煤層氣污水處理方法分析與研究

張景輝 羅 雷 張惠南 王 軍 張永琪 苗存龍

(中國(guó)石油華北油田山西煤層氣勘探開(kāi)發(fā)分公司，山西 048000)

1 煤層氣污水系統(tǒng)處理流程及工作原理

1.1 煤層氣污水處理系統(tǒng)關(guān)鍵設(shè)備及作用

圖1 污水處理系統(tǒng)流程框圖

新型污水處理系統(tǒng)采用的是先過(guò)濾再吸附的工藝流程，設(shè)備由5個(gè)部分組成：刮油機(jī)、快速過(guò)濾器、兩級(jí)油水分離器和活性炭過(guò)濾器，如圖1所示。原水靜置后首先由刮油機(jī)將表層浮油刮掉，然后經(jīng)快速過(guò)濾器過(guò)濾，再經(jīng)油水分離器分離油份，最后經(jīng)過(guò)活性炭濾器過(guò)濾后排放?？焖龠^(guò)濾器每個(gè)單體為一個(gè)過(guò)濾單元，使用了特殊的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)配合使用一種新型的過(guò)濾材料，運(yùn)轉(zhuǎn)時(shí)需過(guò)濾的水流入壓緊的濾料，經(jīng)濾料過(guò)濾后，由水收集器流出，完成過(guò)濾程序。當(dāng)濾料截留物質(zhì)增多，水頭損失加大時(shí)，需要反沖洗。首先氣缸將壓板提起，然后反沖水從水收集器流入松散的濾料，清洗濾料后流出。

1.2 污水處理系統(tǒng)工作原理

本系統(tǒng)的油水分離器采用潤(rùn)濕凝結(jié)的原理制作。其機(jī)制就是將水中細(xì)小的油滴在材料的表面聚集長(zhǎng)大后從材料表面分離上升到水體表面從而實(shí)現(xiàn)分離,這種分離方法可以達(dá)到很高的精度。解決了常規(guī)油水分離器無(wú)法解決的問(wèn)題。因?yàn)橛筒蝗苡谒?，大部分的油在水中是以浮油層的形式存在。但一部分油是以分散油、乳化油和溶解油形式存?還有部分是以油-固體懸浮物形式存在)。這部分油不易從水中分離出來(lái)，采取一般的分離方法分離的能力有限。

該系統(tǒng)運(yùn)用的是粗粒化原理中的潤(rùn)濕聚結(jié)方式。粗?；恚焊鶕?jù)Stock’s定律

Vt=kD2

其中：Vt—油滴在水中的上升速度；k—常數(shù)(與水溫、油黏度等因素有關(guān))；D—油滴的直徑。

從公式中可以看出，油滴在水中的上升速度是和油滴直徑的平方成正比的。根據(jù)有關(guān)理論，固體材料對(duì)液體有著不同的潤(rùn)濕度，兩相在接觸面體現(xiàn)出不同的潤(rùn)濕角，當(dāng)液體中的兩相在同一表面潤(rùn)濕角之差大于70度時(shí)(α-β>70°)，兩相可以分離。親油疏水的材料的表面，油滴被大量吸引，得以粗?；?/p>

新型濾芯的核心技術(shù)是纖維材料的分子改性技術(shù)。纖維經(jīng)過(guò)改性之后具有親油疏水的表面特性。通過(guò)光學(xué)顯微鏡(OLYMPUS BX41)觀察改性前與改性后纖維在不同進(jìn)水情況下表面的變化情況，可以說(shuō)明纖維的吸油性能，如圖2所示。改性纖維先捕獲油珠，然后油珠在纖維表面聚結(jié)，聚結(jié)到一定程度，在纖維表面形成一層油膜。

圖2 改性前、后纖維原狀對(duì)比圖

2 煤層氣污水化驗(yàn)結(jié)果分析

通過(guò)對(duì)污水的送檢化驗(yàn)得知污水中各組分的原始含量如表1。

表1 污水組分檢驗(yàn)結(jié)果

之后，我們又對(duì)污水中含有的固體雜質(zhì)進(jìn)行了深入的檢測(cè)。

由紅外光譜分析可知，樣品中主要為無(wú)機(jī)物質(zhì)(圖3)。

圖3 樣品的紅外光譜圖

圖4 樣品及灰分的ESD譜圖

由ESD分析可知，樣品中主要含有C、O、S、Fe等元素(圖4)。

由XRD譜圖分析可知，樣品中含有硫酸鐵、鐵粉、碳、硫磺等物質(zhì)，樣品灰分中主要含有氧化鐵等物質(zhì)。

由以上分析可知，污水中含有石油類(lèi)物質(zhì)、硫酸鐵、鐵粉、碳、硫磺等物質(zhì)，組分多樣，但要想很好對(duì)其進(jìn)行凈化處理，首先要考慮石油類(lèi)物質(zhì)，即隨壓縮機(jī)排出的乳化油。為此，我們會(huì)同生產(chǎn)廠家一起，考慮增設(shè)了一臺(tái)刮油機(jī)，待生產(chǎn)污水靜置24小時(shí)油水徹底分層以后，使用鋼帶式刮油機(jī)將其表面的浮油刮掉，然后抽出污水進(jìn)行處理。這樣就大大減少了污油對(duì)改性纖維的污染，延長(zhǎng)使用壽命，提高處理效果，降低更換濾芯濾料的使用成本。

3 結(jié)論

3.1 人機(jī)交互界面設(shè)計(jì)

本系統(tǒng)的運(yùn)行通過(guò)PLC進(jìn)行控制，可以顯示各閥門(mén)的狀態(tài)和各傳感器數(shù)值。通過(guò)運(yùn)行一段時(shí)間后，該控制系統(tǒng)能夠滿足現(xiàn)場(chǎng)的手動(dòng)和自動(dòng)控制需求。進(jìn)入控制界面可以對(duì)設(shè)備進(jìn)行模式切換、強(qiáng)制排油、強(qiáng)制排污和強(qiáng)制觸發(fā)反沖操作。也可以進(jìn)行參數(shù)設(shè)定和報(bào)警信息查詢。系統(tǒng)開(kāi)機(jī)后，默認(rèn)的運(yùn)行狀態(tài)為手動(dòng)狀態(tài)，點(diǎn)擊“自動(dòng)”、“手動(dòng)”進(jìn)行切換。

3.2 試運(yùn)行過(guò)程中發(fā)現(xiàn)的問(wèn)題

通過(guò)實(shí)際運(yùn)行發(fā)現(xiàn)，處理后的凈化水能夠滿足現(xiàn)場(chǎng)環(huán)保要求。但仍存在幾個(gè)小問(wèn)題需要下一步改進(jìn)，一是刮油機(jī)刮出的油純度不高；二是分離出油泥提升和處理困難。

考慮本系統(tǒng)的運(yùn)行條件，計(jì)劃在現(xiàn)有的基礎(chǔ)上進(jìn)行改造，將原來(lái)的生活調(diào)節(jié)污水池改造為二次刮油池，即經(jīng)過(guò)一次刮油后的油不裝桶，直接進(jìn)入二次刮油池。然后經(jīng)過(guò)加藥(破乳劑)，靜置再刮油，試驗(yàn)證明經(jīng)過(guò)破乳后刮出的油含油量在80%以上。

針對(duì)分離出油泥提升和處理困難問(wèn)題，添置了疊螺機(jī)，主要有三部分構(gòu)成，包括污泥提升泵、加藥機(jī)、疊螺裝置。目的是將提升上來(lái)的污泥加藥絮凝以后擠干水分，形成泥餅進(jìn)行再利用。

4 實(shí)驗(yàn)及數(shù)據(jù)分析

通過(guò)第三方檢測(cè)公司對(duì)凈化水的送檢，得出技術(shù)改造前后凈化水各項(xiàng)檢測(cè)指標(biāo)對(duì)比如表2所示。

表2 技術(shù)改造前后凈化水各項(xiàng)檢測(cè)指標(biāo)對(duì)比表

通過(guò)上述實(shí)驗(yàn)的數(shù)據(jù)可以看出，通過(guò)技術(shù)改造以后，原來(lái)處理完的凈化水中不合格項(xiàng)目都已經(jīng)達(dá)到小于標(biāo)準(zhǔn)限值，符合《GB 8978—1996污水綜合排放標(biāo)準(zhǔn)》中一級(jí)標(biāo)準(zhǔn)限值，達(dá)到了預(yù)期目的。