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经 验 交 流 稠油废水回用热采锅炉除硅试验研究 ＊ 裘 湛 黄翔峰 闻 岳 古 励 章非娟 同济大学环境科学与工程学院, 上海 200092 摘要 以红浅稠油区稠油废水为研究对象, 在高温条件下 70 ℃以上, 选用常规钙镁除硅工艺和混凝强化除硅工艺 进行了除硅的试验研究。 结果表明, 经过两种工艺的处理 , 出水二氧化硅的含量均能达到回用热采锅炉的标准, 但采 用混凝强化工艺在技术上更为合理, 经济上更为可行。 关键词 稠油废水 热采锅炉 回用 除硅 ＊上海市科委西部开发科技合作资助项目 032358059 1 引言 稠油废水是热力开采稠油过程中对采出液进行 油水分离后排出的废水 。红浅稠油区稠油废水具有 水温高 70 ℃以上 、 悬浮物含量高 、 有机物含量高等 特点 ,对环境的污染十分严重 。将该废水处理后回用 热采锅炉不仅解决了排放污染的问题, 而且可以节约 大量能源和水资源, 对于实现油田的可持续发展具有 很重要的意义。 目前 ,稠油废水再生后回用热采锅炉常采用物化 处理方法 ,包括混凝 、 除硅 、 过滤、 离子交换等工艺 ,以 达到去除油类、悬浮物、 硅和硬度的要求 [ 1,2] 。本研究 着重研究了对稠油废水中硅的去除 。稠油集输及注 蒸汽系统设计规范 SY0027- 94 对热采锅炉给水水 质标准的规定中要求进水 SiO2≤50 mg L , 而红浅稠 油区稠油废水中 SiO2含量在 100 mg L 左右, 因此必 须采取有效的方法将其去除。在前期稠油废水混凝 试验研究中发现 ,混凝剂的投加在去除油类 、 悬浮物 的同时对二氧化硅也有一定的去除效果 ,因此在本研 究中以新疆油田红浅稠油区稠油废水为研究对象 ,进 行了常规化学除硅 [ 3] 和混凝强化除硅的试验研究 ,并 对2 种工艺进行了技术经济比较 。 2 试验部分 2. 1 原水水质 新疆油田红浅稠油区稠油废水水质如表 1 所示, 水温为75 ℃。 表 1 红浅稠油区稠油废水水质mg L pH 除外 SiO2pH值 总硬度 以CaCO3计 总碱度 以 CaCO3计 油SS 1088. 759. 00325 . 331 022. 301 912 2. 2 化学除硅试验方案 化学除硅试验采用的水样为红浅稠油区稠油废 水经混凝工艺处理后的出水。经混凝剂筛选和正交 试验, 确定混凝工艺参数为 混凝剂种类为聚合氯化 铝,投加量为 225 mg L 以硫酸铝计 ,PAM 投加量为 6 mg L。混凝出水水质如表 2 所示 。混凝工艺对油 和SS 的去除效率十分明显。仅考虑去除油和 SS, 进 一步提高混凝剂的投药量已无明显效果 。混凝过程 还对 SiO2有约 21的去除率。 表 2 混凝工艺出水水质mg L pH 除外 SiO2pH值 总硬度 以CaCO3计 总碱度 以 CaCO3计 油SS 857. 5924. 20566 . 2010. 625 化学除硅试验取 500 mL 上述混凝出水装于烧杯 中,试验水温为 70 ℃ 考虑混凝工艺有热量损失 ,分 别投加钙剂和镁剂搅拌 150 r min1 h 后, 静置 30 min, 取上清液进行水质指标测定。 2. 3 混凝强化除硅试验方案 混凝强化除硅试验采用水样为红浅稠油区稠油 废水 ,其水质如表 1所示。在前期混凝工艺研究的基 础上经过初步试验筛选,参照 L9 3 4 正交试验表安排 试验 [ 4] , 选择了聚合氯化铝 、 PAM 和氢氧化钙为试验 研究因素并确定了相应的试验水平 ,试验中采用的正 交试验因素水平表如表 3所示。试验中取 500 mL 水 样装于烧杯中, 试验水温为 75 ℃,加入不同剂量的聚 合氯化铝、氢氧化钙和 PAM , 充分搅拌后取上清液测 定水质指标 。 83 环 境 工 程 2005年 8 月第23 卷第4 期 表 3 混凝强化除硅正交试验因素水平表 mg L 水平 因 素 聚合氯化铝投加量 以硫酸铝计 Ca OH 2 投加量 PAM 投加量 13002503 24005006 35007509 3 试验结果与讨论 3. 1 化学除硅试验结果与讨论 3. 1. 1 钙剂除硅试验结果 [ 5] 向500 mL 的水样中投加不同质量的氢氧化钙, 在水温70 ℃ 下 ,反应1 h 后观察二氧化硅剩余浓度、 pH 、 硬度和碱度与氢氧化钙投加量的关系 ,试验结果 如图 1、 2 所示 。 图1 氢氧化钙投加量对除硅效果和pH的影响 图 2 氢氧化钙投加量对硬度和碱度的影响 从图 1中看出氢氧化钙的投加量对除硅效果有 着重要的影响。氢氧化钙的投加量低于 750 mg L 时 对 SiO2的去 除 效 果 并 不 明 显 , 当 投 加 量 达 到 1 000 mg L时 ,出水SiO2含量大幅度降低至 49 mg L, 已能满足标准 SY0027-94 中的要求 ≤50 mg L , 氢 氧化钙投加量达到1 200 mg L 后, 出水中SiO2含量降 至20 mg L左右 ,当氢氧化钙投加量达1 600 mg L 时, 出水 SiO2含量降至 3 mg L。 试验数据表明当 m[Ca OH2]∶ m[ SiO 2- 3] 7 质 量比后 , 出 水 SiO2含 量 有 明 显 的 下 降 , 当 m[Ca OH2]∶ m[SiO 2- 3] 达到 10左右时, 出水 SiO2含 量即可达到 ≤ 50 mg L 的水平。 试验中还发现 ,随着氢氧化钙投加量的增加, 出 水pH 值不断升高 。当投加量达到 750 mg L 时 ,出水 pH 值已经达到 12, 超出标准 SY0027 -94 中的要求 7. 5～ 11 。 由图 2 可知 ,当氢氧化钙投加量 氢 氧化钙投加量 PAM 投加量 。亦即 聚铝投加量对 水中硅的去除影响最大, 其次是氢氧化钙投加量, 影 响最小的是PAM 投加量。 从提高除硅效果考虑 ,试验所得出的最佳操作条 件为 聚铝投加量为500 mg L , 氢氧化钙投加量为 500 mg L ,PAM 投加量为 6 mg L 。 从上述数据可以看出 ,在常规混凝工艺的基础上 加大混凝剂投加量并投加少量氢氧化钙后不但可以 提高除硅的效果 ,还同时达到了除油、除悬浮物的效 果,此外还降低了出水的硬度, 减轻了后续离子交换 工艺的负荷。 3. 3 技术经济分析 3. 3. 1 技术路线分析 根据采用的除硅工艺不同 ,针对红浅稠油区稠油 废水处理再生后回用热采锅炉可采用如下两条工艺 路线, 分别为 路线一 来水 ※混凝 ※化学法除硅 ※ 过滤 ※ 离子交换 ※回用锅炉。路线二 来水 ※混凝 强化 ※ 过滤※ 离子交换※回用锅炉 。 在经路线一和路线二处理后, 进入离子交换工艺 前的水质如表 5 所示。 表 5 出水水质比较mg L pH 除外 工艺SiO2pH 值 总硬度 以CaCO3计 总碱度 以 CaCO3计 油SS 路线一439 . 8835191822. 1 路线二349 . 1430. 4746522 从表 5 中可以看出, 投加钙剂 、 镁剂和混凝强化 工艺都可以使出水中的 SiO2达到 50 mg L 的要求, 但投加氢氧化钙和氧化镁后,出水的硬度、碱度和 pH 值都有较大幅度的上升, 尤其是硬度, 远大于混凝强 化工艺的出水硬度。而混凝强化处理单元将除油 、 除 悬浮物和除硅同步实现 , 简化了处理流程。此外, 与 单纯使用钙剂除硅相比, 混凝强化除硅在降低了氢氧 化钙投加量的同时还降低了出水的硬度 ,有利于减轻 后续离子交换工艺的处理负荷 。 3. 3. 2 经济性分析 两条技术路线运行药剂费用比较见表 6。其中 聚合氯化铝 10Al2O3 的价格为 700 元 t ; 石灰价 格 300 元 t ; PAM 价格为 18 000元 t ; 工业氧化镁 价格 1 000元 t ; 离子交换阶段采用大孔弱酸阳离子 交换树脂D113,再生剂采用工业用NaCl ,价格127元 t , 试验中仅考虑再生剂费用 。 下转第 88 页 85 环 境 工 程 2005年 8 月第23 卷第4 期 图 4 下型腔加工模拟 模型对悬浮填料的选材 、 结构设计、回收处理 3 个环 节进行以环境影响为目标的优化, 达到设计出来的悬 浮填料在生产过程中环境污染小及废弃后能有效地 回收再利用 。并采用融合几何结构 、塑胶流动分析、 模具设计 、模具加工工艺等的 CAD CAM CAE CAPP 一体化设计平台进行悬浮填料设计实践 ,减少产品试 制这一中间环节 ,实现产品设计一次合格 ,降低产品 设计成本, 减少环境污染 。进一步完善绿色设计技 术,在设计中全面考虑原材料的选取到产品失效报废 整个过程的环境影响 ,并将这一技术应用到水环境材 料和水环境装备的开发设计中是下一步研究重点 。 参考文献 1 Don Fullerton,Wenbo Wu. Policies for green design. Journal of environment economics and management ,1998. 36 6 131～ 148. 2 J. Y. Zhu, A. Deshmukh. Application of Baesian decision networks to life cycle engineeringin greendesignandmanufacturing.Engineering applications of artificial intelligence , 2003. 16 91～ 103. 3 栾忠权. 绿色设计的策略及方法. 北京机械工业学院学报, 2002. 17 3 51～ 58. 4 R. Bello- Mendoza, M . F. Castillo-Rivera . Start -up of an Anaerobic Hybrid UASB Filter Reactor Treating Wastewater from a Coffee Processing Plant. Anaerobe Environment Micorbiology ,1998. 4 219～ 225. 5 刘惟信. 机械最优化设计. 北京 清华大学出版社, 1994. 9. 6 景旭文, 赵良才, 易红. 产品动态全息概念设计模型的研究. 华东船 舶工业学院学报,2002. 16 5 61～ 66. 7 Holdsworth, David A, Reid lain M . An investigation of biases in the full correlation analysis technique. Advances in Space Research, 1997. 20 6 1269～ 1272. 8 汤宏群, 苏广才. MoldFlow 在注塑成型中的应用. 广西大学学报, 2003. 28 6 61～ 63. 作者通讯处 江帆 510640 华南理工大学机械工程学院 2003 级博 士班 电话 13802806152 2004- 12-24 收稿 上接第 85页 表 6 路线一、二经济运行费用比较元 m3 混凝阶段氧化镁除硅离子交换合 计 路线一0. 5240. 42. 603. 524 路线二1. 2440. 231. 474 从表 6可以看出,由于混凝强化工艺使出水硬度 得到降低,减轻了离子交换处理单元的运行负荷,使得 该路线在离子交换处理单元的运行费用上低于路线 一。其整体运行费用较路线一相比具有明显的优势。 4 结论 投加钙剂、镁剂的除硅工艺和混凝强化除硅工艺 在技术上都是可行的 ,其出水 SiO2含量均可达到稠 油集输及注蒸汽系统设计规范 SY0027-94 对热采 锅炉给水水质的要求 。但是, 混凝强化处理单元将除 油、 除悬浮物和除硅同步实现 ,简化了处理流程,使得 工艺路线二在技术上要优于采用投加钙剂、 镁剂除硅 的工艺路线一。此外 ,在混凝强化处理单元中投加低 剂量的氢氧化钙后 ,出水硬度得到降低 , 减轻了后续 离子交换处理单元的工作负荷 ,使得工艺路线二在离 子交换处理单元的运行费用上低于工艺路线一。其 整体运行费用与工艺路线一相比具有明显的优势。 综合技术经济比较, 推荐采用混凝强化作为红浅稠油 区稠油废水回用热采锅炉处理工艺中的除硅技术 。 参考文献 1 闻岳, 章非娟, 余志荣. 稠油废水处理再生后回用于热采锅炉的研 究. 给水排水, 2004. 30 1 43～ 45. 2 邵磊, 宋存义, 卢寿慈. 工业锅炉中硅化合物的危害及其处理方法. 锅炉压力容器安全技术,1999. 5 23～ 26. 3 雷乐成, 杨岳平, 汪大, 李伟. 污水回用新技术及工程设计. 北京 化学工业出版社,2002. 4 章非娟, 张玉先,俞庭康. 水污染控制工程试验. 北京 高等教育出 版社, 1988. 5 金若菲, 王栋, 周集体, 滕丽曼, 姜苏. 混凝法处理含硅酸盐废水的 实验研究. 工业水处理,2003. 23 1 42～ 44. 作者通讯处 裘湛 200092 上海市四平路 1239 号 同济大学 0304 号信箱 电话 021 65985866 H E -mail uasbegsbyahoo. com. cn 2004- 09-21 收稿 88 环 境 工 程 2005年 8 月第23 卷第4 期 systematical discharging and unsystmatically flying dust. At last, the measures of integrated control of air pollution is put forward which aimed at environmental problems. Keywords energy heavy industry area, atmospheric environmental capacity , atmospheric environmental management and Longmen STUDY ON SILICON REMOVAL IN HEAVY OIL WASTEWATER RECOVERY FOR THERMAL BOILERSQiu Zhan et al 83 Abstract The heavy oil wastewater from Hongqian oilfield was treated by a conventional technology using compounds of calcium or magnesium and enhanced coagulation to remove silicon at high temperature above 70 ℃. The results showed thatsilicon dioxide in the treated effluent from the two processes can both meet the requirement of feed water quality for thermal boilers, but enhanced coaglation process was more feasible than other processes in terms of economical efficiency analysis. Keywords heavy oil wastewater, thermal boilers, reuse and silicon removal GREENDESIGN OF SUSPENDED PACKING FOR TREATING WATER ENVIRONMENT Jiang Fan et al 86 Abstract In this paper, the green design and optimizaiton design are integrated, and it is applied to designing of suspended packing. The optimization model of suspended packing based on green design is established, so it satisfied an aim of its physics and environment. A new development plat including function, structure, machinability, working status analysis, technology, and so on, is applied to designing of suspended packing, which realizes integration of CAD, CAM, CAE, and CAPP. This design reduces the pollution and waste, because it removed the trial-manufacture after product design. Keywords green design, suspended packing, optimization model, environment influence and integration of CAD, CAM, CAE, and CAPP A FULL-SCALE STUDY ON PHOSPHORUS REMOVAL FROM BIOLOGICAL A O PROCESS ENHANCED BY ZEOLITEWu Zhichao et al 89 Abstract In a full-scale test, nitrate of returning mixed -flow from aerobic tank is increased as zeolite enhances biological nitrification, it restrains poly -phosphate organisms to release phosphorus andmakes A O nitrogen removal process little effect of phosphorus removal. A O nitrogen removal processwants chemical phosphorus removal. Aluminum sulfate and ferrous sulfate have a good effect of phosphorus removal, and the effect is nothing to do with the position of throwing chemical flocculant. After throwing in Al2 SO4318H2O with TP∶ Al mol1∶ 1. 5, the rate of phosphorus removal ismore than 85. After throwing in FeSO47H2O with TP∶ Fe mol1∶ 1, the rate of phosphorus removal is more than 80. And after throwing in 30 mg L Al2 SO4318H2O and 20mg L FeSO47H2O in a tank, the rate of phosphorus removal is about 90. Keywords chemical phosphorus removal, A O nitrogen removal process, zeolite and pilot scale test STUDY ON FLOW NON -UNI DISTRIBUTION OF RISING TUBES FOR CONSTANT- SECTION DIFFUSERHuang Juwen et al 92 Abstract The specical environemntal condition of Bailong Gang Outfall of Shanghai Sewage Projectphase -Ⅱ the largest sewage project in China so far is presented. Through physical model experiments, the T -junction and nozzle s effect on coefficient of spray nozzles was studied. The test results show that by controlling the T -junction and riser tube s resistance coefficients, the unbalanced riser flow distribution has been achieved. Keywords rising tube, spray nozzle, resistance coefficient, model test and flow distribution INFLUENCE ON PHOSPHOR REMOVAL AND IMPROVEMENT ON TRIPLE OXIDATION DITCH SYSTEMYang Weihua et al 96 Abstract In order to know why the triple oxidation ditch system has so low phosphor removal efficiency, a full -scale experiment on triple oxidation ditch in Handan is carried out. When the side ditch is in denitrification, the environment is not strict anaerobic and the style of discharging sludge in middle ditch is unsuitable to phosphor removal. The time of sendimentation is too long to keep the phosphor in activated sludge and the return of supernatant of sludge thickener is also disadvantage to phosphor removal. All of these are effects on phosphor removal in triple oxidation ditch system. We change the style of discharging sludge from middle ditch to side ditch and put forward a new manner of nitrogen and phosphor removal as improvement. Keywords triple oxidation ditch, biodephosphoration and eutrophication Sponsor Central Research Institute of Building and Construction of MCC Group Publisher Industrial Construction Magazine Agency Editor The Editorial Department of Environmental Engineering 33, Xitucheng Road, Haidian District , Beijing 100088, China Telephone 01082227637、82227638 Fax 01082227637 Chief EditorWeng Zhongying Domestic All Local Posts DistributorChina International Book Trading Corporation P . O. Box 399, Beijing China Journalistic Code ISSN1000-8942 CN11-2097 X E-mail Addresshjgc mail . yj. cn. net hjgc hjgc. com. cn WWW Addresshttp www. hjgc. com. cn 6 ENVIRONMENTAL ENGINEERING Vol. 23,No. 4, Aug . , 2005