该文属基金项目《聚合物水基钻井液废弃物处理研究》(JSKF2007YJ0033), 为刊登在2009年《石油与天然气化工》第38卷第2期的《渤海油田PEM聚合物水基钻井液废弃物固液分离技术研究》[1]的后续部分研究内容。钻井液废弃物固液分离后, 室内模拟现场带式压滤机的工作原理, 收集滤出混合水作为后续混凝处理试验水(其性能如表 1)。
从表 1可知, 渤海现场聚合物水基钻井液废弃物固液分离后分离水存在色度、COD和悬浮物SS等多项指标严重超标的问题, 必须进行处理。
钻井废水排放达标处理技术的关键是色度和COD深度去除。国内外对低色度、低COD值的钻井废水的处理技术已比较成熟; 而高矿化度、高色度、高COD值的钻井废水处理是国内外研究的难点和热点之一[2, 3, 4]。根据破胶后的分离水仍然具有COD值高和色度大的污染特点, 结合废水处理方法选择原则, 室内主要采用物理法和化学法对固液分离水进行三级处理。本试验主要针对经过物理法调节后的固液分离水进行化学混凝法处理的系统研究。
国内外目前用于钻井废水混凝处理的药剂主要包括电中和无机凝聚剂和吸附架桥有机高分子絮凝剂。收集了两类药剂共计四十余种, 以渤海现场聚合物水基钻井液废弃物固液分离水为试验水质, 对药剂进行筛选评价。初步筛选出无机凝聚剂NJ-6、NJ-7、NJ-8、NJ-10、HNJ和有机絮凝剂XN-3、HXN、XN-5、XN-8。
影响混凝处理效果的主要因素是混凝剂的选用和使用方法。无机盐类混凝剂形成的矾花细小、松散, 混凝效果差, 而高分子絮凝剂形成的矾花大, 若筛选合适的有机高分子絮凝剂与无机混凝剂复配使用, 是提高处理效果的有效途径。室内以HXN为有机絮凝剂, 对无机凝聚剂NJ-6、NJ-7、NJ-8、NJ-10和HNJ再次进行对比评价。
从表 2及图 1可知, HNJ、NJ-10两种无机凝聚剂处理效果较好, 尤其在有机絮凝剂HXN的协同作用下, 处理水水质明显好转, 悬浮物含量SS也降低至60mg/L以下; HNJ、NJ-10两者相比, HNJ的净化率达到89%, 高出NJ-10十个百分点, 因此选择HNJ作为后续研究的无机凝聚剂较为合理。
室内以HNJ为无机凝聚剂, 分别与有机絮凝剂XN-3、HXN、XN-5和XN-8进行复配混凝效果对比。
从表 3可知, 四种有机絮凝剂与无机凝聚剂HNJ均具有较好的协同处理效果, 沉降后的净化率达到85%以上, 而浊度、悬浮物含量SS明显降低, 远小于200mg/L的标准要求。结合处理效果和处理成本, 优选HXN作为后续研究的有机絮凝剂。
影响混凝效果的因素较复杂, 在混凝实验中, 被处理水样的混凝效果决定于颗粒碰撞的频率和有效性。前者由水动力学因素控制, 后者由化学因素控制。因此, 室内主要从钻井废液pH值、混凝剂加量、体系温度、混凝时间以及水力条件等几个因素对混凝效果的影响进行混凝工艺优化。
从表 4可知, pH值的改变对体系的混凝效果影响不大, 且混凝后出水的浊度和悬浮物含量SS差异较小。因此, 在pH值为5.5~8.5范围内, 该无机凝聚剂HNJ与有机絮凝剂HXN均具有较好的协调混凝效果。从成本角度来考虑, 选择混凝时不调节pH值, 保持pH值在5.0~6.0范围的酸性分离水直接进行混凝处理。
混凝剂的加量除与水中微粒种类、性质、浓度有关外, 还与混凝剂品种、投加方式及介质条件有关。对任何废水的混凝处理, 都存在最佳混凝剂和最佳投加药量的问题, 应通过实验确定。
从图 2及图 3可知, 随着无机凝聚剂HNJ加量的增加, 混凝出水的浊度和悬浮物含量SS显著降低, 色泽变浅。当无机凝聚剂HNJ加量增加到850mg/L, 再增加其浓度, 浊度和悬浮物含量SS变化不十分明显, 且净化率有所下降, 兼顾考虑处理效果及成本, 确定无机凝聚剂HNJ加量为850mg/L。
从图 4可知, 随着有机絮凝剂HXN加量的增加, 出水的COD值出现先减小后增加的现象, 即有机絮凝剂的加量在一定范围内有利于COD的降低, 而随着有机絮凝剂加量(≥10mg/L)的增加, 反而不利于COD的降低。这是因为体系中的一些细小的絮体若依靠自身的重力, 则需要很长的时间才能沉降, 有机絮凝剂的加入可以起到迅速吸附细小絮体的作用, 因此, 絮凝沉降后溶液的COD明显降低; 而继续增加有机絮凝剂的加量, 有机絮凝剂在吸附细小絮体降低COD的同时多余的有机絮凝剂本身又会对溶液造成污染, 导致溶液的COD升高, 而且一旦过量, 溶液的COD增加非常快。因此, 推荐有机絮凝剂的加量为10mg/L。
因为无机类混凝剂的水解是吸热反应, 水温低时, 水解困难, 水解速度非常缓慢, 影响胶粒的脱稳。而且水的粘度与水温有关, 水温低, 水的粘度大, 布朗运动减弱, 胶粒间的碰撞机会减少, 这些均不利于已脱稳胶粒的互相絮凝, 影响絮凝体的形成和长大, 降低混凝效果[5]。
从图 5可见, 水溶液温度过高或过低, 对混凝作用都不利。温度最好在20℃~30℃, 此时混凝出水的浊度和COD相对较小。这是因为水温过低时, 混凝剂水解速度慢, 水的粘度大, 絮凝体不易分离, 影响混凝效果; 当水温过高时, 化学反应速度加快, 形成的絮体细小, 和水的水合作用增加, 絮体体积大, 净化率降低。并且人为提高水温会增加处理的热电成本。因此, 保持温度在20℃~30℃, 混凝效果较好, 温度降低或升高时, 则需要相应加大混凝剂加量, 增加混凝处理成本。
在水温、pH值、水力条件、混凝剂加量一定的条件下, 不同的水质与混凝剂的作用速度不尽相同, 混凝时间过短, 则混凝后固液分离不彻底, 沉淀不完全; 混凝时间过长, 则浪费时间, 增加处理成本。室内改变混凝沉降时间, 考察其对混凝效果的影响。
从图 6可知, 相同混凝条件下, 随着混凝后放置时间的延长, 混凝出水浊度和COD逐渐降低, 这是因为在混凝放置过程中絮体是在重力作用下沉降的, 随着沉降时间的延长, 则沉降更加彻底, 混凝出水水质得到明显改善。混凝120min后, 絮体得到充分沉降, 若继续延长时间, 则出水浊度和COD值变化不大, 从处理成本考虑, 选择混凝时间为120min较为合适。
室内模拟的水力条件搅拌强度, 即为水动力因素, 它主要由搅拌速度和搅拌时间控制。选择合适的搅拌速度和时间有利于混凝剂发挥作用、加速絮凝过程和提高混凝效果。搅拌速度过快或时间过长, 会将能够沉淀的大胶体或微粒絮体搅碎, 变成不能沉淀的小胶体或微粒絮体, 而降低混凝效果。搅拌速度过慢, 时间过短, 混凝剂的分布不均匀, 不能与固体胶体或微粒充分接触, 不利于絮凝剂捕集胶体或微粒[6, 7]。因此, 搅拌的速度和时间需要通过实验来确定。
从图 7~图 10可知, 搅拌强度和时间的变化对混凝出水的浊度影响非常明显, 而一定的搅拌强度和时间可较好去除COD, 过度的搅拌强度和时间对COD的影响不显著。这是因为投加混凝剂后, 混凝过程可以分为两个阶段:混合和反应。这两个阶段在水力条件上的配合非常重要。根据实验结果, 确定水力条件为:250r/min×1min+50r/min×5min。
经过大量实验, 确定渤海现场聚合物钻井液废弃物分离水的混凝工艺条件如下:
(1) pH值5~6;
(2) 无机凝聚剂HNJ和有机絮凝剂HXN的加量分别为850mg/L和10mg/L;
(3) 体系温度20℃~30℃;
(4) 水力条件250r/min×1min+50r/min×5min;
(5) 混凝时间120min。
在以上工艺条件下对渤海现场聚合物钻井液废弃物分离水进行混凝评价, 混凝效果如表 5。
从表 5可知, 混凝后出水的水质明显变好, 其中色度、浊度和悬浮物SS的去除率均高达95%以上; COD、BOD均有所下降。混凝处理效果明显, 混凝处理后出水的水质出悬浮物SS为58.9mg/L(< 200mg/L)。
(1) 通过单剂、复配效果的评价, 优选出协同效果较好的无机凝聚剂HNJ和有机絮凝剂HXN。
(2) 通过分离水pH、混凝剂加量、体系温度、混凝时间以及水力条件等几个因素对混凝效果的影响评价, 确定了混凝工艺:pH值5~6;无机凝聚剂HNJ和有机絮凝剂HXN的加量分别为850mg/L和10mg/L; 体系温度20℃~30℃; 水力条件250r/min×1min+50r/min×5min; 混凝时间120min。
(3) 在确定工艺条件下对固液分离废水进行混凝处理, 评价结果表明, 混凝后出水的水质明显变好, 其中色度、浊度和悬浮物SS的去除率均高达95%以上; COD值、BOD值均有所下降。混凝处理后出水的水质出悬浮物SS为58.9mg/L(< 200mg/L), 具有明显的混凝效果。
2010, Vol. 39 Issue (1): 75-78
2010, Vol. 39 Issue (1): 75-78