第一章 绪论
1.1 引言。
近年来，我国石油化工行业迅速发展，相继建立了许多化工厂和炼油厂。这些化工企业在产生价值的同时也带来了许多环境污染问题，这引起了人们的广泛关注。炼油、化工企业在生产运行的过程中需要用到大量的新鲜水，同时会产生等量废水。但是综合考虑我国水资源短缺、水费上涨和国家要求企业节水减排等情况，我国炼油企业越来越重视炼油污水的处理及回用技术。另一方面，炼油废水的有效处理与回用也对炼油企业实现节能减排、高效利用资源、降低成本、实现可持续发展奠定了坚实基础。因此，为了保护环境、节约水资源我们不得不对这些废水进行深度处理。
1.2 延安石油化工厂污水处理系统概况。
延安石油化工厂是一个石油化工生产企业，其主要生产装置包括：120 万吨/年重整装置、140 万吨/年柴油加氢装置、20 万吨/年抽提装置、60 万吨/年气体分馏装置、12 万吨/年 MTBE 装置、20 万吨/年聚丙烯装置、60 万吨/年液化气脱硫装置、4000 吨/年硫磺回收装置、10 吨/小时酸性水汽提装置、10 吨/小时干气脱硫装置、5000 吨/年碱渣处理装置、3×75 吨/小时流化床锅炉装置、450 吨/小时除盐水装置、300 吨/小时污水处理装置、100 吨/小时凝结水回收装置，以及与之配套的其他公用工程设施。这些石油化工装置在生产加工过程中需要消耗新鲜水，产生并排放废水。除了加工过程中的冷却水和蒸汽凝结水可以循环利用外，其它用水如：工艺注水、油品洗涤水、机泵冷却水、地面冲洗水、消防用水和生活用水会直接或间接的与石化产品接触而受到污染，污水处理场的主要任务就是将全厂各生产装置和生产辅助系统在生产过程中产生的各类污水集中并进行综合处理；另一任务是对含油雨水、消防污水，以及污水处理过程中产生的"三泥"进行处理，最终达到回用或国家排放标准，避免或减轻对环境的污染。
延安石油化工厂污水处理总能力为 400 m3/h,根据污水分流的原则，将污水处理分为高浓度含油污水系列和低浓度含油污水系列分别处理。其中高浓度污水处理系统处理能力为处理能力为 200m3/h,其组成主要包括 MTBE 装置废水、碱渣处理污水、分析化验室排水、循环水排放污水、污泥脱水污水等；低浓度污水处理系统处理能力为 200m3/h,主要组成包括炼油装置的混合冷凝器排水﹑油水分离器排水﹑含油容器的冲洗水﹑地面冲洗水、聚丙烯装置废水、油罐洗灌水、酸性水气提排水等。
由厂区输送来的污水经过平流隔油池、气浮、曝气、沉降、baf等处理措施最终达到净化的目的。
经过处理后的污水水质有明显改善，达到了国家《污水综合排放标准》所要求的（GB8978-1996,1998 年 1 月 1 日之后建设的单位）二类一级的标准，处理效果较好。
但是，该系统在处理废水的过程的同时产生了大量的固体残渣，这些固体残渣呈粘稠状，主要为污水絮凝后所产生的浮渣、隔油池底部沉降的油泥以及污水生化处理过程中所用到的活性污泥。
此种含油污泥组成成分复杂、含水率高、乳化严重、含有固体杂质，而且其性状极其稳定，大多呈乳化状态，这导致其难于脱水[1].由于其难以用普通的沉降、蒸发法进行处理，对周边的环境安全具有很强的危害性。
基于上述原因，延安石油化工厂污水处理系统还配备了一套污泥处理设备，用于处理污水处理过程中所产生的含油污泥。
1.3 污泥的特点及处理技术。
1.3.1 炼油污泥的特点。
一般来说，污水中的污泥总量占污水总体积的 0.2%~0.4%左右[2].所以，随着污水产量的不断增加，其处理过程中所产生的污泥的量也会随之增加。有资料表明，欧美发达国家的污泥产量在过去十年里，以每年 5%~10%的速度增长，美国仅一年所产生的干污泥量就达到 9×106吨以上。截止 2006 年，我国六百余个大中城市中所建成的污水处理厂就达到 791 座，每年共产生的干污泥量在 170 万吨以上，并且以 10%的比率不断增长，预计到 2020 年我国干污泥的年产量可能突破 300 万吨[3].
这些污泥其本身具有较强的酸性或腐蚀性，且成分十分复杂，一般包括：大量芳香类有机物如酚类、多氯联苯、二恶英、蒽、芘等，这些物质有恶臭且大多有毒；无机离子如铜、锌、铬、汞等无机重金属盐；此外，含油污泥还含有大量的病原菌、寄生虫等。
因此，如果不对其进行处理而肆意排放的话，会对周围的土地、水源甚至人类造成极大的伤害[2].所以必须对其进行安全有效的处理[5],以防止污染事故的发生。
1.3.2 含油污泥的处理发展现状及主要处理技术。
1.3.2.1 含油污泥的国外处理现状。
国外环境法规和环境标准较为完善，这使得国外石油化工企业十分重视含油污泥的治理技术。从上世纪 70 年代初开始，国外就开始了含油污泥的处理研究，到了上世纪80 年代，发达国家已经开始普遍应用的污泥处理技术。其中美国、荷兰、丹麦、加拿大等国家在充分研究含油污泥组成、结构及其特性之后，研制出了多种含油污泥处理工艺[9,10].
根据调查显示，国外含油污泥处理工艺主要分为高温裂解、机械脱水和生物处理三大工艺。其具体内容如下：
（1）高温裂解工艺：
该工艺是在无氧的条件下将含油污泥加热到 450℃以上，通过高温使污泥中的有机物进行水解、裂化反应并进行回收。经过该工艺处理后，污泥中的含油率可达到 0.01%,处理效果良好。
（2）机械脱水工艺。
该工艺首先对含油污泥进行调质、分选、筛分、倾析等处理，然后通过离心法将污泥中的油相、水相、固相进行分离。分离后的油相进行回收，水相经处理后循环使用，固相做进一步的深度处理。
（3）生物处理工艺。
该工艺是通过地耕、堆肥和生物反应器等媒介，通过微生物将污泥中的各类有机污染物进行降解，最终转化为无害的二氧化碳和水。
1.3.2.2 含油污泥的国内处理现状。
我国含油污泥处理技术的研究起步较晚，我国含油污泥处理的理论水平及技术水平均与发达国家有一定差距。目前，我国的含油污泥处理主要是以减量化、稳定化、无害化为主。
目前，我国的《国家危险废物目录》《固体废物环境污染防治法》和《国家清洁生产促进法》都对含油污泥的无害化处理进行了要求。因此，含油污泥的各种处理技术已引起国内的高度关注。为了实现含油污泥的彻底处理和资源利用，国内外进行了大量的研究并取得一定进展。我国常用的含油污泥主要处理技术有：调质-机械分离技术、固化处理技术、生物处理技术、焚烧、填埋与干化技术等。其中，填埋与干化处理技术由于会造成二次污染而逐渐被淘汰，目前调质-机械脱水技术、生物处理技术、固化处理技术等技术受到了研究者的广泛的关注[11,12].
由于各种条件限制，国外的许多先进高效的技术不能在我国得到全面的应用。我国只能借鉴其精华，创新出适用于我国现状的污泥处理技术。经过近几年的探索、研究和引进消化使我国的含油污泥处理技术有了相应发展，在降低含油污泥对环境的影响方面发挥了一定作用。实际上，国外油田很早就进行了油泥处理技术的研究，我国也已在各油田推行含油污泥处理技术，积极保护油田环境。由于各油田污泥种类及油田环境的差异，目前各油田采取的处理污泥的措施也不尽相同。然而，国内其它几大油田都存在着起步较晚、缺少大量有效处理含油污泥方法等各种问题。虽然，近年来国内各油田在含油污泥处理技术上发展很快，然而，由于各种技术的不成熟与局限性，含油污泥的处理依然是国内各油田的难题。
1.3.2.3 目前常用的污泥处理技术。
根据脱水方式不同，污泥的处理方法一般可以分为自然干化法、热处理法和机械脱水法[13~21].
a. 自然干化法。
自然干化法是利用水分的自然蒸发和土地渗入的方式来对污泥进行干化的方法。在进行干化处理时，为防止地下水被污染，需要在干化场下面铺设排水管，使渗滤水通过排水管集中排走。排水管下面还须铺设防渗层。污泥自然干化法的脱水效果受蒸发量、气温、湿度等因素的影响。夏天气温高，水分蒸发量大，晾晒周期短。由于污泥晾晒周期一般要十天以上，因此需要较大面积的土地作为晾晒场。这种方法对于气候干燥、有足够土地面积的地区比较适用。另外，当污水处理厂脱水设备出现故障时，自然干化法还可以被用来作为污泥临时处置方法。
采用自然干化法对污泥进行脱水虽然比较简单易行，但对晾晒场地的面积和天气状况有很高的要求，另外，自然干化法还会对环境卫生造成不利影响，对于不同的污泥脱水效果也不同。
b. 热处理法。
（1）热解析。
热解析法是一种常用的无害化处理含油污泥的手段。该方法主要是使含油污泥在无氧的情况下加热到烃类和有机物的解析温度。同时对其进行冷凝，使其中的烃组分重新凝析。同时还可以通过调节氧气和氮气的混合比例，来控制裂解产物的组份成分。热解析法处理的含油污泥可以达到美国 BDAT 所要求的标准；同时，裂解所产生的烃类还可以回收利用。热解析处理含油污泥技术是一种新的含油污泥无害化处理技术，反应条件要求较高，技术工艺和操作较复杂，投资较大，配套工艺相对简单。Retech/Tetral 主要基于高温热解，第一阶段必须使含油污泥尽可能多的脱除水，第二步在旋转窑内加热至500-600℃，同时氮气吹扫，热解气进行油水分离。由于含油污泥的热解析法具有以下优点：设备简单，设备无需耐高温、高压，运行成本低，与焚烧技术相比投资略低，运行成本远远低于焚烧技术，能量回收率高；热解产物以易储藏的液体油的形式回收，固体残渣热值也较高；对环境造成二次污染的可能性较小；处理后污泥中的重金属钝化富集于固体残渣中，处理温度低、不凝气产量小，NOx、SO2、有机氯化物等有害气体产量也较少，气体易处理。
（2）焦化法。
焦化法可以使含油污泥中的重组分进行裂解和缩合反应，是一种热变换过程。
含油污泥中的有机物组成包括：直连烷烃、环烷烃、烯烃、芳香烃、沥青质等组成，且其中重质组分占比重较大。重质油在高温下一般会同时发生裂解反应和缩合反应。这一转化过程在 370℃左右开始，而且反应速率会随着反应时间的增加而加快。在低裂解深度下，原料和焦油中的芳烃是主要的结焦母体；在高裂解深度下，二次反应生成的缩聚物是主要的结焦母体。最终，裂解生成的轻质烃类在合适的温度下被分离出来，而缩聚物被留在反应容器中。张秀霞等人进行了 20%含油污泥与 80%废塑料混合焦化，产品中液体产率要比二者单独焦化时都高，焦化产品中有近 7%的汽油成分，37%的柴油成分，56%的蜡油成分。戴永胜等人对预处理后的含油污泥与炭化添加剂和强度添加剂掺合进行焦化，可以回收原油并制备含碳吸附剂，该吸附剂主要用于回收溢油、含油污水脱油等工业生产中，具有较好的环保和节能作用。
焦化法处理含油污泥时，产生的石油焦和裂解烃都可以作为燃料二次回收利用。在处理工艺过程中，应控制系统、调整系统能力，保证各种控制参数的稳定性，整个工艺过程较复杂，投资较大，该工艺处理后污泥能够达到（土壤环境质量标准Ⅱ级标准）。
（3）焚烧法。
焚烧法只适于产量少的特殊含油污泥的处理，在温度 815~1200℃范围内，将含油污泥直接送入焚烧炉焚烧，去除其含有的矿物油等有机物质，焚烧后的残渣掩埋处理，焚烧过程中产生的烟气，通过除尘、淋洗工艺处理，使其中的粉尘、氮氧化物、硫氧化物等达到排放标准后放空。采用焚烧法处理含油污泥，工艺复杂、投资大、成本高，废水、废气的排放量增加，而且根据我国目前的环保标准，对废气的排放不仅要控制其中污染物的浓度，而且还要控制其排放总量。我国大多数炼油厂都有污泥焚烧装置，如燕山石化公司炼油厂采用的流化床焚烧炉，长岭石油化工厂采用的顺流式回转焚烧炉，在含油污泥处理方面都取得了良好的效果。
焚烧处理法对原料的适应能力较强，废物减量化效果较好，处理彻底，多种有害物几乎全部除去。但焚烧的费用昂贵，同时要消耗助燃剂，为了使燃烧产生的气体达到环保要求，需要采用投资巨大的除尘与气体洗涤设备。用该法进行大规模处理受到限制，目前国外具有成型的设备，但是应用并不是很广泛。
c. 机械脱水法。
机械脱水法是通过机械力的作用将污泥中的水分去除的方法。与自然脱水法相比，机械脱水法脱水效率高、节省空间，不因天气变化而影响脱水效果。但是机械脱水法必须要采购专用的设备，增加污水厂运行能耗。一般常用的脱水设备有下面几种：
（1）真空过滤机。
真空过滤机的工作原理是用真空负压作为推动力来实现固液分离。
（2）带式压滤机。
一般用于污泥脱水的主要是带式压滤机，其工作原理是絮凝调质后的污泥被输送到滤布上通过挤压脱水，脱水后污泥含水率为 70%~85%.
（3）离心分离法。
离心法是利用污泥中固、液两相的密度差，在离心力的作用下，来实现固体与液体的分离。离心式脱水机一般可分为立式离心脱水机和卧式离心脱水机两种，目前在污水处理厂中常用的主要是卧式离心脱水机（卧螺离心机），这种离心机的转速在 2000~4000转/分之间。卧式离心脱水机的工作原理是，当污泥溶液被输入到离心机后，在离心力的作用下，污泥溶液中的固相沉积到转筒的内壁形成泥层，该泥层被螺旋从排泥口推出。
采用离心分离法对污泥进行脱水操作容易，运行费用比前两种方法低，卫生条件好。
目前，一般大中型污水处理厂均采用机械脱水法对污泥进行脱水处理，卧螺离心机和带式压滤机是使用较多的是两类脱水机，近年来这两类脱水设备发展较快。目前我国应用较多的是带式压滤脱水机。与带式脱水机相比，离心式脱水机因其在脱水效果、对环境影响等方面具有明显的优势，在污水处理厂中的普及率逐步提高。
对于污泥脱水，一方面要求降低泥饼的含水率和滤液中残留固体物的含量，另一方面，要求在泥饼含水率达到国家标准的前提下，获得最高的经济效益。
所以评价污泥脱水效果的指标主要有以下三个：
（1）泥饼含水率：指经过过滤后，泥饼中的水分的含量，它是判断脱水效果好坏的最直接的指标。
（2）滤液固含量（mg/L）：指单位体积的滤液中固体物的含量。这个数值直接影响固体回收率的大小。
（3）经济指标：单位污泥的处理成本。
1.4 课题研究背景及意义。
延安石油化工厂污水处理系统处理能力为400t/h,采用"隔油-气浮-A/O生化-BAF曝气"的工艺流程。污水经处理后其水质标准达到国家《污水综合排放标准》所要求标准，效果良好，处理效果较为稳定。
但是，在污水处理过程的同时，该系统每年会产生大约24000m3的含油污泥，其含水率约在97-98%之间。这些含油污泥包括隔油池底泥、浮选池浮渣、污油脱水罐底泥、生化剩余活性污泥等。
为了将这些污泥进行减量化、无害化处置，延安石油化工厂于2013年建设了一套污泥离心脱水装置。该系统将各处污泥混合后进行初步沉降，再通过6台高位污泥沉降罐对污泥进行重力脱水，然后通过污泥进料口进入离心机进行机械离心分离，最后将脱水后的污泥进行收集并统一处理。
其中，离心脱水设备为两台意大利贝亚雷斯公司生产的离心脱水机（以下简称"卧螺离心机"）。最初运行的一年多时间中，离心机处理污泥量5-10m3/h,脱水后污泥的含水率在70%左右，优于设计值85%,分离液澄清，含固率低于0.3%,脱水效果稳定，能够很好的处理污水处理厂运行过程中产生的含油污泥。污泥量由污泥浓缩罐脱水处理后的24000m3/年（含水率97.5%）减少到约14400m3/年，减量化效果明显。既缓解了该厂固废堆积的压力，又具有较好的经济效益、社会效益和环境效益。
但是在随后的运行中我们发现，当系统污泥变为游沉积时间短、含固率低的污泥时，该系统在运行过程中出现了以下问题：
（1）污泥处理效果一般，脱水效率低，减量化效果差，脱水后污泥含水率在 78%-88%左右，大多时候污泥含水率达到了 85%以上，难以满足设计需要；（2）系统运行参数基本接近离心机极限参数（最大转速 3800 转/分、最小速差 5 转/分），这导致运行过程中设备振动剧烈。这种情况下对设备损耗较大，且运行能耗高；（3）离心机处理量小，仅达到3m?/h,不能满足正常生产需求。
为了解决上述离心脱水系统处理含固率较低的含油污泥时出现的运行问题，本课题期望通过对离心脱水工艺及设备进行分析研究，找出问题出现的原因，并进一步找出解决的办法和措施，实现离心机的稳定和高效运行。
1.5 研究目标及技术路线。
1.5.1 研究内容。
论文自开题以来，作者通过查阅和精读文献，并借鉴同行业经验，对照生产运行实际情况，拟从卧螺离心机的工作原理、结构特点以及影响因素出发，重点研究其在延安石油化工厂污泥脱水系统运行中存在的问题，分析原因，提出解决措施。并通过生产实际进行验证。主要的研究内容有：
（1）离心机转鼓转速对含油污泥脱水效果的影响以及调整办法；（2）离心机转鼓和螺旋推进器的差速对含油污泥脱水效果的影响以及优化措施；（3）液环层厚度（调节溢流堰板高度）在含油污泥脱水中的合理调节；（4）工艺参数包括污泥性质、进泥量、加药量等的调整优化对离心机运行控制的综合作用。
1.5.2 技术路线。
本论文研究的技术路线如下：
首先，研究卧螺离心机的操作参数与运行效果之间的关系，同时结合延安石油化工厂污泥脱水系统生产运行问题进行系统的分析。利用该厂日常分析化验的方便，在系统实际运行优化过程中，结合试验，以污泥脱水后的含水率和分离液的含固率为主要参考指标，将可能影响卧螺离心机脱水效果的影响因素进行单因素的分析和调整，寻求卧螺离心机在含油污泥脱水运行中的最佳转速、差速、液环层厚度以及处理负荷、絮凝剂投加量等参数的最佳运行值。离心机运行的主要性能指标的计算方式为：
（1）脱水后污泥的含水=（脱水后污泥量-脱水后污泥的固体含量）脱水后污泥量×100%（2）分离液的含固率=分离液中固体含量+分离液总量×100%本课题研究成功，将对存在类似问题含油污泥处理装置提供成熟经验。
