超声波处理含油污泥室内实验分析

张晓丹 高满仓 高路军 徐硕 杨金惠

（1.中国石油华北油田公司第五采油厂；2.中国石油集团渤海钻探工程有限公司井下作业分公司；3.河北华北石油路桥工程有限公司；4.中国石油管道局工程有限公司管道投产运行分公司）

1 含油污泥来源和特性

含油污泥是指原油或成品油混入泥土或其他介质，其中的油分不能直接回收而造成环境污染的多种形态的混合物。含油污泥按来源可分为3种不同类型：

1）钻井污泥。钻井污泥主要源自钻井完井作业过程中的废弃钻井完井液，岩屑，钻井设备运行、维修产生的少量的废弃润滑油以及作业废水与井场地表泥土砂粒的混合物[1]。钻井污泥含油量较低、黏度大、颗粒细、脱水难，处理难度大，严重影响生态环境。

2）油田采油、集输过程产生含油污泥。油田采油过程中产生的含油污泥主要来自试采放喷、酸化、压裂、维修作业、管线穿孔而产生的落地原油及含油污泥[2]。集输系统含油污泥主要来源于接转站、联合站的油罐、沉降罐、污水罐、隔油池、轻烃加工厂、天然气净化装置清除出来的油沙、油泥，油品储罐在储存油品时，油品中的少量机械杂质、沙粒、泥土、重金属盐类以及石蜡和沥青质等重油性组分沉积在油罐底部，形成罐底油泥。

3）炼油厂含油污泥。炼油厂的含油污泥主要来源于污水处理站隔油池底泥、浮选池浮渣、原油罐底泥等，俗称“三泥”。

我国石油、石化行业中，平均每年产生的钻井污泥、罐底泥、池底泥等各种含油污泥达上百万吨。根据《国家危险废物名录》（编号HW08）规定，油田含油污泥属于危险废物管理范围。《国家清洁生产促进法》要求必须对含油污泥进行无害化处理。因此，从环境保护和回收资源，以及清洁生产的角度出发，加大处理含油污泥的力度，寻找一种经济有效的适合油田含油污泥的处理及利用技术，开展含油污泥无害化处理十分必要，污泥资源化利用将是今后最终处理的根本方式。

2 超声波处理含油污泥原理

超声波可以在固体、液体、气体中传播，利用声波的机械作用、空化效应和热效应将污泥表面上的油污进行剥离，为物理法技术，在整个处理过程中不添加任何化学试剂，不产生二次污染。

1）热作用。在超声波作用下，在流体与固体的分界面处，由于粒子震动速度的巨大差异，导致边界摩擦，产生热量造成局部加热，甚至局部高温，降低原油黏度，提高渗流速度[3]。当储油层在高强度长时间超声波作用下，由于原油分子间具有较大的加速度，形成分子间相对运动，惯性力的作用使得分子链断裂，大分子被粉碎，从而降低了原油黏度，提高了渗透速率。

2）空化作用。在超声波一定频率的作用下会使液体中原有的或者新生的气泡迅速破灭，破灭的瞬间，气泡内部温度可达几千摄氏度，压力达到几千甚至几万大气压，破灭过程中产生的加速度是重力加速度的几十倍，产生局部高温高压，促使氧化还原反应，高分子物质的解聚，使胶结的沥青质分子键断裂从而降低原油黏度，起到易于流动的效果。

3）机械作用。超声波在液体中传播时质点位移较小，但是质点的加速度很大，有时候可能超过重力加速度，在这种机械作用下，可有效降低油、水、泥三相的界面张力，降低油水之间的乳化效果，达到破乳的效果，从而提高原有的回收率。

3 超声波处理含油污泥室内实验

在此选取储油罐罐底污泥，由于油罐污泥中包含油泥、塑料有机物、木屑、沾油布料等物质，需要进行整体破碎筛分（破碎后物料直径小于3 mm的占比大于70%），去除铁类杂质，得到实验用污泥才能进行后期工作。对实验污泥进行质量组分成分测定，其中含水率为25.1%，含油率40.5%，固含量34.4%。

实验装置主要由电源、恒温水浴锅、500 ml烧杯和压电式超声波换能器组成，装置示意见图1。

图1 装置示意图

实验前污泥的含油量为W1，经过超声波处理后，取污泥上层液体进行含油量测定为W2，则除油率为(W1-W2)/W1×100%，以除油率做为实验评估标准。

首先进行空白对比实验，取100 g含油污泥放入500 ml的烧杯中，加入水固液比1∶4，关闭超声波电源，保持恒温水浴50℃，1 h后测定烧杯上部油水混合物的含油量，测定除油率为21.34%。

研究表明，影响超声波处理含油污泥的因素主要有超声波功率、频率、反应时间、反应温度，因此应用正交实验法，超声波功率选择20、30、40、60 W共4个水平，超声波频率选择20、25、40、80 kHz共4个水平，反应时间选择10、20、30、40 min共4个水平，反应温度选择40、50、60、70℃共4个水平，进行4因素4水平L16（44）16次实验，不同因素及水平下的正交实验见表1。

表1 正交实验

对16组正交实验进行分析，结果见表2。

表2 正交实验结果

表2中，Mij代表第 j因素下第i水平的除油率之和，Rj=max(Mij)-min(Mij)，Rj代表极差分析，Rj越大代表着因素对实验结果的影响程度越大，因此超声波处理含油污泥的影响因素大小次序为：超声波频率、超声波功率、反应温度、反应时间。最佳实验组合为第6组超声波功率40 W、超声波频率40 kHz、反应温度50℃、反应时间10 min，除油率可达到88.56%。由于每个因素只选择了4个水平数值进行了16次实验，水平选取的数值还不够细化，同时选取的水平样本也较小，因此最佳实验组合还有待优化，下面进行单因素影响实验。

3.1 超声波频率对除油率的影响

在超声波功率40 W、反应温度50℃、反应时间10 min的条件下，不同超声波频率下含油污泥的除油率见图2。

图2 不同超声波频率下的除油率

由图2可知，随着超声波频率的增加，在40 kHz时除油率达到最大，但并不是一直增大，在大于40 kHz后除油率有所下降，主要是因为过高的频率会加速机械作用的影响，增强油水之间的乳化作用，使油污更难从泥或水中分离出来，所以最佳的超声波频率为40 kHz。

3.2 超声波功率对除油率的影响

在超声波频率40 kHz、反应温度50℃、反应时间10 min的条件下，不同超声波功率下含油污泥的除油率见图3。

图3 不同超声波功率下的除油率

由图3可知，随着功率的提升，除油率逐步提升，在45 W时增幅速率最大，在55 W时达到峰值，随后又有所回落，可能是由于过大的功率改变了污泥内部的分子结构和特性，使污泥内部的颗粒变得更小，增加了污泥对油的吸附能力，出现了反吸附现象[4]，综合实验结果，选择空化阈值以下除油率增幅最大的功率45 W为最佳功率。

3.3 反应温度对除油率的影响

在超声波功率45 W，超声波频率40 kHz、反应时间10 min的条件下，不同反应温度下含油污泥的除油率见图4。

图4 不同反应温度下的除油率

由图4可知，在40～55℃区间内，除油率由73.4%上升到83.2%，在55～70℃区间内，除油率有所下降。在较低的温度下，超声波处于无空化作用，空化效应不强，不容易破坏污泥和油之间的粘附力，除油效果不佳，随着温度的上升，油水之间的界面张力下降，污油容易从污泥表面脱附，但是温度过高，超声波的能量超过了空化阈值[5]，其效应主要集中于热效应，降低除油效果，因此最佳的反应温度为55℃。

3.4 反应时间对除油率的影响

在超声波功率45 W，超声波频率100 kHz、反应温度65℃的条件下，不同反应时间下含油污泥的除油率见图5。

图5 不同反应时间下的除油率

由图5可知，在不同反应时间下，10～15 min区间内，除油率逐步增加，15min达到最大，15～40min区间内，除油率有所下降。主要原因是随着时间的增加，换能器输入的声能和声压都增大了，油和污泥的剥离力度加大，增加了除油率，但随着时间的延长，油、水、泥三相之间的乳化效果进一步增强，分离效果有所下降，因此最佳的反应时间为15 min。

综上所述，超声波处理含油污泥的最佳实验组合为超声波功率45 W，超声波频率40 kHz、反应温度55℃、反应时间15 min，在该条件下再次进行实验，除油率为90.52%。

4 结语

1）通过对含油污泥进行超声波正交实验，得到了影响除油率因素的大小次序为：超声波频率、超声波功率、反应温度、反应时间，随后进行了单因素影响实验，得到了最佳的实验组合为超声波功率45 W，超声波频率40 kHz、反应温度55℃、反应时间15 min的条件下除油率最佳。

2）该处理方法属于物理法，无需添加化学药剂，对于后续油和水的处理难度较热洗法、生化法、溶剂萃取法简单，可减少进站后油区和水区的负担。

3）超声波对于回收污泥中的油有很好的效果，但并不是针对所有含油污泥都能达到《陆上石油天然气开采含油污泥资源化综合利用及污染控制技术要求》中含油小于或等于2%的标准，需要与其他技术进行耦合以提高油的回收率。