超聲強化煉廠含油浮渣脫水的研究

周寅飛，董 薇

(揚州工業職業技術學院，江蘇 揚州 225127)

原油開采及煉油工藝會產生大量的含油污水，對煉廠污水的資源化過程中，運用絮凝技術進行預處理是一種有效且經濟的方法，但由此會產生大量的含油浮渣。含油浮渣是由于投加絮凝劑，污水氣浮混凝，小氣泡夾雜含油污泥上浮而形成。主要組成是帶負電荷的親水膠體粒子，其成分復雜，濃縮困難，且隨著原油品質變化、數量會大幅增加。以國內一座原油加工量為6 Mt·a-1的煉廠為例，日排放污水量約16 kt，其中70%進行絮凝，污水中的懸浮物含量按90 mg·L-1計算，那么污水處理場每日產生的濕基含水率(下文均簡稱含水率)為90%左右的混凝浮渣數量就將高達182 t，數量巨大[1]。

傳統減量化處理工藝為采用離心設備脫水或板框壓濾機壓濾，使其成為浮渣濾餅，然后送入焚燒爐內焚燒，去除其中的有機物，最后殘渣掩埋[2]。該工藝的浮渣濾餅雖經機械脫水，但含水率仍高達80%～85%，設備處理規模大，運行成本高。

本實驗采用超聲輻照與化學調質處理相結合，對煉廠含油浮渣進行減量化研究[3]?？墒钩跏己?0%以上的含油浮渣最終含水量降到50%左右，體積縮小200倍，便于運輸、儲存和消納，且減少絮凝劑聚丙烯酰胺的使用量20%，經濟、環境效益前景良好。

1 實 驗

1.1 實驗機理

含油浮渣粒子表面帶電荷，通過高分子絮凝劑的吸附、中和、凝聚等作用能破壞浮渣粒子的穩定性，使分子聚合，形成絮體[4]。而基于超聲空化和震蕩剪切原理的超聲能降低浮渣的粘度，促進浮渣的破乳，增強絮凝，有利于浮渣分子聚集后的分水[5]。

1.2 樣品、試劑與儀器

本實驗采用的含油浮渣取自區域內石化煉油廠污水處理工段的第二浮選池，混合均勻，分別單獨超聲波作用、單獨投加化學調理絮凝劑、以及超聲和絮凝復配作用。經上述處理后的浮渣抽濾脫水，運用國標GB8929-88蒸餾法處理，測量其最終含水量[6]，以質量差求得脫水量和脫水率。

所使用的化學藥品為：市售聚丙烯酰胺顆粒(分子量600萬)，配制成濃度為10.0 mg·mL-1的水溶液(PAM)。

所采用的實驗儀器主要有：階梯形變幅桿浸入式超聲波處理器(壓電陶瓷換能器，超聲波發生頻率20～40 kHz，功率0～1 kW)、烘箱(0～500 ℃)、分析天平、100 r·min-1電動攪拌機、小型抽濾設備及各類玻璃儀器等。

主要超聲處理裝置如下：

圖1 超聲處理含油浮渣的裝置圖

2 結果與討論

2.1 超聲作用時間對浮渣最終含水率的影響

實驗溫度約為11.2 ℃，含油浮渣原始含水率92.85%。試驗中采用500 mL燒杯量取，每次取樣量為200 mL，試驗時的超聲作用聲強為200 W·m-2。

實驗的一組數據如表1所示。

表1 超聲作用時間與浮渣最終含水率的關系表

在本實驗中，含油浮渣的原始pH值為6.6，試驗描述中“開始絮凝時滴加的PAM”是指含油浮渣加入聚丙烯酰胺絮凝劑后開始出水時所需PAM的量，而“滴加到適量的PAM”是指含油浮渣中滴加絮凝劑至不再繼續出水時所需PAM的量。

表1數據經整理分析如圖1所示。從圖1中可以看出，在溫度為11.2 ℃時，對原始含水率為92.85%的浮渣，超聲作用聲強為200 W·m-2的超聲波發生器作用5.5 min，浮渣的最終脫水率最好。當超聲波作用時間過長或過短，浮渣的脫水性能均有所下降，最終含水率都高于超聲波作用5.5 min時的含水率。

圖1 超聲作用時間對含水率的影響

2.2 超聲強度對含油浮渣最終含水率的影響

運用階梯形變幅桿浸入式超聲波反應器，作用于200 mL初始含水率為90%以上的含油浮渣。調節超聲波的輻照功率，以電流所示讀數為準，從0.26 A至0.34 A每隔0.02 A(對應的超聲聲強分別從273 W·m-2變化到912 W·m-2)，超聲波作用時間從1 min到10 min每隔1 min測量一次，重復以上的測量，在浮渣的最終含水量較低的結果下找尋較佳的超聲作用時間和作用強度，如圖2～圖6所示。

圖2 超聲作用時間對含油浮渣含水率的影響

圖3 超聲作用時間對含油浮渣含水率的影響

圖4 超聲作用時間對含油浮渣含水率的影響

圖5 超聲作用時間對含油浮渣含水率的影響

圖6 超聲作用時間對含油浮渣含水率的影響

需要說明的是，由于實驗的含油浮渣性質的不同，沒有將上述五張圖表合并歸納。但從其中可以看出，在超聲作用時間為5 min左右時，對含油浮渣含水率的影響較大。為了考察超聲作用對同一種性質的含油浮渣含水率的影響，分別在4、5、6 min做了試驗，考察超聲作用聲強對含油浮渣含水率的影響，如圖7所示。

圖7 超聲作用聲強對含油浮渣含水率的影響

從圖7中可以看出，超聲對浮渣的脫水有較好的促進作用，在超聲的作用下，超聲電流0.3 A，超聲作用時間5 min，浮渣脫出的水量較多。而超聲作用時間過長或過短，超聲作用強度過大或過小，浮渣脫出的水量均有所減少。

由于超聲聲強I是用水聽器測得聲壓P后通過公式換算得出：

而含油浮渣的密度ρ與聲速c會隨著浮渣含水率的變化而變化。一般情況下，密度ρ會隨著浮渣原始含水率的增加而小幅增加，聲速c會隨著浮渣原始含水率的增加而降低，且變化幅度大于密度ρ的變化。因此在相同的超聲輸出功率下，超聲聲強會隨著含油浮渣原始含水率的提高而相應增加[7]。試驗所取的含油浮渣的原始含水率一般在90%以上，因此對應的適宜的超聲聲強應在400～500 W·m-2。

由此可以固定超聲作用條件：超聲平均聲強400～500 W·m-2，超聲作用時間5 min。

2.3 不同溫度對超聲脫水的影響

圖8 不同溫度對超聲脫水的影響

從圖8中未能得出不同溫度對超聲脫水性能的線性關系。由于溫度的不同，直接影響到浮渣的理化性質，造成其性質的差異。但從前期的眾多試驗數據中可推導出，隨著浮渣擺放時間的加長，脫水性能有所提高。

3 結 論

(1)通過滴加化學絮凝劑PAM可以使含油浮渣的含水率下降約10%；

(2)單純使用超聲，不添加化學絮凝劑無法使含油浮渣脫水；

(3)通過超聲與化學絮凝的復配可使含油浮渣的含水率下降，且加入超聲后，在達到相近的含油浮渣的最終含水率的前提下，可以減少了化學絮凝劑PAM的用量20%以上，具有較強的環保優勢。