張　磊仝　坤王星暉王　童王恩旭

（1.中國(guó)石油遼河石油勘探局華油實(shí)業(yè)公司；2.中國(guó)石油安全環(huán)保技術(shù)研究院）

超聲波技術(shù)處理含油污泥研究進(jìn)展＊

張磊1仝坤2王星暉1王童1王恩旭1

（1.中國(guó)石油遼河石油勘探局華油實(shí)業(yè)公司；2.中國(guó)石油安全環(huán)保技術(shù)研究院）

介紹了含油污泥性質(zhì)分類和常用的處理方法，并對(duì)比分析了上述各種方法的優(yōu)缺點(diǎn)。通過簡(jiǎn)要介紹超聲波技術(shù)處理含油污泥機(jī)理和各項(xiàng)超聲參數(shù)，重點(diǎn)綜述了超聲波技術(shù)處理落地含油污泥、罐底含油污泥、浮渣含油污泥的應(yīng)用情況和處理效果，并根據(jù)超聲波技術(shù)處理含油污泥的不足之處對(duì)未來研究方向提出：進(jìn)一步開展現(xiàn)場(chǎng)應(yīng)用研究，探索超聲強(qiáng)度、頻率、處理時(shí)間等最佳工藝參數(shù)，統(tǒng)一實(shí)驗(yàn)標(biāo)準(zhǔn)等建議。

超聲波；含油污泥；方法

0　引 言

含油污泥產(chǎn)生于石油開采、儲(chǔ)存、運(yùn)輸及加工過程中，既有工程作業(yè)含油污泥，又有儲(chǔ)罐清理含油污泥，還有含油污水處理產(chǎn)生的浮選、生化污泥等。含油污泥呈黑色半流態(tài)狀，主要由油、水、泥沙三部分組成［1-2］，組分變化較大，其中含有大量的殘留油類（其含油率約為10%～50%，含水率為40%～91%）［3］，被列入國(guó)家危險(xiǎn)廢物名錄［4］。必須對(duì)含油污泥進(jìn)行“三化”處理，實(shí)現(xiàn)含油污泥的減量化、資源化利用和無害化處理。含油污泥處理方法主要有化學(xué)熱洗、熱解析、碳化及焚燒處理等，超聲波輔助化學(xué)熱洗是一種新型處理工藝，因其效果好、能耗低已受到越來越多的關(guān)注，并得到廣泛應(yīng)用。

1　含油污泥分類及處理方法

1.1含油污泥的分類

石油開采過程中產(chǎn)生的含油污泥，產(chǎn)生于石油生產(chǎn)的各個(gè)過程。根據(jù)對(duì)性質(zhì)和狀態(tài)的分析一般將其分為三類：落地含油污泥、清罐含油污泥、浮渣底泥［5］。

1.2現(xiàn)有處理方法

各種處理方法既有優(yōu)點(diǎn)，又有不足之處，見表1，由于含油污泥成分極為復(fù)雜，處理難度大，很難用一種方法將其處理徹底，必須采用多種方法組合進(jìn)行處理。

表1　各種含油污泥處理方法對(duì)比

2　超聲波處理含油污泥方式及機(jī)理

2.1超聲波簡(jiǎn)介

超聲波是一種頻率高于20 k Hz的聲波，它屬于機(jī)械波的一種，頻率高，波長(zhǎng)較短，聲能比較集中，在水中傳播距離遠(yuǎn)?？蓱?yīng)用于生產(chǎn)生活的各個(gè)方面。

2.2機(jī)理分析

超聲波在液體介質(zhì)中傳播時(shí)會(huì)產(chǎn)生空化效應(yīng)、機(jī)械效應(yīng)、熱效應(yīng)等一系列效應(yīng)。

2.2.1空化效用

空化作用是超聲波的一種獨(dú)特作用形式。超聲波作用于液體時(shí)，產(chǎn)生的局部的高負(fù)壓可瞬時(shí)產(chǎn)生大量的空穴或氣泡。1919年Rayleigh［18］利用數(shù)學(xué)建模描述了空氣泡的產(chǎn)生和生成過程并預(yù)言了空氣泡的潰滅現(xiàn)象。1948年，Knapp和Honeder［19］應(yīng)用高速照相方法對(duì)超聲空化現(xiàn)象進(jìn)行拍攝，直觀地描述了空化泡從產(chǎn)生到崩潰的完整過程，從而證實(shí)了Rayleigh的預(yù)言，對(duì)現(xiàn)代超聲洗脫技術(shù)的發(fā)展做出了重大貢獻(xiàn)。超聲波產(chǎn)生的空化作用進(jìn)行清洗，早已應(yīng)用于各種行業(yè)，但是很少應(yīng)用于稠油清洗作業(yè)方向。可以利用超聲波的特殊作用對(duì)此方向進(jìn)行分析研究。

2.2.2機(jī)械效用

通常超聲波的機(jī)械作用對(duì)物質(zhì)的縱向的機(jī)械振動(dòng)來體現(xiàn)。超聲波屬于聲波中頻率較高的波段，其波長(zhǎng)短，振蕩頻率很高，所以引起的質(zhì)點(diǎn)的加速度非常大［20］。當(dāng)以功率密度為1 W/m2，超聲頻率為20 k Hz的超聲波處理水時(shí)，瞬時(shí)振動(dòng)頻率可達(dá)2萬次以上，可產(chǎn)生的壓力波動(dòng)范圍在346 k Pa左右，由于質(zhì)點(diǎn)在短時(shí)間內(nèi)來回振蕩，質(zhì)點(diǎn)最大加速度可達(dá)重力加速度的1 500倍。劇烈的加速度能在一定程度上改變物體的性質(zhì)和狀態(tài)，可以打破碳碳鍵，加速反應(yīng)進(jìn)行［20］。如超聲波污油破乳脫水［21］和超聲波對(duì)瀝青質(zhì)的分散作用等［22］。

超聲波在液體中沿橫向傳播時(shí)能夠帶動(dòng)介質(zhì)傳播這種現(xiàn)象稱為直進(jìn)流。聲波強(qiáng)度在0.5 W/cm2時(shí)，能產(chǎn)生肉眼可見的直進(jìn)流，垂直于振動(dòng)面產(chǎn)生流動(dòng)，流速約為10 cm/s。通過此直進(jìn)流使被清洗物表面的微油污垢被攪拌，污垢表面的清洗液也產(chǎn)生對(duì)流，溶解污物的溶解液與新液混合，使溶解速度加快，對(duì)污物的搬運(yùn)起很大的作用。

2.2.3熱效用

超聲波在介質(zhì)中傳播時(shí)所產(chǎn)生的效應(yīng)。超聲波在介質(zhì)中傳播過程中，其能量不斷地?fù)p耗變成介質(zhì)的熱量，從而導(dǎo)致介質(zhì)發(fā)熱，溫度不斷升高，稱之為熱效用［23］。

超聲波對(duì)含油污泥的清洗主要是利用超聲波的空化效用。理論上計(jì)算，當(dāng)空化泡潰滅時(shí)，在空化泡邊緣壁上形成的壓力可以高達(dá)1 200 MPa，但是由于實(shí)際介質(zhì)狀態(tài)和性質(zhì)有差異［24］。在實(shí)際實(shí)驗(yàn)中最高壓力為775MPa［24］，瞬間溫度達(dá)到5 000K［25］，在空氣泡潰滅時(shí)產(chǎn)生的高溫高壓的環(huán)境下能夠水分解為H和OH自由基，引起物質(zhì)性質(zhì)發(fā)生變化并能夠加速物質(zhì)的分離過程［26］。在《科學(xué)》上發(fā)表的兩篇轟動(dòng)性文章就是利用這一原理在室溫下實(shí)現(xiàn)核聚變的［27-28］。

可見，在此局部高溫高壓的環(huán)境下完全能夠滿足清洗 含 油污 泥的條 件［29-30］。

2.3超聲波處理含油污泥進(jìn)展

大約在20世紀(jì)70年代時(shí)，超聲波就開始在國(guó)外應(yīng)用于含油污泥處理［31］。隨著我國(guó)環(huán)保要求越來越高，我國(guó)對(duì)超聲波的研究也取得了一些進(jìn)展［32-35］。為了能夠減少處理成本，提高處理效果，應(yīng)該對(duì)復(fù)雜的含油污泥進(jìn)行分類處理。

2.3.1超聲波對(duì)落地含油污泥的作用

落地含油污泥成分相對(duì)復(fù)雜，含油率［36］一般在10%～30%，含水在30%～40%，其余為各種雜質(zhì)。由于采油作業(yè)現(xiàn)場(chǎng)環(huán)境復(fù)雜，通?；煊须s質(zhì)為泥沙、塑料布、手套、棉紗和鐵絲等。可以先采用分選裝置將含油污泥進(jìn)行初分，然后采用化學(xué)熱洗并結(jié)合氣浮法實(shí)現(xiàn)落地含油污泥的油、水和泥的分離并回收原油。楊繼生、徐輝［32］通過研究了超聲波清洗含油泥沙，驗(yàn)證了其對(duì)泥沙清洗的可行性。采用KQ100DB超聲波清洗器，考察超聲波功率、洗滌劑、操作溫度、泥砂的粒徑對(duì)油泥沙脫油率的影響，對(duì)照組為傳統(tǒng)攪拌清洗。結(jié)果表明50℃時(shí)，處理SLYS樣品30 min，攪拌方式脫油率為22.7%，超聲波方式脫油率達(dá)96.5%。對(duì)顆粒較小的JSYN樣品，脫油率從28.0%（攪拌150 min）提高至92.3%（超聲波處理60 min）。

利用超聲波的輔助化學(xué)熱洗可提高含油污泥的脫油率，顯著降低洗脫的溫度和時(shí)間，從而降低運(yùn)行成本。

2.3.2超聲波處理罐底含油污泥

罐底含油污泥一般含有約25%的水和5%的無機(jī)物如泥沙等［37］，其余70%為原油（其中瀝青質(zhì)占30%～50%、石蠟占10%～20%、輕質(zhì)組分30%～60%）；通過適當(dāng)?shù)姆蛛x技術(shù)，原油回收率可達(dá)到98%以上［38］，回收利用價(jià)值較大。王新強(qiáng)等［33］用40 k Hz、50W超聲在50℃條件下處理含油污泥20 min，通過實(shí)驗(yàn)后除油率達(dá)90%以上；王文祥等［34］在40℃水浴條件下，用28 k Hz的超聲輻照含油污泥，發(fā)現(xiàn)超聲處理后的含油率比同等條件下未經(jīng)超聲輻照情況下降了55.6%；賀磊等［35］對(duì)破乳劑輔助超聲回收含油污泥中污油進(jìn)行研究，在破乳劑HR用量為50μg/g、水溫為60℃、超聲振蕩15 min的條件下，污油回收率為95.6%。通過這些研究表明，超聲波對(duì)含油污泥處理有很好的效果，比傳統(tǒng)的處理方法提高了原油回收率，節(jié)省運(yùn)行費(fèi)用。

2.3.3超聲波處理浮渣底泥

浮渣底泥主要是含油污水氣浮/絮凝過程中產(chǎn)生的高含水低含油膏狀污泥，既有含油較高的除油底泥，也有低含油氣浮/絮凝浮渣和底泥。除油底泥干基含油40%，氣浮/絮凝渣底泥干基含油10%～20%。一般是由水包油（W/O）、油包水（O/W）以及懸浮固體組成的穩(wěn)定乳狀液體系，還包括生產(chǎn)過程中所投加的大量水處理劑；其脫水效果差，污泥成分和物性差異大，處理難度高，油含量差別較大，二浮浮渣回收再利用價(jià)值較小。已有研究表明，適當(dāng)?shù)某曌饔每筛淖兾勰囝w粒的表面物化特性、減小污泥結(jié)合水量及過濾比阻，從而使得污泥脫水性能得以改善。

可以利用超聲波脫水后將其燃料化，焚燒時(shí)回收熱量可以加熱鍋爐。日本［39］報(bào)道，超聲波作用1 h的超聲波作用條件來處理廢油（在溫度為80℃），油中含水量可降低為1.45%，對(duì)照組為未加超聲波處理的靜置，作用時(shí)間也為1 h，油中含水量仍為31.5%；蔣建國(guó)等［40］實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，在超聲波改善污泥脫水性能的影響因素中，影響最大為處理時(shí)間，其次為聲能密度，最小為頻率。超聲波作用的最佳操作條件是頻率為19 k Hz、聲能密度為0.050 W/m L處理時(shí)間為30 s此時(shí)污泥脫水性能提高14.3%。

超聲波對(duì)脫水性有較好的效果，但是對(duì)脫水性能有最佳效果，超過最佳效果時(shí)，由于超聲波對(duì)含油污泥的作用會(huì)產(chǎn)生孔洞效果，增加比表面積進(jìn)而增大水的吸附，從而降低了脫水的效果，所以達(dá)到最佳脫水效果時(shí)的參數(shù)需要實(shí)驗(yàn)考察。

3　超聲波處理含油污泥不足之處

隨著超聲洗脫處理技術(shù)的快速發(fā)展，對(duì)含油污泥超聲處理技術(shù)的研究越來越深入，但總體仍處于研究階段，離實(shí)際應(yīng)用尚有一定距離。現(xiàn)階段該技術(shù)在應(yīng)用中的主要難點(diǎn)是工藝條件的選擇，因此有必要從工藝條件的選定著手，對(duì)含油污泥超聲處理技術(shù)開展進(jìn)一步研究。

由于該技術(shù)比較新穎，僅限于實(shí)驗(yàn)室研究，樣品數(shù)量小且非連續(xù)運(yùn)行。需要進(jìn)一步開展現(xiàn)場(chǎng)應(yīng)用實(shí)驗(yàn)研究。未來探索在超聲處理含油污泥最佳工藝參數(shù)（超聲強(qiáng)度，頻率，處理時(shí)間等），統(tǒng)一實(shí)驗(yàn)標(biāo)準(zhǔn)，使不同的實(shí)驗(yàn)之間的比較成為可能，為進(jìn)一步的深入研究打下基礎(chǔ)；利用超聲波的特殊性質(zhì)，可以對(duì)含油污泥處理產(chǎn)生新的方法和工藝，所以可以產(chǎn)生新的工藝和流程設(shè)置，通過研究可以對(duì)含油污泥深度處理具有促進(jìn)作用。

4　結(jié)束語(yǔ)

含油污泥是一種復(fù)雜的油、水、泥的混合物，處理難度較大；超聲波輔助化學(xué)熱洗提高了含油污泥的脫油率，可以顯著降低洗脫的溫度和時(shí)間；超聲波處理含油污泥的機(jī)理是空化效用、機(jī)械效用和熱效用；目前超聲技術(shù)還處于室內(nèi)研究階段，工業(yè)化應(yīng)用還有較多問題，還需要進(jìn)一步研究。

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（4）除季節(jié)變化影響外，薄膜工廠生產(chǎn)負(fù)荷與市場(chǎng)變化緊密相關(guān)，是否設(shè)置集中自動(dòng)控制系統(tǒng)，尚需進(jìn)一步根據(jù)項(xiàng)目生產(chǎn)特點(diǎn)確定，不可一概而論；

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10.3969/j.issn.1005-3158.2015.06.021

1005-3158（2015）06-0073-04

2015-07-07）

（編輯 王蕊）

遼河油田含油污泥高效處理與資源化利用新技術(shù)研究（2014D-1907-03）。

張磊，2004年畢業(yè)于中國(guó)石油大學(xué)（華東）熱能與動(dòng)力工程專業(yè)，現(xiàn)在中國(guó)石油遼河石油勘探局華油實(shí)業(yè)公司從事污水及含油污泥處理工作。通信地址：遼寧省盤錦市興隆臺(tái)區(qū)石油大街88號(hào)，124010