油田污水處理技術概述

畢權 王俊穎

摘 要：在油田生產中，往往將油田污水處理后回注，這樣不僅可以節約生產成本，還可以避免污水隨意排放造成的環境污染。但是，如何使回注污水符合油田回注水質指標，以防止造成集輸系統和井筒的腐蝕和結垢，使回注水對地層的傷害最小化，一直是油田污水處理的難題。對現階段國內外主要的污水處理技術及其應用進行了概述，并提出了對油田污水處理技術發展前景的展望。

關 鍵 詞：污水處理；回注；創新技術

中圖分類號：X 703 文獻標識碼： A 文章編號： 1671-0460（2015）07-1605-04

Overview of Oilfield Wastewater Treatment Techniques

BI Quan，WANG Jun-ying

（Beijing Key Laboratory of Urban Oil and Gas Distribution Technology， China University of Petroleum，Beijing 102249， China）

Abstract： In the production of oilfield， wastewater is always treated to reinject.This way can reduce the cost of production and avoid environmental pollution. However， for such a long time we have to face the problems of how to make the reinjected water meet the water quality index and how to avoid the corrosion in gathering system and wellbores in consideration of the minimum of strata damage. In this paper， wastewater treatment technologies and their application at home and abroad were summarized， and future development prospect of these wastewater treatment technologies was put forward.

Key words： Wastewater treatment technology； Reinjection； Innovative technology

油田采出水含有固體懸浮物、乳化油、細菌以及破乳劑、絮凝劑、殺菌劑等多種化學藥劑，并且不同的污水來源會導致油污的狀態和組成有差異，由于油田污水的多樣性，因此，需要研究有效的油田污水處理工藝應對不同的污水情況，采用具有針對性的污水處理方案。目前，國內污水處理主要采用傳統的“老三套”污水處理工藝，即以“混凝-沉降-過濾”為基礎，以物理、化學及生物處理方法等作為輔助技術。

1 常用技術

1.1 重力沉降

重力沉降法主要利用油水比重差來去除油田采出水中成懸浮狀態的可浮油，包括自然沉降除油，斜板除油，粗粒化除油等方法，具有投資少，運行狀態穩定，維護費用低等特點。重力沉降法常用的設備是隔油池，種類有平流隔油池、斜板隔油池、波紋斜板隔油池，其中斜板隔油池和波紋斜板隔油池是平流隔油池的一種改進，提高了除油效率。重力沉降法常與凝聚等化學方法結合使用，以達到更好的除油效果。在勝利油田高含水期油田設置兩級重力沉降處理油田采出水，可以達到較好的除油效果，未處理污水含油1 000 mg/L左右，懸浮物300 mg/L左右，處理后的油田采出水的油和懸浮物含量均下降至20 mg/L[1]。

1.2 旋流分離

旋流分離技術是利用油水間的密度差達到分離效果。由于油水之間存在密度差，使得油、水在旋流除油器中旋轉時所受的離心力不同，這樣密度較小的油滴所受的離心力也就較小。根據斯托克斯（stokes）定律，油田污水中的重相水在較大離心力的作用下往旋流器的內壁運動，而輕相油則向旋流器的中心聚結成油芯， 從而從水中分離出去。旋流除油器技術最早由南安普頓大學（southampton）的M.T.THEW教授和A.D.COLMAN教授在20世紀70年代研究提出的。在國外，旋流分離技術廣泛的應用于非洲、北海、西歐、東南亞等地區的海上和陸地油田[2]。比如，旋流分離技術應用于美國德州的Permian Basin油田，進行油田采出水處理，將油田污水轉變為蒸汽鍋爐用水[3]。在國內，旋流分離技術也有普遍的應用，在南海流花11-1油田試生產期間，曾使用兩臺旋流器處理污水，取得了良好的除油效果[4]

1.3 機械過濾

過濾是油田污水處理流程中極為重要的步驟，主要是利用過濾介質的截留、黏附、接觸絮凝等特性去除污水中的油和懸浮物，一般結合前期的沉降、分離、絮凝、氣浮等方法，應用于油田污水處理流程的末端，常用的過濾設備有石英砂過濾器、核桃殼過濾器、雙層及多層濾料過濾器、纖維球過濾器等[5]。過濾具有處理精度高、處理效果好、設備結構緊湊、易實現自動化等優點，但同時也具有濾料易被污染，反沖洗易流失，再生困難等弊端。遼河油田歡三聯稠油污水處理工藝中，采用核桃殼過濾器和加拿大產多介質過濾器分別進行初濾和精細過濾，得到了較好的過濾效果[6]。吉林大學朱磊等研究設計的低壓穩流反沖洗核桃殼過濾器，大大提高了了除油除雜效率，較普通的核桃殼過濾器除油率以及除雜率分別提高了35%和15%[7]。在國外，雙向流過濾器、硅藻土過濾器、高精度濾芯過濾器和雙層濾芯過濾器常用于油田污水處理，取得了不錯的效果[8]。

1.4 膜分離

膜分離技術主要作用是截留油田采出水中的微米級懸浮顆粒，另外，對去除污水中的溶解油和乳化油有著顯著的效果[9]。現階段較常用的膜分離技術有金屬膜過濾和陶瓷膜過濾。勝利油田臨盤采油廠工藝所張存麗研究表明，鈦金屬微孔膜過濾器應用于臨盤四凈站，采用多介質過濾器和鈦金屬微孔膜過濾器的過濾流程，處理后水質指標達標，懸浮固體含量<2 mg/L，含油<6 mg/L，懸浮固體粒徑中值<1.5 μm[10]。谷玉洪等利用陶瓷微濾膜處理遼河油田茨榆沱采油廠注水站砂濾罐的出口水，經陶瓷膜過濾器過濾后，懸浮物含量小于1 mg/L，顆粒直徑小于1 μm，含油量小3 mg/L，滿足特低滲透油田注水水質標準。另外，駱廣生等研究表明，運用膜分離技術處理含油污水時，會產生良好的破乳效果[11]。Bhave Ramesh R等使用陶瓷膜對西墨西哥采油平臺油田污水進行處理，處理后污水含油量從28～583 mg/L降到幾乎測不出、固體懸浮物含量從73～5 290 mg/L降到1 mg/L以下。

近些年，國內外對于超濾、納濾（NF）、反滲透等新興的膜分離技術也進行了系統的研究，超濾、納濾和反滲透技術主要用于污水的深度處理，處理后作為工農業生產用水。超濾膜可以去除油田采出水中的菌群，對有機物有較高的去除率[12]。李毅等使用經過改性后的聚偏氟乙烯（PVDF）中空纖維超濾膜技術[13，14]對勝利油田采出水進行處理，處理后水中油和懸浮物的質量濃度均小于1 mg/L[15]。Lia[16]等利用有機-無機復合管式超濾膜組件對油田采出水進行處理，處理后COD和TOC的脫出率分別為90%和98%，殘余污油含量不到1%。潘振江等開展了超濾加納濾雙膜法應用于油田采出水深度處理的實驗研究，此納濾處理工藝在長期運行過程中，出水水質達到油田注汽鍋爐進水水質指標[17]。K M SIMMS等在加拿大西部油田用陶瓷膜對稠油采出水進行了處理，將油含量從125 mg/L降到20 mg/L。

1.5 機械過濾

混凝法主要是通過混凝劑的作用，使油田污水中的懸浮物凝聚成絮凝體，然后通過沉淀或者過濾去除污染物，是國內外應用較普遍的一種經濟又方便的污水處理方法。混凝劑對污水中懸浮物的作用機理有靜電中和，吸附架橋以及卷掃。絮凝劑的種類主要分為有機絮凝劑和無機絮凝劑兩種。無機絮凝劑包括精致硫酸鋁、粗制硫酸鋁、聚合氯化鋁和硫酸亞鐵等；有機絮凝劑大多為高分子物質，包括聚丙烯酰胺（PAM）、部分水解丙烯酰胺（HPAM）、陽離子化聚丙烯酰胺等[18]。王生香[19]等采用高效混凝技術，根據油田污水的ph值和來水量自動調節加藥量，在多功能處理器中按一定順序和時間間隔連續加入三種藥劑，通過調整污水中某些化學成份以達到處理污水的目的。趙明奎等研究設計了逆流混凝沉降技術，按照液流方向與沉降顆粒運移方向相反設計了逆流沉降裝置，結合化學混凝技術，全面解決了臨南油田固體懸浮物含量較高的污水沉降凈化問題。

1.6 氣浮法

氣浮法是利用水中的小氣泡與相對密度小于1的油滴和雜質粘附，形成小粒團，由于粒團的密度要小于水，油滴和雜質就隨著粒團上浮至水面，從而實現對油田污水的凈化，凈化對象主要為污水中的乳化油和膠態油。氣浮法主要分為葉輪氣浮法、真空溶氣氣浮法和電解氣浮法，其中現階段在國內應用較為廣泛的是葉輪氣浮法，真空溶氣氣浮和電解氣浮由于硬件消耗大、檢修維護困難等原因，目前僅用于小型工程。長慶油田的黃致平[20]等在安塞油田候市集輸站應用溶氣氣浮裝置，該裝置在侯市技術站使用后，出水含油量在19×10-6左右，懸浮物含量在8×10-6左右，與處理前相比，含油量與懸浮物含量均大大降低，出水水質明顯好轉，達到了回注水質標準。投加絮凝劑可以提高氣浮法處理污水的效果，因此在用氣浮法處理油田污水時，往往與絮凝技術結合使用[21]。國內外近幾年也有很多關于氣浮法的創新技術，將氣浮法與其他污水處理技術相結合，以達到更好的污水處理效果。虞榮松等設計的油水分離器把氣浮方法和旋流方法相結合，污水先進入旋流分離器，經旋流分離的作用去除較大油滴，接著接受藥劑的絮凝作用，然后與氣泡發生氣浮作用，這樣油滴就匯集成大油滴向上浮生，從而去除殘油[22]。Jordan J M等[23]改造了氣浮裝置，在裝置中安裝親油性矩陣板，如聚丙烯塑料或者PVC材質的波紋板。采出水在氣浮的同時經過矩陣板，部分油滴由于矩陣板的作用，聚結成大油滴，大油滴與氣泡結合更容易浮選到液面。Hirayama A用氣浮法處理Marmul油田的采油污水，并在其中加入混凝劑，混凝劑為聚合氯化鋁（ PAC） 和聚丙烯酰胺，使油田污水的含油量從100～200 mg/L降到了20 mg/L以下[24]。

2 創新技術

隨著近些年社會對生態環境的保護意識越來越強，在油田污水處理領域也誕生了很多致力于提高污水深度處理效果的新技術、新方法，主要集中在使用生物方法以及生物法與其他方法的結合并用。

2.1 生物膜法

微生物細胞和他們所產生的胞外多聚物構成生物膜，生物膜法就是利用此生物膜來對油田污水中的有機物進行吸附和降解，最終把有機物轉化為無機物，達到消除有機物的目的[25]。生物膜法可以解決傳統污水技術無法解決的codcr嚴重偏高的問題，此問題在稠油污水、聚合物采出水、高含鹽采出水的污水處理工程中尤為嚴重[26]。生物膜法應用于油田污水處理領域，主要有生物濾池、生物流化床和生物接觸氧化等[27]。J.C.Campos等[28]將經過過濾的高鹽度油田采出水通入填充材料為聚苯乙烯顆粒的生物反應器內進行處理，處理之前將此油田污水通過纖維酯膜（MCE）進行微濾，經過此兩級處理后的油田污水，codcr的去除率為65%，DOC的去除率為80%，苯酚的去除率為65%。BOZO 等以顆粒活性炭為生物載體， 對高含鹽的油田污水作三級處理， 并發揮生物的吸附作來去除污水中的有機物，取得了較好的處理效果[29]。今年來，國外也研發出了生物膜法與絮凝除油相結合的新工藝，并取得了良好的應用效果[30]。2003 年，Nakhla G等用絮凝除油-SBBR聯合工藝處理某油田采油廢水， 處理后采出水COD 低于100 mg/L[31]。

2.2 一體化油田污水處理裝置

一體化油田污水處理裝置解決了常規污水處理中設備多、流程長的問題，取代了污水沉降罐和隔油罐等占地面積大的設備，與傳統污水處理設備相比，去除油和懸浮物的能力更強，并且具有流程精簡、設備緊湊、占地面積小等特點。華北油田基建部的劉義敏等設計的一體化油水分離器，將離心分離、橫向流沉降、粗粒化除油三種污水處理技術集成，并配套外搓洗核桃殼過濾器和多向反洗海綠石過濾器。經該套一體化油田污水處理裝置處理后的采出水，含油量﹤5 mg/L，懸浮物含量﹤2 mg/L，具有較的污油和懸浮物去除率。

由中國石油大學（北京）研究設計的微濾膜污水處理一體化裝置，應用于某油田某采油廠某處理站。進行污水處理實驗，可以發現，經微裝置處理后的油田采出水水質較好。經測試，其懸浮物顆粒的粒徑分布均在91.28～955.4 nm，測試結果如圖1：

圖1 粒徑分布趨勢圖

Fig.1 The particle size distribution histogram

2.3 微生物+膜分離技術

微生物+膜分離技術將微生物法與膜分離技術有機的結合了起來，發揮了兩種方法的優勢，也彌補了各自的不足。利用微生物法，將上一級來水通入含有高效轉性聯合菌群的微生物反應器，不僅可以去除污水中的硫化物和鐵離子等物質，還可以對污水中的有機物及油類進行降解，改變污水的性質，降低污水對下一級膜的污染，延長了膜的使用壽命。經過微生物處理的油田污水再經過膜分離，去除水中的懸浮物和細菌，達到凈化目的。薛華[30]在蘇北臺興油田應用了一套微生物膜的油田污水處理設備，處理前后水質發生了顯著的變化，處理效果良好。

3 結束語

總之，隨著科技的發展，誕生了越來越多的油田污水處理方法。但是，針對油田污水性質的多樣性，如何規避各技術的不足和缺陷，科學合理的組合各技術，找到一種經濟、高效的含油廢水處理流程，以期達到最好的處理效果，這將是未來油田污水處理領域力求攻克的難題。

參考文獻：

[1] 崔月嶺. 勝利油田高含水期污水處理技術[J]. 科學咨詢：科技·管理， 2012 （3）：56-57.

[2] 張勁松， 趙勇， 馮叔初. 氣—液旋流分離技術綜述[J]. 過濾與分離， 2002， 12（1）：42-45.

[3] Garbutt C F.Innovative treating processes allow steamflooding with poor quality oilfield water[J].SPE 38799，2012.

[4] 馬衛國，胡澤明，薛敦松. 油水分離水力旋流器的研究與應用綜述[J].國外石油機械，1995，6（2）：71-76.

[5] 王海峰，王增林，張建. 國內外油田污水處理技術發展概況[J].油氣田環境保護，2011，21（2）：34-37.

[6] 韓冷冰. 遼河油田稠油污水處理方法探討[J]. 環境保護與循環經濟， 2012 （8）：48-50.

[7] 朱磊. 除油過濾設備的改進及其在油田污水處理中的應用研究[D]. 長春：吉林大學， 2012.

[8] 李 靜，祁萬軍，吉慶林.油田污水處理研究[J].過濾與分離.2010，20（2）：26-29.

[9] 謝磊， 胡勇有， 仲海濤. 含油廢水處理技術進展[J]. 工業水處理，2003， 23（7）： 4- 7+37-40.

[10]張存麗. 鈦金屬微孔膜過濾器在臨盤四凈站的應用[J]. 內蒙古石油化工， 2011， 37（23）.

[11]駱廣生，鄒財松，孫永，等.微濾膜破乳技術的研究[J].膜科學與技術，2001，21（2）：62- 65.

[12]Lu Jinren， Wang Xiulin， Shan Baotian， et al. Analysis of chemical compositions contributable to chemical oxygen demand （COD） of oilfield produced water [J]. Chemosphere， 2011， 62（2）： 322-331.

[13]蔡俊恒， 王旭東， 王磊，等. 添加劑對聚偏氟乙烯中空纖維超濾膜結構及性能的影響[J]. 水處理技術， 2011， 37（11）：42-46.

[14]周軍， 劉云， 葉長明，等. 聚偏氟乙烯（PVDF）膜的制備及在水處理中應用的研究[J]. 通用機械， 2007 （12）：51-55.

[15]丁慧，彭兆洋，李毅，等. 超濾膜處理油田采出水試驗研究[J]. 水處理技術，2013，39（1）： 114-117.

[16]Lia Y S，Yana L，Xiang C B，et al.Treatment of oily wastewater by organic-inorganic composite tubular ultrafiltration（UF） membranes[J].Desalination，2012，196：76-83.

[17]潘振江，高學理，王鐸，等.雙膜法深度處理油田采出水的現場試驗研究[J].水處理術，2010，36（1）：86-90.

[18]馬喜平，鄧可，盧慧. 油田污水處理用混凝劑開發應用現狀及展望[J].精細與專用化學品，2000，24：7-8.

[19]王生香， 劉恩國， 王生智，等. 高效混凝技術在青海尕斯油田污水處理系統中的應用[J]. 青海石油， 2009 （2）：64-68.

[20]黃致平，劉鳳林，周浪花，彭航真. 溶氣氣浮裝置在安塞油田污水處理中的應用[J].2011，17：85-86.

[21]康萬利， 張黎明， 杜會穎，等. 氣浮法處理油田污水進展[J]. 應用化工， 2012， 41（12）：2147-2149.

[22]虞榮松.旋流氣浮油水分離器：中國專利，102153165A[P]. 2011-08-17.

[23]Jordan J M， Denton T J. Method of removing dispersed oil from an oil in water emulsion employing aerated solutions within a coalescing media： U. S. Patent， 5 656 173[P].1997-8-12.

[24]Hirayama A， Maegaito M， Kawaguchi M， et al. Omani Oil Fields Produced Water： Treatment and Utilization.[J]. Offshore Technology Conference， 2002.

[25]賴世榮. A/O生物膜法氧化溝工藝在我廠煉油廢水處理中的應用[J]. 江西石油化工， 1995 （3）：69-74.

[26]陳進富， 劉如意， 趙立軍，等. 基于COD構成的油田含油污水升級達標處理技術探討[J]. 工業水處理， 2013， 33：70-72.

[27] 任永忠，陳素寧，劉智金，鄧文海，萬鋼，向安. 油田外排污水處理技術及研究進展[J]. 安全與環境工程，2011，18（2）：45-48.

[28]Campos J C，et al. Oilfield wastewater treatment by combined micro-filtration and biological processes[J]. Water Research，2002，36：95-104.

[29]Dalmacija Bozo. ， Tamas Z. ， Karlovic E. ， et al.Tertiary Treatment of Oil field Brine in a Biosorption System with Granulated Activated Carbon [J] . Water Research， 1996， 30（5）： 1065-1068.

[30]Wobus A， Roske I. Reactors with membrane-grown biofilms：their capacity to cope with fluctuating inflow conditions and with shock loads ofxenobiotics [J]. Wat. Res.，2000， 34（1）：279-287.

[31]Nakhla G， Al-Sabaw i M， Bassi A， et al. Anaerobic Treatability of High Oil and Grease Rendering Wastewater[J] . Journal of Hazardous Materials， 2003，102（ 2-3） ： 243-255.

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參考文獻：

[1] 高學武， 朱春田. GBT50609-2010石油化工工廠信息系統設計規范[S].北京：中國計劃出版社，2011.

[2] 李蘇秦， 胡晨. GB50160-2008石油化工企業設計防火規范[S].北京：中國計劃出版社，2009.

[3] 丁紅軍， 張穎琮. GB50116-2013火災自動報警系統設計規范[S].北京：中國計劃出版社，2014.

[4] 祁亞東，姜翠蘭. GB50115-2009工業電視系統工程設計規范[S].北京：中國計劃出版社，2010.