基于均质调节沉降系统和智能化压滤机的泥浆废弃物处理研究

黄志洋，王 婷，管玉君，蒋月霞，戴 敏，李小银

（1.江苏博一环保科技有限公司，江苏 扬州 225000；2.扬州亿迈科尼机电科技有限公司，江苏 扬州 225000；3.扬州大学，江苏 扬州 225127）

0 引言

在过去的几十年里，由于城市和工业用水净化活动的增加，污泥产量急剧增加。如此大量的污泥如果得不到有效地处理，将对环境造成极大的危害。超高的含水率导致污泥流动性大、体积大，给后续运输、烘干、焚烧、填埋、回收和资源化利用带来极大不便，现有的脱水方法主要是采用过滤离心的机械分离技术，例如带式或离心式压滤机，然而，脱水后污泥的含水量通常在60%～80%。因此，开发高效的深度脱水技术已成为环保界的重要课题。污泥深度脱水技术包括机械过滤、电渗、热干燥等。与热干燥和焚烧相比，污泥的机械压滤脱水作为一种节能方法被广泛采用。本文对海井钻采废弃物的处理从源头抓起，防重于治，通过一体化集成技术，利用均质调节快速沉降系统，具有自动纠偏系统的智能化高效高压立式压滤机及智能化控制系统实现固相达标排放，解决海洋石油钻采废弃物循环处理的难题。

1 均质调节沉降系统研究

钻井废弃物是石油钻采过程中产生的一种多相稳定胶态悬浮物体系，含黏土、加重材料、各种化学处理剂、污水、污油及钻屑等。絮凝剂的絮凝能力和液体废弃物的化学特性是影响泥浆废弃物沉降的重要因素，因此对于不同絮凝剂的絮凝能力，在研究絮凝剂的絮凝能力和液体废弃物的化学特性的基础上，开发石油钻采废弃泥浆中液体废弃物均质调节快速沉降系统，均质调节系统结构由加药罐和搅拌罐组成，加药罐采用不锈钢材料，设有增压泵和流量计。搅拌罐分为两仓，底部采用锥形结构便于排尽混合物。由长杆泵输送过来的混合物，输送到进口管，进口管设有2个手动阀门，可选择性进入搅拌仓，可实现节约控制。均质调节快速沉降系统三维图如图1所示。

图1 均质调节沉降系统三维图

主要采用超声高压多点絮凝剂自动添加技术，借助超声波技术使絮凝剂粉剂快速、完全溶解从而实现絮凝剂的快速配置；融合光敏传感检测技术与絮凝剂自动添加技术，利用光敏传感器检测悬浮物沉降速度，给出絮凝剂添加量的大小，通过高压泵送完成多点添加，从而实现悬浮物快速絮凝快速沉降的目的。结合上述研究内容，设计开发一种气凝胶式重金属离子回收装置，通过探索原料种类、修饰剂类型、pH值、pH值调节剂、温度、浓度、配比、溶剂类型等因素对气凝胶的形貌、比表面积、纯度等因素的影响，并分析气凝胶常压制备过程中的表观基团构筑机制，找出制备因素与杂化气凝胶吸附性能之间的关系，从而实现废弃物中重金属离子回收率≥90%。图2为重金属回收的原理。

图2 气凝胶式重金属离子回收过程

2 智能化高效高压立式压滤机技术研究

本文基于表面仿形结构设计的增滤高承压滤板研究，采用高频脉冲振动和刮板技术相结合的脱饼工艺，开发快速自清洗系统，通过优化整个工艺流程来实现大型智能化高压高效立式压滤装备效率的协同优化。分析滤板结构、布置方案、滤板材料、密封材料和方式的匹配设计，同时研究入料、压榨、滤板开启与合拢、脱饼、滤布清洗等工艺流程的效率协同优化方法，最终达到规格齐全（最大过滤面积196 m2），过滤介质温度最高80℃，最高工作压力1.6 MPa的使用要求。

2.1 总体结构设计

立式全自动超声洗涤压滤机是一种固液分离装置，用于过滤高黏度、微细颗粒和悬浮颗粒的浆料。其集成了主体及其附属设备，包括单独的电气控制柜、液压站和水站、阀门和管道，以及过滤器实现程序控制所需的仪表。过滤机构由滤板、滤框、滤布和一个挤压隔膜组成。滤板两侧覆盖有滤布。当需要挤压隔膜时，一组过滤板由隔膜板和侧板组成。隔膜板的底板两侧覆盖有橡胶隔膜，隔膜外侧覆盖有滤布。侧板为普通滤板。物料从止推板上的物料孔进入过滤室。固体颗粒因其粒径大于过滤介质（滤布）的孔径而被截留在滤室中，滤液从滤板下方的出口孔流出。基本上，压滤机的设计是基于脱水量和泥浆类型。其主要由4个部件组成，分别为框架、滤板、歧管和滤布，如图3所示。

图3 智能化高效高压立式压滤机

2.2 压滤机脱水系统设计

压滤脱水有多种方式，应用最广泛的主要有两种方法：一种是带有压滤机构的机械压滤脱水，另一种是液压压滤脱水。对于固定压滤脱水系统，“进料压力”与进料泵有关，相对固定，故不予考虑。钻井的大小相对固定，黏度与浓度直接相关。因此，压滤机优化过程要考虑“进料浓度”和“压榨压力”两个条件。因此，本文提出了一个使用现有数据样本的压滤脱水过程的精确ML模型。使用ML模型预测的结果来设计一种可靠的优化方法，以获得控制参数的最优值。这种方式实现了压滤机脱水过程的控制优化。通过对实际情况的研究，我们提出如下合理的优化原则。

（1）在保证得到合格含水量的滤饼的前提下，通过参数的优化控制，获得单位过滤面积的最大处理量；

（2）在保证单位过滤面积处理能力的前提下，通过参数的优化控制，可以得到含水量最低的滤饼。

2.3 压滤机污泥调理系统设计

在污泥过滤循环的最初时刻，污泥颗粒被一层预涂层材料和过滤介质截留，污泥的液体部分通过介质并以滤液的形式流出过滤板。脱水的有效性取决于形成污泥层的渗透率和孔隙率，因此从这一点来说，可通过调整污泥层的压差和污泥的黏度来调整过滤速率。在某些情况下，待脱水污泥的特性是其自然渗透性足够强，可以使其进行自然脱水，而无需对其进行任何进一步的处理，只需将其泵入合适的脱水装置。当污泥的渗透性不足以使脱水过程在有效的基础上进行时，有必要改变这种渗透性，有时还需要降低污泥的黏度，这被称为条件反射。

当石灰用于提高污泥的pH值以实现电荷反转时，通常会发现获得所需污泥渗透性所需的石灰量超过产生pH值所需的石灰量，并且经常会超过石灰在污泥中的溶解度，从而实现对污泥结构的调理。在这种情况下，过量的石灰颗粒与污泥颗粒混合，并通过它们插入污泥颗粒之间，本身成为脱水助剂。

3 结语

本文采用超声高压力多点絮凝剂自动添加技术，研究气压、喷射结构对絮凝剂粉剂快速、完全溶解效率的影响规律，实现絮凝剂的快速均匀配置，使一般沉降时间在5 h内，固相含水率在30%以下；采用表面仿形结构设计技术，研究压滤机脱水系统和污泥条例系统的设计，实现大过滤面积196 m2，过滤介质温度最高80℃，最高工作压力1.6 MPa。