含油污泥脫水技術(shù)國內(nèi)外研究現(xiàn)狀
行業(yè)動態(tài)
含油污泥是多種石油烴（PHC）、水、重金屬和固體顆粒組成的復(fù)雜體系。在石油的開采和精煉過程、油田集輸過程以及煉油廠污水處理過程中會產(chǎn)生大量的含油污泥。在這些過程中，人們會添加大量的化學(xué)藥劑以提高采油率、處理效率等，使得形成的含油污泥流動性差、乳化狀態(tài)嚴(yán)重、成分復(fù)雜、固液難以分離。含油污泥的產(chǎn)量很大，由于難處理，處理量也有限，采用焚燒、熱解等處理方法都需要對其進(jìn)行脫水預(yù)處理。經(jīng)過脫水后的含油污泥體積大大減少，降低了運(yùn)輸?shù)南嚓P(guān)成本，同時(shí)也降低了后續(xù)處理的設(shè)備負(fù)荷和處理難度，從而帶來經(jīng)濟(jì)效益。因此，脫水技術(shù)的掌握是含油污泥處理的前提，也是石油化工行業(yè)中必須解決的問題。含油污泥通常有兩種處理方案：一種為降低石油加工過程中含油污泥的產(chǎn)量；另一種是針對產(chǎn)生的含油污泥的處理，對其進(jìn)行回收利用或處置其不可回收的殘留物以及其本身。本文主要針對第二種處理方案中含油污泥脫水方法進(jìn)行詳細(xì)介紹。通過對當(dāng)前國內(nèi)外含油污泥脫水技術(shù)進(jìn)行調(diào)研，總結(jié)當(dāng)前主要脫水技術(shù)的脫水原理、影響因素和國內(nèi)外研究現(xiàn)狀。
1 含油污泥脫水方法
1.1 化學(xué)法脫水
化學(xué)法脫水是指向含油污泥中添加化學(xué)藥劑進(jìn)行高效脫水的方法，此種方法不需要使用大量的機(jī)械設(shè)備以及復(fù)雜的工藝就能夠達(dá)到脫水效果。目前化學(xué)法對含油污泥進(jìn)行脫水的工藝和設(shè)備已經(jīng)十分成熟，被廣泛地應(yīng)用于含油污泥的預(yù)處理。綜合目前的研究現(xiàn)狀，采用化學(xué)法進(jìn)行脫水時(shí)，常見的手段包括添加絮凝劑、表面活性劑和其它藥劑?？梢酝ㄟ^調(diào)節(jié)藥劑的濃度、處理時(shí)間、固液比、處理溫度、沉降時(shí)間等，進(jìn)一步改善脫水率。工業(yè)應(yīng)用時(shí)，通常將上述方法進(jìn)行篩選與組合來獲得效率更好的脫水方案。
1.1.1 添加絮凝劑脫水
在眾多預(yù)處理過程中，絮凝劑是成本低、效率高的污泥調(diào)節(jié)劑，已被廣泛應(yīng)用于含油污泥的脫水，其中工業(yè)上使用較多的絮凝劑為無機(jī)絮凝劑和有機(jī)合成高分子絮凝劑。陽離子聚丙烯酰胺作為一種線性高分子量的有機(jī)絮凝劑，含有-CONH2等活性基團(tuán)。能夠通過氫鍵作用力以及范德華力促進(jìn)與污泥顆粒的吸附與橋接。無機(jī)絮凝劑（例如：聚氯化鋁和氯化鐵）在水解過程中會水解為羥基化合物，羥基離子能夠通過電荷中和將污泥凝聚為絮凝物并改善泥餅的孔隙率。
有機(jī)合成高分子絮凝劑常常不具有生物降解性，會對環(huán)境造成二次污染，合成綠色環(huán)保的改性天然高分子絮凝劑得到了許多研究者的關(guān)注。
1.1.2 添加表面活性劑脫水
表面活性劑分子是由疏水基團(tuán)以及親水基團(tuán)共同組成的兩親性化合物。親水基團(tuán)能夠使得表面活性劑分子溶于水相中，并增加石油烴的溶解度。疏水基團(tuán)能夠?qū)⒈砻婊钚詣┓肿泳奂诮缑嫣?，降低表面張力以及界面張力，增?qiáng)石油烴的遷移率。因此，表面活性劑具有處理含油污泥的巨大潛力，也被廣泛地應(yīng)用于含油污泥的脫水過程中。
將絮凝劑與破乳劑進(jìn)行復(fù)配也能夠提高含油污泥處理效率。
有機(jī)溶劑以及醇類的添加能夠有效降低含油污泥的含水率。
通常表面活性劑具有毒性和無法生物降解的缺點(diǎn)，處理后的含油污泥會對環(huán)境造成進(jìn)一步的污染。鼠李糖脂是新一代的陰離子生物表面活性劑，有很高的界面活性、生物降解性以及生物相容性。
1.1.3 添加其它藥劑
氧化處理也能夠提高含油污泥脫水率。為了降低環(huán)境風(fēng)險(xiǎn)問題，目前有研究者考慮采用生物質(zhì)對含油污泥進(jìn)行處理。
1.2 物理法脫水
物理法對含油污泥進(jìn)行脫水有時(shí)效率并不高，通常與化學(xué)法配合在一起使用以提高脫水率。物理法脫水主要包括：機(jī)械法、微波法、超聲法和冷凍/融化法等。
1.2.1 機(jī)械法脫水
機(jī)械法脫水主要包括離心機(jī)脫水、壓濾機(jī)脫水和疊螺式脫水機(jī)脫水，目前已經(jīng)被廣泛地應(yīng)用于工業(yè)脫水。離心機(jī)處理含油污泥主要是利用含油污泥中水、油、固體雜質(zhì)各個組分的密度不同，利用大型離心設(shè)備產(chǎn)生的離心力將三相分離。
壓濾機(jī)主要包括帶式壓濾機(jī)和板框壓濾機(jī)。壓濾機(jī)是利用外加壓力進(jìn)行擠壓，使含油污泥中水分強(qiáng)制分離，留下泥餅，以實(shí)現(xiàn)脫水。帶式壓濾機(jī)和板框壓濾機(jī)較早被使用，但有操作維護(hù)復(fù)雜、密封性差、有刺鼻氣味的缺點(diǎn)。
疊螺式脫水機(jī)脫水是一種新型的固液分離方法。
1.2.2 微波法脫水
微波是一種相對新穎的脫水方法，能夠在縮短處理時(shí)間和減少藥劑的同時(shí)，提高脫水性能。含油污泥中水是極性分子，在電磁場的作用下，水的分布狀態(tài)由雜亂無章轉(zhuǎn)變?yōu)橐勒针妶鰳O性進(jìn)行規(guī)律的排列。電磁場反復(fù)變化，水的分布狀態(tài)也一直變，這會導(dǎo)致分子因?yàn)橄嗷ツΣ炼a(chǎn)熱，體系溫度升高。與常規(guī)加熱相比，微波具有高加熱速率，在相同時(shí)間內(nèi)具有更快的破乳速度，能脫除更多的水。微波的傳熱和傳質(zhì)方向相同，可從污泥的內(nèi)部開始加熱，因此內(nèi)部會產(chǎn)生較高的蒸汽壓，將水蒸氣推向污泥外部，從而增強(qiáng)污泥的脫水率。
微波對含油污泥進(jìn)行脫水時(shí)分三個階段：預(yù)熱升溫階段、高速干燥階段和分散干燥階段。高速干燥階段中，水分吸收微波輻射能量蒸發(fā)為水蒸氣，脫水速率快。隨著含油污泥中含水率的降低進(jìn)入分散干燥階段，微波絕大多數(shù)的能量用于加熱固體成分，使得含油污泥揮發(fā)分減少，灰分增加。溶劑的添加會改變微波處理時(shí)的脫水效率。含油污泥與活性污泥除了油含量的不同外，其它性質(zhì)十分相似，因此脫水方面也有相似性。
微波法對含油污泥脫水的影響主要依靠調(diào)節(jié)微波功率以及微波時(shí)間。在微波脫水時(shí)，適當(dāng)提高微波功率和微波時(shí)間可以提高脫水率，但存在 值，超過這一值，脫水能力會呈現(xiàn)無明顯變化甚至下降的趨勢。使用微波脫水，若脫水程度過大會增大回收油的難度，因?yàn)榇罅康乃终舭l(fā)會使得一些油分附著在其表面，這些油分會在高溫條件下燒焦。
含油污泥的質(zhì)量和形狀也會影響脫水率。質(zhì)量過大的含油污泥脫水率會顯著降低，條形的含油污泥脫水率大于圓形的。油泥的形狀會影響含油污泥與微波設(shè)備之間的接觸方式，形狀的改變可能會增大液滴的凝聚，從而降低含水率。因此，微波處理時(shí)還應(yīng)當(dāng)注意含油污泥的脫水程度、質(zhì)量、形狀，確保水分能很好地脫除的同時(shí)，保證含油污泥處理的后續(xù)步驟。雖然目前發(fā)現(xiàn)微波法能有效地對含油污泥進(jìn)行脫水，但在微波設(shè)備的設(shè)計(jì)上仍需要突破，例如在微波設(shè)備的諧振腔體內(nèi)部，安裝物料傳送裝置會引起微波電磁場發(fā)生改變，導(dǎo)致加熱不均，作用效果下降。
1.2.3 超聲波脫水
近些年來，超聲也被應(yīng)用于脫水領(lǐng)域。超聲具有機(jī)械振動、空化作用以及熱效應(yīng)的特點(diǎn)。超聲所引起的機(jī)械振動與水、油和污泥固體顆粒密度相關(guān)，由于它們密度不同，它們的振動速度也有所不同，同類的分子相互碰撞會相互結(jié)合。隨著聚集物質(zhì)體積質(zhì)量的增大，密度大于水的固體顆粒沉降，密度小于水的油相浮在水面有利于浮選分離。超聲引起的空化作用能夠產(chǎn)生強(qiáng)大的射流和高溫高壓，能夠迅速分離油、水和固體顆粒?？栈饔迷鰪?qiáng)了吸附分子的解吸作用。它的效果取決于形成氣泡的大小，氣泡越大，積攢的能量就越大，效果越強(qiáng)。超聲的熱效應(yīng)表現(xiàn)為油水固邊界摩擦，溫度升高，使得界面膜破裂，利于含油污泥中油水固的分離。含油污泥也能吸收能量轉(zhuǎn)化為熱能，降低體系的粘度，從而利于脫水。超聲作用也能夠通過改變含油污泥的帶電狀態(tài)和破壞含油污泥中的絮狀結(jié)構(gòu)，破壞其穩(wěn)定性，加速固液分離。
超聲法脫水主要可以通過超聲時(shí)間和超聲功率來調(diào)節(jié)。適當(dāng)提高超聲功率，能產(chǎn)生更強(qiáng)烈的振動從而提高脫水率，但是超聲功率不宜太高，超聲強(qiáng)度高會導(dǎo)致氣蝕反而乳化，大水滴又被分解為小水滴，并且高頻超聲波較低頻超聲波更難產(chǎn)生空化現(xiàn)象。超聲強(qiáng)度應(yīng)當(dāng)?shù)陀诳栈撝?，在?shí)驗(yàn)前確定出空化閾值能夠很好地控制超聲強(qiáng)度。
超聲溫度也會影響固液分離效果，低溫下雖然空化效應(yīng)較大，但高溫有利于分子運(yùn)動和空化核數(shù)目增加，因此，超聲溫度也不可過低或過高。
1.2.4 冷凍/融化法
冷凍/融化法在寒冷地區(qū)有很大的應(yīng)用前景，它能夠利用天然的寒冷環(huán)境對含油污泥進(jìn)行脫水。冷凍/融化法脫水通過冷凍和解凍過程中形成新的表面活性劑膠束來實(shí)現(xiàn)，當(dāng)?shù)蜏叵聝鼋Y(jié)的含油污泥在融化的過程中，一些表面活性劑會游離出來，當(dāng)?shù)竭_(dá)一定量時(shí)，會在水相和油相中形成膠束，使得原本的界面膜強(qiáng)度降低，導(dǎo)致破裂脫水。脫水率與新形成的膠束穩(wěn)定性有關(guān)。含油污泥的脫水率主要與冷凍溫度、冷凍時(shí)間、解凍溫度和解凍時(shí)間有關(guān)。
1.2.5 其它技術(shù)
電化學(xué)技術(shù)也被應(yīng)用于含油污泥脫水。
對含油污泥進(jìn)行干燥處理也是降低含水率的一種方法。
油炸是烹飪食品的方法之一，將其用于脫水具有脫水效率高、傳熱速率快、設(shè)備簡單的優(yōu)勢。隨著研究者對其深入了解，油炸工藝已經(jīng)不只局限于食品制造行業(yè)，有人將其應(yīng)用于污泥脫水方面，但是目前針對含油污泥脫水方面仍處于起步階段。
2 脫水技術(shù)的聯(lián)用
不同的脫水方法各有優(yōu)缺點(diǎn)，見下表所示：
脫水方法 | 優(yōu)點(diǎn) | 缺點(diǎn) |
化學(xué)法 | 處理時(shí)間較短、處理成本適中、處理技術(shù)以及設(shè)備成熟、處理量大、已被廣泛應(yīng)用于工業(yè) | 污染環(huán)境、化學(xué)藥劑添加成本較高、常與物理方法聯(lián)用 |
機(jī)械法 | 處理時(shí)間較短、污染較小、處理成本較低、處理技術(shù)以及設(shè)備成熟、處理量大、已被廣泛應(yīng)用于工業(yè) | 噪音大、維修費(fèi)用高、更換成本大 |
微波法 | 處理時(shí)間短、高效、污染小 | 處理技術(shù)以及設(shè)備不成熟、成本較高、仍處于實(shí)驗(yàn)室研究階段 |
超聲法 | 污染小、殺菌、已有工業(yè)化應(yīng)用實(shí)例但還未廣泛應(yīng)用 | 工業(yè)化應(yīng)用時(shí)處理時(shí)間較長、處理效率較低、設(shè)備成本高、工業(yè)應(yīng)用時(shí)可與其他方法聯(lián)用 |
冷凍/融化法 | 污染小、寒冷地區(qū)應(yīng)用時(shí)處理能耗低、成本低 | 處理時(shí)間長、適用性差 |
一些方法由于其適用性強(qiáng)和處理簡便的特點(diǎn)目前被廣泛應(yīng)用，如機(jī)械法、化學(xué)法，但是脫水效率和環(huán)境破壞需要改善。一些方法，如超聲法、微波法，目前來看十分有前途，但是由于受到處理成本以及設(shè)備的限制，還未廣泛應(yīng)用于工業(yè)處理。
由于不同方法各有優(yōu)缺點(diǎn)，目前國內(nèi)外研究者已經(jīng)開始將多種方法進(jìn)行結(jié)合對含油污泥進(jìn)行處理，以實(shí)現(xiàn)降低處理成本、簡化處理工藝、提高處理效果的目的。
化學(xué)法與物理脫水法結(jié)合能夠改善脫水效果。通過與其它技術(shù)結(jié)合，能夠明顯減少化學(xué)藥劑的使用量，減少添加藥劑的成本以及降低后續(xù)水處理時(shí)的難度。在技術(shù)聯(lián)用的過程中調(diào)整使用技術(shù)的順序會使脫水率發(fā)生改變，在工業(yè)應(yīng)用時(shí)應(yīng)適當(dāng)調(diào)整順序以提高脫水率。
超聲技術(shù)的輔助能夠在不破壞環(huán)境的同時(shí)減少化學(xué)藥劑的添加量。
3 結(jié)束語
本文介紹了近年來含油污泥脫水技術(shù)的處理原理、影響因素和應(yīng)用現(xiàn)狀。由于各個地區(qū)含油污泥產(chǎn)生環(huán)境的不同，性質(zhì)也會不同，目前尚未找到一種脫水方法能夠滿足所有含油污泥的處理。含油污泥的脫水方法的選擇應(yīng)當(dāng)考慮含油污泥的成分、處理量、環(huán)境友好、處理時(shí)間和處理成本。盡管目前在脫水技術(shù)的原理、影響因素以及設(shè)備設(shè)計(jì)方面已經(jīng)取得了較好的成果，但是仍存在許多問題需要進(jìn)一步研究解決。
首選，化學(xué)藥劑的添加會危害環(huán)境并給后續(xù)水處理過程帶來難度，有些化學(xué)藥劑成本過高，利用時(shí)也受限制。其次，工業(yè)應(yīng)用上超聲與微波法處理含油污泥時(shí)處理量、操作方式以及設(shè)備的設(shè)計(jì)方面仍需進(jìn)一步的突破。再次，目前大多數(shù)據(jù)都基于實(shí)驗(yàn)室規(guī)模的間歇操作。小規(guī)模的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)能為工業(yè)應(yīng)用做指導(dǎo)，但與大規(guī)模應(yīng)用仍會有所差距。當(dāng)前對含油污泥脫水的研究，通常關(guān)注于技術(shù)的原理以及脫水效率，很少評價(jià)脫除的廢水性質(zhì)，并應(yīng)用于脫水技術(shù)實(shí)用性的評價(jià)。
因此，從減輕環(huán)境負(fù)擔(dān)以及實(shí)際應(yīng)用的角度出發(fā)，本領(lǐng)域今后的研究可以主要從以下幾個方面進(jìn)行：
（1）尋找或合成效率高、有經(jīng)濟(jì)效益、綠色和普適性的化學(xué)藥劑。
（2）對工業(yè)應(yīng)用的微波以及超聲設(shè)備進(jìn)一步優(yōu)化，找出較佳工業(yè)化操作條件。
（3）將上述提及的脫水方法進(jìn)行結(jié)合，并開展相應(yīng)工業(yè)化規(guī)模的實(shí)驗(yàn)。
（4）與其它領(lǐng)域相結(jié)合，開發(fā)新型脫水技術(shù)。
（5）將產(chǎn)生的廢水性質(zhì)也歸納于脫水技術(shù)實(shí)用性的評定中。
