含油污泥阴燃处理技术研究与进展
主要内容：含油污泥是石油石化行业的主要污染物之一，不仅会造成环境破坏，而且会带来资源浪费。目前，处理含油污泥的传统方法主要有固液分离法、化学破乳法、溶剂萃取法、热洗涤法、生物处理法以及焚烧法等，这些方法能在一定程度上降低含油污泥的含油率，但存在处理成本相对较高、工艺较为复杂、流程相对较长等问题。阴燃处理法是国际上一种新兴处理技术，能够较好地弥补上述传统处理方法的不足。从阴燃的研究历史、工作原理、数值分析、研究进展及工程应用等方面开展了系统说明，分析了该技术目前存在的主要问题，并指出了该技术的研究方向。
关键词：含油污泥；阴燃；研究进展
引言
在原油开采、油田集输及污水处理过程中往往会产生大量的含油污泥。据统计，我国每年产生的含油污泥总量达500余万吨，且随着大多数油田的深度开采，含油污泥的产量还将继续增加。污泥若不经处理就直接外排，不仅会造成土地资源的浪费，而且其含有的毒害物质还会对水、土壤和空气造成污染；直接用于回注和在污水处理系统循环时，会造成注水水质下降和污水处理系统的运行条件恶化，对生产造成不可预计的损失。因此，对含油污泥进行合理的处置十分必要。阴燃处理法是近年来国外的一种含油污泥处理新技术。与其他方法相比，具有流程简单、操作简便、处理迅速、处理成本低等优点，适用于煤焦油、杂酚油、石油碳氢化合物、有机溶剂等污染物的有效处理。针对含油污泥处理技术进行了系统阐述，并对阴燃技术的原理、分类、数值研究、工程应用等方面开展了重点说明，指出了该技术的问题及未来发展方向。
1含油污泥及其常用处理方法概述
含油污泥主要由水、油、泥土和其他杂质组成。因开采工艺和成因的不同，含油污泥种类繁多。按照成因，含油污泥主要分为三类：因在生产、运输等过程中落到泥土中形成的落地油泥；在石油储存时残留在储罐里的罐底油泥；炼油厂在炼制石油时产生的含油污泥。
含油污泥常用处理方法主要有固液分离法、化学破乳法、溶剂萃取法、热洗涤法、生物处理法及焚烧法等。固液分离法是我国最早采用的含油污泥处理方法，主要是通过静置含油污泥，利用密度差实现泥土或固体杂质的沉淀，将表面原油抽出再利用。有时为了提高分离效果，可以添加化学絮凝剂，采用旋流分离器、螺旋离心机、压滤机等设备对其进行固液分离，该方法工艺简单，但存在占地面积大、容易产生二次污染（废水、废渣）、油回收不彻底等缺点。
此外，含油污泥产生原因多样，性质各不相同，限制了该处理方法在油田的全面使用，而且提高固体回收率和减少泥饼含水率也影响着其处理成本。化学破乳回收法主要是通过加入破乳剂，使含油污泥充分破乳，经热洗后降低其黏度，再进行机械分离，实现油-水-泥三相分离[7]。该方法原油回收率高达98%，且无须加热，可直接用于脱水回收燃料油、加工轻质油[9]，也可用于处理炼油厂含油污泥。萃取分离法主要是利用萃取剂溶解含油污泥，经离心搅拌后，分离出绝大多数有机物，再对萃取液进行蒸馏处理，从混合物内分离出溶剂进行循环利用，回收油用来回炼。经萃取分离后，回收水中的悬浮物含量降低，有机物含量明显减少，可用于污水处理系统的循环利用；尾泥中的有机物含量明显降低，经压滤成泥饼后可直接进行填埋处理。
目前，国内已有较多利用萃取分离法处理油田污泥的研究。热洗涤法是国内常用的含油土壤处理方法，主要是用热碱水溶液反复洗涤含油污泥并用气浮实施固液分离，经洗涤处理后的土样用石油醚浸泡，通过紫外分光光度法测定其残留油的含量，从含量的多少可以看出洗涤的效果。
含油污泥的生物处理方法包括生物堆肥法、联合生物法、生物反应器法、生物修复法和生物浮选法等。生物堆肥法主要利用污泥中的微生物进行自然发酵，从而达到净化污泥的作用。联合生物法目前仍处于实验研究阶段，离工业化应用还有一段距离。生物反应器法主要是通过在某一设备中为微生物的繁殖及生化反应提供合适的环境条件，用以处理受污染土壤。微生物修复法通过利用微生物的分解作用，将环境中的有机和部分无机污染物降解或转化为无害物质[18]。国内微生物修复目前还仅限于室内研究和小型实验，对含油污泥的微生物处理工业化应用方法研究较少。
目前，我国对于含油污泥的处理，大都采用上述相对传统的工艺。在一定程度上，这些工艺可以有效去除受污染土壤中的有机物含量，实现油气资源的回收利用。但是，传统的含油污泥处理方法或处理流程冗长繁杂，或处理工艺复杂、操作难度大，或处理成本相对较高，并不能完全满足含油污泥净化处理的迫切需求。因此，研究一种低成本、易操作、安全可靠的新型含油污泥处理工艺十分必要。相较于国内普遍使用的含油污泥处理方法，国外已有不少学者提出基于阴燃原理的含油污泥处理新工艺。阴燃法相较于其他含油污泥处理方法，具有处理成本低、操作安全简单、处理流程便捷、处理迅速等优点，适用于顽固性污染物，包括煤焦油、杂酚油、石油碳氢化合物、溶剂等的净化处理。根据是否就地处理受污染土壤，阴燃法又分为原位阴燃和异位阴燃两种。原位阴燃技术可处理地表以下一定深度的受污染土壤，还可用于深入到地下水位以下的土壤层修复。目前，国外已完成了部分阴燃室内实验研究，验证了处理含油污泥的可行性。在工程应用上，美国新泽西州纽瓦克已有采用阴燃技术修复潟湖淤泥中煤焦油污染土壤的报道。
2含油污泥阴燃处理技术
2.1阴燃定义
阴燃，即一种缓慢、低温的无焰燃烧过程。类似于“燃烧三角形”，阴燃的产生亦需要满足“阴燃三角形”，即燃料、氧化剂（空气或氧气）和引燃点。不同于燃烧三角形，当燃料达到引燃点时，停止热量供应，阴燃反应区所释放的能量与向外损失的传热量间建立起能量平衡，阴燃开始自维持地向前传播。阴燃对燃料有一定的要求，即燃料必须是表面积相对较大的多孔结构，来保证阴燃反应区有充足的氧气且氧气能很快地扩散到燃料表面。阴燃传播遵循以下基本规律：（1）达西定律：多孔介质内部的气体整体宏观运动规律由介质内部压力梯度驱动。（2）氧气质量流率：是阴燃传播的重要控制参数，如果氧气浓度小于一定水平，阴燃熄灭；大于一定水平，阴燃转变为明火。（3）传热过程：包括热对流、热传导和热辐射过程。反应区热量传到燃料，燃料温度到达反应温度的速率决定了阴燃的传播速率。燃料是多孔结构，热传导作用较小，辐射传热作用较大。
2.2阴燃用于含油污泥处理的研究历史
阴燃现象在生活中很常见，如香烟、蚊香和寺庙高香等燃烧都属于阴燃。将阴燃法用于含油污泥处理则是21世纪以后出现的[33-37]。2009年Switzer等提出一种实验室阴燃装置，可用于室内含油污泥阴燃技术研究；2011年Pironi等研究了影响阴燃处理效率的主要因素，并得到了阴燃法能够处理的污染物浓度、含水率范围等；2015年Scholes等[39]提出了第一个中试规模的原位阴燃现场试验装置，得到较好的处理效果；2016年Rajendiran等研究了实验室条件下阴燃过程温度变化，并评估了阴燃处理效率；2016年Grant等对原位阴燃的局限性进行了研究，提出了一系列指导性见解。
3总结与展望
在我国，含油污泥处理量庞大；随着我国环境修复步伐不断加快，政府和人民对环境保护的要求也越来越高。阴燃技术因其具备高效地、大规模地处理含油污泥的潜力，在污染土壤的净化处理领域具有广阔的应用前景及巨大的市场需求。综合国内外学者的研究，阴燃法处理含油污泥技术目前还需要注意以下几点。
（1）阴燃处理过程中往往会产生尾气，而对于有机污染物，尤其是含油污泥的阴燃，尾气中常含有多种有害气体。有效地收集、处理这些尾气，减少二次污染的产生，是阴燃法处理含油污泥技术需要直面的一个问题。
（2）由于含油污泥的物理性质和化学组成不同，阴燃向明火转变的条件也不尽相同。控制阴燃温度在着火点以下，避免其向明火转变，同时确保反应能自持续地进行，是阴燃法处理含油污泥技术的关键。
（3）探寻最优的处理条件，使得阴燃的处理效率最高，是该技术能够大规模地运用到工程实际中的关键。对于性质相同或相似的含油污泥，有必要确定其阴燃处理的最佳条件，这主要体现在确定其最佳的空气通量。
（4）对于不同的阴燃反应器类型，阴燃前锋的传播速率不尽相同。在阴燃反应器的设计过程中，反应器的形状、加热器的位置、空气喷射装置的形状和截面积等均会影响最终的处理效果。
（5）不同于各种可燃多孔介质（如香烟、蚊香）等的阴燃，阴燃反应不仅发生在可燃物的表面，也在可燃物内部进行。而含油污泥只在泥砂表面裹有一层薄薄的有机污染物，阴燃反应只在油泥表面进行，有机物阴燃殆尽后，泥砂完全保留了下来。这个客观条件，给含油污泥阴燃技术的数值模拟带来了一定的难度。
综合以上考量，未来对阴燃法处理含油污泥的研究，可以从以下几方面展开。（1）建立有效的尾气处理系统。对于大型撬装阴燃反应装置，配套相关尾气处理系统，减少二次污染的产生。（2）含油污泥的阴燃传热性质研究。用数值模拟和其他技术手段分析阴燃传热机理，确定油泥由阴燃向明火转变的临界温度，并对阴燃反应涉及的相关化学机理进行模拟研究，确定阴燃反应生成物组分。（3）多因素变量的研究。污染物浓度、孔隙率、含水饱和度和空气通量都影响着阴燃处理效果。设计一系列正交实验，确定阴燃处理的最佳条件，是今后研究的一个方向。（4）阴燃反应器的设计与完善。包括阴燃反应器的形状、加热器的位置、空气喷射装置的形状和截面积的设计与完善。（5）原位阴燃系统的保护措施。建立原位阴燃失控保护系统，确保原位阴燃安全、可靠地进行。
