無機-有機復合絮凝劑CSSAD，它由玉米淀粉、丙烯酰胺、（2-甲基丙烯酰氧乙基）三甲基氯化銨和二氧化硅膠體溶液混合制成。CSSAD能有效地提高廢鉆井泥漿的脫水能力，在最優(yōu)條件下泥餅的含水率能達到21.34%，比其他絮凝劑有更好的絮凝效果。淀粉是自然原料，是兩種葡萄糖酐的聚合物。淀粉可以被改性，用離子官能團取代淀粉中葡萄糖苷結構中的OH-，可使淀粉轉變?yōu)樾跄齽?。CSSAD具有絮凝效果好、成本低等優(yōu)點。

1.3 助濾劑增強絮體結構

污泥通過絮凝劑絮凝作用形成絮體。為了防止絮體在后階段的機械脫水過程中，絮體結構被壓力破壞、孔隙度減少、可壓縮系數(shù)增大，從而阻礙濾液從泥餅中排出，一般向污泥絮體中加入惰性固體材料，使它形成堅固的三維立體晶格狀結構［11］，變成更緊湊的污泥絮體，保持固相顆粒，允許水流出。有益的絮體結構能夠提高污泥的脫水性能。高分子聚合物與污泥骨架構建者相互作用是改進污泥脫水的一個關鍵因素。

根據(jù)文獻報道［12-15］，粉煤灰、水泥灰、生石灰、熟石灰、細粉煤、甘蔗渣、木屑和小麥渣等能成功地在污泥脫水過程中作為污泥絮體中的骨架建設者。

表1 助濾劑對污泥脫水性能的影響

從表1可以看出，助濾劑能降低污泥比阻、污泥毛細吸水時間和壓縮系數(shù)。盡管表1中部分污泥不是鉆井廢泥漿，但是筆者認為它們的助濾機理相似，因此也能應用于鉆井廢泥漿。

1.4 污泥脫水工藝

1.4.1 電場污泥脫水

電場輔助污泥脫水，也可以叫做電場脫水，是在傳統(tǒng)壓濾脫水機理上結合電場效果，提高泥水固液分離效果，增加最終泥餅干燥程度。電場脫水并不是一個新的工藝，但它在工業(yè)上應用較少。近幾年來，它得到了廣泛的關注，尤其是在微粒污泥、凝膠狀污泥、污水污泥、制藥工業(yè)等領域，不能采用常用的脫水工藝時進行有效的脫水。

電場力學方法是利用一個低強度的直流電通過多孔介質(zhì)兩側的電極，使水相進行電滲，離子與帶電粒子在膠體系統(tǒng)中的電極附近分別進行遷移和電泳，電滲取決于離子與粒子所帶電荷強度。由于在液相表面與固相表面存在雙重電流，帶電粒子或離子在膠體系統(tǒng)中朝帶電性質(zhì)相反的電極移動，因此電滲能在電場條件下去除毛細水。電滲流體的流動方向取決于污泥顆粒的帶電性質(zhì)。例如污泥顆粒帶負電荷，導致水向陰極電極流動；污泥顆粒帶正電荷，導致水向陽極電極流動。這項技術不僅可以脫水，去除多孔介質(zhì)中可溶性離子和電中性的有機物，而且可以去除不溶性的有機物，污泥中的重金屬（去除率達到90%以上）。

Lin Yang、George Nakhla 等［16］人發(fā)現(xiàn)，當電極間距為4 cm，電壓為30 V時，含油污泥脫水效率最高，為56.3%。但其油脂的去除率并不高，因此擴大試驗規(guī)模。當電極間距為22 cm，所加電壓為60 V時，超過40%的水被去除，去除油的效率也非常高。M.Citeau等人［17］采用傳統(tǒng)的壓力裝置與電場相結合對污泥進行脫水：當電流密度為40 A/m2，濾布厚度為 0.74 μm 時，消耗的能量最低；當泥餅厚度為1.82 cm時，泥餅的含水率最低。M.Loginov等人［18］在電場脫水技術中添加石灰，石灰有對污泥加熱的功能，能降低濾液的粘度和增加過濾速度。還有的研究學者將電場脫水與超聲波脫水相結合［19］，超聲能量能產(chǎn)生熱量，增加化學反應程度，降低濾液粘度，在污泥局部產(chǎn)生高溫與高壓，提高水與電極的接觸面積，在濾餅中形成通道，促進水分離開濾餅。

1.4.2 芬頓試劑與助濾劑協(xié)同作用脫水

采用芬頓試劑和助濾劑協(xié)同作用，對污泥能達到深度脫水的效果。污泥含有細菌凝聚團，且細菌凝聚團表面呈片狀。芬頓氧化后，胞外聚合物顆粒被破壞，蛋白質(zhì)和多糖溶解在濾液中的數(shù)量增加。其間，污泥中細菌凝聚團變得更小。加入助濾劑后，不斷改變的環(huán)境使污泥中的微生物衰老和死亡。大量片狀結構消失，多孔性結構取而代之。不規(guī)則惰性物質(zhì)鑲嵌或穿透污泥，促進束縛水轉變?yōu)樽杂伤?，也更進一步減小污泥顆粒的大小。額外的，這些不規(guī)則的惰性物質(zhì)能在高壓下形成一個多孔結構，將壓力轉移到污泥內(nèi)部，為污泥中自由水的排出提供通道。Huan Liu等人［20］研究在最佳芬頓試劑加量下，泥餅含水率能達到49.5±0.5%以下。

2 結論與展望

隨著科學技術的不斷發(fā)展，鉆井廢泥漿脫水工藝更加成熟。根據(jù)鉆井廢泥漿的特性選擇合適工藝進行脫水成為研究學者考慮的問題。對鉆井廢泥漿進行深度脫水一般分四步：第一步，根據(jù)鉆井廢泥漿特性選擇合適的化學試劑對污泥進行預處理；第二步，選擇合適的助濾劑如石膏、粉煤灰等降低污泥比阻，增大泥餅孔隙度；第三步，選擇絮凝劑使污泥形成絮體；第四步，選擇合適的脫水工藝，如離心脫水、壓濾脫水。這四個步驟發(fā)揮協(xié)同作用，可使鉆井廢泥漿取得深度脫水的效果。一些研究者采用電場脫水工藝與其他工藝相結合，也能取得深度脫水的效果。還有一些研究者采用芬頓試劑與助濾劑對污泥進行脫水，效果也很好。

總之，鉆井廢泥漿脫水技術和工藝應朝著低成本、工藝流程簡單、環(huán)保節(jié)能、效益高的方向發(fā)展，為后續(xù)的深化處理奠定基礎。

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