超声处理对污水油水分离的影响*

刘博

(海洋石油工程股份有限公司设计院，天津 300461)

油田产出物在联合站经过油气水分离器分离出原油、天然气和污水，分离出的污水内仍含有少量原油，在进行污水回注或者排放之前应采取进一步油水分离措施。含油污水处理的方法主要有微气泡气浮、超声波、重力沉降、粗粒化、膜分离、过滤等[1-4]，其中，超声波处理含油污水对破乳分离油水具有良好的效果[5-6]。超声波可促使含油污水内部的气泡发生振动，气泡积聚一定能量后爆破发生空化作用，高强度的冲击能量破坏油滴和水滴之间的分子键，从而实现油水破乳分离[7-9]。张鹏[10]研究了超声波对含油污水的处理效果，认为超声波的作用原理是其对水分子和油分子产生的位移效应不同，从而完成油水分离。罗辉辉等[11]对江苏油田产出污水进行了超声波处理试验，得到了在添加絮凝剂的条件下超声波对污水的除油效果。孙宝江等[12]进行了超声波对聚合物驱采油污水的除油试验，通过正交试验得到了超声波的最佳参数。

笔者采用超声波油水分离试验装置，分析了超声频率、辐射时间、声强、油品黏度等参数对污水油水分离效果的影响，探究了超声处理的作用机理，对超声处理装置的合理设计和提高油水分离效果具有一定意义。

1 超声处理油水分离原理

1.1 空化作用

超声波对含油污水进行持续辐射时，在声压负周期内，超声波产生的机械振动促使含油污水内溶解的微气泡体积不断膨胀变大，而在声压正周期内，超声波对含油污水产生的机械振动促使微气泡被压缩发生破灭。在微气泡膨胀变大后突然破灭的瞬间，气泡周边的一定区域内会形成高温高压的物理条件，称为“热点”，而破灭导致储存在气泡内的超声能量瞬间释放，对周围的油滴分子、水分子产生射流和冲击波，即超声空化作用，实现油水分离。

1.2 化学作用

超声处理含油污水时，在气泡破灭的瞬间，可将水分子裂解为氢离子和氢氧离子的自由基，自由基具有较强的氧化作用，可与污水中的油水乳状物发生反应，促使水滴和油滴断链降解。降解后的油滴分子重新自由组合，形成大分子油滴单质，有利于油滴的聚并分离。

1.3 机械作用

分离聚并出的大分子油滴在超声波的作用下不断振动，向超声波的波谷处聚集。油滴密度小于水的密度，在浮力的作用下，油滴上浮至水表面形成一层稳定漂浮的油膜。

2 超声处理油水分离试验

超声波油水分离试验装置如图1所示。系统主要由温度计、水浴、换能器、信号发生器和功率放大器构成，信号发生器可产生超声波信号，功率放大器将超声信号放大后传输至换能器，换能器发射超声波辐射含油污水。

图1 超声波油水分离试验装置

采用乳化仪对胜利油田原油与水进行充分乳化制备含油污水，在测试容器内放入300 mL的含油污水，打开水浴控制环境温度至30 ℃，待温度稳定后打开信号发生器、功率放大器进行超声处理，改变超声频率、辐射时间、声强、油品黏度等参数分别进行试验。超声处理后，保持温度恒定自然沉降4 h，测定污水的含油率。为研究不同性质油品对超声处理油水分离的影响，采用两种不同黏度的油品配制含油污水，试验油品的相关参数如表1所示。

表1 试验油品黏度参数

3 超声处理油水分离特性

3.1 超声频率对油水分离的影响

以油品II为试验介质，改变辐射声强的大小，得到不同超声频率下除油率随声强的变化，结果如图2所示。

由图2可见：在同一频率下，存在最优声强和最大除油率。20，28，40，60 kHz频率下最优声强分别为8.05，7.09，6.06，5.11 W/cm2，最大除油率分别为82.3%，69.5%，63.2%，59.4%。随着超声频率增加，最优声强和最大除油率均有所降低。主要原因是超声频率的升高导致衰减系数增大，形成一定强度的声流，声流对油滴产生剪切作用，扰乱了液体内的流场，阻碍了油滴的聚集和位移。

图2 超声频率对油水分离效果的影响

3.2 声强对油水分离的影响

以油品II为试验介质，改变辐射声强的大小，得到不同辐射时间下除油率随声强的变化，结果如图3所示。

图3 声强对油水分离的影响

由图3可见：当辐射时间为10，20 min时，随着声强的升高，污水除油率先缓慢升高，然后快速上升至较高水平。其主要原因是当声强升高时，微气泡储存的能量增大，超声空化导致气泡破灭时所释放的能量变大，油滴更易被裂解形成大油滴。同时，油滴所储存的能量增大，自身的机械振动变强，位移速度变高，可较快地到达聚集区域。当辐射时间提高至30，40，50 min时，污水除油率先随着声强的升高而缓慢升高，然后快速升高至最高点，最后缓慢下降，存在最优声强和最大除油率。辐射时间30，40，50 min时最优声强分别为9.01，9.01，8.05 W/cm2，最大除油率分别为71.5%，78.3%，83.2%。其主要原因是随着辐射时间的延长，当声强升高至最佳声强后继续升高时，由于能量过大，易导致较大的气泡破碎成小气泡，从而降低了空化作用效果，导致最大除油率反而随辐射时间的增加而下降。

3.3 辐射时间对油水分离的影响

以油品Ⅱ为试验介质，改变辐射时间的长短，得到不同声强下除油率随辐射时间的变化，结果如图4所示。

图4 辐射时间对油水分离的影响

由图4可见：在声强一定的情况下，随着辐射时间的延长，除油率先快速升高至较高水平后略有下降，存在最佳辐射时间。因为辐射时间较短时，油滴受到空化作用的影响与水滴裂解分离，并形成大分子油滴，在机械振动的作用下，大分子油滴可快速位移至聚集区域进一步合并并浮升。当辐射时间进一步增加时，空化作用受到微气泡数量的限制不再显著增强，油滴被裂解的数量受到限制，除油率不再显著升高。而机械振动作用受到被裂解的油滴数量限制，虽然油滴振动增强快速到达聚集区，但是裂解油滴的数量有限，同样无法显著提高除油效果。

3.4 油品黏度对油水分离的影响

以油品Ⅰ和油品Ⅱ为试验介质，改变辐射声强的大小，得到不同油品黏度下除油率随声强的变化，结果如图5所示。

图5 油品黏度对油水分离的影响

在50 ℃下，油品Ⅰ黏度为862 mPa·s，油品Ⅱ黏度为633 mPa·s，油品Ⅰ黏度大于油品Ⅱ黏度。由图5可见：随着声强的升高，试验介质的除油率均先升高至最高点后下降。对于油品Ⅰ，声强为9.01 W/cm2时除油率达到最大；对于油品Ⅱ，声强为8.05 W/cm2时除油率达到最大。随着声强的增加，油品Ⅱ的除油率始终高于油品Ⅰ。其主要原因是油品Ⅰ黏度大于油品Ⅱ黏度，而油品黏度越大，越不利于油滴在水中的移动聚集，黏度小的油品Ⅱ更容易聚集合并，移动所受到的阻力小，可快速到达聚集区并浮升至水的表面。

4 结论

采用超声波油水分离试验装置，分析超声频率、辐射时间、声强、油品黏度对污水油水分离效果的影响，探究超声处理的作用机理，得到如下结论。

1)超声处理油水分离是空化作用、化学作用和机械作用共同作用的结果。

2)随着超声频率增加，衰减系数增大，形成一定强度的声流，声流对油滴产生剪切作用，扰乱了液体内的流场阻碍了油滴的聚集和位移，最优声强和最大除油率均降低。

3)辐射时间较短时，污水除油率随着声强的增大而升高。辐射时间较长时，存在最优的声强和最大除油率。其主要原因是当声强升高至最佳声强后继续升高时，由于能量过大，易导致气泡破碎成数个小气泡，降低空化作用效果。

4)在声强不变的条件下，随着辐射时间的提高，除油率先快速升高至较高水平后略有下降，存在最佳辐射时间。主要原因是辐射时间过长，空化作用受到微气泡数量的限制，机械振动作用受到被裂解的油滴数量限制，均无法显著提高除油效果。

5)随着声强的增加，黏度低的油品除油率更高。其主要原因是黏度小的油品更容易聚集合并，移动所受到的阻力小，可快速到达聚集区并浮升至水的表面。