（油气储运工程专业论文）絮凝气浮中气泡分布与絮凝剂配伍性研究.pdf

e x p e r i m e n t a ls t u d y o fb u b b l es i z ed i s t r i b u t i o na n d f l o c c u l a n t sc o m p a t i b i l i t yi nf l o c c u l a t i n gf l o t a t i o n at h e s i ss u b m i t t e df o rt h ed e g r e eo fm a s t e r c a n d i d a t e ：f a nx i l i s u p e r v i s o r ：p r o f h el i m i n a p r o f w a n gx i n c o l l e g eo fp i p e l i n ea n dc i v i le n g i n e e r i n g c h i n au n i v e r s i t yo fp e t r o l e u m ( e a s t c h i n a ) 关于学位论文的独创性声明 本人郑重声明：所呈交的论文是本人在指导教师指导下独立进行研究工作所取得的 成果，论文中有关资料和数据是实事求是的。尽我所知，除文中已经加以标注和致谢外， 本论文不包含其他人已经发表或撰写的研究成果，也不包含本人或他人为获得中国石油 大学( 华东) 或其它教育机构的学位或学历证书而使用过的材料。与我一同工作的同志 对研究所做的任何贡献均已在论文中作出了明确的说明。 若有不实之处，本人愿意承担相关法律责任。 学位论文作者妣毖硅 日期：咖年勿月2 , o 日 学位论文使用授权书 本人完全同意中国石油大学( 华东) 有权使用本学位论文( 包括但不限于其印 刷版和电子版) ，使用方式包括但不限于：保留学位论文，按规定向国家有关部门( 机 构) 送交学位论文，以学术交流为目的赠送和交换学位论文，允许学位论文被查阅、 借阅和复印，将学位论文的全部或部分内容编入有关数据库进行检索，采用影印、 缩印或其他复制手段保存学位论文。 保密学位论文在解密后的使用授权同上。 学位论文作者签名：二i 圣! ! 坠 j 夕一b 指导教师签名： 日期：加沙年争月劢日 日期：叫口年红月沙e l 摘要 气浮技术是一种正在深入研究和不断推广的水处理技术。本文以多相流泵溶气气浮 实验装置为基础，设计搭建了显微摄像测量系统和激光衍射测量系统，并从气泡粒径分 布和絮凝剂一污水水质配伍性两个方面入手，对影响气浮分离效率的因素进行了实验研 究。 气浮过程中气泡的粒径分布是气浮分离效率的重要影响因素。实验采用显微摄像系 统和激光衍射测量系统对气泡粒径进行了测量，然后通过激光衍射测量系统，对气浮过 程中影响气泡粒径分布的因素如压力、气液比、矿化度、表面张力等参数进行了研究， 并将两种方法的测量结果进行了比较。结果显示，两种测量方法具有较好的一致性；气 泡粒径随压力升高而逐渐减小，当压力高于0 5 m p a 时，继续提高压力己无明显作用； 气液比升高导致气泡粒径减小，直至溶气水达到饱和；流量增大会降低溶气水的溶气时 间，增强管道内流体的紊流强度，进而对气泡粒径产生影响；矿化度的升高使气泡从更 多的气泡核位析出，从而降低了气泡粒径；表面张力的降低可以有效地抑制气泡间的相 互聚并，从而使气泡粒径减小。 絮凝剂污水水质配伍性是实现对含油污水有效破乳、促进气泡与油滴絮体有效粘 附的关键因素。实验在对油田污水水质进行深入调研的基础上，模拟配制了各种水质含 油污水，并考察了p h 、温度、表面活性剂浓度、矿化度、油滴粒径等污水特征参数对 絮凝剂除油效率的影响。研究发现，污水水质的特征参数会从絮体的生长、油水乳状液 的破乳和油滴的聚结等方面对气浮效果产生影响；复配实验筛选得到最佳复配比：当阴 离子聚丙烯酰胺投加量为6 m g l 、p a c 或p a f c 为3 0 m g l ，以及阳离子聚丙烯酰胺投 加量为6 m g l 、p a c 为3 0 m g l 时，可以实现对含油污水经济、高效的处理。显微观察 实验表明，气泡与油滴的直接粘附较为困难，主要是通过气泡形成的尾流对油滴的携带 作用来促进分离。混凝处理后，气泡与油滴絮体可以形成单气泡油滴絮体共聚体和多 气泡油滴絮体共聚体，有效地促进了油水分离。 性 关键词：加压溶气气浮，含油污水，多相流泵，气泡粒径分布，絮凝剂水质配伍 e x p e r i m e n t a ls t u d yo fb u b b l es i z ed i s t r i b u t i o na n df l o c c u l a n t s c o m p a t i b i l i t yi nf l o c c u l a t i n gf l o t a t i o n f a nx i n ( o i la n dg a s s t o r a g e & t r a n s p o r t a t i o ne n g i n e e r i n g ) d i r e c t e db yp r o f e s s o rh el i m i na n da s s o c i a t e p r o f e s s o rw a n gx i n a b s t r a c t f l o t a t i o ni sa ne f f i c i e n ta n de c o n o m i c a lw a t e r t r e a t m e n tt e c h n o l o g y i nt h i st h e s i s ，e d u r m u l 1 p h a s ep u m pi s u s e da st h em a i nf l o t a t i o nd e v i c e ，a n dh i g h s p e e dp h o t o 鲫h ys y s t e ma 1 1 d i a s e rd l f f r a c t i o ns y s t e ma r ec o n s t r u c t e df o rt h em e a s u r e m e n to fb u b b l ea n d p 孤i c l es i z e s b a s e d0 1 1t h e s ee x p e r i m e n t a la p p a r a t u s ，t h ef a c t o r st h a ti n f l u e n c et h e f l o t a f t o ne f f i c i e n c va r e s t u d i e di nd e p m b u b b l es i z e d i s t r i b u t i o n ( b s d ) i so fg r e a ti m p o r t a n c ef o rt h er e m o v a le f f i c i e n c vo f s u s p e n d e dp a r t i c l e sd u r i n gs e w a g et r e a t m e n t p r e s e n ts t u d yf o c u s e do nt h es i z ed j 鲥b u t i o no f t n eb u b b l e sg e n e r a t e db yan e w t y p eo fb u b b l eg e n e r a t o r - - e d u r m u l t i p h a s ep 啪p ，a 1 1 dt h e h c t o r st h a t1 n f l u e n c e dt h eb s ds u c ha ss a t u r a t i o n p r e s s u r e ，g a s 1 i q u i dr a t i o s a l i n i t ya n d s u n a c et e n s l o nw e r ea l s oi n v e s t i g a t e d m e a s u r e m e n t so fb u b b l es i z ew e r ec o n d u c t e d b y1 1 i g l l s p e e dp n o t o g r a p h ys y s t e ma n dl a s e rd i f f r a c t i o ns y s t e m t h er e s u l t ss h o w t 1 1 a tb o t hm e m o d s c o n s i s tw e l lw i t he a c ho t h e r t h ei n c r e a s eo fs a t u r a t i o np r e s s u r ec a u s e st h ed e c r e a s eo f b u b b l e s l z e h o w e v e r , p r e s s u r e sh i g h e rt h a n0 5 0 m p ah a v en oe f f e c t b u b b l es i z ed e c r e a s e sw i t h t h e 1 n c t e a s eo fg a s - l i q u i dr a t i ou n t i lt h el i q u i di sc o m p l e t e l ys a t u r a t e d t h e c h a j l g eo ff l o wf a t e a 廿t st h ea i r - d i s s o l v i n gt i m ea n dt u r b u l e n ti n t e n s i t y o ft h ef l u i di n p i p e ，a n dt h e r e f o r e 1 m l u e n c e st h eb u b b l es i z e s s a l i n i t yh a sap o s i t i v ee f f e c to nt h er e d u c t i o no fb u b b l e s i z e s 叫a c 觚c a ns i g n i f i c a n t l yi n h i b i tt h ec o a l e s c e n c eo f b u b b l e sb yr e d u c i n gs u 而c et e n s i o n p l o c c u l a n t - e f f l u e n tq u a l i t y c o m p a t i b i l i t yi st h ek e yf a c t o rf o rd e m u l s i f i c a t i o no fo i l v w a t e ra 1 1 dt h ee f f e c t i v ea d h e s i o no f b u b b l e sa n do i ld r o p l e t f l o c k b a s e do n d e e pi n v e s t i g a t i o n o iw a s t e w a r e rq u a l i t yi n o i lf i e l d ，d i f f e r e n tk i n d so fo i l y w a t e ra r ep r e p a r e d ，a i l dt h e c o m p a t i b i l i t y o ff l o c c u l a n t sw i t hw a t e r q u a l i t i e ss u c ha s p h ，t e m p e r a t u r e ，s u r f a c t a n t c o n c e n t r a t i o n ，s a l i n i t ya n do i ld r o p l e ts i z ea r es t u d i e d t h er e s u l t ss h o wt h a tw a t e rq u a l i t i e s a f i e c tt h eg r o w t ho ff l o c k ，d e m u l s i f i c a t i o no ff l o c c u l a n ta n dc o a l e s c e n c e o fo i ld r o p l e td 谢n g t l o t a t l o n ih eo p t i m u mc o m b i n a t i o no fo r g a n i ca n di n o r g a n i cf l o c c u l a n t si st h a tt h e d o s a g eo f a p a mi s6 m 叽a n dt h ed o s a g eo fp a co rp a f ci s 3 0 m g l o i l yw a t e rc a nb et r e a t e d e n l c l e n t l ya l l d e c o n o m i c a l l yu n d e rt h i sr a t i o i ti sd i f f i c u l tf o rt h ea d h e s i o no f b u b b l e sa n do i l d r o p l e t s o i ld r o p l e t sa rem a i n l yr e m o v e db yt h ew a k ef l o wo fb u b b l e sw h e nt h e yf l o a t u p w a r d a f t e rd e m u l s i f i c a t i o nb yf l o c c u l a n t s ，b u b b l e sa n do i ld r o p l e t f l o c k c a nf o r m s i n g l e - - b u b b l e d r o p l e t s f l o c kc o p o l y m e ra n dm u l t i b u b b l e d r o p l e t s f l o c kc o p o l y m e r , w h i c h w i l le n h a n c es e p a r a t i o ne f f i c i e n c y k e yw o r d s ：p r e s s u r i z e dd i s s o l v e da i rf l o t a t i o n ；o i l yw a s t e w a t e r ；m u l t i p h a s ep u m p ；b u b b l es i z e d i s t r i b u t i o n ；f l o c c u l a n t - e f f l u e n tq u a l i t yc o m p a t i b i l i t y 目录 第1 章绪论1 1 1 课题的研究目的及意义。1 1 2 气浮技术研究概述一l 1 2 1 气浮技术的起源与发展1 1 2 2 气泡的形成机理2 1 2 3 气泡的特性3 1 2 4 气泡间的相互作用4 1 2 5 气泡与油滴絮体的相互作用5 1 3 本文主要研究内容8 第2 章油田污水水质调研9 2 1 油田污水现状9 2 2 油田污水处理工艺中存在的问题9 2 3 污水水质影响因素及重要参数特征1 0 2 3 1 污水中油的特征1 0 2 3 2p h 值。1 1 2 3 3 温度11 2 3 4 矿化度1 2 2 3 5 固体颗粒杂质1 2 2 3 6 表面活性剂。l3 2 3 7 硫化物1 3 2 3 8 细菌1 4 2 4 本章小结。1 4 第3 章实验及测量装置介绍1 5 3 1 实验工艺流程。15 3 2 实验装置介绍1 7 3 2 1 进水混凝系统1 7 3 2 2 气浮分离系统18 3 2 3 加压溶气系统1 9 3 3 测量装置介绍2 1 3 3 1 显微摄像测量系统2 l 3 3 2 激光衍射测量系统2 2 3 5 本章小结2 2 第4 章气泡粒径分布的实验研究2 3 4 1 显微摄像实验结果2 3 4 1 1 压力对气泡粒径的影响2 5 4 1 2 气液比对气泡粒径的影响。2 6 4 2 激光衍射法测量结果2 7 4 2 1 压力对气泡粒径的影响2 8 4 2 2 气液比对气泡粒径的影响2 9 4 2 3 流量对气泡粒径的影响3 0 4 2 4 矿化度对气泡粒径的影响31 4 2 5 表面张力对气泡粒径的影响3 2 4 3 两种测量方法的比较3 3 4 4 本章小结3 5 第5 章絮凝剂污水水质配伍性实验3 7 5 1 实验准备3 7 5 1 1 含油污水的制备3 7 5 1 2 油滴粒径的分布3 7 5 1 3 含油量的测定3 8 5 2 最佳投药量的确定3 9 5 3p h 值对除油效果的影响4 2 5 4 温度对除油效果的影响4 4 5 5 表面活性剂对除油效果的影响4 6 5 6 矿化度对除油效果的影响4 8 5 7 油滴粒径对除油效果的影响5 0 5 8 无机有机絮凝剂复配5 2 5 8 1p a c p d m d a a c 复配比的确定5 3 5 8 2p a c p a m 复配比的确定5 4 5 8 3p a f c p a m 复配比的确定5 7 5 9 复配优越性鉴定5 8 5 9 1 低回流比时除油效果5 8 5 9 2 高含油量时除油效果5 9 5 9 3 高矿化度时处理效果一5 9 5 9 4 高表面活性剂浓度时处理效果6 0 5 1 0 气泡与油滴、絮体相互作用的显微摄像实验6 1 5 1 0 1 气泡与油滴的粘附6 2 5 1 0 2 气泡与油滴絮体的粘附6 4 5 1 1 本章小结6 5 第6 章结论与建议6 7 6 1 结j 淦6 7 6 2 建议6 8 参考文献6 9 攻读硕士学位期间取得的成果7 2 致谢7 3 中国石油大学( 华东) 硕士学位论文 1 1 课题的研究目的及意义 第1 章绪论 目前，国内大部分油田基本都采用注水方式开采。随着开采时间的延长，油田采出 水量迅速升高。因此，对这部分污水进行有效的处理，对于保障油田的可持续发展、保 护环境都具有重要意义。 目前，油田含油污水的处理方法主要有物理法、化学法、物理化学法和生物法等【1 2 ，3 1 ， 不同的处理方法，对处理水质的要求以及处理效果也不同，因此其应用范围受到限制。 气浮作为处理含油污水的有效方法，主要用于隔油或重力分离的后续阶段，或用于过滤 等深度处理的预处理阶段。在实际应用过程中，气浮处理效果的影响因素主要有两个方 面，一是含油污水在进入气浮装置前能否得到有效的破乳，二是破乳后污水中的油滴、 悬浮颗粒能否与气泡得到有效的粘附、浮升。然而，由于各油田的地质条件不同，开采 方式迥异，导致含油污水的组成和性质各不相同，这给气浮过程中浮选剂较好地发挥絮 凝破乳效果造成了困难【4 】。因此，针对不同油田污水的水质特点，筛选合适的浮选剂， 保证絮凝剂一污水水质的良好的配伍性，对提高气浮技术的处理效果，具有重要意义。 同时，气浮过程的分离效率依赖于气泡与悬浮颗粒有效的碰撞和粘附，而气泡粒径分布 特性对碰撞、粘附效率具有重要影响。尽管气浮工艺已应用于污水处理许多年，对气泡 特性的研究直到近年来才引起研究者的注意，尤其是对影响气泡粒径分布的各种因素， 有待于进一步深入探索。 因此，本课题将从影响气浮处理效果的两个主要方面，即气泡粒径分布和絮凝剂 水质配伍性入手，在对污水组分及性质特点进行理论分析和对现有处理工艺深入研究的 基础上，获得气泡粒径分布随各种影响因素的变化规律；筛选出对不同水质特点含油污 水针对性强、处理效果好的絮凝剂。这对提高气浮处理效果、降低生产成本、提高能源 利用率都具有重要意义。 1 2 气浮技术研究概述 1 2 1 气浮技术的起源与发展 气浮技术作为一种正在深入研究和不断推广的水处理技术，具有处理效率高、处理 效果好、对水质适应广等优点。其基本原理是在水中通入空气或其它气体产生微细气泡， 使水中悬浮的细小颗粒、油滴等粘附在气泡上，随气泡一起上浮到水面形成浮渣，从而 第1 章绪论 实现水质净化。气浮技术最初在选矿工业得到应用【5 】。1 9 0 5 年，美国刊出了第一个加压 溶气气浮技术专利；1 9 0 7 年，n o r r i sh 研究发明了喷射式溶气气浮技术1 6 。1 9 2 0 年间， 一套真空溶气气浮装置最先在瑞典的两个水处理厂得到了应用。此后，随着人们对气浮 技术的进一步认识和研究，加压溶气气浮法在多个国家得到了应用【7 一。但是，由于气泡 的生成机理与制备技术没有得到根本解决，限制了气浮技术的进一步推广，直到出现了 部分回流式加压溶气气浮。到上世纪六十年代，加压溶气装置的水力负荷已达到 5 1 0 m h 。自七十年代以来，该技术在水处理领域受到国内外学者的关注，并得到迅速 发展。传统加压溶气气浮装置的水力负荷可达5 1 5 m h 。近年来，随着对气浮装置内流 动的进一步深入研究，水力负荷己达到1 5 3 0 r n h 甚至更高 9 1 。 溶气气浮在工艺上的进展经历了三个阶段【1 0 , 1 1 】。第一阶段，气浮系统以狭长的浅池 为主，气浮池中气泡层较薄，且气泡分布不均匀，水力负荷只能维持在较低的水平；第 二阶段，随着人们对气浮工艺中水力学因素的进一步认识，气浮池在形式上出现了变化， 其深度与宽度增大，长度减小，并出现了用于溶气水均匀布气的布水管；第三阶段，紊 流气浮池的出现，使气泡絮体的共聚体可以在紊流流态下，顺利上浮到气浮池的顶部实 现去除。这大大提高了系统的水力负荷，提高了处理效率。 在溶气设备的进展方面，溶气泵的出现，替代了传统的空气压缩机溶气罐的气浮 装置，使溶气系统得到了简化，性能得到了提高，加快了溶气气浮装置向中、小处理厂 以及边远地区的推广。 目前，气浮技术已广泛地应用于给水，尤其是对低温、低浊水体以及城市污水和工 业废水的处理。 1 2 2 气泡的形成机理 水溶液中气泡的形成主要有三种途径【1 2 】：a 均相各向同性液体发生相变导致气泡 生成；b 化学反应生成气泡；c 水溶液中溶解的气体释放后形成气泡。由这三种途径 出发，即得到了充气气浮、溶气气浮和电气浮三种气浮技术。溶气气浮法由于其诸多优 点，是应用最广泛的一种气浮方法。下面将主要对溶气气浮法气泡的形成机理进行介绍。 根据r y k a a r t 0 3 1 提出的气泡形成原理，可以将气泡的形成划分为两个阶段：第一阶 段，压力骤然降低后，气泡从溶气水中的气泡核位处析出并成长；第二阶段，气泡在聚 并作用下逐渐增大。根据溶液的性质、过饱和度的大小和气泡的成核位置，可以将第一 阶段气泡的成核机理分为以下几种【1 4 】： 2 中国石油大学( 华东) 硕士学位论文 ( 1 ) 经典均相成核 经典均相成核理论认为，在气液两相体系未达到过饱和前，溶液中没有气腔( g a s c a v i t i y ) 的存在，此时气泡形成所需要的过饱和度很高，甚至会超过1 0 0 。当气泡一 旦形成、上浮到液体表面后，不会在同一位置继续形成新的气泡。 ( 2 ) 经典异向成核 经典异向成核气泡的产生条件与经典均相成核基本相似，气泡在容器壁、光滑表面 或者溶液中的悬浮颗粒处形成后，然后长大、脱离，并残留一部分气体。此时，由于气 泡形成位置处的气体饱和度降低，浓度梯度发生了变化，该位置处气泡的生成速率会显 著降低，但仍然可以观察到气泡会在此处连续地产生，这主要是由于该位置存在气腔的 缘故。 ( 3 ) 准经典成核 准经典成核理论认为，在溶液达到过饱和以前，体系中就存在气腔。但由于此类气 腔的半径小于气泡形成的临界半径，因此存在成核能垒，只有当气体分子克服这一能垒 后，才能形成气泡。 ( 4 ) 非经典成核 非经典成核理论认为，在溶液达到过饱和之前，溶液中存在的气腔的曲率半径大于 临界成核半径，因此不存在准经典成核理论中所提到的成核能垒。非经典成核可能在经 典异向成核和准经典成核后发生。随着溶液过饱和度的降低，气泡形成时的临界曲率半 径逐渐增大，当临界曲率半径与气腔半径相等时，气泡就不再生成。 1 2 3 气泡的特性 气泡的特性主要是指其大小和形状。气泡的形状主要由其浮升速度和气泡直径决 定。直径小于1 0 0 1 x m 量级的气泡在浮升过程中，其形状基本呈球形。直径在1 l o m m 之间的气泡形状呈椭圆形，一般会在充气气浮过程中出现。更大直径的气泡( l o m m ) 则会以球冠形状存在【9 】o 加压溶气气浮过程中所生成的气泡，其直径一般都在1 0 0 1 a m 以下。因此，在各种 计算和模拟过程中，都将气泡作为正球形来处理。 气浮过程中，气泡的直径是影响分离效率的重要因素之一。根据均相成核机理，气 泡的临界直径可以通过公式( 1 1 ) 来计算获得： 叱= 等( 1 - 1 ) 第1 章绪论 式中，盯是水的表面张力：a p 是溶气水释放器两侧的压差。 由公式( 1 1 ) 可知，当溶气气浮过程中释放器两侧的压差为4 0 0 6 0 0 k p a 时，气泡形 成的临界尺寸要小于l i m a 。但是在实际气浮过程中，气泡的直径要远大于此。这是因为 在气泡形成的第一阶段，气体分子在气泡核位处析出后，会受到均相成核、气泡生长、 释放速率、释气装置等的影响。同时，溶气压力、释气装置尤其是喷嘴类型也会对气泡 的直径产生重要影响。当气泡进入气浮接触区后，水中气体对气泡的补充、气泡浮升时 水力静压的减小以及气泡间的相互聚并都会进一步影响气泡直径。在气浮过程中，可以 认为气泡间的聚并是气泡直径最重要的影响因素。 1 2 4 气泡间的相互作用 根据上面所述，气泡从喷嘴释放后，在进入气浮接触区参与分离之前，会发生气泡 间的相互聚并，使气泡由刚析出时的不足1 1 t m ，迅速增大至几十甚至上百微米。此后， 气泡间的作用力却又限制了气泡的相互聚并。根据表面与胶体化学的相关理论，气泡间 存在四种相互作用力影响到气泡的聚并特性，它们分别是范德华力、静电斥力、疏水作 用和水动力学斥力。 ( 1 ) 范德华力 通常，在固体颗粒之间，范德华力以三种形式存在：取向力、诱导力和色散力。但 是对于气泡，由于气体分子( 主要是n 2 和0 2 ) 是非极性分子，分子之间只存在微弱的 色散力。因此，只有当气体分子间距极小时，才认为范德华力发挥作用，促进气体分子 间的相互吸引和气泡的生长【1 5 】。 ( 2 ) 静电斥力 水中存在的微量阴离子表面活性剂或腐植酸分子往往会吸附在气泡表面，使其带有 一定的负电荷，从而导致气泡之间会产生静电斥力。但是即使水中不存在任何的添加剂 时，仍会发现气泡的电位呈负值。这是因为气体分子为非极性分子，尺寸较小的负电 粒子在气液界面处的浓度要高于较大的水合正电粒子。例如在去离子水中，气液界面处 h c 0 3 ( 4 a ) 的浓度要高于h 3 0 + ( 9 a ) 。h a n 和d o c k k o 等【1 6 1 在实验中发现，在蒸馏水中， 当p h 1 0 时，腐蚀率将会 大大降低，浊度大幅下降，泥渣体积猛增，这与污水中存在的碱性物质有关。 此外，p h 值升高会使碳酸盐类结垢，铁化合物和硅酸盐的溶解度降低，结垢增加。 而且碱类如n a o h 可以和油品中的一些组分发生反应生成表面活性剂物质，使油滴更加 稳定，从而影响油水分离。p h 值还可以影响气浮过程中形成的气泡的稳定性。 2 3 3 温度 水温是絮凝反应、絮体成长、沉淀的重要控制因素，尤其是在有化学反应发生的体 系中。一般情况下，温度升高，分子的动能增加，化学反应加快，凝聚分子的扩散速度 增加，絮体生长速度加快，絮凝效果随之提高。相反，温度下降，水的粘度升高，导致 胶体粒子的布朗运动减弱，凝聚作用减弱，而且会使水流的剪切力增大，导致絮体容易 被破坏，影响絮体的生长。 同时，水温降低会使絮凝剂水解困难，絮凝剂分散速度下降，絮体与颗粒的吸附速 度减慢。研究表明，水温每降低1 0 。c ，铝盐的水解速度常数会降低2 4 倍左右。而且水 温降低时，絮体与油滴或气泡形成的共聚体粘附强度减弱。这是因为低温下胶体颗粒水 化作用增强，水化膜内水的密度和粘度增大，影响了油滴间及油滴与絮体、气泡间的粘 附强度。 此外，温度对污水成垢也有较大的影响。温度升高时，c a c 0 3 、c a s 0 4 、s r s 0 4 等具 有反常溶解度的难溶盐类溶解度下降，结垢增多。腐蚀速度随温度升高而明显加快，温 度每升高3 0 。c ，碳钢腐蚀速率会增加1 倍左右。 第2 章油田污水水质调研 温度对菌类的生长繁殖也有较大影响。硫酸盐还原菌( s r b ) 最适宜的生长温度分 为两类，中温性3 0 3 5 。c ，高温性为5 5 6 0 。c ；铁细菌的最佳繁殖温度为6 ，其上限 温度为2 5 2 7 。c ；腐生菌种类繁多，适宜的温度范围为1 0 4 5 c 。 油田采出水水温一般较高，在4 0 以上，有时甚至高达6 0 , - , 7 0 。只有部分西部油 田污水温度较低，最低温度只有1 5 1 8 。 2 3 4 矿化度 污水中处于溶解状态的离子物质主要包括溶解的无机盐类，基本上以阳离子和阴离 子的形式存在，其粒径都在0 0 0 1l , t m 以下，主要包括c a 2 + 、n a + 、m 9 2 + 、k + 、f e 2 + 、c l 。、 h c 0 3 。、c 0 3 2 等。随着地质条件的变化，采出水中矿化度会发生较大的变化，总矿化度 最高可达十几万p p m ，较低时也有上千p p m 。根据污水中所含溶解离子的不同，污水的 矿化度水型可主要分为c a c l 2 水型、n a h c 0 3 水型和m g c l 2 水型三种 矿化度对污水处理过程的影响主要从以下几个方面体现： ( 1 ) 大量盐离子的存在会使污水p h 值呈碱性，对絮凝剂的活性有一定的影响。 ( 2 ) 污水矿化度高、硬度高，在处理后作为热采锅炉给水时需要进行软化处理。 ( 3 ) 污水矿化度高，所溶解的成垢离子相应会增多，回注地层时，与地层水配伍性 较差，容易导致水质反浑，产生浑浊沉淀，堵塞地层；同时，温度的变化也会导致沉淀 的生成。 ( 4 ) 污水矿化度过高，外排时不宜用于农田灌溉或城市绿化，防止土壤的盐碱化。 此外，污水中部分盐类离子的存在，对油水乳状液的稳定性和絮体的生长也有很大 作用。例如，污水中成正二价的离子，对压缩胶体的双电层、促进油滴聚结有利；而 s 0 4 2 离子则可以有效扩大硫酸铝的凝聚p h 值范围，提高絮凝效果。 2 3 5 固体颗粒杂质 悬浮固体：颗粒直径范围为1 1 0 0 1 , t m 。该部分杂质主要包括：a 泥沙：粘土 0 0 5 4 “m 、粉砂4 6 0 l a m 和细砂6 0 1 0 0 9 m ；b 腐蚀产物及垢类：f e 2 0 3 、c a o 、m g o 、 f e s 、c a s 0 4 、c a c 0 3 等：c 细菌：硫酸盐还原菌( s r b ) 5 1 0 1 t m 、腐生菌( t g b ) 1 0 3 0 p , m ： d 有机物：胶质沥青质和石蜡等重质油类。 胶体：粒径为o 0 0 1 1 i x m 。主要包括泥沙、腐蚀与结垢产物和微细有机物等，物质 的组成成分与悬浮固体类似。 砂子及淤泥主要成份为微粒状的硅酸盐类，它们化学性质稳定，几乎不与任何物质 1 2 中国石油大学( 华东) 硕士学位论文 发生反应，通常以颗粒的形式存在于垢中，容易造成堵塞，难以被化学药剂清洗掉。一 般在垢溶解以后，可以通过高强度的气液混吹法将其从过滤介质的孔道中清除。 水中颗粒杂质的性质和成份对絮凝效果具有重要影响。颗粒杂质的粒度分布越均 匀、细小，越不利于分离；粒度差别大的颗粒在絮凝后，具有较好的分离效果。污水中 颗粒若以粘土、砂粒等杂质为主时，需要投加的絮凝剂量较少。而当污水中的有机物、 化学添加剂较多时，会对胶体产生稳定作用，需要增大絮凝剂的投加量才能得到较好的 处理效果。 2 3 6 表面活性剂 油田采出水表面活性剂的来源主要有三个：一是当油水两相混合物从地层中采出 时，地层中的部分表面活性物质会溶解在油水两相中；二是为了提高油田的采收率，往 往会向油井注入各种驱油剂，如聚合物、表面活性剂等物质；三是，各种化学助剂，如 钻井液、完井液、酸化液、压裂液、防蜡剂、原油流动改进剂等。此外，在对油井采出 液进行油水分离以及采出水处理过程中，也往往会引入和生成部分表面活性物质。 表面活性剂对污水处理的影响主要体现在以下三个方面【3 6 1 ： ( 1 ) 降低油水界面张力。油水乳状液具有巨大的油水界面，属于热力学不稳定体系。 为了降低体系的能量，油滴有自发聚并的趋势。表面活性剂的存在，可以有效地降低油 水界面张力，增强体系的稳定性。 ( 2 ) 形成稳定的界面膜。表面活性剂的两亲分子结构使其具有亲油性和亲水性。其 亲油基团伸入油相，亲水基团伸入水相，并在油水界面处定向排列，形成稳定的界面膜。 界面膜的存在，抑制了液滴间的互相聚并，导致体系严重乳化。 ( 3 ) 对油滴、颗粒表面电性产生影响。通常，颗粒表面的电位越高( 或是越低) ， 胶体体系越稳定。离子型表面活性剂在水中电离后生成的离子会吸附在油滴、颗粒表面， 使其带正电荷或负电荷。由于电荷的存在，在油滴、颗粒周围还会形成反离子的扩散双 电层，使油滴、颗粒之间相互排斥，不易聚结。 上述三种作用都会使油田污水严重乳化，微小油滴很难凝聚，导致油珠浮升速度慢， 油水分离困难。 2 3 7 硫化物 由于采出水中大量硫酸盐还原菌( s r b ) 的存在，会将污水中的s 0 4 2 - 中的s 6 + 还原 成s 玉，并造成设备容器腐蚀，同时产生大量的硫化物。硫化物的颗粒比较小，一般在 第2 章油田污水水质调研 l 1 0 p m 。这些细小的硫化物颗粒与污水中的油珠或其他物质结合，形成稳定性好、沉 降性能差、穿透滤料能力强的颗粒，进而造成现有工艺很难与之适应。这一问题在油田 污水处理中普遍存在，并有逐年增加的趋势。 s 玉引起的腐蚀产物f e s 是具有微米级大小的黑色胶状固体颗粒，不易沉降，滤料难 以有效截留，使水中固体悬浮物增加；另外，它对水中乳化油具有稳定作用，使絮凝破 乳剂和斜板沉降罐的除油效果变差。水中高含量的s 2 。是造成这种处理工艺失效的主要 原因。由于s 2 。含量高，铁盐类絮凝剂如聚合硫酸铁( p f s ) 、三氯化铁( f e c l 3 ) 等易与 s 2 。生成黑褐色的f e s 沉淀，增加处理难度。因此对于这种性质的污水，应当避免絮凝剂 水解后产生游离态的铁离子，选用硫酸铝( a s ) 、聚合氯化铝( p a c ) 及聚合氯化铝铁 ( p a c f ) 絮凝剂及助凝剂p a m 等絮凝剂较为合适。 2 3 8 细菌 细菌不仅会腐蚀设备，细菌的繁殖与新陈代谢会使固体总量增多，造成堵塞。污水 中存在的细菌种类主要有硫酸盐还原菌、铁细菌和腐生菌等。 硫酸盐还原菌( s r b ) 属于厌氧菌，能将s 0 4 2 中的s 6 。还原成s 冬，进而生成h 2 s ， 随后产生铁的硫化物或氢氧化物。该细菌所引起的腐蚀比其它任何的细菌都严重。过滤 器是其主要活动场所，是产生“黑水”的主要原因。黑水和细菌残骸形成的粘稠黑色液 体极易造成堵塞，难以清洗。 铁细菌属好氧细菌，含氧量为o 1 m g l 的水中也能生长，能把f e 2 + 氧化成f e ”，形 成蜂窝状团胶的f e ( o i - i ) 3 。f e ( o h ) 3 不但能够造成堵塞，f e ( o h ) 3 层下的缺氧条件又为厌 氧的s r b 提供良好的生活繁殖条件，产生垢下坑蚀。 腐生菌( t g b ) 也称粘泥形成菌，属于好氧菌，依靠烃类生存，能够在固体表面产 生粘稠物质，不但会造成堵塞，其粘膜下的缺氧条件还很适宜s r b 的生长。 上述三种细菌虽然生存条件各不相同，但常常相互依存共生，导致腐蚀加剧。 2 4 本章小结 本章总结了油田污水处理中所存在的问题，并详细分析了污水水质的重要特征参数 的特点，以及其对污水处理过程的影响。随着油田污水处理难度的增加，以及环境标准 日益严格，研究各油田的水质情况，根据主要特点选择合适的处理方法，发展完善污水 处理技术任重而道远。 1 4 中国石油大学( 华东) 硕士学位论文 第3 章实验及测量装置介绍 室内实验主要包括气泡粒径分布的实验研究和絮凝剂污水水质配伍性实验研究两 部分内容。因此，根据实验内容的要求，以多相流泵溶气气浮实验装置为基础，并设计 搭建了显微摄像测量系统与激光衍射测量系统。本章将详细介绍多相流泵溶气气浮实验 工艺流程和实验及测量装置。 3 1 实验工艺流程 本课题根据研究的目的和内容，以多相流泵为溶气装置，参考了e d u r 多相流泵 选泵指南和e d u r 多相流泵手册，设计建造了多相流泵加压溶气气浮实验装置。 实验工艺流程如图3 1 所示。 多相流泵加压溶气气浮实验系统的工作流程为：配制的絮凝剂溶液通过加药泵注入 到提升泵前的管道内，与含油污水混合后，通过污水提升泵的叶轮和管道内流动的搅拌 作用，实现对含油污水的初步混凝。初步混凝后的污水自气浮柱上部进入气浮柱内，由 上而下流经气浮柱，进行油水气浮分离。处理后的水一部分从出水口外排，另一部分作 为回流水进入加压溶气系统，与从气体入口进入的空气混合，通过多相流泵的高速剪切、 加压，形成过饱和溶气水。高压溶气水在进入气浮柱之前通过