超聲強(qiáng)化煉廠含油浮渣脫水的研究

周寅飛，董 薇

(揚(yáng)州工業(yè)職業(yè)技術(shù)學(xué)院，江蘇 揚(yáng)州 225127)

原油開采及煉油工藝會產(chǎn)生大量的含油污水，對煉廠污水的資源化過程中，運(yùn)用絮凝技術(shù)進(jìn)行預(yù)處理是一種有效且經(jīng)濟(jì)的方法，但由此會產(chǎn)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(fù)電荷的親水膠體粒子，其成分復(fù)雜，濃縮困難，且隨著原油品質(zhì)變化、數(shù)量會大幅增加。以國內(nèi)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(jìn)行絮凝，污水中的懸浮物含量按90 mg·L-1計(jì)算，那么污水處理場每日產(chǎn)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(shù)量就將高達(dá)182 t，數(shù)量巨大[1]。

傳統(tǒng)減量化處理工藝為采用離心設(shè)備脫水或板框壓濾機(jī)壓濾，使其成為浮渣濾餅，然后送入焚燒爐內(nèi)焚燒，去除其中的有機(jī)物，最后殘?jiān)诼馵2]。該工藝的浮渣濾餅雖經(jīng)機(jī)械脫水，但含水率仍高達(dá)80%～85%，設(shè)備處理規(guī)模大，運(yùn)行成本高。

本實(shí)驗(yàn)采用超聲輻照與化學(xué)調(diào)質(zhì)處理相結(jié)合，對煉廠含油浮渣進(jìn)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(yùn)輸、儲存和消納，且減少絮凝劑聚丙烯酰胺的使用量20%，經(jīng)濟(jì)、環(huán)境效益前景良好。

1 實(shí) 驗(yàn)

1.1 實(shí)驗(yàn)機(jī)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(wěn)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(jìn)浮渣的破乳，增強(qiáng)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(shí)驗(yàn)采用的含油浮渣取自區(qū)域內(nèi)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(dú)超聲波作用、單獨(dú)投加化學(xué)調(diào)理絮凝劑、以及超聲和絮凝復(fù)配作用。經(jīng)上述處理后的浮渣抽濾脫水，運(yùn)用國標(biāo)GB8929-88蒸餾法處理，測量其最終含水量[6]，以質(zhì)量差求得脫水量和脫水率。

所使用的化學(xué)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(shí)驗(yàn)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(fā)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(jī)、小型抽濾設(shè)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(jié)果與討論

2.1 超聲作用時(shí)間對浮渣最終含水率的影響

實(shí)驗(yàn)溫度約為11.2 ℃，含油浮渣原始含水率92.85%。試驗(yàn)中采用500 mL燒杯量取，每次取樣量為200 mL，試驗(yàn)時(shí)的超聲作用聲強(qiáng)為200 W·m-2。

實(shí)驗(yàn)的一組數(shù)據(jù)如表1所示。

表1 超聲作用時(shí)間與浮渣最終含水率的關(guān)系表

在本實(shí)驗(yàn)中，含油浮渣的原始pH值為6.6，試驗(yàn)描述中“開始絮凝時(shí)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(shí)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(xù)出水時(shí)所需PAM的量。

表1數(shù)據(jù)經(jīng)整理分析如圖1所示。從圖1中可以看出，在溫度為11.2 ℃時(shí)，對原始含水率為92.85%的浮渣，超聲作用聲強(qiáng)為200 W·m-2的超聲波發(fā)生器作用5.5 min，浮渣的最終脫水率最好。當(dāng)超聲波作用時(shí)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(shí)的含水率。

圖1 超聲作用時(shí)間對含水率的影響

2.2 超聲強(qiáng)度對含油浮渣最終含水率的影響

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

圖2 超聲作用時(shí)間對含油浮渣含水率的影響

圖3 超聲作用時(shí)間對含油浮渣含水率的影響

圖4 超聲作用時(shí)間對含油浮渣含水率的影響

圖5 超聲作用時(shí)間對含油浮渣含水率的影響

圖6 超聲作用時(shí)間對含油浮渣含水率的影響

需要說明的是，由于實(shí)驗(yàn)的含油浮渣性質(zhì)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(shí)間為5 min左右時(shí)，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(zhì)的含油浮渣含水率的影響，分別在4、5、6 min做了試驗(yàn)，考察超聲作用聲強(qiáng)對含油浮渣含水率的影響，如圖7所示。

圖7 超聲作用聲強(qiáng)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(jìn)作用，在超聲的作用下，超聲電流0.3 A，超聲作用時(shí)間5 min，浮渣脫出的水量較多。而超聲作用時(shí)間過長或過短，超聲作用強(qiáng)度過大或過小，浮渣脫出的水量均有所減少。

由于超聲聲強(qiáng)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(qiáng)會隨著含油浮渣原始含水率的提高而相應(yīng)增加[7]。試驗(yàn)所取的含油浮渣的原始含水率一般在90%以上，因此對應(yīng)的適宜的超聲聲強(qiáng)應(yīng)在400～500 W·m-2。

由此可以固定超聲作用條件：超聲平均聲強(qiáng)400～500 W·m-2，超聲作用時(shí)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(guān)系。由于溫度的不同，直接影響到浮渣的理化性質(zhì)，造成其性質(zhì)的差異。但從前期的眾多試驗(yàn)數(shù)據(jù)中可推導(dǎo)出，隨著浮渣擺放時(shí)間的加長，脫水性能有所提高。

3 結(jié) 論

(1)通過滴加化學(xué)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(xué)絮凝劑無法使含油浮渣脫水；

(3)通過超聲與化學(xué)絮凝的復(fù)配可使含油浮渣的含水率下降，且加入超聲后，在達(dá)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(xué)絮凝劑PAM的用量20%以上，具有較強(qiáng)的環(huán)保優(yōu)勢。