廢棄水基鉆井液低壓蒸餾處理技術(shù)研究與應(yīng)用

舒福昌 （長江大學(xué)化學(xué)與環(huán)境工程學(xué)院，湖北 荊州434023）

羅剛，張巖，向興金 （荊州市漢科新技術(shù)研究所，湖北 荊州434001）

為了滿足鉆井工程的需要，鉆井液中常常需要添加各種化學(xué)處理劑，這些處理劑中存在著大量對環(huán)境有害的物質(zhì)，如油類、鹽類、可溶性重金屬元素以及有機(jī)物等等。因此廢棄水基鉆井液普遍存在膠體穩(wěn)定性好，化學(xué)需氧量 （COD）高，生化需氧量 （BOD）與COD的比值低，可生化降解性差，毒性大，且水質(zhì)化學(xué)組成復(fù)雜等特點(diǎn)[1]。隨著世界各國環(huán)境保護(hù)意識的逐漸增強(qiáng)，對廢棄鉆井液處理的要求也越來越嚴(yán)格，特別是一些環(huán)境敏感地區(qū)和國家及海洋環(huán)境。一旦不能很好地處理廢棄鉆井液，則極易造成對環(huán)境及人體健康的危害[2]。

近年來廢棄鉆井液處理主要采用生化處理、化學(xué)氧化處理或膜分離處理，然而在應(yīng)用過程中均存在適應(yīng)性差、處理效果不佳、運(yùn)行費(fèi)用高等缺點(diǎn)，尤其是COD超標(biāo)，很難滿足國家污水綜合排放標(biāo)準(zhǔn)。筆者研究了廢棄水基鉆井液低壓蒸餾法處理技術(shù)，即先將廢棄水基鉆井液進(jìn)行化學(xué)破膠脫穩(wěn)處理，經(jīng)脫水機(jī)固液分離后，采用低壓蒸餾方法處理分離后的廢水。

1 室內(nèi)研究

廢棄水基鉆井液低壓蒸餾法處理技術(shù)的核心是首先采用固液分離技術(shù)將固相分離出來，然后采用低壓蒸餾工藝將污水中的有機(jī)物及殘余重金屬元素等去除?？紤]到廢棄水基鉆井液為穩(wěn)定性極高的分散體系，ζ電位高[3]，直接通過固液分離機(jī)械 （如離心機(jī)、壓濾機(jī)等）進(jìn)行脫水非常困難，因此需先對其進(jìn)行化學(xué)脫穩(wěn)、絮凝處理，即通過加入適當(dāng)?shù)拿摲€(wěn)劑改變鉆井液體系的物理、化學(xué)性質(zhì)，使細(xì)顆粒聚結(jié)成團(tuán)，從而破壞鉆井液膠體穩(wěn)定性，再借助機(jī)械設(shè)備進(jìn)行固液分離。其工藝流程見圖1。

1.1 化學(xué)強(qiáng)化固液分離

圖1 鉆井廢棄液處理工藝流程

化學(xué)強(qiáng)化固液分離首先要進(jìn)行化學(xué)脫穩(wěn)、絮凝處理，因此需要篩選合適的脫穩(wěn)劑。脫穩(wěn)效果評價(jià)方法 （API壓濾法）如下：取廢棄鉆井液，與水 （清水或分離后廢水）按體積比1∶1進(jìn)行稀釋，在（10000r/min×20min）高攪下混合，調(diào)節(jié)pH值至6.5左右；加入10g/L無機(jī)脫穩(wěn)劑，然后在混凝試驗(yàn)攪拌儀上在400r/min轉(zhuǎn)速下攪拌3min，或者加入0.3g/L有機(jī)脫穩(wěn)劑，然后在混凝試驗(yàn)攪拌儀上在120r/min轉(zhuǎn)速下攪拌3min。將加入脫穩(wěn)劑處理后的鉆井液，在API中壓失水儀上測定7.5min的濾失量，并測定濾液的pH值、色度和濁度；將固液分離后的泥餅在120℃下恒溫16h，取出冷卻至室溫稱重，計(jì)算泥餅含水率。

根據(jù)絮凝原理，利用無機(jī)脫穩(wěn)劑的電中和原理以及有機(jī)脫穩(wěn)劑的吸附架橋原理的協(xié)同效應(yīng)其效果最好，因此室內(nèi)研究分別對無機(jī)脫穩(wěn)劑及有機(jī)脫穩(wěn)劑進(jìn)行了優(yōu)選，結(jié)果見表1和表2。

表1 無機(jī)脫穩(wěn)劑的脫穩(wěn)效果評價(jià)結(jié)果

表2 有機(jī)脫穩(wěn)劑的脫穩(wěn)效果評價(jià)結(jié)果

由表1和表2可以看出，從濾失量、濾液的pH值、色度和濁度以及泥餅含水率綜合比較來看，無機(jī)脫穩(wěn)劑HWJ和有機(jī)脫穩(wěn)劑HYJ的脫穩(wěn)效果更好。

室內(nèi)同時(shí)采用無機(jī)脫穩(wěn)劑HWJ和有機(jī)脫穩(wěn)劑HYJ協(xié)同作用進(jìn)行脫穩(wěn)實(shí)驗(yàn)，結(jié)果見圖2及圖3。結(jié)果表明，同時(shí)加入2種脫穩(wěn)劑，不僅提高了廢棄鉆井液的脫穩(wěn)效果 （濾失量增大），同時(shí)還改善了分離后污水的水質(zhì) （濾液色度減小），且無機(jī)脫穩(wěn)劑在不同加量條件下，其協(xié)同作用效果不同，存在明顯的拐點(diǎn)。

圖2 HWJ質(zhì)量濃度與濾失量關(guān)系圖

圖3 HWJ質(zhì)量濃度與濾液色度關(guān)系圖

對廢棄鉆井液進(jìn)行化學(xué)脫穩(wěn)后，需對其進(jìn)行固液分離。目前傳統(tǒng)的固液分離裝置如板框壓濾機(jī)、帶式壓濾機(jī)、臥式螺旋離心機(jī)等[4]均存在一定的不足之處，因此通過對比分析，選擇了新型的污泥脫水固液分離技術(shù)，即疊螺式脫水法。它結(jié)合了過濾濃縮技術(shù)和壓榨技術(shù)，將污泥的濃縮和壓榨脫水過程在一個(gè)單元內(nèi)完成。其主要技術(shù)特點(diǎn)如下：①力水同向，出水方向和受力方向相同，使自由態(tài)水以最快的速度分離。②薄層脫水，又稱烙餅脫水。在污泥脫水過程中，每次機(jī)械力只施加在一個(gè)污泥薄餅上，使污泥中自由態(tài)水走最短的距離從泥中脫離。③適度施壓，理想的機(jī)械脫水施壓僅僅在小于0.5MPa壓力的作用下，就能獲得理想的脫水效果。④延長路徑，既給予污泥在脫水過程中一定的時(shí)間量，又保證脫水生產(chǎn)的連續(xù)化作業(yè)。

1.2 低壓蒸餾技術(shù)

由于鉆井液中存在著大量對環(huán)境有害的物質(zhì)，即使經(jīng)過化學(xué)強(qiáng)化固液分離，其廢水仍難達(dá)到排放標(biāo)準(zhǔn)，尤其是COD。最有效、最直接的方式是采用蒸餾技術(shù)，該方法受鉆井液處理劑影響小，可用于COD高的鉆井廢水。

為了減少能耗，提高處理效率，室內(nèi)研究采用三效低壓蒸餾技術(shù)，低壓是為了降低水的沸點(diǎn)，提高處理效率，而三效則是指利用前一效蒸餾過程中產(chǎn)生的蒸汽熱量來進(jìn)行下一步蒸餾以降低能耗。室內(nèi)設(shè)計(jì)的各效工藝參數(shù)見表3。

表3 三效低壓蒸餾工藝參數(shù)

2 現(xiàn)場應(yīng)用

廢棄水基鉆井液低壓蒸餾法處理技術(shù)目前已在DG油田4口井的現(xiàn)場廢棄鉆井液處理中得到應(yīng)用。處理后的水樣檢測結(jié)果表明：低壓蒸餾出的廢水中氟化物和重金屬含量、化學(xué)需氧量 （COD）、生化需氧量 （BOD）、石油類含量以及色度，均達(dá)到國家標(biāo)準(zhǔn) 《污水綜合排放標(biāo)準(zhǔn)》（GB8978－1996二級）的要求，見表4。

表4 處理后的水樣分析檢測結(jié)果及標(biāo)準(zhǔn)要求

3 結(jié) 論

1）廢棄水基鉆井液普遍存在膠體穩(wěn)定性好、COD高、BOD與COD的比值低、可生化降解性差、毒性大且水質(zhì)化學(xué)組成復(fù)雜等特點(diǎn)。

2）廢棄水基鉆井液低壓蒸餾法處理技術(shù)主要包括化學(xué)脫穩(wěn)、疊螺式固液分離以及三效低壓蒸餾技術(shù)。

3）廢棄水基鉆井液低壓蒸餾法處理技術(shù)在現(xiàn)場的應(yīng)用效果表明，處理后的廢水中氟化物和重金屬含量、化學(xué)需氧量 （COD）、生化需氧量 （BOD）、石油類含量以及色度等指標(biāo)，均可達(dá)到國家標(biāo)準(zhǔn)《污水綜合排放標(biāo)準(zhǔn)》（GB8978－1996二級）的要求。

[1]王學(xué)川，胡艷鑫，鄭書杰，等 .國內(nèi)外廢棄鉆井液處理技術(shù)研究現(xiàn)狀 [J].陜西科技大學(xué)學(xué)報(bào) （自然科學(xué)版），2010，28（6）：169～174.

[2]Jones F V.The chronic toxicity of mineral oil－wet and synthetic liquid－wet cuttings on an estuarine fish [J].SPE 23497，1991.

[3]李輝，葉永蓉，賀吉安，等 .廢棄鉆井液生物絮凝劑篩選實(shí)驗(yàn)研究 [J].油氣田環(huán)境保護(hù)，2011，21（1）：36～37.

[4]秦宗倫，牛曉，周奇軍，等 .中國鉆井現(xiàn)場污水及廢棄鉆井液脫水處理裝置 [J].鉆井液與完井液，2011，28（5）：78～80.