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油田水处理混凝投药检测与控制技术应用现状

发布:多吉利        来源:www.duojili.cn  

油田水处理混凝投药检测与控制技术应用现状

在石油的开发生产过程中,不仅需要使用大量洁净水,还会产生大量的废水,例如大庆油田采出油的含水率达90%以上,每年产生的含油污水达数亿吨。对含有污水的处理以及回用不仅可以节约宝贵的水资源,而且可以解决水污染的问题。给水和污水处理工艺多采用物化处理方法,为了保证净化水质,要投加多种药剂。在水处理过程中,混凝是一个极其重要的环节,其效果决定着后续工艺流程的运行工况和最终出水的水质。混凝是水中胶体粒子以及微小悬浮物等杂质的聚集过程。混凝法广泛用于饮用水及各种工业用水(如造纸、钢铁、纺织、煤炭、选矿、石油、化工、食品等工业废水)的预处理、中间处理或最终处理过程中,用于除去水中悬浮物和胶体等杂质。

混凝剂可以有效地去除水中的原油和悬浮物等杂质。良好的混凝效果主要取决于混凝剂投加量的准确与否,因此,根据水质、水量的变化,及时、准确调节加药量对水处理过程尤为重要。由于混凝的影响因素众多,很难准确有效地控制加药量。一般检测和控制方法多是根据水量或悬浮物含量等少数表观水质参数确定。

水处理中的混凝现象比较复杂,无论是准确地确定混凝剂投加量还是及时地控制投药量都是比较困难的事情,这一直是油田水处理领域的一个技术难题。

从20世纪80年代起,水厂在混凝剂投加自动化研究与应用方面都取得了很大的进步。尤其是传感器与投加设备发展以及计算机技术的应用,使水厂的自动化程度普遍得到提高。对于某一特定的水处理工艺来说,水处理构筑物的形式及其性能已经确定。混凝过程的控制通常是及时调整混凝剂的投加量,以适应原水水质、水量、混凝剂本身效能等的变化。在水处理过程中及时准确地调节混凝剂投加量,既是为了保证水处理效果,也是为了降低混凝剂消耗量。在水处理成本构成中,混凝剂的费用是仅次于电费而构成制水成本的第二大因素。因此,在保证水处理效果的前提下,节约混凝剂的消耗量是降低净水成本的重要措施,具有显著的经济效益。但就目前情况看,有些传统的方法仍需广泛使用。

1 模拟法

模拟法是通过一定的试验手段或者试验装置来近似地模拟生产过程中的水处理工艺,对试验结果进行分析后得出混凝剂投加量和原水水质之间的关系。实际使用的有烧杯搅拌试验法、斜管沉淀模型法、模拟试验过滤器法等。

1.1 混凝杯罐试验

由于影响混凝过程的因素极其复杂,混凝过程的具体效果只能靠实验获取。混凝杯罐试验的基本设备包括混凝过程所需搅拌作用的搅拌器和盛水样的烧杯或玻璃罐。由于杯罐试验能够模拟生产中的混凝过程,在设备和操作很简单的条件下,能够反映出混凝过程中许多因素间错综复杂关系,常常作为评价混凝剂投加量的辅助手段,与经验法、目测法配合使用。在评价混凝剂性能、混凝剂品种的筛选、混凝条件的选择、确定混凝效果等方面,杯罐试验仍然是一种很有效的手段。所以一直是用来研究或检测混凝过程的最主要的方法之一。以杯罐试验来确定混凝剂的投加量还存在不连续性和滞后性的问题,结果只能代表瞬间的取样水质。

1.2 斜管沉淀模型法

在反应罐末端放一组模拟沉淀罐,根据斜管出水浊度与浊度目标值对比,自动调整混凝剂投加量。因为测定的是实际生产工艺絮凝池出水,故水质模拟关系较好。该方式只要几分种的时间即可预测沉降罐出水浊度。系统主要设备为浊度仪和沉淀罐,设备和投资相对较少,维护管理相对方便。如水质变化缓慢,能适应滞后时间,且模型和实际生产池相关性很好时,采用该方式是相当经济的。

1.3 沉淀速度法

对低浓度悬浮液,絮凝体多为自由沉淀,而对浓悬浮液,可形成“成层沉淀”,沉降固体和上清液有明显的边界,可简单地测定此界面的沉降速度,并可作为评价混凝效果的标准。

1.4 沉降的絮凝体体积法

测定沉淀后絮凝体的体积,能得到混凝程度的信息;该方法仅适用于相当浓的悬浮液,使得其产生可测定的沉淀物体积,并能得到絮凝体性质的定量信息。

1.5 模拟滤池法

模拟滤池法是一种确定混凝剂投加剂量的方法,多用于给水处理或含油污水深度中。如果水的悬浮固体含量较低,则可使用此法。在混凝剂投放水样并经快速搅拌后立即使水样通过模拟滤池过滤,如果过滤水能符合水质要求,则投加的混凝剂即为最佳剂量。模拟滤池法仅适用于水质较稳定的情况。过滤法的主要有两个优点, ①能连续测定,水样可不断流过模拟滤池,可立即判断混凝剂量是否最佳。②是测定时间较短,一般可在原水进厂后10~15min内完成。这两个优点使其能被应用于含油污水处理混凝剂投加的自动控制系统。

1.6 过滤速度法

当悬浮液用孔隙小于颗粒粒径的介质进行过滤时,形成不断增厚的滤饼,使滤液流动阻力增加,滤速随时间不断下降。滤饼的渗透率很大程度上取决于颗粒粒径,较小颗粒有较大的阻力。当形成絮凝体时,有效颗粒粒径增加,滤饼孔隙增大,导致阻力的显著降低。

2 特性参数法

水处理中所使用的混凝剂通常属于电解质类物质,可以和胶体颗粒表面的电荷发生电中和压缩胶体的双电层,从而使胶体颗粒脱稳凝聚。胶体颗粒的脱稳程度可以通过诸如ζ电位、胶体表面电荷数量、流动电流等特性参数反映出来,可以建立起特性参数和混凝剂投加量之间的关系。根据这种相关性便可以通过检测特性参数来确定和控制混凝剂投加量。典型的胶体电荷法可以分为ζ电位法、胶体滴定法和流动电流法。

2.1 ζ电位法

在胶体系统中,加入电解质可降低ζ电位,胶体之间的斥力会减小,在分子运动和搅拌力的作用下胶体就会凝聚,进而发生絮凝。在水处理过程中,一般是用添加铝盐、铁盐以及阳离子聚合电解质等混凝剂形成的带正电荷的离子或者络合物来降低胶体的ζ电位。

2.2 胶体滴定法

这种方法是基于正负电荷的中和作用,被用来估计混凝剂的最佳投加剂量,但目前在水和废水处理中的应用还很少见。水中胶粒一般带负电荷,在胶体溶液中投入过量的阳离子型聚电解质,使胶粒的表面负电荷完全被中和,然后再用阴离子型聚电解质反滴过量的阳离子型聚电解质,其正负电荷完全中和时的终点用指标剂显示,即可得知胶体表面负电荷的数量。

2.3 流动电流检测法

该技术是利用固液相界面上由于固体表面物质的离解或对溶液中离子的吸附,使附近液相中形成反电荷离子的不均匀分布,从而构成固体界面的双电层结构。在外力作用下,液体相对于固体表面流动而产生电场的现象。流动电流与ζ电位有良好的相关性,可以用流动电流来确定并控制投药量的多少。这种方法可实现对混凝投药过程的连续自动控制。流动电流检测的应用关键在于实现了对水中胶体电荷的在线连续检测。

流动电流检测技术已在国内外得到多方面进行研究和广泛的应用,成为水处理混凝投药控制的主导技术之一。流动电流投药控制系统能根据原水水质变化情况自动调节投药量,该系统具有技术参数少、参数容易调整、使用方便、投资少等特点。但该方法仅能用于电中和是主要脱稳机理的情况。对含有复杂杂质的污水或工业废水等水质,该技术就很难应用。

3 絮凝体颗粒检测法

如果对混凝过程中絮凝体形态的变化情况进行自动连续地分析,从大量的数据当中就能较快地得到反映混凝效能的统计信息,这类似于人工目测法中的经验积累过程;进一步分析絮凝体聚集变化规律和混凝剂投加量之间的联系,就能根据实时检测到的絮凝体信息来对投药量进行自动控制,这类似于人工经验控制。絮凝体颗粒特征参数法是一类投药量控制方法,不同的控制方法之间的区别在于所检测的絮凝体颗粒的特征参数不同。几种主要的检测方法常用来测定混凝过程中颗粒粒径的变化情况,提供有价值的信息。

3.1 人工经验目测法

有经验的水厂操作人员可以通过观察反应后絮凝体的形态来判断沉淀池出水浊度,控制混凝剂的投加量。该方法主要依靠操作人员的经验和责任心,控制效果因人而异,具有较大的随意性,控制效果无法得到保证。

3.2 显微摄影法

该方法是基于显微摄影法的显示式絮凝投药控制系统可以根据原水水质情况自动调节混凝剂投加量,其安装一个摄像头摄取水中絮凝体图像,图像信号输入计算机,通过运算后计算机输出信号,控制混凝剂投加量,实现混凝剂投加量的自动控制。显微摄影技术的应用不成熟,有待改进和发展,但是它可以用来直观地观察絮凝体状态,并能获得絮凝体的等效直径、总颗粒数、颗粒粒径及其分布等定量化信息,在分析混凝过程中絮凝体特性方面有应用价值。

3.3 透光率脉动检测技术

该技术是一种光电检测技术,利用悬浮液中的颗粒组成随机变化引起透光强度的脉动现象的特性,来分析和检测悬浮液中颗粒絮凝和颗粒粒径变化情况。其检测值仅与颗粒浓度和光散射特性以及检测仪器的构造有关,避免了许多光学仪器存在的因电子漂移和检测器表面粘污对检测结果的影响,这是该检测方法区别于其他检测方法的一种特性,因而可用于含油污水等特种污水的处理。另外,由于该检测方法具有流过式检测特点,因此可用于连续在线检测及过程控制过程中。

4 数学模型法

影响混凝剂投加量的因素有很多,在深入研究混凝剂投加量规律与生产净化工艺的基础上,建立起原水水质、水量等参数和投药量之间的相关函数,由此可得到混凝剂最优投加量的自动控制数学模型。根据该模型,采用数理统计方法,便可推导出最优投加量的控制模式。

数学模型中的参数是根据烧杯搅拌试验结果或者通过水厂多年的运行资料统计分析获得。将计算机运用于投药控制,无疑提高了水厂运行的可靠性和管理水平。基于数学模型法的计算机自动投药控制系统具有显著的技术和经济效益。数学模型法则需建立经验模型,需长时间的积累数据资料,初步的模型需逐步修正和完善,且受多种因素影响,适应性差;同时涉及的仪表多,操作、维护复杂、投资大,人员素质要求高等。国外条件较完善,利用数学模型法或其他类似方法实现自动控制运行的水厂较多,但国内则很少。

5 各种检测方法的评述

前面介绍的检测方法中,大多数检测方法都是利用原水混凝前后的某些特性的改变,间接地测定或模拟原水的混凝程度。一些检测和控制方法大都存在某些局限性,或过于复杂而影响其应用。有些方法是根据混凝过程中颗粒和絮凝体的物理化学性质、絮凝体本身性质等间接地测定混凝状态,从某些侧面反映混凝过程。由于这些间接性质受到的影响因素很多,且仅能反映混凝过程的某些特性,不能完全准确地反映真实的混凝状态。

絮凝体颗粒粒径的变化情况可以有效地反映混凝程度。以上介绍的多种颗粒检测方法各有特点,但也存在许多限制,如需预处理,条件要求较严格,装置较复杂等,这样的测定通常相当耗费时间,也不能连续在线检测。另一方面,在许多实际应用中,对絮凝体的形成或状态进行总体测定和评述就能满足要求,而不需详细的粒径分布和粒径大小数据,因此最近发展出一些快速的、可直接确定混凝状态、可连续在线检测的方法,例如透光率脉动检测技术等。

6 油田含油污水混凝投药控制技术应用

油田含油污水处理工艺流程的混凝检测及过程控制技术的应用还很不完善,一般多采用人工投药,或者根据水量或悬浮物含量等少数表观水质参数确定,技术水平低,控制精度差。采用较先进的检测技术和控制方法,可以大幅度提高混凝过程的效果,改善水质,节省药剂,提高管理水平。下面仅以透光率脉动检测技术为例,简要说明其系统组成及应用情况。

透光率脉动检测技术自动投药系统应用于含油污水混凝投药控制中,可对整个混凝过程进行连续在线检测,有效地解决了传感器污染的问题,并且该技术可直接测定絮凝体颗粒相对粒径及数量,能灵敏地反映出加药后的混凝程度。该方法只需检测混凝程度一个控制性因子就能实现投药量的自动控制,是含油污水混凝投药自控技术的一个进步。

该控制系统由传感器、智能测控仪和执行机构(变频调速装置、投药计量泵等)组成,它们构成一个单回路反馈控制系统。传感器检测到的有效信号传输至控制器,经过处理和运算后与设定值比较,得出控制器输出标准信号执行机构,改变计量泵电机工作频率,控制投药量。投药后的含油污水经过混合反应后再经传感器检测,整个系统构成了一个反馈闭合回路。当原水的某个参数(如流量、悬浮固体等)发生变化时,混凝程度也随之发生变化,检测值也会变化,偏离设定值,控制器通过变频调速器控制加药计量泵改变投药量。

运行结果表明,透光率检测脉动检测技术对水质变化和流量变化等有良好的调节性能。将该技术用于油田含油污水混凝投药的检测和控制,仅检测一个参数就可反映混凝程度,使控制过程大大简化,成本显著降低。

7 结论

混凝是油田水处理中非常重要的工艺过程,决定着后续工艺流程的运行工况和最终出水的水质,及时、准确调节加药量对水处理过程尤为重要。但混凝剂的投加、检测与控制一直是尚待解决的技术问题。用于油田水处理的混凝检测和控制方法有多种,但在应用方面仍存在一些检测或控制等技术问题。这些方法有的适用于基本参数和实验室的分析,有的更适合水处理工艺的过程检测和控制;有些仅可以应用于给水处理工艺,有些则适用于各种水质处理工艺,因此选择适宜的混凝检测和控制技术是极其关键的。

透光率脉动检测技术是一种新的在线混凝检测与控制方法,其可灵敏地反映出加药后的混凝程度。仅用一个参数值反应混凝程度,而且检测不受电子漂移和检测器表面粘污的影响,使操作过程简化。研究和应用结果均表明,其对水质、水量等指标变化具有良好的调节和控制特性,是一种具有良好应用前景的含油污水混凝检测与控制技术。

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