金屬膜過濾裝置在油田污水處理中應用

李 松

（中國石油冀東油田公司 油氣集輸公司，河北 唐山063200）①

金屬膜分離技術是目前用于城市污水和工業廢水深度處理的一項新型實用技術。由鈦、鎳、不銹鋼等金屬材質制造的金屬膜具有機械強度高、無相變操作、低耗高效的特點，由于其處理裝置占用空間小，特別適用于老廠技術改造升級［1－5］。冀東油田高尚堡聯合站主要擔負高尚堡采油作業區的污水處理任務，鑒于該地區油層特性，對注水水質要求較高，需達到SY5329—1994標準A2級水質［6］。但是，由于采出水成分復雜，原有2段式污水處理工藝已無法保證回注水的懸浮物質量濃度、粒徑中值指標持續達標。在對多種深度過濾技術的過濾效果、加工精度、再生性能和適應性進行綜合對比的基礎上，選用了金屬膜過濾裝置，以金剛砂等多種濾料過濾裝置作為預處理，通過精細過濾手段去除大顆粒懸浮物，取得了較好的應用效果［7］。

1 污水水質特征及處理現狀

1.1 進水水質

冀東油田高尚堡聯合站污水來源主要為高尚堡采油作業區的采出水，其主要水質特征是：①溫度較高；②水質變化大，污水含油濃度、懸浮物含量、聚合物含量以及油水乳化程度等均有可能在短時期內出現較大的變化；③油和懸浮物含量較高；④成分復雜，含有石油類物質、地層黏土顆粒、溶解性礦物質、細菌和油田采油助劑等［8－11］。

1.2 處理工藝

原有的污水處理工藝流程如圖1所示，由高尚堡采油作業區采出液脫出的含油污水依次經過一級、二級混凝沉降處理后，再經核桃殼和纖維球過濾罐兩級過濾處理，最終輸送至各注水站進行回注。

圖1 原回注污水處理工藝流程

1.3 存在問題

高尚堡聯合站原注水處理工藝主要存在2個問題：

1） 水處理總量無法滿足高尚堡采油作業區所需注水量。

2） 對小粒徑懸浮物的攔截和吸附能力有限，回注水懸浮物和粒徑中值指標合格率較低。

高尚堡聯合站原注水處理工藝回注水懸浮物監測數據如圖2，回注水粒徑中值檢測數據如圖3。由圖2～3可知，在該監測時間段內，回注水中平均懸浮物質量濃度為8.3mg／L，平均粒徑中值為5.43 μm?？梢?，原有注水處理工藝已不能適應進水水質變化和出水指標要求，必須進行技術改造，需采用精細過濾技術進行深度處理。

圖2 2010年原注水處理工藝回注水懸浮物監測數據

圖3 2010年原注水處理工藝回注水粒徑中值監測數據

2 技術原理及工藝設計

2.1 技術原理［12］

膜分離是借助于膜，在某種推動力的作用下，利用流體中各組分對膜的滲透速率的差別而實現組分分離的過程。膜分離過程有截留率和膜通量2個重要的過程參數。

1） 截留率 表示膜阻止料液中某組分通過或截留其中某一組分的能力。計算式：

式中：R為截留率，%；Cp為透過液濃度；C為進料液濃度（Cp和C可用任何濃度單位表示，但二者應相同）。

2） 膜通量 表示單位面積膜的過濾速率，是以膜分離過程中單位時間內通過單位膜面積的濾過液體積來表示。其計算公式為：

式中：J1為膜通量，L／（m2·h）；V 為取樣體積，L；t為取樣時間，h；A為膜有效面積，m2。

3） 滲透通量及污染阻力

式中：J2為滲透通量 m3／（m2·h）；△p為膜壓差，Pa；u為油田污水粘度，Pa·s；Rt為過濾總阻力；Rm為膜自身阻力；Rp為濃差極化阻力（可用水沖洗除去）；Re為顆粒等在膜表面吸附及沉淀形成的濾餅阻力（物理方法清除）；Ri為膜孔堵塞阻力（化學方法清洗）。

2.3 擴建污水金屬膜處理工藝

2.3.1 工藝流程

擴建后高尚堡聯合站污水處理工藝如圖4所示。金屬膜過濾裝置增設于高尚堡聯合站污水處理系統，設計處理規模為6 000m3／d，主要處理工藝為：將纖維球過濾罐出水提升泵依次輸送至金剛砂過濾器和鈦金屬膜過濾器進行逐級過濾處理，再通過外輸泵輸送至高尚堡作業區各注水站進行回注。

圖4 擴建后高尚堡聯合站污水處理工藝流程

2.3.2 主要部件

金剛砂復合過濾器內部結構如圖5所示。金剛砂過濾器作為膜過濾的預處理裝置，復合濾料在過濾器內部形成梯度分布的濾床，來水通過分配器進入過濾器內，流經吸附性較強的多孔濾層后，被集液濾芯截留，逐級除去水中的油份和機械雜質。

圖5 金剛砂復合過濾器內部結構示意

鈦金屬膜過濾器內部結構如圖6所示，進水經分配器進入過濾器內，流經金屬膜濾芯進行微孔過濾后，被集液濾芯截留，進一步除去小顆粒懸浮物。

圖6 鈦金屬膜過濾器內部結構示意

金剛砂和鈦金屬膜過濾裝置主要技術指標如表1所示。

表1 金屬膜過濾器技術指標

3 應用效果分析

從現場運行統計數據和注水水質監測指標來看，鈦金屬膜過濾裝置的適應性較好，實際處理量和出水指標達到工程設計要求和行業標準，處理成本相比原工藝也有所降低。

3.1 運行效果

3.1.1 處理量

高尚堡聯合站金屬膜過濾裝置實際處理水量如圖7所示。金屬膜過濾裝置實際日均處理水量約為4 800m3／d，最高處理量可達到5 500m3／d，可完全滿足高尚堡地區注水量以及高尚堡聯合站過濾裝置濾料反沖洗的需要，達到了設計指標和預期效果。

圖7 金屬膜過濾裝置實際處理水量

3.1.2 主要水質指標

1） 懸浮物去除效果 金剛砂和金屬膜過濾裝置出水懸浮物含量監測數據如圖8所示。在進水水質指標滿足系統要求時，金剛砂過濾器出水平均懸浮物質量濃度為0.808 9mg／L，鈦金屬膜過濾器出水平均懸浮物質量濃度為0.792 9mg／L。

圖8 2011年金剛砂和金屬膜過濾出水懸浮物濃度

2） 回注水處理效果 增設金屬膜過濾裝置后回注水中懸浮物監測數據如圖9，回注水中粒徑值監測數據如圖10。如圖9～10所示，回注水平均懸浮物質量濃度為1.39mg／L，回注水懸浮固體粒徑中值平均為0.79μm。

圖9 增設金屬膜過濾裝置后回注水中懸浮物監測數據

圖10 增設金屬膜過濾裝置后回注水中粒徑中值監測數據

3.2 效益分析

3.2.1 環境效益

由于不合格回注水注入地層后會造成地層孔隙堵塞、降低注水效率、增加注水能耗，并導致油井產能降低、產液量下降快。高尚堡聯合站通過鈦金屬膜精細過濾處理后的回注水可顯著提高懸浮物和粒徑中值指標合格率，有效降低了不合格回注水對地層的不良影響。

3.2.2 經濟效益

在原處理工藝中，需要通過提高污水加藥濃度、增加濾料更換次數或進行過濾罐結構改造等措施來達到提高回注水質的目的，造成污水處理費用偏高。金屬膜處理裝置投用后，降低了前端處理的運行維護費用。相比于改造前，每年可減少水處理藥劑和過濾罐濾料更換等費用約￥58.4萬元。

4 結論

1） 鈦金屬膜分離技術在冀東油田高尚堡聯合站的成功應用，解決了回注水懸浮物難以達標的問題，在油田生產和新技術引進方面都具有一定積極意義。鈦金屬膜過濾裝置日均處理水量可滿足現階段高尚堡作業區回注水需求量，且在進水水質達到設計要求的條件下運行效果較好。處理后回注水平均懸浮物質量濃度1.39mg／L，平均粒徑中值0.79 μm，適用于油田回注污水的深度處理。

2） 建議在今后的研究中，把膜污染控制以及膜清洗方法作為研究重點，以保證金屬膜的過濾通量，使其在油田污水處理中發揮更大的優勢。

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