鉆井廢棄泥漿土壤化實驗研究

摘 要

摘要：為了解決目前廢棄泥漿固化處理后占用大量土地資源且存在著環境污染隱患的實際問題，開展了鉆井廢棄泥漿土地資源化的研究。根據鉆井廢棄泥漿的特點和土壤環境質量標準(GB
摘要：為了解決目前廢棄泥漿固化處理后占用大量土地資源且存在著環境污染隱患的實際問題，開展了鉆井廢棄泥漿土地資源化的研究。根據鉆井廢棄泥漿的特點和土壤環境質量標準(GB 15618—1995)的要求，將廢棄泥漿中的污染物進行固定化處理，使其不向水環境轉移；然后將處理后的泥漿與經過選定的富含微生物的土壤混合，泥漿中污染物降解后余下的固相成分(膨潤土等)轉化為土壤資源。對固定污染物藥劑的用量、泥漿與土壤混合比例等條件進行了實驗，并進行了大豆發芽實驗。實驗結果表明：泥漿中固定污染物藥劑加量在20g/L以上時，可以有效固定其中的污染物，其浸出液中COD和SS濃度能達到GB 8978—1996中的一級標準，固相物可以達到土壤環境質量一級標準；處理后的泥漿與土壤比例等達到1:2時，對大豆發芽率沒有明顯不利影響。結論認為：通過該方法將鉆井廢棄泥漿轉化為土壤資源是可行的，開發了一種廢棄泥漿處理的新方法。
關鍵詞：廢棄泥漿；鉆井；環境質量；土壤；固體廢物
我國油氣田每年鉆井產生的廢棄泥漿近100×104m3，約一半直接流失到周圍環境中，對環境造成了很大的危害。鉆井廢棄泥漿具有點多、面廣、污染物種類多的特點。其主要污染物是聚合物類、磺化物類、稀釋劑、潤滑劑等，具有黏度高、有機物(COD)濃度高、固相物含量高、色度高等特點。由于鉆井過程中所用的泥漿材料不同，完鉆后產生的鉆井廢棄泥漿性能也有較大差異。對于廢棄鉆井泥漿的處理目前尚無統一的標準和方法。
國外對于鉆井廢棄泥漿的處理主要采用固液分離后再處理的方案。目前，國外主要開發固結性好，又具有一定肥效的固化劑，使固化后的泥漿污染物不易流失，將固化產物分散到土壤中，利用土壤中微生物降解泥漿中的污染物后可進行耕植。國內對廢棄鉆井液的處理研究較多，主要有固化法、化學氧化法、固液分離及生物處理法等[1～5]，固化是目前國內處理廢棄泥漿的主要方法，固化處理一般是向鉆井廢棄泥漿加入固化劑，使鉆井廢棄泥漿轉化成固相，然后填埋，從而減輕對環境的污染和危害，但也存在一定的環境污染隱患和政策風險。本研究根據鉆井廢棄泥漿的特點，開發出相應的廢棄泥漿污染物固定劑，對泥漿中的污染物進行固定，然后與選擇的土壤混合，利用土壤中的微生物降解泥漿中的污染物后，將固相成分轉化為土壤資源，從而有效消除廢棄鉆井泥漿對環境的污染，減少固化占用的土地資源，為解決廢棄泥漿的污染尋找到了新的途徑。
1 材料與實驗方法
1.1 主要試劑
① 泥漿污染物固定劑PJNJ-3(自制，固體)；②PAM(非離子型，分子量1.0×107，工業品)。
1.2 藥品配置
PAM配制為濃度1.0%的溶液；污染物固定劑PJNJ-3直接稱量。
1.3 主要分析方法
1) 土壤及泥漿固相浸出液浸出方法：按HJ 557—2010。
2) COD分析方法：按GB 11914—89。
3) 色度分析方法：按GB 11903—89。
2 實驗過程與結果
2.1 廢棄泥漿來源及特性
隨著井深的增加，鉆井泥漿密度隨之增大，所用泥漿材料的種類和數量也在增加，對完井后泥漿的處理難度也在增加。因此，本研究中取某油氣田密度較大的深井泥漿作為實驗對象，泥漿中主要污染物分析結果見表1。分析過程中，pH值直接測量，COD稀釋50倍后進行測量，其余指標按方法標準進行分析。
 
由表1看出，該泥漿能滿足土壤環境質量(GB 15618—1998)一級標準的要求，但不能滿足污水綜合排放標準(GB 8978—1996)一級標準的要求。泥漿中COD、色度、總Cr和Pb都超過了GB 8978—1996一級標準的規定值，如果排放到環境中，會對環境產生較大的污染。因此，進行土壤化轉化過程中需要對污染物進行處理。
2.2 廢棄泥漿土壤化技術路線
鉆井廢棄泥漿中雖然含有較多污染物質，但這些物質在土壤中容易被解降[6]。因此，只要其不向土壤環境中轉移，就能被其中的微生物降解。根據泥漿中主要污染物磺化物、腐植酸鹽、CMC等化學特性，研究出能與其產生化學反應并生成難溶于水的沉淀物和易與其中高分子PAM吸附的絡合物，這樣在與土壤混合后置放于自然環境，其中的污染物就不會被水溶解后轉移到環境中，避免對環境產生污染。在對有關資料[7～8]分析的基礎上，經過研究和實驗，開發出了鉆井廢棄泥漿污染物固定劑PJNJ-3，以其作為關鍵藥劑對廢棄泥漿進行處理，處理后泥漿中的污染物的水溶性大幅度降低，然后與選定的富含微生物的土壤混合，經過土壤中微生物降解一段時間后進行種植。實驗設計的工藝過程如圖1。
 

2.3 固定劑PJNJ-3加量對處理效果的影響
取一定量的鉆井廢棄泥漿，加入污染物固定劑PJNJ-3，使其濃度分別為4g/L、6g/L、8g/L、10g/L、12g/L，攪拌(80r/min)3min，再加入分子量為1.0×107、濃度為0.5%的陽離子PAM溶液，使其在鉆井廢棄泥漿中濃度達到100mg/L，再以20r/min速度攪拌2min，靜置1h，去掉上層液體，取下部固相物按HJ 557—2010標準制備浸出液，然后對浸出液中污染物的濃度進行測定，多次實驗的平均結果見表2。
表2數據表明：隨著固定劑PJNJ-3的加入，廢棄泥漿分離出的固相物浸出液中主要污染物COD和色度在降低，總Cr和Pb的濃度略有增加，但不明顯，當加量達到20g/L以上時，浸出液中各項污染物指標均能滿足污水綜合排放一級標準要求。
同時，取固相物進行分析，由于此時固相物較干，不能直接測量pH值和色度，且土壤環境質量中未對此2個指標作要求。因此，未對此2項進行分析，其他各項指標分析結果見表3。
 

從表3可以看出：經固定化處理后，固相中污染物濃度有所增加，但都能滿足土壤環境質量一級標準的要求。污染物濃度增加的主要原因，一是泥漿中污染物固定后從上層液相中帶走的量較少；二是濃度計量是按干重進行的。
綜合表2和表3中的數據，污染物固定劑PJNJ-3加量選用20～22g/L，能保證處理后的泥漿固相物滿足土壤環境質量一級標準，且其浸出液符合污水綜合排放一級標準。以下實驗中選用的加量為22g/L。
2.4 混合土壤樣中發芽實驗
選定對泥漿中主要污染物有較好吸附固定能力的黏壤土[9]與經處理后的廢棄泥漿固相進行混合，由于處理后的廢棄泥漿固相物已經滿足土壤環境質量一級標準，因此，不再對混合樣進行污染組成測定。在不同混合比例的土壤樣中，進行大豆發芽實驗，以觀察廢棄泥漿對大豆發芽的影響。
實驗采用盆栽方法，將直徑30cm的塑料盆底部打一個小孔用于排水，鋪約5cm厚的卵石，卵石上再鋪厚度約10cm土樣，將100粒大豆均勻撒于土層上，然后再覆蓋約2cm土樣，輕輕均勻澆水。觀察大豆第一芽發芽時間和7d時的出芽情況，實驗結果見表4。

從表4可以看出：廢棄泥漿處理后的固相物對大豆發芽有著明顯的不利影響，可能主要是其中有較高濃度的Cl-所致；隨著摻入土壤量的增加，大豆發芽率明顯提高，當土壤量增大到泥漿固相物的2倍以后，大豆發芽基本沒有影響。說明只要摻入量合適，廢棄泥漿固相物是可以用作土壤的。
2.5 討論
本研究提出了廢棄泥漿中的固相物用作土壤資源的思路，參照土壤環境質量標準和污水綜合排放標準進行了實驗，下一步需要對泥漿固相物和黏壤土摻和后的新土壤的特性及其對植物生長的影響進行系統研究，并結合現場情況開展具體應用條件和工藝研究，以保證成果能在鉆井廢棄泥漿處理中得到有效應用。
3 結論
1) PJNJ-3加量在20～22g/L時，能有效地固定廢棄泥漿中的污染物，浸出液中COD和SS濃度能達到GB 8978—1996一級標準。
2) 廢棄泥漿中固相物能滿足土壤環境質量一級標準(GB 15618—1995)的要求。
3) 處理后的泥漿與土壤比例等達到1:2時，對大豆發芽率沒有明顯不利影響。
4) 通過本方法將鉆井廢棄泥漿轉化為土壤資源是可行的。
參考文獻
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(本文作者：杜國勇 西南石油大學化學化工學院)