馬 逍,陳建義,遲浩迪,張忠智,張志勇

鉆井污水懸浮液的氣浮處理研究

馬 逍,陳建義*,遲浩迪,張忠智,張志勇

(中國石油大學,重質(zhì)油國家重點實驗室,過程流體過濾與分離技術北京市重點實驗室,北京 102249)

為了實現(xiàn)鉆井污水的達標外排或回注,通過氣浮法考察了停留時間和氣泡直徑對鉆井污水化學需氧量(COD)和懸浮物(SS)的去除效果,并重點分析了粒級效率.結果表明,氣浮停留時間30min的條件下,鉆井污水COD去除率可穩(wěn)定在90%左右,SS去除率可穩(wěn)定在94%左右;氣泡粒度分布與懸浮物顆粒粒度分布重合度越高,COD和SS去除率越高;氣浮可有效去除直徑20μm以上的懸浮物,且粒級效率曲線呈“魚鉤”狀.

氣??；鉆井污水；粒度分布；粒級效率

油氣井鉆探過程會產(chǎn)生大量鉆井污水,它也是油氣田開發(fā)領域的主要污染物之一[1-2].據(jù)統(tǒng)計全國油氣田每年產(chǎn)生廢棄鉆井液約1×106t[3].鉆井污水成分復雜,主要包括鉆屑、潤滑油、阻垢劑等[4].鉆井污水處理難度大,色度、COD和SS較高,并且含有一定濃度的石油,通常超標幾十到幾百倍,不采取無害化處理可能導致對人類和環(huán)境的直接或間接傷害[5].

氣浮因其良好的處理效果廣泛應用于污水處理領域[6-11].王浩等[12]分析了破乳劑、絮凝劑以及助凝劑的種類和投加量對煤化工含石蠟廢水氣浮效果的影響,處理后污水COD和濁度的去除率分別為30.34%和96.40%.張敏等[13]采用氣浮工藝對初始COD和SS為82和29mg/L的煉化污水進行了處理,溶氣壓力、回流比和停留時間均處于最佳條件時,COD和SS去除率分別為39.13%和51.85%. 雖然氣浮已廣泛應用于煉化、煤化工和印染等領域,但需指出,鉆井污水與其他領域有所不同.一方面是,鉆井污水中初始COD和SS值較高,且不同井之間差異較大[14].另一方面,鉆井污水中懸浮物顆粒直徑通常在1～100μm,且懸浮物成分復雜[15].這些差異造成了鉆井污水處理難度大,且對處理方法和效果還未得到廣泛的驗證.已有研究[16-17]對鉆井污水進行實驗處理,出水澄清透明且懸浮物質(zhì)很少,COD和SS分別在100和25mg/L左右.但針對氣浮的內(nèi)在固液分離規(guī)律,尤其是氣泡和懸浮物直徑關系以及出水粒級效率卻鮮有報道.氣泡直徑過大會撞碎懸浮物,且使氣泡與懸浮物黏附不穩(wěn)定;氣泡直徑過小會明顯影響上浮速度,懸浮物上浮也需要更多的氣泡數(shù)量.掌握進出水中的懸浮物粒度分布特征,可加深對氣浮池內(nèi)部固液分離規(guī)律的認識.氣泡和懸浮物粒度分布匹配關系與分離效率密不可分,值得開展深入的研究.

本文測量了氣浮工藝對鉆井污水的處理效果,考察了不同停留時間、不同氣泡直徑處理出水COD和SS去除率及粒級效率,并從氣泡粒度分布與懸浮物顆粒粒度分布匹配關系分析了SS去除率,為鉆井污水處理提供科學依據(jù)和技術支撐.

1 材料與方法

1.1 實驗裝置及流程

圖1(a)為污水處理流程.鉆井污水由隔膜泵增壓后泵出,經(jīng)轉子流量計測得其體積流量后進入氣浮池,并與溶氣水在混合區(qū)混合.尺寸如圖1(b)所示(長500mm,寬250mm,高450mm).處理后的污水一部分通過氣浮池側方出水管路進入氣浮出水收集槽,待裝置運行穩(wěn)定后以供取樣檢測.另一部分通過池底設置的回流水出口進入壓力溶氣罐.

空氣被空壓機壓縮后進入壓力溶氣罐中或被吸入至溶氣泵內(nèi)與回流水混合后,產(chǎn)生帶有微空氣泡的溶氣水,而后沿管路進入氣浮池內(nèi).

實驗采用常溫操作.氣浮池入口污水流量為30和60L/h,停留時間為60和30min.壓力溶氣罐內(nèi)壓力為0.2～0.3MPa,溶氣泵流量設置為9和18L/h,吸氣量為15和30mL/min.

圖1 實驗裝置與污水處理流程

1.2 鉆井污水水質(zhì)特性

表1 鉆井污水水質(zhì)特性

圖2 懸浮物粒度分布

實驗用水取自南陽油田某鉆井平臺的鉆井污水.水樣的主要水質(zhì)特征如表1所示,水中懸浮物的粒度分布曲線見圖2.

1.3 分析項目與方法

COD測定采用快速消解分光光度法(HJ/T 399-2007),測定儀器為5B-6C型多參數(shù)水質(zhì)測定儀(北京連華科技有限公司);SS測定采用重量法(GB 11901-89),測定儀器為ML204T/02型電子天平(梅特勒-托利多儀器上海有限公司);石油類測定采用紅外分光光度法(HJ 637-2018),測定儀器為OIL480型全自動紅外分光測油儀(北京華夏科創(chuàng)儀器設備有限公司);TOC測定采用燃燒氧化—非分散紅外吸收法(HJ 501-2009),測定儀器TOC-LCPH型(日本島津公司).

為測量溶氣水中微氣泡的粒徑,實驗采用自制載玻片顯微鏡對其進行觀測.取樣口設置在壓力溶氣罐和溶氣泵出水管路處,調(diào)節(jié)壓力以獲得不同直徑分布的氣泡.觀測時打開取樣口,溶氣水流出并滴至載玻片上,經(jīng)顯微鏡(日本OLYMPUS公司)觀測、拍攝、記錄.觀測圖片如圖3,采用Image pro plus 6.0軟件對每種工況下的500個樣本氣泡進行粒徑自動測量.

圖3 微氣泡顯微圖像

氣泡由壓力溶氣罐或溶氣泵產(chǎn)生,改變不同溶氣壓力以及組合溶氣釋放器可產(chǎn)生不同直徑的氣泡,如表2所示.圖4進一步展示了各氣泡的直徑分布曲線,可知,氣泡直徑均服從對數(shù)正態(tài)概率分布.

表2 氣泡產(chǎn)生方法

圖4 氣泡粒度分布

停留時間是指污水在反應器內(nèi)的平均停留時間,計算公式如下:

式中:為處理量,L/h;為反應器體積,L.

COD去除率COD和SS去除率SS采用下式計算:

粒級效率指的是對某一粒徑為顆粒的捕集效率,可表示為[18]:

2 結果與討論

2.1 停留時間對處理效果的影響

停留時間對設備規(guī)模和成本有重要影響.在處理量一定的條件下,延長停留時間可以提高處理效果,但會增大設備的體積和占地面積,使基礎設施成本增加.而停留時間太短則會影響氣泡與懸浮物碰撞、粘附以及上浮的過程,進而影響出水水質(zhì)以及穩(wěn)定性.處理量為30L/h時,氣浮停留時間為60min;處理量為60L/h時,氣浮停留時間為30min.檢測鉆井污水和氣浮處理出水的COD和SS值,計算COD和SS去除率,結果如圖5所示.5種氣泡直徑均得到同樣的規(guī)律,下面以氣泡中位粒徑42μm為例作簡要分析.

停留時間與處理效果呈正相關,即停留時間越長,處理效果越好.當氣浮停留時間由30min增加至60min時,氣浮處理出水COD由68.24mg/L降低至61.42mg/L.實驗表明,氣浮處理可以有效地去除鉆井污水中的COD,且停留時間由30min增加至60min對提升其處理效果無顯著影響.停留時間30和60min氣浮處理后出水SS分別為11.6和9.6mg/L,懸浮物去除率分別為94.21%和95.21%.出水SS值和SS去除率都保持在較高的水平且基本接近,停留時間由30min增加至60min對提升其處理效果無顯著影響.氣泡攜帶懸浮物上浮至浮渣層所需的時間決定了氣浮的停留時間.

圖5 停留時間對去除COD和SS效率的影響

假設:(1)氣泡在上浮過程中始終保持球形;(2)在上浮過程中氣泡的半徑保持不變;(3)氣泡直線上浮;(4)忽略氣泡之間的碰撞與合并.氣泡在上浮過程中受到浮力V、重力G、粘性阻力Z、附加質(zhì)量力W和Basset力B共同作用,根據(jù)牛頓第二定律可知,氣泡上浮速度滿足如下關系:

其中浮力、重力、粘性阻力、附加質(zhì)量力和Basset的表達式為:

氣泡上浮距離和氣泡上浮速度有如下關系:

計算42μm氣泡上浮時間為28min,因此,懸浮物與氣泡接觸、黏附最終分離的過程在30min左右即可完成.且氣浮處理去除的COD主要為懸浮物提供的COD,故繼續(xù)延長停留時間對提升其COD和SS去除率均無顯著影響[19].

2.2 氣泡直徑對處理效果的影響

圖6給出了經(jīng)不同中位粒徑氣泡處理的COD和SS的去除率變化.結果表明,隨著氣泡中位粒徑的增加,氣浮處理COD和SS去除率均呈現(xiàn)增加趨勢.在氣泡中位粒徑為74μm的條件下,COD和SS去除率達到了最大值,分別為91.23%和92.81%.由于COD去除率和SS去除率趨勢相近,可以認為,COD去除率在一定程度上反應了氣浮固液分離的性能.

圖6 氣泡直徑對去除COD和SS效率的影響

水中懸浮物的中位粒徑為70μm,氣泡中位粒徑為74μm的SS去除率最高.類似地,氣泡分布與懸浮物的粒徑分布第二接近的83μm條件下,其SS去除率也僅次于74μm.因此不難看出,氣泡粒度分布與水中懸浮物的粒徑分布越接近,SS去除率越高,與Swart等[20]研究結果相似.

氣浮固液分離可以細分為3個過程,即顆粒與氣泡的碰撞、顆粒與氣泡的吸附、顆粒從氣泡上脫落.因此,一個懸浮物顆粒能被分離的概率為:

考慮Yoon等[21]的碰撞概率模型,當顆粒直徑不可忽略時,氣泡和顆粒碰撞概率可表示為:

處于斯托克斯流的顆粒與氣泡的粘附概率可表示為:

當脫附力大于吸附力時,顆粒就會從氣泡上脫附,Goel等[22]認為脫附概率可表示為:

式中:σ為氣-液界面張力;θ為接觸角;ε為當湍流能量耗散率.若σ為0.072N/m,θ為60°,ε為1m2/s3,計算Pd約為,因此可忽略脫附過程.

圖7展示了氣泡直徑對碰撞概率和粘附概率的影響.可以看出,隨著b增大,a減小,c先增大后減小.當p與b越接近,越大,因此,為提高懸浮物的處理效果,氣泡直徑應與污水中懸浮物直徑相接近[23].

2.3 懸浮物去除的粒級效率

圖8展示了不同氣泡直徑處理后,各直徑懸浮物對應的分離效率.可以看出,當b50=70～80μm時,對所有直徑的懸浮顆粒去除效果都較好,均保持在90%以上,粒級效率曲線呈“魚鉤狀”,即存在一個臨界粒徑,當懸浮物直徑大于臨界粒徑時,粒級效率隨懸浮物直徑單調(diào)增加,反之減少,但魚鉤現(xiàn)象不明顯;而當b50減小時,如b50=30μm,魚鉤現(xiàn)象明顯,且對于小于10μm的細顆粒去除效果也明顯變差.總體而言,幾種直徑的氣泡均可有效地去除直徑20μm以上的懸浮物,處理后出水懸浮物中位粒徑約10μm.b50與p50越接近,所有直徑的懸浮顆粒越高.

圖8 氣泡直徑對粒級效率的影響

為了準確地測定懸浮物的粒度分布,許多粒度分析方法都會采用加入分散劑、超聲波等方法破壞樣品顆粒的原始聚集狀態(tài)[24],使得鉆井污水中檢測出更多原先就與大顆粒聚團的細顆粒,從而計算的偏高,使粒級曲線呈現(xiàn)“魚鉤狀”.而且顆粒越細,它與大顆粒聚團可能性越大,對實測的影響也越大.

3 結論

3.1 氣浮可有效處理鉆井污水.停留時間30min條件下,可保證出水COD低于70mg/L,SS低于12mg/L,實現(xiàn)了鉆井污水的無害化處理.

3.2 氣泡粒度分布與污水中懸浮物的粒徑分布越接近,懸浮物被分離的概率越高,COD和SS去除率則越高.

3.3 懸浮物直徑大于20μm時,懸浮物去除效率接近100%;當懸浮物直徑小于20μm時,粒級效率曲線呈“魚鉤狀”,即隨著粒徑的減小,粒級效率先減小后增加.

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Study of air flotation for treatment of drilling wastewater.

MA Xiao, CHEN Jian-yi*, CHI Hao-di, ZHANG Zhong-zhi, ZHANG Zhi-yong

(State Key Laboratory of Heavy Oil Processing, China University of Petroleum, Beijing Key Laboratory of Process Fluid Filtration and Separation, Beijing 102249, China)., 2023,43(8)：4032～4037

To realize the standard discharge or reinjection of drilling wastewater, the effect of retention time and air bubble diameter on the removal efficiency of chemical oxygen demand (COD) and suspended solids (SS) was investigated by air flotation, and a focused analysis of the fractional efficiency curve. The results showed that the removal efficiency of COD and SS could be stabilized at 90% and 94% respectively with a retention time of 30minutes. The highest removal efficiency of COD and SS was obtained when the particle size distribution of suspended solids and air bubbles coincide. Suspended solids larger than 20 μm could be effectively removed and the fractional efficiency curve appeared fish-hook phenomenon.

air flotation；drilling wastewater；particle size distribution；fractional efficiency curve

X703.5

A

1000-6923(2023)08-4032-06

馬 逍(1999-),男,北京人,中國石油大學(北京)博士研究生,主要研究方向為多相流動理論與分離技術.發(fā)表論文1篇. 2021310308@student.cop.edu.cn.

馬 逍,陳建義,遲浩迪,等.鉆井污水懸浮液的氣浮處理研究 [J]. 中國環(huán)境科學, 2023,43(8):4032-4037.

Ma X, Chen J Y, Chi H D, et al. Study of air flotation for treatment of drilling wastewater [J]. China Environmental Science, 2023,43(8):4032-4037.

2023-04-25

國家重點研發(fā)計劃項目(2019YFC1804102)

* 責任作者, 教授, jychen@cup.edu.cn