響應(yīng)面法優(yōu)化絮凝劑加藥工藝的應(yīng)用研究

皮富強

(延長油田股份有限公司 富縣采油廠，陜西 富縣 727500)

油氣田采出水是油氣田污水的重要組成部分，未經(jīng)處理的油氣田污水具有較高的油層傷害性。油氣田污水處理方法有：重力分離法、過濾法、化學(xué)絮凝法、氣浮法、生物法等[1]。其中絮凝處理技術(shù)是污水處理的重要技術(shù)手段，該法通過向污水中投加一定量的化學(xué)物質(zhì)，來改變或破壞水相中物質(zhì)的電勢電位，使物質(zhì)發(fā)生吸附、架橋，將微粒雜質(zhì)凝聚成粗大的絮體，然后通過沉淀、氣浮、過濾等手段進行分離[2]。顆粒產(chǎn)生絮凝需要兩個基本前提，顆粒間的接觸(碰撞)以及接觸后的聚集。顆粒的接觸并不等于聚集，如果顆粒不具備彼此結(jié)合的能力，接觸后的顆粒會處于分散狀態(tài)，它取決于絮凝劑的性質(zhì)[3]。選擇合適的絮凝劑對污水處理效果尤為重要，同時加藥順序、間隔和攪拌速率等因素對絮凝效果也起著不可忽略的作用[1]。陳斌等[4]通過實驗研究得出結(jié)論，先加無機絮凝劑聚合氯化鋁(PAC)后加有機絮凝劑聚丙烯酰胺(PAM)的效果比先加PAM后加PAC的效果好。

在絮凝過程中，加藥工藝條件對絮凝效果有顯著影響。多數(shù)污水處理工藝本質(zhì)是以污染物去除率為目標(biāo)函數(shù)的多變量問題，因此工藝參數(shù)的優(yōu)化在污水處理中起著至關(guān)重要的作用。單因素試驗僅考察單一因素對響應(yīng)的影響；正交試驗雖考察不同因素的綜合影響，但也無法找到整個區(qū)域上各因素的最優(yōu)參數(shù)與最優(yōu)響應(yīng)值。響應(yīng)面法利用合理的試驗設(shè)計方法并通過實驗得到一定數(shù)據(jù)，采用多元二次回歸方程擬合多個因素與響應(yīng)值之間的函數(shù)關(guān)系，通過分析回歸方程來尋求最優(yōu)工藝參數(shù)，解決多變量問題。它作為一種有效且廣泛使用的試驗設(shè)計和優(yōu)化技術(shù)，可適應(yīng)不同廢水處理過程的參數(shù)優(yōu)化[5-7]。

為了從理論上探索并優(yōu)化油氣田采出水絮凝效果，本實驗采用響應(yīng)面法建立模型，優(yōu)化絮凝劑加藥，包括有機、無機絮凝劑加量，加藥間隔及攪拌速率，以采出水透光率響應(yīng)，通過上述回歸模型分析，對最佳條件進行完善。

1 響應(yīng)面模型的建立

1.1 試驗方法

以單因素實驗結(jié)果為依據(jù)，選擇富縣采油廠馬蓮溝長2采出水為研究對象，以PAC加量、PAM加量、加藥間隔及攪拌速率為相應(yīng)變量，對實驗條件進行優(yōu)化，采用紫外-可見分光光度計在600 nm處測量采出水處理前后的透光率，以透光率為響應(yīng)值，利用Box-Behnken設(shè)計建立響應(yīng)面實驗。

1.2 試驗結(jié)果

進行因素水平及編碼設(shè)計如表1所示，響應(yīng)面的實驗設(shè)計及測定結(jié)果見表1-2所示。采用Design-Expert.8.0.6.1軟件對表2的實驗數(shù)據(jù)進行多元擬合，得到響應(yīng)值透光率對無機絮凝劑的加量、有機絮凝劑的加量、加藥間隔與攪拌速率的二次多項式回歸模型方程：

Y=96.44+0.63A+0.99B-0.77C+1.39D-0.15AB-1.80AC+1.85AD-1.43BC-0.050BD-3.38CD-7.09A-4.40B2-7.21C2-2.75D2。

式中：Y為透光率；A為無機絮凝劑的加量；B為有機絮凝劑的加量；C為加藥間隔；D為攪拌速率。

表1 響應(yīng)面實驗因素水平及編碼

表2 響應(yīng)面實驗設(shè)計及測定結(jié)果

續(xù)上表2

實驗組A/(mg/L)B/(mg/L)C/(s)D/(r/min)Y/(%)191001303098.9201001204093211001303097.922901304092231101.2303090.4241001.2302089251000.8302090.726100130309527100130309428100140209029901302087.5

對此模型進行最優(yōu)分析，并通過對響應(yīng)面正交實驗結(jié)果進行顯著性分析去判斷模型方程是否可用，結(jié)果如表3所示。從表可以看出，模型與實際值的擬合程度達到93.09%，模型顯著(顯著水平P=0.0113<0.05)，失擬項(P失擬=0.0796>0.05)不顯著，表明回歸模型基本不存在失擬因素，模型的擬合度較好。在實驗因素的定義區(qū)間中，對采出水的透光率影響大小，攪拌速率>有機絮凝劑的加量>加藥間隔>無機絮凝劑的加量。

表3 回歸模型方程方差分析

2 響應(yīng)面分析與優(yōu)化

為了進一步考察A、B、C與D這4種因素對透光率的影響以及各個因素之間的交互作用，將其中兩個因素固定，采用Design-Expert.8.0.6.1軟件繪制響應(yīng)面三維圖和等高線，分析另外兩個因素及其交互作用對透光率的影響。等高線的形狀趨于圓形時，表明響應(yīng)面的因素之間交互作用較小，若趨于橢圓形，則說明各因素之間交互作用明顯，各因素的三維圖和等高線如圖1至圖6所示。

2.1 絮凝劑加量及加藥間隔時間優(yōu)化

由圖1可知，隨著PAC和PAM加量增大，采出污水的透光率隨之增大，當(dāng)PAC的加量為100 mg/L及PAM加量為1 mg/L時，采出污水的透光率達到最大，此時水中的沉淀情況達到穩(wěn)定。但繼續(xù)增加PAC和PAM加量時，采出污水的透光率反而下降，這可能是由于過剩的絮凝劑對采出水帶來二次污染。由圖2可知，PAC的加量與加藥間隔對采出污水存在最佳條件，當(dāng)加藥量不斷增大，加藥間隔對其的影響先增大后漸漸趨于平緩，當(dāng)加藥量一定，加藥間隔大概在30 s時，藥劑充分發(fā)揮作用，此時污水的透光率達到最大。

圖1 PAM和PAC加量優(yōu)化

圖2 PAC加量與加藥間隔優(yōu)化

2.2 PAC加量與攪拌速度及加藥間隔時間優(yōu)化

當(dāng)PAC和PAM復(fù)合使用時，應(yīng)考慮加藥間隔時間對絮體生成的影響[8,9]。由圖3可知，攪拌速率與無機絮凝劑的加量對采出污水透光率的影響不是很大，這是因為PAC的加入主要是中和電荷，攪拌的目的主要是使藥劑與采出污水混合均勻。由圖4可知，當(dāng)PAM的加量一定時，隨著加藥間隔逐漸增大，污水的透光率先增大后減小，這是因為當(dāng)先加入的PAC剛剛完全作用時，加入PAM使其沉淀聚集，形成礬花沉淀。隨著時間的增長，PAC的作用消退，加入的PAM不能使其完全作用。故當(dāng)PAC與PAM的加量確定后，最佳的加藥間隔應(yīng)在30 s時，采出污水的透光率達到最大。

圖3 攪拌速率與PAC加量優(yōu)化

圖4 加藥間隔與PAM加量優(yōu)化

2.3 PAM加量與攪拌速度及加藥間隔時間優(yōu)化

除了絮凝劑加量對絮凝效果影響較大以外，攪拌時間和攪拌速率等攪拌條件對絮凝劑的絮凝效果也有很大的影響，其主要影響絮凝反應(yīng)過程、絮凝體生長及沉降分離過程[10]。由圖5可知，攪拌速率與PAM的加量對采污水透光率有一定的影響，當(dāng)PAM的加量一定時，隨著攪拌速率的不斷提升，采出污水的透光率先增大后減小，說明攪拌速率對采出污水的透光率存在最優(yōu)值。從等高圖中可以看出，攪拌速率和PAM的加量存在一定的交互作用，但交互作用較小。這是因為當(dāng)加入PAM后，攪拌速率過高可能會將新形成的礬花絮體打碎，使其不容易沉降。從圖6可以看出，當(dāng)加藥間隔一定時，隨著攪拌速率不斷增加，采出污水的透光率先快速增加，隨后緩慢增加，最后基本趨于平緩。綜合圖5與圖6，攪拌速率選用30 r/min時，采出污水的透光率達到最大。因此，可得出使得透光率最大的最佳條件為：PAC加量98.31 mg/L，PAM加量1.02 mg/L，兩者加藥間隔30.02 s，攪拌速率30.41 r/min，在此條件下得到采出水透光率的預(yù)測值為95.40%。

圖5 攪拌速率與PAM加量優(yōu)化

圖6 攪拌速率與加藥間隔優(yōu)化

3 回歸模型的驗證

通過表3回歸模型的分析，對最佳條件進行修正，針對馬蓮溝長2采出水，最終結(jié)果為：PAC(RH-02)的加量為100 mg/L，PAM(ZLGD-01)的加量為1 mg/L，兩者加藥間隔30 s，攪拌速率30 r/min，與單因素實驗探究的最佳條件一致，在該條件下再進行3次平行實驗，實際測得污水透光率的平均值為98%，結(jié)果與預(yù)測值95.40%差異較小，說明采用響應(yīng)面法優(yōu)化加藥配方及工藝是準(zhǔn)確可靠的。

圖7 馬蓮溝長2采出水在最佳加藥條件下的絮凝效果圖

4 結(jié)論

針對馬蓮溝長2采出水，通過響應(yīng)面模型建立，再通過回歸模型分析，修正最優(yōu)條件，發(fā)現(xiàn)當(dāng)PAC(RH-02)的加量為100 mg/L，PAM(ZLGD-01)的加量為1 mg/L，兩者加藥間隔30 s，攪拌速率30 r/min。在該條件下再進行3次平行實驗，實際測得污水透光率的平均值為98%，與理論值95.40%差異較小，驗證了響應(yīng)面法優(yōu)化加藥配方及工藝的可靠性。