一种基于微泡沫钻井液的废水处理方案分析.pdf

第 4 4 卷 第 1 0 期 2 0 1 5 年 1 0月 当 代 化 工 C o n t e mp o r a r y C h e m i c a l I n d u s t r y V o 1 ． 4 4．N o ． 1 0 O c t o b e r ，2 0 1 5 一 种基于微泡沫钻井液的废水处理方案分析 刘传驰，杜胜男，安健宁，王卫强 辽宁石油化工大学，辽宁 抚顺 1 1 3 0 0 1 摘 要 采用微泡沫钻井液进行钻井过程中，会产生大量废水 。泡沫钻井液废水含有大量表面活性剂，化 学需氧量 C O D值 较高， 直接排放会对环境造成极大的影响。 简要分析了表面活性剂对环境可能造成的影响， 按照国家标准对废水进行了检测，依据实际情况，制定实验并分析结果 ，通过消泡以及絮凝过程，除去废液中 大量的表面活性剂 ，并成功使 C O D值从 4 8 7 5降到 1 8 4 ，证明方案切实有效。 关键词泡沫钻井液废水；表面活性剂；消泡；絮凝 中图分类号 T E 3 5 7 文献标识码 A 文章编 号 1 6 7 1 0 4 6 0 2 0 1 51 0 2 2 9 4 0 3 Ana l y s i s o n t he Tr e a t m e n t Sc he me o f M i c r o Fo a m Dr i l l i ng Fl u i d W a s t e wa t e r L I U C h u a n c h i ，DU S h e n g n a n ，ANJ i a n n i n g， W ANG We i q i a n g L i a o n i n g S h i h u a Un i v e r s i t y , Li a o n i n g F u s h u n 1 1 3 0 0 1 ，Ch i n a Ab s t r a c t Du r i n g d r i l l i n g wi t h t h e mi c r o f o a m d ril l i n g fl u i d ． a l o t o f wa s t e wa t e r wi l l b e p r o d u c e d ． F o a m d r i l l i n g fl u i d w a s t e wa t e r c o n t a i n s a l a r g e a mo u n t o f s u r f a c e a c t i v e a g e n t s a n d a l s o h a s h i g h c h e mi c a l o x y g e n d e ma n d C O D v a l u e ， d i r e c t e mi s s i o n o f wh i c h wi l l c a u s e a g r e a t i mp a c t o n t h e e n v i r o n me n t ． I n t h i s P a p e r ， t h e e 嫌 c t o f s u r f a c t a n t s o n t h e e n v i r o n me n t wa s a n a l y z e d ． T h e wa s t e Wa t e r wa s d e t e c t e d a c c o r d i n g t o t h e n a t i o n a l s t a n d a r d ． Ba s e d o n t h e a c t u a l s i t u a t i o n ． th e e x p e r i me n t a l s c h e me wa s f o r mu l a t e d ． a n d t h e r e s u l t s we r e a n a l y z e d ． T h e r e s u l t s s h o w t h a t ， b y d e f o a mi n g a n d fl o c c u l a t i o n p r o c e s s ． a l a r g e a mo u n t o f s u r f a c t a n t s C an b e r e mo v e d f r o m wa s t e wa t e r ,a n d t h e COD v a l u e c a n b e d e c r e a s e d fr o m 4 8 7 5 t o 1 8 4 ． Th e e x p e r i me n t r e s u l t s h a v e p r o v e n也a t t h e s c h e me i s p r a c t i c a l a n d e f f e c t i v e ． Ke y wo r d s F o a m d r i l l i n g fl u i d wa s t e Wa t e r ； S u r f a c t a n t s ； De f o a mi n g ； F l o c c u l a t i o n 钻井液，在石油钻井工业中起着极其重要的作 用 ，与此同时，废弃钻井液带来的污染也是不容忽 视的。废弃的泡沫钻井液中通常还含有膨润土 、聚 合物 、钻屑 、油类等多种杂质 ，均是无法 自然降解 的有害物质。随着钻井工业 的发展 ，各种各样的新 型钻井液正逐渐在复杂情况钻井 中起着越来越重要 的作用。例如在 “ 三低”以及裂缝油藏中发挥优势 的泡沫钻井液。虽然 目前我们已经通过调整泡沫直 径 ，研制出可循环使用的微泡沫钻井液以尽量减少 浪费，但是随着油层杂质的掺人，我们也不得不在 每次循环时加入新 的起泡剂来保证泡沫的质量 ，以 达到对钻井的需求 ，这样发展下去 ，发泡剂 即表 面活性剂 在钻井液废液中的含量就会越来越多。 这种添加剂严重超标的钻井液如果直接排放 ，会对 环境造成非常严重的污染。 目前最常用的钻井液处理方法是掩埋 ，但是这 样处理，必然会使这些添加剂渗入泥土中，再经渗 透作用汇人地下水源，所 以采用这种方式无法从根 本上杜绝污染。我们需要一种切实有效的方法来处 理泡沫钻井液的废液，尤其是针对其中所含的大量 表面活性剂。本研究对表面活性剂所造成的危害进 行了细致的分析 ，采用实验室所配置出的可循环微 泡沫钻井液进行试验，提出可行的解决方案 。 1 表面活性剂的危害 就目前来看， 我们生活以及生产中使用的表面 活性剂绝大部分的未经过有效的处理就直接排放到 河流 、海洋中 ，这种做法对水体造成严重地污染并 使得水面泡沫横飞， 还会大量消耗溶解在水中的氧， 影响水体质量。 在水 中表面活性剂的浓度过高时 ， 会有持久泡沫产生 ，在水的表面形成泡沫保温层 ， 降低了大气与水体之间的气体交换， 导致水体发臭； 达到一定浓度的表面潘l生剂还会严重减缓污水处理 进程 ，造成过多的经济投入。口 若过多的表面活性 剂存在于饮用水中 ，会使得饮用水有异味及油腻的 感觉；用含表面活性剂的水灌溉， 作物的产量会受 到严重影响；大量的排放不仅具有降解菌的毒性作 用，并能抑制污染物表面降解菌的吸附，使污染物 的降解减慢；水体富营养化通常是由含氮、磷的表 面活性剂造成的。 收稿 日期 2 0 1 5 - 0 4 0 5 作者简介 刘传驰 1 9 9 0 一 ， 男， 辽宁盘锦人， 硕士， 2 0 1 5 年毕业于辽宁石油化工大学油气井工程专业， 研究方向 从事钻井液技术工作。 E - m a i l ] 1 【 Jc h u a n c h 1 1 2 6 ． c o m。 通讯作者 杜胜男 1 9 8 4 一，女，教师，博士，研究方向从事环保技术工作。 第4 4卷第 1 0期 刘传驰 ，等一种基于微泡沫钻井液的废水处理方案分析 2 2 9 5 表面活性剂会对水生动植物产生影响，破坏水 温度范围内均可使用； 它具有良好化的学稳定性， 生食物链，污染的鱼被人食用后，其毒性作用会对 与其他物质很难反应，配置得当的话，在酸、碱 、 机体产生多种酶抑制，具有持续性，降低人体的免 盐溶液中都可使用，无损产品质量；可用于医药以 疫力。 表面活性剂还会通过影响土壤性质以波及 及食品行业。它属于广谱型消泡剂，其抑泡、破泡 陆生植物。 功能可针对所有气泡体系。它被广泛用于洗涤剂、 2 试验和结果 2 ． 1仪器与试剂 方案拟使用 自己配置的钻井液进行试验 ，所以 需要准备钻井液配置仪器，准备了电动搅拌机 ，高 温水浴锅 ，电子称等配置仪器 ，以及烧杯 、量筒 、 试管、搅拌棒等仪器若干。 药品准备 钠基膨润土 ，K C I ，阴离子 以及 阳 离子聚丙烯酰胺 ，黄原胶 ，K1 2发泡剂 ，白发泡剂 ， 有机硅消泡剂。 2 ． 2 实验室配置可循环微泡沫钻井液 1 配置基液 取钠膨润土加水陈化 2 4 h ， 向大烧杯 中加入 2 5 g 氯化钾 、1 5 g O P 一 1 0 、1 g 黄原胶 、适量氢氧化钠 以及适量陈化之后的钠膨润土 ，加水至 l 0 0 0 m L 。 将聚丙烯酰胺 阴离子 水解 ， 水解条件 恒温 水浴 6 0℃；水解时间2 0 mi n 。取适量水解之后的 阴离子聚丙烯酰胺加人混合溶液， 使用电动搅拌机以 2 5 0 0 r ／ mi n搅拌混合液体 3 0 rai n ，完成基液配制。 2制备泡沫 ． 取基液 2 0 0 mL ， 加入适量 K1 2发泡剂与白发泡 剂，并加入加适量 F M 一 7 0 稳泡剂保证泡沫半衰期， 高速搅拌 2 0 m i n ， 得 8 0 0 m L 微泡沫钻井液进行后续 试验 。 2 ． 3消泡 微 泡沫钻井液 中的大量泡沫是 由表 面活性剂 所引起的 ，实验室配置的样本 中表面活性剂含量较 少 ，与生活污水中的排放量相近，但是现场钻井时 需要大量钻井液，其废液中所含表面活性剂足以对 环境造成极大 的危害。 为 了后续的净水过程 ，实验先对所配置钻井液 进行消泡 。 2 _ 3 ． 1 消泡剂选择 实验采用有机硅消泡剂 ，用来除去钻井液中的 气泡。以方便后续 的处理进程 。 有机硅消泡剂是由防水剂 、乳化剂 、硅脂 、稠 化剂等加入适量水通过械乳化过程而制备的。 其 特点是表面张力小 ，成本低 ，用量少 ，消泡力强 。 它几乎不溶于水和有机物 ，可以消灭大多数介质产 生 的气泡 。其优 良的热稳定性 ，使其在 5 ～ 1 5 0℃的 造纸 、纸浆 、制糖 、电镀 、化肥 、助剂 、废水处理 等生产过程中的消泡同 。 2 ． 3 ． 2 消泡过程 取实验制备的微泡沫钻井液，向其中滴人有机 硅消泡剂并缓慢搅拌，并观察钻井液状态 ，直到泡 沫完全破碎清除， 钻井液恢复至 2 0 0 m L左右 表 1 。 表 1 消泡数据 T a b l e l De f o a mi n g d a t e 药品添加量， m L 5 消泡时间， m i n 2 记录实验数据 约 2 mi n时间将全部泡沫清除 ， 共加人 5 m L消泡剂。 其用量少，符合现场消泡经济适用原则。 2 ． 4 净水方案选择 2 ． 4 ． 1 聚合物絮凝 絮凝的定义是指定量地在系统中加入电解质 ， 以减少电位和表面电荷的数量， 降低双电层的厚度， 使降低了稳定性和颗粒之间的斥力聚集的絮状物 ， 成为松散的纤维结构 ，这些被加入到体系中的电解 质被称为絮凝剂 。 絮凝剂在钻井液密度中起调节作用，通过化学 絮凝法使无用的固体沉淀 ，从而降低钻井液密度。 在钻井液中絮凝剂多有高分子长链化合物担任，加 入钻井 液后絮凝剂会在粘土颗粒之间通过桥接作 用 ， 将粘土颗粒由小变大 ， 是粘土颗粒失去稳定性 ， 失去重力产生絮凝沉淀。 阳离子聚丙烯酰胺 C P A M 是一种线型的高分 子化合物，因为它具有很多种活跃基团，可以与很 多物质亲和、吸附而形成氢键。主要作用是絮凝带 负电荷的胶体，具有吸附、脱色、除浊、粘合等功 能，适用于食品、造纸 、染色 、建筑、选矿 、冶金 、 煤粉 、油 田、水产加工与发酵等行业所产生的有机 胶体含量较高的废水处理，特别适合用于造纸和城 市污水 、污泥及其它工业污泥的脱水处理 。 2 ． 4 ． 2 活性炭吸附 活性炭吸附是利用’活．』生 炭的物理吸附、化学吸 附、氧化 、催化氧化和还原等性能去除水 中污染物 的水处理方法。 活性炭最早用于去除生活用水的臭味。沼泽水 常带土昧，湖泊和水库水常带藻类形成的臭味， 用 2 2 9 6 当 代 化 工 2 0 1 5年 1 0月 活性炭处理最为有效， 并且只需在出现臭味时使用。 大多用粉状活性炭 ，直接投入混凝沉淀池或曝气池 内，随污泥排除 ，不再 回收利用。活性炭能去除水 中产生臭味的物质和有机物， 如酚、 苯、 氯、 农药、 洗涤剂 、三卤甲烷等。此外 ，对银 、镉 、铬酸根 、 氰 、 锑、砷、铋、锡、汞、铅、镍等离子也有吸附 能力。 ． 2 ． 4 - 3 实验过程 取两份已经过消泡的钻井液样本， 分别向样本中 加入活性炭粉末和 0 ． 5 ％的阳离子聚丙烯酰胺溶液。 可 以观察到现象 ，加入活性炭粉末的钻井液 ， 随着加入量的增加， 逐渐变清； 加入聚丙烯酰胺 阳 离子 溶液的钻井液，在混合瞬间，就析出大量固 体以及胶体，随着后续的加人，固相和胶体析出过 程变慢，析出量约占钻井液总体积的 1 ／ 3 。 最后取两溶液的上层清液进行 C O D含量检测。 2 ． 5 COD检测方法 由于配制的钻井液并未经过实际钻井过程， 所 以其中并没有钻屑 、油层污染 以及重金属污染等地 层污染元素 ， 只需针对其表面活性剂含量进行 C O D 检测。 2 ． 5 ． 1 C O D检测原理 处于酸性溶液中的重铬酸钾是强氧化剂 ，在加 热时能对废水中的难氧化的还原性物质及有机物进 行氧化。过量的重铬酸钾以试亚铁灵作为指示剂。 用硫酸亚铁铵 回滴 ，由消耗重铬酸钾的量计算出化 学需氧量。 2 ． 5 ． 2 所需试剂 重铬酸钾标准溶液 ；试亚铁灵指示剂 ；硫酸亚 铁铵标准溶液 ；硫酸汞 结晶状 ；消化液。 2 ． 5 - 3 检测步骤 首先用移液管吸取 5 0 ． 0 0 m L水样置于 5 0 0 mL 锥形瓶中， 向其中加入 2 5 ． O 0 mL 重铬酸钾标准溶液 ， 再缓慢加入 7 5 mL消化液 ， 之后摇匀。 添加玻璃珠 ， 加热 回流 2 h 。 冷却后，首先用约 2 5 m L 水冲洗冷凝管壁，之 后将锥形瓶取下 ，再加水稀释到 3 5 0 mL 。向锥形瓶 中滴加 2～3 滴试亚铁灵指示剂 ，用硫酸亚铁铵标准 溶液滴定，溶液由黄色变为蓝绿色，到刚变为红褐 色时停止。 记录消耗硫酸亚铁铵标准溶液的体积 。 同时以 5 0 ． O 0 mL蒸馏水代替水样 ， 其他步骤与 样品测定时的操作相同，记录此回消耗的硫酸亚铁 铵标准溶液体积 。 计算方法 化学需氧量 - v o C 8 0 0 0 ／ 0 2 ，m g ／ L 式中 c l_硫酸亚铁铵标准溶液浓度 ，mo L； 一 水样消耗硫酸亚铁铵标准溶液体积 ，mL ； 憎白消耗硫酸亚铁铵标准溶液体积 ，mL ； 水样的体积，m L。 2 ． 6 实验结果分析 2 ． 6 ． 1 实验结果对比 将两组实验所测得数据整理 ，得表 2 。 表 2 两方案处理结果比较 Ta bl e 2 Compar i s o n of t r e a t me n t r e s ul t s of t wo s c he me s mg ’ L 依据表格可得 出，聚合物絮凝法的 C O D 去除 率可达 9 6 ．2 ％，而活性炭吸附法的 C O D去除率为 95 ． 6％ 。 2 ． 6 ． 2 分析与后续处理 实验表明 ，针对所配钻井液 ，聚合物絮凝方案 净水效果略胜一筹，同时采用聚合物絮凝的方式处 理钻井液 ，可以达到固液分离的效果 ，针对分离开 的液相和 固相可 以分别处理。 对于试验中析出的固体以及胶体物质，由于其 又有物质含量少，可对其进行焚烧，并将剩余残渣 统一 回收处理。 3 结 论 聚合物絮凝方案降低 C O D值效果可达 9 6 ． 2 ％， 污染效果良好，方案简单、经济、易行，可作为泡 沫钻井液废液初步处理方案执行。 方案也含有一定不足，采用此方法处理废水， 其 C O D值不满足直接使用需求， 后续处理还需对此 项进行再清洁；方案并未分析含油层污染废液的净 化效果 ，实际采用时材料用量需进行调整。 参考文献 [ 1] 姚超英． 环境水体污染物中表面活性剂的仪器检测技术[ J ] _ 杭州师 范学院学报 自然科学版 ，2 0 0 7 4 2 7 9 2 8 2 ． [ 2] 王宝辉， 张学佳，纪巍， 等．表面活性剂环境危害性分析[ J 】 ． 化工进展 ， 2 0 0 7 9 1 2 6 3 1 2 6 8 ． [ 3] 张学佳，纪巍，康志军， 等． 水环境中表面活性剂的危害及其处理 方法叨． 石化技术与应用，2 0 0 8 6 5 8 1 5 8 6 ． [ 4]陈萍华， 将华麟 ， 舒红英，等． 有机硅消泡剂的研究及其发展趋势[ J ] ． 江西化工 ，2 0 0 7 3 5 7 ． [ 5] 王瑞芳，马军隆，刘丽华． 有机硅消泡剂 的研究进展『 J 1 ．河南石油， 2 0 0 4 35 9 6 0 ． [ 6] 周炬． 有机硅消泡剂制备研究[D 】 ． 江苏江南大学 ，2 0 0 8 ． [ 7]陈奇强 ， 杜星星， 张鹏． 水处理过程中化学絮凝剂的原理和应用[ J 】 _ 中国化工贸易，2 0 1 2 71 7 2 1 7 3 ． [ 8]李梅 ， 滕红卫 ， 刘军， 等． 高分子量聚丙烯酰胺的合成与应用研究册 齐鲁工业大学学报 ，2 0 1 3 3 8 0 8 4 ． [ 9]徐少华．废水中有机污染综合指标评价与分析研究[ J J． 广西轻工业， 2 0 1 01 01 1 4 1 1 5 ．