煤層氣污水處理方法分析與研究

張景輝 羅 雷 張惠南 王 軍 張永琪 苗存龍

(中國石油華北油田山西煤層氣勘探開發(fā)分公司，山西 048000)

1 煤層氣污水系統(tǒng)處理流程及工作原理

1.1 煤層氣污水處理系統(tǒng)關(guān)鍵設(shè)備及作用

圖1 污水處理系統(tǒng)流程框圖

新型污水處理系統(tǒng)采用的是先過濾再吸附的工藝流程，設(shè)備由5個部分組成：刮油機、快速過濾器、兩級油水分離器和活性炭過濾器，如圖1所示。原水靜置后首先由刮油機將表層浮油刮掉，然后經(jīng)快速過濾器過濾，再經(jīng)油水分離器分離油份，最后經(jīng)過活性炭濾器過濾后排放?？焖龠^濾器每個單體為一個過濾單元，使用了特殊的結(jié)構(gòu)設(shè)計配合使用一種新型的過濾材料，運轉(zhuǎn)時需過濾的水流入壓緊的濾料，經(jīng)濾料過濾后，由水收集器流出，完成過濾程序。當(dāng)濾料截留物質(zhì)增多，水頭損失加大時，需要反沖洗。首先氣缸將壓板提起，然后反沖水從水收集器流入松散的濾料，清洗濾料后流出。

1.2 污水處理系統(tǒng)工作原理

本系統(tǒng)的油水分離器采用潤濕凝結(jié)的原理制作。其機制就是將水中細(xì)小的油滴在材料的表面聚集長大后從材料表面分離上升到水體表面從而實現(xiàn)分離,這種分離方法可以達到很高的精度。解決了常規(guī)油水分離器無法解決的問題。因為油不溶于水，大部分的油在水中是以浮油層的形式存在。但一部分油是以分散油、乳化油和溶解油形式存在(還有部分是以油-固體懸浮物形式存在)。這部分油不易從水中分離出來，采取一般的分離方法分離的能力有限。

該系統(tǒng)運用的是粗?；碇械臐櫇窬劢Y(jié)方式。粗?；恚焊鶕?jù)Stock’s定律

Vt=kD2

其中：Vt—油滴在水中的上升速度；k—常數(shù)(與水溫、油黏度等因素有關(guān))；D—油滴的直徑。

從公式中可以看出，油滴在水中的上升速度是和油滴直徑的平方成正比的。根據(jù)有關(guān)理論，固體材料對液體有著不同的潤濕度，兩相在接觸面體現(xiàn)出不同的潤濕角，當(dāng)液體中的兩相在同一表面潤濕角之差大于70度時(α-β>70°)，兩相可以分離。親油疏水的材料的表面，油滴被大量吸引，得以粗粒化。

新型濾芯的核心技術(shù)是纖維材料的分子改性技術(shù)。纖維經(jīng)過改性之后具有親油疏水的表面特性。通過光學(xué)顯微鏡(OLYMPUS BX41)觀察改性前與改性后纖維在不同進水情況下表面的變化情況，可以說明纖維的吸油性能，如圖2所示。改性纖維先捕獲油珠，然后油珠在纖維表面聚結(jié)，聚結(jié)到一定程度，在纖維表面形成一層油膜。

圖2 改性前、后纖維原狀對比圖

2 煤層氣污水化驗結(jié)果分析

通過對污水的送檢化驗得知污水中各組分的原始含量如表1。

表1 污水組分檢驗結(jié)果

之后，我們又對污水中含有的固體雜質(zhì)進行了深入的檢測。

由紅外光譜分析可知，樣品中主要為無機物質(zhì)(圖3)。

圖3 樣品的紅外光譜圖

圖4 樣品及灰分的ESD譜圖

由ESD分析可知，樣品中主要含有C、O、S、Fe等元素(圖4)。

由XRD譜圖分析可知，樣品中含有硫酸鐵、鐵粉、碳、硫磺等物質(zhì)，樣品灰分中主要含有氧化鐵等物質(zhì)。

由以上分析可知，污水中含有石油類物質(zhì)、硫酸鐵、鐵粉、碳、硫磺等物質(zhì)，組分多樣，但要想很好對其進行凈化處理，首先要考慮石油類物質(zhì)，即隨壓縮機排出的乳化油。為此，我們會同生產(chǎn)廠家一起，考慮增設(shè)了一臺刮油機，待生產(chǎn)污水靜置24小時油水徹底分層以后，使用鋼帶式刮油機將其表面的浮油刮掉，然后抽出污水進行處理。這樣就大大減少了污油對改性纖維的污染，延長使用壽命，提高處理效果，降低更換濾芯濾料的使用成本。

3 結(jié)論

3.1 人機交互界面設(shè)計

本系統(tǒng)的運行通過PLC進行控制，可以顯示各閥門的狀態(tài)和各傳感器數(shù)值。通過運行一段時間后，該控制系統(tǒng)能夠滿足現(xiàn)場的手動和自動控制需求。進入控制界面可以對設(shè)備進行模式切換、強制排油、強制排污和強制觸發(fā)反沖操作。也可以進行參數(shù)設(shè)定和報警信息查詢。系統(tǒng)開機后，默認(rèn)的運行狀態(tài)為手動狀態(tài)，點擊“自動”、“手動”進行切換。

3.2 試運行過程中發(fā)現(xiàn)的問題

通過實際運行發(fā)現(xiàn)，處理后的凈化水能夠滿足現(xiàn)場環(huán)保要求。但仍存在幾個小問題需要下一步改進，一是刮油機刮出的油純度不高；二是分離出油泥提升和處理困難。

考慮本系統(tǒng)的運行條件，計劃在現(xiàn)有的基礎(chǔ)上進行改造，將原來的生活調(diào)節(jié)污水池改造為二次刮油池，即經(jīng)過一次刮油后的油不裝桶，直接進入二次刮油池。然后經(jīng)過加藥(破乳劑)，靜置再刮油，試驗證明經(jīng)過破乳后刮出的油含油量在80%以上。

針對分離出油泥提升和處理困難問題，添置了疊螺機，主要有三部分構(gòu)成，包括污泥提升泵、加藥機、疊螺裝置。目的是將提升上來的污泥加藥絮凝以后擠干水分，形成泥餅進行再利用。

4 實驗及數(shù)據(jù)分析

通過第三方檢測公司對凈化水的送檢，得出技術(shù)改造前后凈化水各項檢測指標(biāo)對比如表2所示。

表2 技術(shù)改造前后凈化水各項檢測指標(biāo)對比表

通過上述實驗的數(shù)據(jù)可以看出，通過技術(shù)改造以后，原來處理完的凈化水中不合格項目都已經(jīng)達到小于標(biāo)準(zhǔn)限值，符合《GB 8978—1996污水綜合排放標(biāo)準(zhǔn)》中一級標(biāo)準(zhǔn)限值，達到了預(yù)期目的。