負(fù)壓蒸發(fā)技術(shù)處理廢棄鉆井液

苗純正，周傳德，，李瑞民，王 堃，孟明輝

（1. 重慶科技學(xué)院 安全工程學(xué)院，重慶 401331；2. 重慶科技學(xué)院 機(jī)械與動(dòng)力工程學(xué)院，重慶 401331；3. 西安石油大學(xué) 機(jī)械工程學(xué)院，陜西 西安 710065）

治理技術(shù)

負(fù)壓蒸發(fā)技術(shù)處理廢棄鉆井液

苗純正1，周傳德1，2，李瑞民3，王 堃2，孟明輝2

（1. 重慶科技學(xué)院 安全工程學(xué)院，重慶 401331；2. 重慶科技學(xué)院 機(jī)械與動(dòng)力工程學(xué)院，重慶 401331；3. 西安石油大學(xué) 機(jī)械工程學(xué)院，陜西 西安 710065）

采用負(fù)壓蒸發(fā)技術(shù)處理3種不同組分的廢棄鉆井液。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明：最佳蒸發(fā)溫度為79 ℃；當(dāng)蒸發(fā)溫度低于95 ℃時(shí)，相15#原液的出水氨氮質(zhì)量濃度、懸浮物質(zhì)量濃度、色度分別低于3.40 mg/L、0.093 mg/L、11倍，達(dá)到GB 8978—1996《污水綜合排放標(biāo)準(zhǔn)》中的一級(jí)排放標(biāo)準(zhǔn)；當(dāng)蒸發(fā)溫度低于79 ℃時(shí)，鉆井液1和鉆井液2的出水氨氮質(zhì)量濃度均低于37.00 mg/L，懸浮物質(zhì)量濃度均低于0.080 mg/L，色度低于13倍，COD低于114.0 mg/L，達(dá)到GB 8978—1996《污水綜合排放標(biāo)準(zhǔn)》中的二級(jí)排放標(biāo)準(zhǔn)。通過(guò)后續(xù)過(guò)濾除油工藝可降低鉆井液中的石油類質(zhì)量濃度，使最終出水達(dá)標(biāo)排放。

鉆井液；負(fù)壓蒸發(fā)；蒸發(fā)溫度

隨著石油工業(yè)的發(fā)展，石油鉆井液污染的治理已成為世界各國(guó)研究的重要課題。目前，國(guó)內(nèi)外已開展了很多研究，并取得了一定的成果。鉆井液的固化處理在我國(guó)應(yīng)用最為廣泛［1-4］。李瑞龍等［5］將工業(yè)廢渣磷石膏與粉煤灰用于鉆井廢棄泥漿的固化處理。李輝等［6］提出了廢棄鉆井液微生物-土壤-植物的聯(lián)合處理方法，從根本上解決了污水處理問(wèn)題。國(guó)外一般采用集中填埋或注入安全地層的方法處理廢棄油基鉆井液［7］。根據(jù)廢棄鉆井液為水基、油基混合液的特點(diǎn)，委內(nèi)瑞拉石油公司開發(fā)了微波破乳法處理鉆井液新技術(shù)［8］。日本采用真空蒸發(fā)分離、旋流壓縮等技術(shù)處理鉆井廢棄泥漿，可以在鉆井的同時(shí)對(duì)廢棄鉆井液進(jìn)行處理，避免了以往只能終端處理的缺陷［9］。這些技術(shù)的處理效果顯著，但均受一定條件的限制，且成本較高，難以推廣使用［10］。

本工作采用負(fù)壓蒸發(fā)技術(shù)分別處理3種不同組分的鉆井液，對(duì)3種鉆井液的處理效果進(jìn)行了分析，得出了最佳的蒸發(fā)溫度。

1 實(shí)驗(yàn)部分

1.1 實(shí)驗(yàn)材料

相15#原液：紅褐色，澄清，有少許沉淀；鉆井液1：黑色，泥濁，有沉淀；鉆井液2：黑色，泥漿狀，有浮油。3種不同鉆井液的水質(zhì)檢測(cè)結(jié)果見表1。由表1可見，由于3種鉆井液所含的鹵化物、高分子聚合物的種類及含量不同，它們的氨氮、石油類和懸浮物的質(zhì)量濃度各不相同，COD均很高。

表1 不同鉆井液的水質(zhì)檢測(cè)結(jié)果

1.2 工藝流程

負(fù)壓蒸發(fā)鉆井液污水處理工藝系統(tǒng)包括旋流器、真空泵、負(fù)壓蒸發(fā)器、蒸汽發(fā)生器、除油器等基本設(shè)備，工藝流程見圖1。

圖1 負(fù)壓蒸發(fā)鉆井液污水處理工藝流程

經(jīng)鉆井口返回的廢棄鉆井液經(jīng)旋流分離和蓄漿池靜置重力分離后，液相污水被引入負(fù)壓蒸發(fā)器內(nèi)。由蒸汽發(fā)生器產(chǎn)生的高溫高壓蒸汽進(jìn)入蒸汽加熱套，通過(guò)蒸發(fā)器壁面的熱傳導(dǎo)加熱蒸發(fā)器內(nèi)的污水。污水被加熱后在負(fù)壓條件下吸熱汽化，進(jìn)入冷卻室。為了充分利用熱量，在進(jìn)入冷卻室前，蒸汽與預(yù)處理污水進(jìn)行充分的熱交換，預(yù)加熱待處理的污水，以降低單位體積能量消耗。冷卻后的蒸汽液化為水，添加適量的化學(xué)試劑除去NH4+，再經(jīng)吸附除油后即可達(dá)標(biāo)排放。

1.3 實(shí)驗(yàn)裝置

負(fù)壓蒸發(fā)裝置的照片見圖2。由圖2可見，實(shí)驗(yàn)用負(fù)壓蒸發(fā)裝置未安裝螺旋刮膜片，僅以蒸汽發(fā)生器作為加熱裝置，以換熱器作為冷卻裝置，在蒸汽出口處增加了泡沫隔離層。實(shí)驗(yàn)在真空條件下進(jìn)行，整個(gè)裝置處于負(fù)壓狀態(tài)，通過(guò)調(diào)節(jié)閥門改變蒸發(fā)罐的壓力，以此改變蒸發(fā)溫度。

圖2 負(fù)壓蒸發(fā)裝置的照片

2 結(jié)果與討論

2.1 3種鉆井液的處理效果

不同蒸發(fā)溫度下3種鉆井液的處理效果見表2。由表2可見：隨蒸發(fā)溫度的升高，除懸浮物質(zhì)量濃度指標(biāo)外，3種鉆井液的其他檢測(cè)指標(biāo)均呈逐漸增加的趨勢(shì)，水質(zhì)逐漸變差；當(dāng)蒸發(fā)溫度為55℃時(shí)，3種鉆井液的氨氮質(zhì)量濃度、懸浮物質(zhì)量濃度和色度等指標(biāo)均達(dá)到GB 8978—1996《污水綜合排放標(biāo)準(zhǔn)》［11］中的一級(jí)排放標(biāo)準(zhǔn)；當(dāng)蒸發(fā)溫度升高至75 ℃和95 ℃時(shí)，鉆井液1和鉆井液2的氨氮質(zhì)量濃度、懸浮物質(zhì)量濃度和色度等指標(biāo)可達(dá)到GB 8978—1996《污水綜合排放標(biāo)準(zhǔn)》中的二級(jí)排放標(biāo)準(zhǔn)。通過(guò)后續(xù)過(guò)濾除油處理工藝，可降低鉆井液中的石油類質(zhì)量濃度，使污水達(dá)到排放要求。

表2 不同蒸發(fā)溫度下3種鉆井液的處理效果

2.2 蒸發(fā)溫度對(duì)COD的影響

采用Aspen Plus化工流程模擬軟件構(gòu)建負(fù)壓蒸餾模型，運(yùn)用MATLAB軟件建立數(shù)學(xué)模型，構(gòu)建COD與蒸發(fā)溫度的對(duì)應(yīng)關(guān)系，計(jì)算結(jié)果見圖3。

圖3 蒸發(fā)溫度對(duì)COD的影響● 相15#原液；■ 鉆井液1；▲ 鉆井液2

由圖3可見：經(jīng)負(fù)壓蒸發(fā)處理后相15#原液中的COD仍高達(dá)225.0 mg/L以上；當(dāng)蒸發(fā)溫度低于79 ℃時(shí)，處理后鉆井液1和鉆井液2的COD均低于114.0 mg/L，可達(dá)到GB 8978—1996《污水綜合排放標(biāo)準(zhǔn)》中的二級(jí)排放標(biāo)準(zhǔn)（出水COD小于120 mg/L）。

2.3 蒸發(fā)溫度對(duì)污水pH的影響

蒸發(fā)溫度對(duì)污水pH的影響見圖4。由圖4可見：當(dāng)蒸發(fā)溫度低于59 ℃時(shí)，3種鉆井液的pH小于9，呈弱堿性，達(dá)到GB 8978—1996《污水綜合排放標(biāo)準(zhǔn)》中的一級(jí)排放標(biāo)準(zhǔn)（pH為6～9）；當(dāng)蒸發(fā)溫度為79 ℃時(shí)，處理后污水的pH略高于排放標(biāo)準(zhǔn)。

2.4 小結(jié)

綜上所述，當(dāng)蒸發(fā)溫度低于95 ℃時(shí)，相15#原液的氨氮質(zhì)量濃度、懸浮物質(zhì)量濃度和色度分別低于3.40 mg/L、0.093 mg/L、11倍，均達(dá)到GB8978—1996《污水綜合排放標(biāo)準(zhǔn)》中的一級(jí)排放標(biāo)準(zhǔn)，但出水COD仍高達(dá)225.0 mg/L以上。當(dāng)蒸發(fā)溫度低于79 ℃時(shí)，鉆井液1和鉆井液2的出水氨氮質(zhì)量濃度均低于37.00 mg/L，懸浮物質(zhì)量濃度均低于0.080 mg/L，色度低于13倍，COD低于114.0 mg/ L，達(dá)到GB 8978—1996《污水綜合排放標(biāo)準(zhǔn)》中的二級(jí)排放標(biāo)準(zhǔn)。當(dāng)蒸發(fā)溫度為79 ℃時(shí)，處理后污水的pH略高于排放標(biāo)準(zhǔn)。但相對(duì)其他考核指標(biāo)，污水pH易于調(diào)節(jié)。綜合考慮處理工藝的經(jīng)濟(jì)節(jié)能、真空泵的選型造價(jià)、真空度大小對(duì)真空泵所需能源消耗的影響以及真空度對(duì)蒸發(fā)過(guò)程中的起泡影響等情況，選擇最佳蒸發(fā)溫度為79 ℃。經(jīng)過(guò)后續(xù)過(guò)濾除油工藝處理，可降低鉆井液中的石油類質(zhì)量濃度，最終出水可達(dá)標(biāo)排放。

3 結(jié)論

a）采用負(fù)壓蒸發(fā)技術(shù)處理3種不同組分的廢棄鉆井液。實(shí)驗(yàn)確定最佳蒸發(fā)溫度為79 ℃。

b）當(dāng)蒸發(fā)溫度低于95 ℃時(shí)，相15#原液的氨氮質(zhì)量濃度、懸浮物質(zhì)量濃度、色度分別低于3.40 mg/L、0.093 mg/L、11倍，均達(dá)到GB 8978—1996《污水綜合排放標(biāo)準(zhǔn)》中的一級(jí)排放標(biāo)準(zhǔn)。

c）當(dāng)蒸發(fā)溫度低于79 ℃時(shí)，鉆井液1和鉆井液2的出水氨氮質(zhì)量濃度均低于37.00 mg/L，懸浮物質(zhì)量濃度均低于0.080 mg/L，色度低于13倍，COD低于114.0 mg/L，達(dá)到GB 8978—1996《污水綜合排放標(biāo)準(zhǔn)》中的二級(jí)排放標(biāo)準(zhǔn)。

d）當(dāng)蒸發(fā)溫度低于59 ℃時(shí)，3種鉆井液的pH小于9，達(dá)到GB 8978—1996《污水綜合排放標(biāo)準(zhǔn)》中的一級(jí)排放標(biāo)準(zhǔn)。

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（編輯 王 馨）

Treatment of Waste Drilling Fluid by Negative Pressure Evaporation Technology

Miao Chunzheng1，Zhou Chuande1，2，Li Ruimin3，Wang Kun2，Meng Minghui2
（1. School of Safety Engineering，Chongqing University of Science and Technology，Chongqing 401331，China；2. School of Mechanical and Power Engineering，Chongqing University of Science and Technology，Chongqing 401331，China；3. College of Mechanical Engineering，Xi’an Shiyou University，Xi’an Shaanxi 710065，China）

3 kinds of waste drilling fluid with different components were treated by negative pressure evaporation technology. The experimental results show that：The optimum evaporation temperature is 79 ℃；When the evaporation temperature is below 95 ℃，the mass concentration of ammonia nitrogen and suspended matter of 15#fl uid is below 3.40 mg/L and 0.093 mg/L respectively，and the chroma is below 11 times，which meet the fi rst grade discharge standard of GB 8978-1996；When the evaporation temperature is below 79 ℃，the mass concentration of ammonia nitrogen and suspended matter of Drilling Fluid 1 and Drilling Fluid 2 are both below 37.00 mg/L and 0.080 mg/L respectively，the chroma of them are both below 13 times，and COD of them are both below 114.0 mg/L，which meet the second grade discharge standard of GB 8978-1996. The mass concentration of petroleum in the drilling fl uid can be decreased by further fi ltration process to meet the discharge standard.

drilling fl uid；negative pressure evaporation；evaporation temperature

TE991.2

A

1006-1878（2015）05-0498-04

2015 - 03 - 17；

2015 - 06 - 02。

苗純正（1989—），男，河南省新鄉(xiāng)市人，碩士生，電話 18502369275，電郵 449165116@qq.com。聯(lián)系人：周傳德，電話 13638304242，電郵 ZCD0013@163.com。

國(guó)家自然科學(xué)基金項(xiàng)目（51205431）；重慶市重點(diǎn)應(yīng)用開發(fā)計(jì)劃項(xiàng)目（cstc2013yykfB0039）。