一种利用微气泡强化微细颗粒物絮凝的方法

1.本发明涉及一种利用微气泡强化微细颗粒物絮凝的方法，尤其适用于油田作业废液及钻井废液中微细颗粒物的处理，也适用于化工废水中微细颗粒物的处理。


背景技术：

2.油田作业废液组分复杂，具有悬浮物含量高、矿化度高、有机物含量高等特点，对生产现场及周边环境的危害较大。国内外对油田作业废液回用或外排的处理技术，主要包括物理处理法、化学处理法、生物处理法和组合工艺等。但上述处理技术在实际应用中仍然存在一些不足之处：物理处理法工艺简单，但是仅用于废液的预处理；化学处理法中的电絮凝及高级氧化技术反应迅速，但存在处理成本高、处理效率不稳定等缺点；生物处理技术可有效降解有机物和去除重金属离子，但其应用具有局限性。发展组合处理工艺是研究的热点之一，马云等人(石油与天然气化工,2011,40,107)采用絮凝-芬顿氧化-序批式反应器联合工艺处理中原油田压裂作业废水，丁铮等人(环境工程学报,2016,10,4319)开发了中和
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氧化
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混凝法联合处理油田酸化废液，陈彬等人(工业安全与环保,2015,41,35)提出化学混凝
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催化氧化
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微电解组合技术处理油田作业废液的新方法。由众多组合技术发展现状分析，均采用了絮凝(混凝)这一不可缺少的处理环节。
3.絮凝是油田作业废液、石油化工废水处理工艺流程中不可缺少的前置预处理关键环节，其效果好坏直接影响后续工艺的处理效果、运行工况和费用成本。油田作业废液中污染成分复杂多变，悬浮物含量高，尤其是微细颗粒物(＜5μm)含量变化大，这些特点使其絮凝处理难度大。传统的絮凝沉淀工艺对油田作业废液中微细颗粒物的去除收效甚微。近年来絮凝技术研究有了长足的进展，旋流、折板及涡流等扰流方式强化絮凝在一定程度上提高了絮凝效率，但存在操作复杂、运行成本高等缺点。因此，亟需开发高效且经济的处理手段来强化微细颗粒物的絮凝去除。


技术实现要素：

4.本发明提出一种利用微气泡强化微细颗粒物絮凝的方法，该方法工艺简单、操作方便、能耗低，对废液中微细颗粒物的絮凝效果好，能有效解决油田作业废液体系复杂稳定，悬浮物含量高，微细颗粒物絮凝处理难度大的突出问题。
5.为实现上述目的，本发明采用的技术方案如下：
6.本发明提供一种利用微气泡强化微细颗粒物絮凝的方法，包括以下步骤：
7.(1)向油田作业废液中添加絮凝剂；
8.(2)经步骤(1)处理后，废液通过给料泵增压然后经微纳气泡发生器产生微纳气泡并发生空化氧化反应；
9.(3)经步骤(2)处理后，废液切向进入多流态梯级絮凝反应器发生絮凝反应；
10.优选的，步骤(1)中所述絮凝剂为聚合硫酸铁(pfs)和/或聚丙烯酰胺(pam)。
11.优选的，步骤(1)中所述絮凝剂pfs的投加量为0.3～0.7g/l，絮凝剂cpam的投加量
为0.5～2.5mg/l。
12.优选的，步骤(2)中所述微纳气泡发生器的溶气压力为0.2～0.6mpa，通过调节微纳气泡发生器的溶气压力控制气泡大小。
13.优选的，步骤(2)中所述微纳气泡尺寸d
50
为0.5～4μm。
14.更优选的，步骤(2)中所述微纳气泡尺寸d
50
与油田作业废液中累计占比大于50％的固体颗粒大小相适配。
15.优选的，步骤(3)中所述多流态梯级絮凝反应器包括依次相连的撞击流絮凝反应室、旋转流絮凝反应室、升推流絮凝反应室及沉降室四部分。
16.优选的，步骤(3)中所述絮凝时间为5min。
17.微气泡是一种介于微米尺度内的具有特殊功能的气泡，具有比表面积大、水中停留时间长、溶解氧含量高、可产生自由基、传质效率高以及表面带电等优于普通气泡的特点。通过微气泡的作用，可强化微细颗粒物的絮凝，主要是基于气泡与微细颗粒物之间的碰撞和粘附作用。在微气泡的捕集、充填、桥接以及不断碰撞挤压作用下形成的絮体密实度更高，形状更规则，絮体强度更大不易因剪切作用而发生破碎。气泡尺寸直接影响气泡-颗粒之间的碰撞概率，尺寸合适、分布均匀的微气泡可以增加气泡与絮体之间的接触面积，使它们更容易进入絮体的内部空隙，形成理想的携气絮体。
18.本发明的原理在于：首先微细颗粒物表面气泡的存在会增大颗粒粒径，且这些微气泡占据微细颗粒物表面部分电荷位点从而降低颗粒的zeta电位，从而减少絮凝剂的投加量；其次，微气泡增加了体系中的粒子数目，尺寸相当的气泡捕集桥接颗粒的能力增大，有效碰撞的概率提高，絮凝反应的时间缩短；最后，微气泡被包裹在絮体内部取代水的位置充实絮体，形成密实度高、强度大且含水率低的牢固絮体。同时，粘附在微絮体外围的气泡起到桥接絮体的作用，使得有微气泡参与时絮体被破碎后二次絮凝的概率增大。
19.与现有技术相比，本发明的优势在于：
20.1.考察了微气泡尺寸d
50
对絮凝效果的影响，发现气泡尺寸直接影响气泡-颗粒之间的碰撞概率，尺寸合适、分布均匀的微气泡可以增加气泡与絮体之间的接触面积，使它们更容易进入絮体的内部空隙，形成理想的携气絮体。
21.2.通过微气泡强化絮凝，废液的浊度和cod去除率高达95.3％和91.1％。与无微气泡参与相比，絮凝效果提升了1～2倍。
22.3.对于油田作业废液中微细颗粒物的絮凝效果非常显著，絮凝时间缩短为5min。在微气泡强化絮凝过程中，表现出传质效率高、运行成本低、絮凝时间短等优点。
附图说明
23.图1为本发明实施例处理的油田作业废液固体颗粒粒径分布。
24.图2为本发明实施例1中溶气压力对微气泡尺寸分布的影响。
25.图3为本发明实施例1中微气泡尺寸d
50
对絮凝效果的影响。
26.图4为本发明实施例2中有、无气泡参与下絮凝剂pfs投加量对絮凝效果的影响。
27.图5为本发明实施例3中有、无气泡参与下絮凝剂pam投加量对絮凝效果的影响。
具体实施方式
28.下面结合附图和具体实施例对本发明作进一步详细说明。
29.以下实施例中采用的多流态梯级絮凝反应器是cn114394656a公开的一种页岩气压裂返排液絮凝处理反应器，包括依次相连的撞击流絮凝反应室、旋转流絮凝反应室、升推流絮凝反应室及沉降室四部分。
30.实施例1
31.本实施例涉及一种利用微气泡强化微细颗粒物絮凝的方法，其包括如下步骤：取油田作业废液(废液中固体颗粒粒径分布如图1所示，其中粒径小于等于1.0μm的颗粒累计占比为50.0％)，cod为2500mg/l，总固体悬浮物为1060mg/l，向其中添加0.5g/l的pfs和1.0mg/l的pam后，通过给料泵增压然后经微纳气泡发生器产生微纳米泡并发生空化氧化反应，微纳气泡发生器的溶气压力为0.2～0.6mpa，最后切向进入多流态梯级絮凝反应器发生絮凝反应，絮凝时间为5min。溶气压力对微气泡尺寸分布的影响参见图2，微气泡尺寸d
50
对絮凝效果的影响参见图3。
32.由图2可知，当溶气压力从0.2mpa增加到0.5mpa时，微气泡尺寸d
50
逐渐减小，分别为2.0μm、1.5μm、1.0μm和0.5μm。在高溶气压力下产生了强烈的液体湍流，可以将气泡切割成更小的气泡。然而，当溶气压力继续增加到0.6mpa时，气泡d
50
增加到4.0μm。这是由于当溶气压力持续增大时，释放出微气泡的浓度非常大，使它们更充分地相互碰撞和兼并，从而导致0.6mpa时气泡d
50
急剧增加。
33.由图3可知，随着d
50
逐渐增大，浊度、cod去除率先增大后减小。在d
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为1.0μm时，浊度和cod去除率分别为95.3％、91.1％，主要原因是在气泡尺寸d
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为1.0μm的条件下，微气泡大小与选择的颗粒大小(1μm)相匹配，气泡-颗粒碰撞概率提高，故絮凝效率最高。
34.实施例2
35.本实施例涉及一种利用微气泡强化微细颗粒物絮凝的方法，其包括如下步骤：取油田作业废液(废液中固体颗粒粒径分布如图1所示，其中粒径小于等于1.0μm的颗粒累计占比为50.0％)，cod为2500mg/l，总固体悬浮物为1060mg/l，向其中添加0.3～0.7g/l的pfs和1.0mg/l的pam后，通过给料泵增压然后经微纳气泡发生器产生微纳米泡并发生空化氧化反应，微纳气泡发生器的溶气压力为0.4mpa，切向进入多流态梯级絮凝反应器发生絮凝反应，絮凝时间为5min。絮凝效果参见图4。
36.由图4可知，随着pfs浓度的增大，有微气泡参与时浊度、cod去除率先增大后减小，在0.5g/l时去除率最高；无气泡参与时浊度、cod去除率呈持续增长趋势。在有微气泡添加时，pfs浓度为0.5g/l时浊度和cod去除率高达95.3％、91.1％；而无气泡参与时，pfs浓度增大到0.7g/l时，浊度和cod去除率分别为83.1％、80.7％。
37.实施例3
38.本实施例涉及一种利用微气泡强化微细颗粒物絮凝的方法，其包括如下步骤：取油田作业废液(废液中固体颗粒粒径分布如图1所示，其中粒径小于等于1.0μm的颗粒累计占比为50.0％)，cod为2500mg/l，总固体悬浮物为1060mg/l，向其中添加0.5g/l的pfs和0.5～2.5mg/l的pam后，通过给料泵增压然后经微纳气泡发生器产生微纳米泡并发生空化氧化反应，微纳气泡发生器的溶气压力为0.4mpa，切向进入多流态梯级絮凝反应器发生絮凝反应，絮凝时间为5min。絮凝效果参见图5。
39.由图5可知，随着pam浓度的增大，有微气泡参与时浊度、cod去除率先增大后减小，在1.0mg/l时去除率最高；无气泡参与时浊度、cod去除率先增大后减小。在有微气泡添加时，pam浓度为1.0mg/l时浊度和cod去除率高达95.3％、91.1％；而无气泡参与时，在pam浓度为1.5mg/l时，浊度和cod去除率分别为82.8％、80.5％。
40.以上所述，仅为本发明的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明揭露的技术范围内，凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，都应涵盖在本发明的保护范围之内。

技术特征：
1.一种利用微气泡强化微细颗粒絮凝的方法，其特征在于，包括以下步骤：(1)向油田作业废液中添加絮凝剂；(2)经步骤(1)处理后，废液通过给料泵增压然后经微纳气泡发生器产生微纳气泡并发生空化氧化反应；(3)经步骤(2)处理后，废液切向进入多流态梯级絮凝反应器发生絮凝反应。2.根据权利要求1所述的一种利用微气泡强化微细颗粒物絮凝的方法，其特征在于，步骤(1)中所述絮凝剂为聚合硫酸铁和/或聚丙烯酰胺。3.根据权利要求1所述的一种利用微气泡强化微细颗粒物絮凝的方法，其特征在于，步骤(1)中所述絮凝剂聚合硫酸铁的投加量为0.3～0.7g/l，絮凝剂聚丙烯酰胺的投加量为0.5～2.5mg/l。4.根据权利要求3所述的一种利用微气泡强化微细颗粒物絮凝的方法，其特征在于，步骤(2)中所述微纳气泡发生器的溶气压力为0.2～0.6mpa，通过调节微纳气泡发生器的溶气压力控制气泡大小。5.根据权利要求1所述的一种利用微气泡强化微细颗粒物絮凝的方法，其特征在于：步骤(2)中所述微纳气泡粒径d
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为0.5～4μm。6.根据权利要求5所述的一种利用微气泡强化微细颗粒物絮凝的方法，其特征在于，步骤(2)中所述微纳气泡尺寸d
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与油田作业废液中累计占比大于50％的固体颗粒大小相适配。7.根据权利要求1所述的一种利用微气泡强化微细颗粒物絮凝的方法，其特征在于，步骤(3)中所述多流态梯级絮凝反应器包括依次相连的撞击流絮凝反应室、旋转流絮凝反应室、升推流絮凝反应室及沉降室四部分。8.根据权利要求1所述的一种利用微气泡强化微细颗粒物絮凝的方法，其特征在于，步骤(3)中所述絮凝时间为5min。

技术总结
本发明公开了一种利用微气泡强化微细颗粒物絮凝的方法，该方法首先向油田作业废液中添加聚合硫酸铁等絮凝剂，通过给料泵增压然后经微纳气泡发生器产生微纳气泡并发生空化氧化反应，最后切向进入多流态梯级絮凝反应器发生絮凝反应，絮凝时间缩短至5min。气泡尺寸直接影响气泡-颗粒之间的碰撞概率，尺寸合适、分布均匀的微气泡可以增加气泡与絮体之间的接触面积，使它们更容易进入絮体的内部空隙，形成理想的携气絮体。通过微气泡强化絮凝，废液的浊度和COD去除率高达95.3％和91.1％，远高于无微气泡参与条件下的絮凝效果，本发明操作简单，运行成本低，絮凝时间短，解决了油田作业废液中微细颗粒物的絮凝难题。废液中微细颗粒物的絮凝难题。废液中微细颗粒物的絮凝难题。


技术研发人员：吴勉 顾永琴 李小兵 刘丹丹 符玺学
受保护的技术使用者：中国矿业大学
技术研发日：2023.06.28
技术公布日：2023/8/28