超声波技术处理含油污泥研究进展＊

2015-09-19磊仝坤王星晖王童王恩旭

油气田环境保护 2015年6期

关键词：含油污泥超声波

张　磊仝　坤王星晖王　童王恩旭

（1.中国石油辽河石油勘探局华油实业公司；2.中国石油安全环保技术研究院）

超声波技术处理含油污泥研究进展＊

张磊1仝坤2王星晖1王童1王恩旭1

（1.中国石油辽河石油勘探局华油实业公司；2.中国石油安全环保技术研究院）

介绍了含油污泥性质分类和常用的处理方法，并对比分析了上述各种方法的优缺点。通过简要介绍超声波技术处理含油污泥机理和各项超声参数，重点综述了超声波技术处理落地含油污泥、罐底含油污泥、浮渣含油污泥的应用情况和处理效果，并根据超声波技术处理含油污泥的不足之处对未来研究方向提出：进一步开展现场应用研究，探索超声强度、频率、处理时间等最佳工艺参数，统一实验标准等建议。

超声波；含油污泥；方法

0　引言

含油污泥产生于石油开采、储存、运输及加工过程中，既有工程作业含油污泥，又有储罐清理含油污泥，还有含油污水处理产生的浮选、生化污泥等。含油污泥呈黑色半流态状，主要由油、水、泥沙三部分组成［1-2］，组分变化较大，其中含有大量的残留油类（其含油率约为10%～50%，含水率为40%～91%）［3］，被列入国家危险废物名录［4］。必须对含油污泥进行“三化”处理，实现含油污泥的减量化、资源化利用和无害化处理。含油污泥处理方法主要有化学热洗、热解析、碳化及焚烧处理等，超声波辅助化学热洗是一种新型处理工艺，因其效果好、能耗低已受到越来越多的关注，并得到广泛应用。

1　含油污泥分类及处理方法

1.1含油污泥的分类

石油开采过程中产生的含油污泥，产生于石油生产的各个过程。根据对性质和状态的分析一般将其分为三类：落地含油污泥、清罐含油污泥、浮渣底泥［5］。

1.2现有处理方法

各种处理方法既有优点，又有不足之处，见表1，由于含油污泥成分极为复杂，处理难度大，很难用一种方法将其处理彻底，必须采用多种方法组合进行处理。

表1　各种含油污泥处理方法对比

2　超声波处理含油污泥方式及机理

2.1超声波简介

超声波是一种频率高于20 k Hz的声波，它属于机械波的一种，频率高，波长较短，声能比较集中，在水中传播距离远。可应用于生产生活的各个方面。

2.2机理分析

超声波在液体介质中传播时会产生空化效应、机械效应、热效应等一系列效应。

2.2.1空化效用

空化作用是超声波的一种独特作用形式。超声波作用于液体时，产生的局部的高负压可瞬时产生大量的空穴或气泡。1919年Rayleigh［18］利用数学建模描述了空气泡的产生和生成过程并预言了空气泡的溃灭现象。1948年，Knapp和Honeder［19］应用高速照相方法对超声空化现象进行拍摄，直观地描述了空化泡从产生到崩溃的完整过程，从而证实了Rayleigh的预言，对现代超声洗脱技术的发展做出了重大贡献。超声波产生的空化作用进行清洗，早已应用于各种行业，但是很少应用于稠油清洗作业方向。可以利用超声波的特殊作用对此方向进行分析研究。

2.2.2机械效用

通常超声波的机械作用对物质的纵向的机械振动来体现。超声波属于声波中频率较高的波段，其波长短，振荡频率很高，所以引起的质点的加速度非常大［20］。当以功率密度为1 W/m2，超声频率为20 k Hz的超声波处理水时，瞬时振动频率可达2万次以上，可产生的压力波动范围在346 k Pa左右，由于质点在短时间内来回振荡，质点最大加速度可达重力加速度的1 500倍。剧烈的加速度能在一定程度上改变物体的性质和状态，可以打破碳碳键，加速反应进行［20］。如超声波污油破乳脱水［21］和超声波对沥青质的分散作用等［22］。

超声波在液体中沿横向传播时能够带动介质传播这种现象称为直进流。声波强度在0.5 W/cm2时，能产生肉眼可见的直进流，垂直于振动面产生流动，流速约为10 cm/s。通过此直进流使被清洗物表面的微油污垢被搅拌，污垢表面的清洗液也产生对流，溶解污物的溶解液与新液混合，使溶解速度加快，对污物的搬运起很大的作用。

2.2.3热效用

超声波在介质中传播时所产生的效应。超声波在介质中传播过程中，其能量不断地损耗变成介质的热量，从而导致介质发热，温度不断升高，称之为热效用［23］。

超声波对含油污泥的清洗主要是利用超声波的空化效用。理论上计算，当空化泡溃灭时，在空化泡边缘壁上形成的压力可以高达1 200 MPa，但是由于实际介质状态和性质有差异［24］。在实际实验中最高压力为775MPa［24］，瞬间温度达到5 000K［25］，在空气泡溃灭时产生的高温高压的环境下能够水分解为H和OH自由基，引起物质性质发生变化并能够加速物质的分离过程［26］。在《科学》上发表的两篇轰动性文章就是利用这一原理在室温下实现核聚变的［27-28］。

可见，在此局部高温高压的环境下完全能够满足清洗含油污泥的条件［29-30］。

2.3超声波处理含油污泥进展

大约在20世纪70年代时，超声波就开始在国外应用于含油污泥处理［31］。随着我国环保要求越来越高，我国对超声波的研究也取得了一些进展［32-35］。为了能够减少处理成本，提高处理效果，应该对复杂的含油污泥进行分类处理。

2.3.1超声波对落地含油污泥的作用

落地含油污泥成分相对复杂，含油率［36］一般在10%～30%，含水在30%～40%，其余为各种杂质。由于采油作业现场环境复杂，通常混有杂质为泥沙、塑料布、手套、棉纱和铁丝等。可以先采用分选装置将含油污泥进行初分，然后采用化学热洗并结合气浮法实现落地含油污泥的油、水和泥的分离并回收原油。杨继生、徐辉［32］通过研究了超声波清洗含油泥沙，验证了其对泥沙清洗的可行性。采用KQ100DB超声波清洗器，考察超声波功率、洗涤剂、操作温度、泥砂的粒径对油泥沙脱油率的影响，对照组为传统搅拌清洗。结果表明50℃时，处理SLYS样品30 min，搅拌方式脱油率为22.7%，超声波方式脱油率达96.5%。对颗粒较小的JSYN样品，脱油率从28.0%（搅拌150 min）提高至92.3%（超声波处理60 min）。

利用超声波的辅助化学热洗可提高含油污泥的脱油率，显著降低洗脱的温度和时间，从而降低运行成本。

2.3.2超声波处理罐底含油污泥

罐底含油污泥一般含有约25%的水和5%的无机物如泥沙等［37］，其余70%为原油（其中沥青质占30%～50%、石蜡占10%～20%、轻质组分30%～60%）；通过适当的分离技术，原油回收率可达到98%以上［38］，回收利用价值较大。王新强等［33］用40 k Hz、50W超声在50℃条件下处理含油污泥20 min，通过实验后除油率达90%以上；王文祥等［34］在40℃水浴条件下，用28 k Hz的超声辐照含油污泥，发现超声处理后的含油率比同等条件下未经超声辐照情况下降了55.6%；贺磊等［35］对破乳剂辅助超声回收含油污泥中污油进行研究，在破乳剂HR用量为50μg/g、水温为60℃、超声振荡15 min的条件下，污油回收率为95.6%。通过这些研究表明，超声波对含油污泥处理有很好的效果，比传统的处理方法提高了原油回收率，节省运行费用。

2.3.3超声波处理浮渣底泥

浮渣底泥主要是含油污水气浮/絮凝过程中产生的高含水低含油膏状污泥，既有含油较高的除油底泥，也有低含油气浮/絮凝浮渣和底泥。除油底泥干基含油40%，气浮/絮凝渣底泥干基含油10%～20%。一般是由水包油（W/O）、油包水（O/W）以及悬浮固体组成的稳定乳状液体系，还包括生产过程中所投加的大量水处理剂；其脱水效果差，污泥成分和物性差异大，处理难度高，油含量差别较大，二浮浮渣回收再利用价值较小。已有研究表明，适当的超声作用可改变污泥颗粒的表面物化特性、减小污泥结合水量及过滤比阻，从而使得污泥脱水性能得以改善。

可以利用超声波脱水后将其燃料化，焚烧时回收热量可以加热锅炉。日本［39］报道，超声波作用1 h的超声波作用条件来处理废油（在温度为80℃），油中含水量可降低为1.45%，对照组为未加超声波处理的静置，作用时间也为1 h，油中含水量仍为31.5%；蒋建国等［40］实验结果表明，在超声波改善污泥脱水性能的影响因素中，影响最大为处理时间，其次为声能密度，最小为频率。超声波作用的最佳操作条件是频率为19 k Hz、声能密度为0.050 W/m L处理时间为30 s此时污泥脱水性能提高14.3%。

超声波对脱水性有较好的效果，但是对脱水性能有最佳效果，超过最佳效果时，由于超声波对含油污泥的作用会产生孔洞效果，增加比表面积进而增大水的吸附，从而降低了脱水的效果，所以达到最佳脱水效果时的参数需要实验考察。

3　超声波处理含油污泥不足之处

随着超声洗脱处理技术的快速发展，对含油污泥超声处理技术的研究越来越深入，但总体仍处于研究阶段，离实际应用尚有一定距离。现阶段该技术在应用中的主要难点是工艺条件的选择，因此有必要从工艺条件的选定着手，对含油污泥超声处理技术开展进一步研究。

由于该技术比较新颖，仅限于实验室研究，样品数量小且非连续运行。需要进一步开展现场应用实验研究。未来探索在超声处理含油污泥最佳工艺参数（超声强度，频率，处理时间等），统一实验标准，使不同的实验之间的比较成为可能，为进一步的深入研究打下基础；利用超声波的特殊性质，可以对含油污泥处理产生新的方法和工艺，所以可以产生新的工艺和流程设置，通过研究可以对含油污泥深度处理具有促进作用。

4　结束语

含油污泥是一种复杂的油、水、泥的混合物，处理难度较大；超声波辅助化学热洗提高了含油污泥的脱油率，可以显著降低洗脱的温度和时间；超声波处理含油污泥的机理是空化效用、机械效用和热效用；目前超声技术还处于室内研究阶段，工业化应用还有较多问题，还需要进一步研究。

［1］雍兴跃，王万福，张晓飞，等.含油污泥资源化技术研究进展［J］.油气田环境保护，2010，20（2）：43-45.

［2］ K S Jorgensen，J Puustinen，AM Suortti.Bioremediation of PetroleumHydrocarbon-contaminated Soil by Composting in Biopiles［J］.Environmental Pollution，2000，107（2）：245-254.

［3］王嘉麟，吴芳云，吕荣湖.从含油污泥中回收油技术的研究［J］.油气田环境保护，1996，6（3）：3-5.

［4］潘峰.酵母菌用于含油污泥的处理研究［D］.北京：中国科学院生态环境研究中心，2004.

［5］王琦，仝坤.辽河油田稠油泥砂综合处理工艺的研究［J］.油气田环境保护，2009，19（4）：13-16.

［6］牛仁臣.油泥砂低成本固化焚烧无害化处理技术［J］.西南民族大学学报（自然科学版），2003，29（增刊）：17-18.

［7］王军，罗立新.河南油田含油污泥处理技术研究［J］.石油规划设计，2006，17（5）：17-19.

［9］张宁生，周强泰，芮新红.污泥的焚烧处理技术［J］.能源研究与利用，2003，10（1）：35-37.

［10］严建华，蒋旭光.污泥流化床焚烧技术研究和环境影响分析［J］.热能动力工程，1996，11（1）：25-29.

［11］张秀霞，耿春香，冯成武.溶剂萃取——蒸汽蒸馏法处理含油污泥［J］.上海环境科学，2000，19（5）：228-229.

［12］郝以专，孟相民，李晓祥.油田含油污泥处理工艺技术研究与应用［J］.油气环境保护，2001，11（3）：40-42.

［13］朱海.超临界流体萃取技术与环境保持［J］.化工环保，1994，14（1）：12-18.

［14］尤俊洪.一种处理污泥的方法［P］.中国，CNC816001176，1986.

［15］赵东风，路帅.含油污泥焦化处理反应条件的优化［J］.中国石油大学学报（自然科学版），2004，26（4）：91-94.

（4）除季节变化影响外，薄膜工厂生产负荷与市场变化紧密相关，是否设置集中自动控制系统，尚需进一步根据项目生产特点确定，不可一概而论；

［16］杨国清.固体废物处理工程［M］.北京：科学出版社，2007.

［17］任建新.物理清洗［M］.北京：化学工业出版社，2000.

［18］J L Laborde，A Hita，J PCaltagirone，et al.Fluid Dynamics Phenomena Induced by Power Ultrasound［J］.Ultrasonics，2000，38（1）：297-300.

［19］李小强，赵德智，王童，等.超声波作用下重油的热反应研究［J］.辽宁化工，2007，36（1）：23-25.

［20］冯若，李化茂.声化学及其应用［M］.安徽：安徽科技出版社，1992.

［21］韩萍芳，徐宁，吕效平，等.超声波污油破乳脱水的研究［J］.南京工业大学学报（自然科学版），2003，25（5）：73-75.

［22］K Sakanishi，N Yamashita，D Duayne Whitehurst，et al. Depolymerization and Demetallation Treatments of Asphaltene in Vacuum Residue［J］.Catalysis Today，1998，43（3）：241-247.

［23］席细平，马重芳，王伟.超声波技术应用现状［J］.山西化工，2007，27（1）：25-29.

［24］沈忠厚.水射流理论与技术［M］.东营：石油大学出版社，1998.

［25］罗登林，丘泰球，卢群.超声波技术及应用（Ⅲ）——超声波在分离技术方面的应用［J］.日用化学工业，2006，36 （1）：46-49.

［26］K S Suslick，S B Choe，A A Cichowlas，et al.Sonochemical Synthesis of Amorphous Iron［J］.Nature，1991，353：414-416.

［27］崔漠慎，孙家俊.高压水射流技术［M］.北京：煤炭工业出版社，1993.

［28］孙家俊.水射流切割技术［M］.徐州：中国矿业大学出版社，1992.

［29］F D Becchetti.Evidence for Nuclear Reactions in Imploding Bubbles［J］.Science，2002，295（5561）：1850.

［30］R PTaleyarkhan，C D West，J S Cho，et al.Evidence for Nuclear Emissions during Acoustic Cavitation［J］.Science，2002，295（5561）：1868-1873.

［31］莫莱尔，华湘翰.超声波提取碳氢化合物［J］.石油炼制与化工，1960，13（1）：13-14.

［32］杨继生，徐辉.油泥砂处理技术研究［J］.上海化工，2008，33（6）：23-25.

［33］王新强，杨志刚，谢娟.超声处理含油污泥除油实验研究［J］.石油与天然气化工，2006，35（3）：239-241.

［34］王文祥，韩萍芳，吕效平.油田含油污泥超声脱油的研究［J］.环境工程学报，2007，1（12）：133-136.