橇裝除硫裝置處理零散區(qū)塊油田含硫采出水試驗(yàn)研究

王慶吉

大慶油田工程有限公司

目前在工業(yè)領(lǐng)域應(yīng)用的污水除硫技術(shù)大致有化學(xué)氧化劑、空氣氧化、催化氧化、氣提、化學(xué)沉淀、微生物等污水除硫化物技術(shù)[1-2]。這些技術(shù)在各工業(yè)領(lǐng)域發(fā)揮了一定作用，解決了企業(yè)的燃眉之急，但也存在著不足之處[3]。在某油田零散區(qū)塊利用采出水橇裝除硫裝置進(jìn)行了曝氣除硫、氧化塔除硫及微生物除硫的現(xiàn)場效果對比試驗(yàn)，確定了最優(yōu)的橇裝除硫技術(shù)及最佳運(yùn)行參數(shù)。

1 橇裝曝氣除硫裝置試驗(yàn)

1.1 試驗(yàn)原理及參數(shù)

曝氣是指水與氣體接觸，將空氣中的氧強(qiáng)制向液體中轉(zhuǎn)移的過程，其目的是獲得足夠的溶解氧，利用空氣中氧的氧化作用，將水中存在的二價(jià)硫等還原性物質(zhì)氧化成為非溶解性顆粒物質(zhì)，同時(shí)能將水中硫化氫吹脫出去。曝氣除硫作為一種簡單且有效的除硫方式已在油田某聯(lián)合站生產(chǎn)運(yùn)用[3-4]，但該技術(shù)因其停留時(shí)間較長，導(dǎo)致構(gòu)筑物體積較大，很難將其運(yùn)用在一體化橇裝裝置上；因此，需要對其曝氣釋放頭布置、停留時(shí)間、曝氣氣水比等進(jìn)行優(yōu)化，以適應(yīng)零散小區(qū)塊油田的開發(fā)需要。氣水比為工況條件下的氣體流量與來水流量之比，試驗(yàn)氣體流量為6.5 m水頭壓力下而非標(biāo)況下的體積流量。試驗(yàn)考察了曝氣停留時(shí)間為4 h時(shí)的不同氣水比的硫化物去除效果。橇裝曝氣除硫裝置設(shè)計(jì)效果見圖1。

圖1 橇裝曝氣除硫裝置Fig.1 Skid mounted package units of aeration and desulphurization device

1.2 試驗(yàn)結(jié)果及分析

裝置處理量為10 m3/h，曝氣沉降罐的有效停留時(shí)間為4 h（體積40 m3），為驗(yàn)證曝氣強(qiáng)度擬補(bǔ)曝氣時(shí)間的可行性，試驗(yàn)考察了不同曝氣強(qiáng)度對硫化物的去除效果，試驗(yàn)結(jié)果見圖2。

圖2 不同氣水比曝氣除硫試驗(yàn)效果曲線Fig.2 Experimental result curve of desulfurization by aeration with different gas-water ratios

由圖2可知，隨著曝氣氣水比的增加，硫化物的整體去除效果變好。氣水比在5∶1～20∶1之間，出水平均值都可以達(dá)到《碎屑巖油藏注水水質(zhì)指標(biāo)及分析方法》（SY/T 5329—2012）規(guī)定的“硫化物質(zhì)量濃度小于2 mg/L”的輔助注水指標(biāo)要求；但氣水比在5∶1時(shí)，曝氣后的硫化物質(zhì)量濃度已出現(xiàn)大于2 mg/L的情況。因此，當(dāng)來水硫化物質(zhì)量濃度在30 mg/L左右、曝氣時(shí)間為4 h時(shí)，為保證出水穩(wěn)定達(dá)標(biāo)，曝氣氣水比最低限為7∶1［工況條件下的氣體流量，此時(shí)曝氣強(qiáng)度為21 m3/（m2·h），來水硫化物為40 mg/L以下］。

2 橇裝氧化塔除硫裝置試驗(yàn)

2.1 試驗(yàn)原理及參數(shù)

采用特殊的微納米氣泡發(fā)生技術(shù)，使空氣在污水中形成納米級的氣泡。含納米氣泡的污水在一定溫度和壓力下通過高活性的特殊固體填料床[5]，在填料的分散、催化等作用下，污水中的還原性物質(zhì)與微細(xì)氣泡中的氧迅速反應(yīng)（圖3、圖4）。二次反應(yīng)器（污水穩(wěn)定罐）實(shí)際上是1個(gè)沉降罐，可用生產(chǎn)站中原有的沉降罐代替，其主要作用是釋放多余的氣泡，消耗污水中的溶解氧以達(dá)到注水的控制標(biāo)準(zhǔn)[6-7]。另外，釋放多余的納米氣泡可起到除油等凈化污水的作用。工作溫度：35～40℃；出水溶解氧：0.05 mg/L以下；工作壓力：0～0.8 MPa，試驗(yàn)停留時(shí)間：10～45 min；裝置用氣量（0℃，101.325 k Pa）：0.67 m3/min（在實(shí)際操作中由現(xiàn)場來水水質(zhì)確定）。

圖3 橇裝氧化塔試驗(yàn)流程Fig.3 Test flow chart of skid mounted oxidation tower

圖4 氧化塔現(xiàn)場實(shí)物Fig.4 Actual scene of oxidation tower

2.2 試驗(yàn)結(jié)果及分析

改變試驗(yàn)來水處理量，考察不同停留反應(yīng)時(shí)間對硫化物的去除效果（表1）。

現(xiàn)場試驗(yàn)結(jié)果表明，氧化塔具有較高的硫化物去除能力，當(dāng)來水硫化物質(zhì)量濃度為28.8 mg/L、停留時(shí)間為20 min時(shí)，出水硫化物質(zhì)量濃度可達(dá)到2 mg/L以下，當(dāng)停留時(shí)間（45 min）足夠長時(shí)，硫化物質(zhì)量濃度可由來水的30.7 mg/L降至0.73 mg/L。

表1 氧化塔硫化物去除效果Tab.1 Sulfide removal effect of oxidation tower

3 橇裝微生物除硫裝置試驗(yàn)

3.1 試驗(yàn)原理及參數(shù)

該裝置由微生物預(yù)處理橇及微生物處理橇兩部分組成。生物池內(nèi)安裝的陶瓷微孔曝氣器，通過曝氣風(fēng)機(jī)可產(chǎn)生大量微小氣泡，微小氣泡在水中停留時(shí)間長，為微生物菌群的生長提供充足的氧氣，同時(shí)微孔曝氣盤釋放出的氧氣在池內(nèi)將水中的硫化氫氧化為單質(zhì)硫[8-9]。另外，在微生物生長代謝過程中，也會去除水中的部分硫化氫，在這些因素的共同作用下達(dá)到去除水中硫化氫的目的[10]。橇裝微生物處理裝置見圖5。裝置處理量為10 m3/h，微生物預(yù)處理裝置尺寸為8 500 mm×2 400 mm×2 900 mm，微生物處理裝置尺寸為8 000 mm×2 400 mm×2 900 mm，總停留時(shí)間為12 h。

3.2 試驗(yàn)結(jié)果及分析

在橇裝微生物處理裝置中投加前期室內(nèi)實(shí)驗(yàn)篩選出的針對含硫采出水的高效破乳菌種，完成菌種現(xiàn)場馴化，掛膜完成待出水平穩(wěn)后進(jìn)行了裝置的進(jìn)出口除硫效果監(jiān)測（圖6）。

圖5 橇裝微生物處理裝置Fig.5 Skid mounted package units of microbial treatment device

圖6 橇裝微生物處理裝置的除硫效果Fig.6 Desulphurization effect of skid mounted microbial treatment device

現(xiàn)場試驗(yàn)結(jié)果表明，當(dāng)來水硫化物質(zhì)量濃度小于32.5 mg/L時(shí)，經(jīng)“微生物預(yù)處理裝置→微生物處理裝置”流程（停留時(shí)間12 h）處理后，最終出水硫化物質(zhì)量濃度小于1.19 mg/L，平均值為0.94 mg/L，達(dá)到預(yù)期出水指標(biāo)。

4 經(jīng)濟(jì)性分析

4.1 工程投資費(fèi)用

處理規(guī)模為10 m3/h的橇裝曝氣除硫裝置工程費(fèi)用是41.24萬元，相同處理規(guī)模的脫硫氧化塔裝置工程費(fèi)用為47.5萬元，相較于曝氣除硫裝置投資提高15.2℅；同樣處理規(guī)模的橇裝微生物處理裝置的工程費(fèi)用為92萬元，約為曝氣除硫裝置工程費(fèi)用的2倍，因體積較大而價(jià)格相對昂貴。

4.2 運(yùn)行費(fèi)用

脫硫氧化塔裝置的用電負(fù)荷為8 k W，略低于曝氣除硫裝置的11.96 k W，但有時(shí)需視水質(zhì)情況投加一定量的藥劑，并且設(shè)備維修維護(hù)費(fèi)用相對較貴；所以，其總體運(yùn)行費(fèi)用略高于曝氣除硫裝置。橇裝微生物處理裝置的用電負(fù)荷為19 kW，高于脫硫氧化塔裝置和曝氣除硫裝置。

5 結(jié)論

（1）三種除硫技術(shù)都能達(dá)到有效除硫的目的，在來水硫化物質(zhì)量濃度小于44 mg/L時(shí)，最終出水硫化物質(zhì)量濃度基本穩(wěn)定在2 mg/L以下。除硫氧化塔的停留時(shí)間最短，只有20 min，曝氣除硫的停留時(shí)間為4 h，微生物除硫的停留時(shí)間最長，高達(dá)12 h；較短的停留時(shí)間更利于裝置的橇裝一體化設(shè)計(jì)，也更利于實(shí)現(xiàn)移動(dòng)搬遷和重復(fù)利用。從三種除硫技術(shù)的投資及運(yùn)行費(fèi)用對比分析上看，橇裝曝氣除硫技術(shù)相對于其他兩種方式占有一定優(yōu)勢。

（2）曝氣除硫和微生物除硫已有在油田站場工業(yè)化應(yīng)用的經(jīng)驗(yàn)，其設(shè)備操作維護(hù)相對簡單[11-12]，綜合考慮處理效果、經(jīng)濟(jì)效益、工藝成熟穩(wěn)定性及橇裝可行性等各方面因素，推薦零散小區(qū)塊采用橇裝曝氣技術(shù)進(jìn)行有效除硫。氧化塔除硫技術(shù)雖缺乏在油田含硫采出水中的實(shí)際應(yīng)用經(jīng)驗(yàn)且設(shè)備操作維護(hù)相對復(fù)雜，但因其設(shè)備高效且停留時(shí)間較短，故在采出水橇裝設(shè)計(jì)中具有較為廣闊的應(yīng)用前景；而對于其較大規(guī)模站場的工業(yè)化應(yīng)用效果及穩(wěn)定性卻有待于進(jìn)一步驗(yàn)證。