熱洗+微生物+疊螺脫水技術在含油污泥處理中的應用研究

高路軍 蘆程 楊金惠 錢進 梁昌晶

（1.河北華北石油路橋工程有限公司；2.中國石油華北油田公司二連分公司；3.河北華北石油港華勘察規(guī)劃設計有限公司）

目前，油田產生的含油污泥主要來自兩個方面：在集輸、處理過程中沉積在各類容器、油水儲罐和回收水池等地面設施中，定期產生的含油污泥，這類設施一般包括：污水沉降罐、除油罐、油罐、電脫水器、回收水池、氣浮和過濾反洗等[1]；由于油井作業(yè)、集輸油管道腐蝕穿孔等產生的落地污泥。目前，油田污泥產生后基本上采取直接掩埋或就地固化的處理方式，由于含油污泥已被列入《國家危險廢物目錄》中的含油廢物類，且污泥中往往含有重金屬等有害物質，如果不進行無害化處理，不僅造成石油資源的浪費，同時也會對環(huán)境產生放射性污染[2]。其中第一類污泥約占總量的85%以上，這里主要研究采出水處理站（水區(qū)）處理過程中產生的污泥。

1 含油污泥特征及處置標準

A采出水處理站具有采出水處理和注水功能，并管轄2條調水線，主要負責含油污水的凈化處理、調水以及注水任務，采出水設計處理能力5500 m3/d，目前處理量3500 m3/d，該站采出水處理工藝為氣浮+流砂裝置，并配套負壓排泥、浮筒收油、電解鹽殺菌等輔助工藝。油區(qū)來水先進入4具700m3沉降罐進行沉降，沉降后進入2具700 m3調節(jié)罐，經提升泵，進入氣浮流砂過濾裝置進行處理，合格污水進入3具500 m3注水罐；再經喂水泵、注水泵、配水間、到單井，最后由單井注入地層，工藝流程見圖1。

圖1 工藝流程

油田含油污泥來源廣泛，組分也非常復雜，一般含有大量老化油、蠟質、瀝青質、膠體、固體懸浮物、細菌、鹽類等[3]，還包括生產過程中投加的各種藥劑。在實驗室條件下，將該站氣浮、過濾反洗和沉降、調節(jié)罐內產生的含油污泥用石油醚進行清洗后，經干燥、稱重等過程，測試含油量、含水率和固含量。測試分析顯示，3種污泥每天產泥量大概為375 m3，污泥含油在1%～15%，含水率在93%～98%，含固體懸浮物在1%～10%，其特點是含油、含固體懸浮物高且很不穩(wěn)定[4]，雜質多，處理難度大，質量組分分析見表1。

經有機溶劑萃取后，用放射性射線分析儀對以上這幾種污泥來源中重金屬含量進行測定測定，可以看出該站污泥中六種重金屬（Zn、Cu、Ni、Pb、Cd、Cr）含量均小于《農用污泥中污染物控制標準》（GB 4284—1984[5]）中相應重金屬排放含量控制的限度，故在后續(xù)處理過程中無需考慮重金屬無害化處理，見表2。

表1 含油污泥質量組分分析

表2 含油污泥重金屬含量分析 單位：mg/kg

取該站對應區(qū)塊的普通原油與該采出水處理站污泥樣品中分離出的原油進行對比，按照GB/T 2538—1998《原油試驗法》、SY/T 5119《巖石中可溶有機物及原油族組分分析》中的測試方法對原油物性進行測定，結果見表3。由此可見，污泥分離出的原油只是在含蠟量和膠質瀝青含量上有所增多，造成密度、黏度和原油凝固點有所上升，但與原油品性質差異不大，應該對污泥進行資源化處理，回收其中的油組分。

表3 兩種油品原油物性

在《國家廢棄物》名錄中，雖然將含油污泥定為危險固體廢物，但并沒有處理后定量的指標，現(xiàn)在含油污泥的處理多依照GB 4284—1984，要求土壤中含油量小于或等于3000 mg/kg（即3‰）；黑龍江省地標DB23—2010《油田含油污泥綜合利用污染控制指標》將處理標準分為兩種，其中農用污泥與GB 4284—1984的要求一致，另外用于墊井場和通井路的污泥要求含油量小于或等于20 000 mg/kg（即2%）。

2 主體工藝

采用熱洗+微生物+疊螺脫水處理技術，整個處理工藝分為三個部分：預處理系統(tǒng)、生化處理系統(tǒng)和污泥脫水系統(tǒng)，工藝流程見圖2。

圖2 污泥處理工藝流程

2.1 油泥分離劑室內試驗

含油污泥的熱洗藥劑種類很多，一般要求熱洗藥劑滿足兩個條件，一是在攪拌狀態(tài)下可降低油水界面張力，增加乳化效果；二是在靜置狀態(tài)下，加速油水分離。在此選用十六烷基三甲基氯化鉸、鹽酸、聚丙二醇溶于水中，恒溫反應1～2 h后加入過硫酸鹽溶液，在恒溫微波2～3 h，得到油泥分離劑，通過攪拌等機械作用，使生物油泥分離劑與污泥充分混合均勻，加速油、水、泥三相分離。

1）劑泥比對污泥分離效果測定。取污泥100 g，分別按照1∶1，2∶1，3∶1，4∶1，5∶1，6∶1，7∶1，8∶1的劑泥比加入配置好的油泥分離劑，在實驗溫度40℃，攪拌速率300 r/min，攪拌時間30 min后，再用石油醚清洗污泥，測定污泥中原油回收率及固含量，結果如圖3所示。

圖3 不同劑泥比下的原油回收率和固含量

由圖3可知，原油回收率先隨著油泥分離劑劑量的增加而上升，而后逐漸下降，污泥中固含量先減少后增加，主要是由于隨著藥劑劑量增加，藥劑中的水含量越多，在攪拌的作用下會與污泥中的油形成水包油的狀態(tài)，加速乳化，反而不利于油、泥、水的三相分離，在劑泥比3∶1的情況下，原油回收率可達93%，固含量為3.6%，因此最佳劑泥比為3∶1。

2）不同實驗溫度下污泥分離效果測定。不同的實驗溫度對油、泥、水三相之間的界面結合力和界面強度影響很大，較攪拌速率和攪拌時間相比，對污泥的分離效果影響更大，在劑泥比3∶1、攪拌速率300 r/min、攪拌時間30 min的情況下，選擇實驗溫度30、35、40、45、50、55、60、65 ℃進行測定，結果如圖4所示。

圖4 不同溫度下原油回收率和固含量

隨著溫度的升高，原油回收率逐步上升，而后趨于平穩(wěn)，固含量逐步下降，在55℃以上又逐漸增加，主要是由于溫度的上升，有助于藥劑和污泥之間的結合，同時可加速破壞分子之間氫鍵作用，但溫度上升到一定程度后，污泥的流動性反而加強，固相和液相的分離更加困難。由圖4可知，最佳攪拌溫度為45～50℃，由于后期需用微生物進行生物處理，微生物菌種的溫度不宜過高，否則會影響菌種的培養(yǎng)和生長，因此選擇攪拌溫度為45℃。

3）不同攪拌速率、不同攪拌時間下的污泥分離效果測定。在劑泥比3∶1、攪拌溫度45℃、攪拌時間30 min的條件下，選擇300、400、500、600、700、800 r/min這幾種攪拌速率進行原油回收率和固含量測定，結果如圖5所示。

由圖5可知，攪拌速率在600 r/min時，原油回收率最高，可達90%，固含量最低為2.2%，隨著攪拌速率的上升，原油回收率有所下降，固含量有所提高，主要是因為攪拌速率過高會加速固相和液相的乳化程度，因此最佳攪拌速率在600 r/min左右即可。

在劑泥比3∶1、攪拌溫度45℃、攪拌速率600 r/min 的條件下，選擇 30、40、50、60、70、80、90 min這幾種攪拌時間進行分離效果測定，結果如圖6所示。

圖5 不同攪拌速率下原油回收率和固含量

圖6 不同攪拌時間下原油回收率和固含量

由圖6可知，隨著攪拌時間的增加，固含量先是大幅降低，在70 min后趨于平穩(wěn)，原油回收率先上升之后在60 min后也趨于平穩(wěn)，因此最佳的攪拌時間為60～70 min。

針對上述室內試驗，將劑泥比設置為3∶1，攪拌溫度45℃、攪拌速率600 r/min、攪拌時間60～70 min。

2.2 熱洗處理系統(tǒng)

將氣浮刮渣、沉降罐和調節(jié)罐底部污泥排至收集池，如遇污泥流動性不好，可與回摻水混合，并通過蒸汽加熱，使污泥流態(tài)化，然后用泵打入預處理裝置，在預處理裝置中投加高效生物油泥分離劑進行熱洗，分離的油上浮至表面，通過收油機收至回收油罐，由于過濾器反洗產生的污泥含水率較高，一般不單獨處理，而是與下層水和污泥混合后進入生物處理系統(tǒng)。處理后可將原先含油15%左右的污泥處理至含油小于或等于3%，熱洗系統(tǒng)的主要構筑物及設備參數(shù)如表4。

表4 預處理系統(tǒng)主要構筑物及設備參數(shù)

2.3 生物處理系統(tǒng)

設置生物處理系統(tǒng)，經預處理系統(tǒng)處理后的污泥與過濾反洗水混合進入污泥生物處理系統(tǒng)，在生物反應系統(tǒng)中投加“倍加清”專性微生物菌種，經過曝氣生物反應后，專性微生物把泥、水中的油、有機類污染物進行生物降解，保持在30℃、150r/min的條件下培養(yǎng)，經過好氧處理30天，污泥、水含油率達到此階段的設計要求，處理后的污泥中油含量小于或等于3000 mg/kg，滿足了GB 4284的含油量要求，水進入回收水罐回摻至前級處理系統(tǒng)或泵至污水處理系統(tǒng)，污泥進入后級污泥脫水系統(tǒng)。設置微生物反應池2座，單池尺寸8 m×4 m×5.5 m，設計停留時間24 h，同時配套耐油阻垢曝氣系統(tǒng)2套，其中風機2臺（1用1備）單機參數(shù)流量為7.5 m3/min，進口壓力為63.7 kPa，功率為15 kW，設置污泥沉淀池2座，進一步使泥水分離，單池尺寸?3.2 m×5 m，污泥回流泵2臺（1用1備）單泵參數(shù)流量為10 m3/h，揚程為30 m，功率為3 kW。

2.4 污泥脫水處理系統(tǒng)

經前級生物系統(tǒng)處理后排放的污泥含油量已很低，但含水率仍然在95%，如果直接拉運，體積龐大且費用昂貴，需要進行脫水處理，減少污泥體積[6]。疊螺式污泥脫水系統(tǒng)主要由疊螺機和加藥裝置組成。疊螺機主體是由固定環(huán)和游動環(huán)相互層疊，螺旋推力軸貫穿其中組成，分為濃縮區(qū)和脫水區(qū)，固定環(huán)與游動環(huán)之間的濾縫以及螺旋軸螺距，由濃縮區(qū)至脫水區(qū)逐漸變小，加藥裝置由計量槽、絮凝混合槽和加藥泵組成。運行過程中污泥通過外力提升被輸送至疊螺污泥脫水系統(tǒng)的計量槽內，加藥泵根據污泥流量，按設定加藥量向混合槽內投加絮凝劑，通過攪拌使污泥與藥劑在絮凝混合槽內充分作用，形成礬花的污泥自流進入疊螺主體，液相在濃縮區(qū)通過游動環(huán)和固定環(huán)之間的濾縫排出，固相物質截留在腔體內部；螺旋推力軸在電動機的帶動下，推動軸圓周外的多重游動環(huán)上下運動，使?jié)饪s區(qū)截留的固相物質，被螺旋軸推至污泥脫水區(qū)，利用螺旋軸距的不斷收縮，增強內壓，使濾餅含固量不斷提高，在螺旋推力軸連續(xù)運轉推動下，液相連續(xù)分離流出，污泥不斷受擠壓脫水排出，從而達到污泥濃縮脫水的目的。根據公式：

式中：F1，F(xiàn)2——污泥含水率，%；

V1——含水率為F1時的污泥體積，m3；

V2——含水率為F2時的污泥體積，m3。

濃縮處理后的污泥加入助凝劑后進入疊螺污泥脫水機脫水，使泥水分離，脫水后的水收集后進入回收水罐，經疊螺機脫水后污泥含水率在75%～80%，處理前污泥含水率為93%～98%，取97%，脫水后含水率按80%計算，代入上述公式，體積可降低6.66倍，大大降低了外運體積，且含油率為2%已達到了資源化的標準。設置污泥濃縮池1套，外形尺寸?3.0 m×3.5 m，配套無堵塞轉子泥泵，2臺（1用1備），其中流量為5 m3/h，功率為1.5 kW，揚程為30 m；疊螺污泥脫水機1臺，設計處理量5 m3/h，外形尺寸3.3 m×1.5 m×1.6 m，攪拌機功率0.4 kW，螺旋軸功率0.4 kW。

3 效果評價及效益分析

分別取連續(xù)8天不同時間段的污泥進行取樣檢測，經油區(qū)沉降后污泥來樣含油量相對穩(wěn)定平均在11 366 mg/kg左右，泥中含油波動不是很大，經生物+疊螺機脫水處理技術處理后泥中含油平均為958 mg/kg，平均去除率達到91.55%，滿足GB 4284中含油量小于或等于3000 mg/kg的要求，達到了資源化利用的條件，去除效果詳見表5。

表5 2018年3月不同時間段污泥中含油去除效果

該技術應用后每天消耗電能約800 kWh（以0.65元/kWh計算），電費520元/d，生物油泥分離劑每天耗量約200 kg，按20元/kg計，分離劑費用4000元/d，助凝劑每天耗量約15 kg，按20元/kg計，助凝劑費用300元/d，則每天的運行費用為4820元，每年運行費用173.52萬元，折合每噸污泥的處理費用為12.05元/d。

由于過濾器反洗中產生的污泥含油率較低，在此忽略不計，油回收率按照90%計算，每年沉降罐、調節(jié)罐污泥約6000 m3，平均含油5%計，水區(qū)儲罐每年可回收油量270m3，氣浮機排渣量30000m3，平均含油2%，氣浮設備每年可回收油量540 m3，回收原油按4500元/m3計算，則每年可產生的經濟效率為364.5萬元，即使除去蒸汽使用成本及運行費用，污泥處理仍能產生一定的經濟效益。

污泥減量化后運輸費用減少，污泥體積量縮小6～7倍，每月需要拉運的污泥量由11 250 m3降至2000 m3左右，其中20 km的運費取50元/m3，每年可節(jié)約運費555元。該技術三大系統(tǒng)總投資費用為1652萬，投資回收期為2.22年。

4 結論

1）經過一系列的室內試驗，對油泥分離劑進行了工藝參數(shù)優(yōu)化，將劑泥比設置為3∶1，攪拌溫度45℃、攪拌速率600r/min、攪拌時間60～70min。

2）經熱洗+微生物+疊螺脫水技術處理后的污泥達到了減量化、無害化、資源化的處理要求，滿足了國家和當?shù)丨h(huán)保要求。

3）下一步要繼續(xù)針對鉆井、油水井作業(yè)、管道泄漏等的廢液、廢渣實施不落地回收，并進行集中處理。

4）含油污泥處理技術多種多樣，單一技術往往很難達到預期效果，下一步要考慮多種技術的耦合，對污泥進行分級、分階段處理，形成不同種類污泥處理的標準化工藝。