超声波处理石油污水的实验研究

　收稿日期:2002210229

　通讯联系人:李书光,Tel :054628394537;E 2mail :Lshguang @https://www.360docs.net/doc/165136808.html,

文章编号:100128719(2003)0320099204

超声波处理石油污水的实验研究

EXPERIMENTAL STU DY ON U LTRASONIC TREATMENT OF

PETR OL EUM WASTE WATER

李书光,刘　冰,胡松青

L I Shu 2guang ,L IU Bing ,HU Song 2qing

(石油大学应用物理系,山东东营,257061)

(Depart ment of A pplied Physics ,U niversity of Pet roleum ,Dongyi ng 257061,Chi na )

摘要:考察了在不同空化状态下超声波对石油污水化学耗氧量(COD )的降低作用。探讨了时间、功率、p H 值及温度对石油污水化学耗氧量降低作用的影响。结果表明,石油污水化学耗氧量的降低率随着时间增大而增大,随着温度、p H 值的增加而减小,随着功率的增加,先增加,然后再减小。关　键　词:超声波;空化;降解;COD ;石油污水中图分类号:TB559;TE992.2 文献标识码:A

Abstract :This experimental study was about the degradation of chemical oxygen demand (COD )in petroleum waste water treated with ultrasonic under different cavitating conditions ,and the effects associated with time ,power ,p H and temperature were discussed.It was found that the degradation rate of COD increased with the increase of reaction time ,while decreased with the increase of temperature and p H.With the increase of the ultrasonic wave power ,the degradation rate of COD went first up and then down.

K ey w ords :ultrasonic wave ;cavitating ;degradation ;COD ;petroleum waste water

在石油的开采及加工过程中产生大量的污水,这些污水富含有机污染物,在自然界中很难降解,如

果不加以处理便排放到自然界中,会给环境造成巨大的破坏。目前,石油污水的处理已成为石油及化工行业的重点研究课题之一,各种污水处理技术(如物理处理法、化学处理法及生物处理法等)应运而生。

20世纪70年代,美国学者Richard [1]首次提出了超声波辐照的化学效应,随着超声波技术的不断发展,大功率超声波设备的问世,超声波的物理化学效应逐渐成为人们的研究热点。20世纪90年代以来,国内外学者纷纷致力于超声波降解有机物的研究,开始将超声波应用于控制水污染,尤其是治理废水中难以降解的有毒有机污染物,并取得了一些进展[2～4]。研究结果表明,超声波对污染水体的降解机理是声空化效应及由空化产生的增强化学反应的活性自由基的作用[5]。在研究对象上,更多的是含有单一有机污染成分的污水,对含有复杂成分的污水研究甚少,对石油污水的处理未见报道。笔者将超声波应用到石油污水的深度处理中,探讨了超声场作用下诸多因素对污水化学耗氧量(COD )降低率的影响。

1　实验部分

1.1　实验样品

实验中所用污水样品取自胜利油田某污水站。污水样品的p H =7.0,其主要成分如表1所示。

2003年6月

石油学报(石油加工)

ACTA PETROL EI SINICA (PETROL EUM PROCESSIN G SECTION ) 第19卷第3期

表1　污水水质分析

T able 1　The qu ality analysis of w aste w ater

ρ(Ca 2+)

/mg ?l -1ρ(Mg 2+)

/mg ?l -1ρ(Na ++K +)

/mg ?l -1ρ(Sr 2+)

/mg ?l -1ρ(Fe 2++Fe 3+)

/mg ?l -1ρ(HCO -3)

/mg ?l -1ρ(Cl -)

/mg ?l -1ρ(H 2S )

/mg ?l -1

1420.8

125.2

7045

33.8

0.61263.6136130.2

ρ(O 2)

/mg ?l -1

ρ(CO 2)

/mg ?l -1ρ(SS 1))

/mg ?l -1ρ(Oil )

/mg ?l -1

Number of SRB 2)/ml -1

Number of TG B 3)/ml -1

COD /mg ?l -10.6

70.4

88.2

9

13

6

300～400

　1)Suspended substance ;2)Sulfate 2reducing bacteria ;3)Saprophytic bacteria

图1　实验仪器装置图

Fig.1　Scheme of the experimental devices

1—Ultrasonic generator ;2—Transducer ;3—Conical flask ;4—Thermostat water bath

为了保证污水样品的稳定性,在超声波处理之前经过适当的预处理,其COD 值有所下降,使处理前的COD 值稳定在200～230mg/l ,p H 值为7.0。1.2　实验及测定方法实验所用仪器装置如图1所示。将50ml 待处理样品置于锥形瓶中,在不同条件下用超声波处理,采用重铬酸钾法(K 2Cr 2O 7)测定样品的COD 值。计算样

品的COD 降低率(η

)。η=(处理前COD 值-处理后COD 值)/处理前COD 值

采用岛津10A 型液相色谱仪测定样品的有机成分相对含量。固定相为C 18填充液,流动相V (H 2O )∶V (C 2H 5OH )=1∶1,柱长为300mm ,柱径为5mm ,柱温为室温。超声波处理过程中,声波发生器的频率为20kHz ,恒温水浴温度可调。

2　结果与讨论

2.1　超声波功率的影响

污水样品的初始COD 值为221.1mg/l ,p H =7.0。改变超声波的功率,对相同的7个污水样品分

别处理30min ,结果如图2所示。由图2可以看出,η首先随着超声波功率的增加而增大,当超声波功率为41W 时达到最佳。随着功率的进一步加大,η开始降低,并逐步趋于平缓。当功率较小时,随着功率的增加,超声波能量能够被充分利用产生空化并产生活性自由基,提高有机物的氧化能力,η增大;当功率较大时,负声压相内空化泡增长过大,以致在随之而来的正相内来不及被压缩至崩溃,降低了超声波能量的利用[5]。2.2　超声波作用时间的影响采用功率为40.8W 、频率为20kHz 的连续振动超声波和脉冲宽度为3s 的间歇振动超声波,对COD 值为221.7mg/l 、p H 值为7.0的污水样品作用不同的时间,结果如图3所示。由图3可以看出,对于两种不同的超声波振动方式,η均随着时间的增加而增加,超过一定时间后,作用效果趋于平缓。这是由于作用时间较长,溶液中的空化趋于饱和所致。另外还可以发现,两种振动方式的处理效果相差不大,但从能耗方面考虑,显然间歇式振动方式可以节省能量[4]。

采用不同功率、不同作用时间超声波处理后溶液的液相色谱图如图4所示。图4中各条曲线峰值下的面积表示有机成分的含量。由图4可以看出,随着功率的增加,总的峰面积逐步减小,表明有机成分的含量减少;随着作用时间的延长,总的峰面积逐步减小,说明有机成分的含量也减少。

01 石油学报(石油加工) 第19卷

图2　COD 降低率(η)与功率的关系

Fig.2　The relationship betw een degrad ation

rate of COD(η)and pow

er

图3　COD 降低率(η)与作用时间的关系

Fig.3　The relationship betw een degrad ation

rate of COD (η)and time

(1)Continuous vibration ;(2)Intermittent

vibration

图4　不同条件下超声波处理后污水有机物含量变化

Fig.4　The variation of organic matter in w aste w ater treated with ultrasonic under different conditions

(1)P =0W ,t =0min ;(2)P =30W ,t =20min ;(3)P =60W ,t =20min ;(4)P =30W ,t =60

min

图5　COD 降低率(η)与pH 值的关系

Fig.5　The relationship betw een degrad ation

rate of COD(η)and pH

图6　COD 降低率(η)与温度的关系

Fig.6　The relationship betw een degrad ation

rate of COD(η)and temperature

2.3　起始pH 值的影响

采用功率为40.8W 的超声波处理不同p H 值下的COD 值为237.8mg/l 的污水样品30min ,结果如图5

所示。由图5可以看出,随着p H 值的降低,η明显增加。这是由于p H 值较低时,有机污染物以分子形式存在,更容易挥发进入空化泡内参与高温热解过程,有利于污染物的降解[3]。2.4　介质温度的影响采用超声波功率为40.8W ,作用时间为30min ,在不同温度下分别对COD 值为223.4mg/l 、p H 值为7.0的污水样品处理,结果如图6所示。由图6可以看出,随着温度的升高,η有所下降。虽然温度提高有利于加快反应速率,但同时也阻碍空化时高压与高

1

01第3期 超声波处理石油污水的实验研究

201 石油学报(石油加工) 第19卷

温的产生,因而降低了降解效果[7]。

3　结　论

1)采用超声波处理时,选择间歇式振动方式是节省能量的一种途径。

2)COD的降低率η随超声波作用时间的增加而增加,超过一定时间后,作用效果趋于平缓;随功率的增加COD的降低率η先增加,然后有所下降,并逐步趋于平缓;COD的降低率η随p H值和温度的升高而降低。

参考文献:

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solution[J].Environ Sci Technol,1994,28(8):1481-1486.

作者简介:

李书光(1964-)男,副教授,硕士,从事应用声学方面的研究;

刘　冰(1972-)男,讲师,硕士,从事物理学理论及其应用的研究;

胡松青(1967-)男,工程师,硕士,从事纳米材料的研究。