含油污水處理系統分析及優化措施

大慶油田有限責任公司第九采油廠規劃設計研究所

大慶油田采油九廠已建含油污水處理站6 座，總處理能力13 100 m3/d，實際處理污水能力10 390 m3/d，平均運行負荷率為79.3%。為保證油田穩產，大規模壓裂等各類作業措施井增加，導致采出水的黏度增大、乳化嚴重，采出水在油水分離和懸浮物去除的難度上增加，污水處理工藝難以適應。“十三五”期間，該廠通過加大新技術應用力度，強化水質節點管理，優化運行參數，全力推進注水質量提升工作，含油污水綜合達標率穩步提升，由61.4%提升至94.4%。

1 污水深度處理工藝

污水深度處理工藝主要有以下三種：自然沉降—混凝沉降—兩級壓力過濾；溶氣氣浮—兩級過濾；溶氣氣浮—混合罐—高精濾過濾。詳見表1。

表1 大慶油田采油九廠含油污水深度處理站統計Tab.1 Statistics of oily sewage depth treatment stations in Daqing Oilffield No.9 Oil Production Plant

1.1 兩級沉降—兩級壓力過濾工藝

采出水黏度在0.74 mPa·s 左右；采出水中油Zeta 電位為-16.07～-37.35 mV；礦化度在3 000～6 000 mg/L，采出水呈堿性，pH 值平均在8.2 左右，粒徑中值為2.7～28.4 μm。隨著外圍油田的深入開發，為了滿足低滲透油層的注水水質要求，采油九廠2000 年開始建設采出水深度處理站，主要采用兩級沉降、兩級壓力過濾工藝。該工藝主要在龍一聯、新一聯應用。

1.1.1 兩級沉降工藝

（1）自然沉降罐。水中含油量在1～4 h時隨沉降時間延長呈下降趨勢，在4 h 后含油量無明顯變化趨勢；水中懸浮固體在1～2 h時隨沉降時間延長呈下降趨勢，在4 h后懸浮固體無明顯變化趨勢。自然沉降罐設計停留時間應為4 h。

（2）混凝沉降罐。含油量對加藥后絮凝體沉降效果有顯著影響。含油量＜100 mg/L 時，絮體下沉，水中懸浮絮體較小；含油量在100～300 mg/L時，絮體有上浮有下沉，水中懸浮絮體較多；含油量＞300 mg/L時，絮體上浮，水中懸浮絮體較少。

（3）絮凝劑。絮凝劑有兩大類，無機絮凝劑以聚合氯化鋁為主，有機絮凝劑主要為聚丙烯酰胺類，包括陽離子、陰離子、非離子以及共聚PAM。藥劑復配使用會增加絮凝劑的協同效應，改善單一藥劑的使用效果。藥劑篩選試驗表明陽離子聚丙烯酰胺效果好于陰離子、非離子和共聚PAM[1-2]，并且陽離子度越大效果越好。沉降工藝采用聚合氯化鋁、有機陽離子聚丙烯酰胺（相對分子質量1 000×104～1 200×104）加藥體系[3]。加藥濃度在19.6～35.2 mg/L，無機、有機絮凝劑加藥比為40∶1～60∶1。

（4）來水適應性。來水含油量在100～350 mg/L、懸浮物含量在50～100 mg/L 時，兩級沉降段出水含油量為20～86 mg/L、懸浮物含量為25～50 mg/L，兩級沉降出水水質不能穩定達到濾前水質“20.20”的指標；當來水含油量≤100 mg/L、懸浮物≤50 mg/L，油厚≤0.3 m、污泥厚≤0.5 m 時，兩級沉降出水含油量≤20 mg/L、懸浮物含量≤20 mg/L，能穩定達到濾前水質“20.20”的指標。壓裂返排液回收量占污水處理總量百分比1%～4%時，統計龍一聯檢測數據懸浮固體達標率91.7%，含油達標率97.9%。近3年龍一聯污水系統年回收壓裂返排液最高3.52×104m3，總來水量220.41×104m3，龍一聯回收壓裂返排液占總來水量比為1.6%，系統運行不足1年，過濾罐出現憋壓問題，過濾罐壓差為0.1 MPa；龍一聯2019 年回收壓裂返排液2.12×104m3，總來水量205.81×104m3，2019 年龍一聯回收壓裂返排液占總來水量比為1.0%，系統運行1年，過濾罐壓差為0.1 MPa。新一聯老污水系統總計接收壓裂返排液量2.49×104m3，壓裂返排液回收量占污水處理總量百分比最高達17.2%時，濾料污染、憋壓，出水水質無法實現穩定達標。

（5）沉降段運行效果分析。自然沉降罐含油去除率7.2%～23.9%，懸浮物去除率11.6%～19.0%；混凝沉降罐含油去除率9.3%～24.4%，懸浮物去除率2.0%～44.8%。沉降罐收油、清淤不及時易造成沉降系統去除率低，特別是混凝沉降罐長期不清淤，易造成加藥后形成的絮體無法有效分離、污水混層的問題，造成混凝沉降罐檢測出水水質比進水水質差的問題。

1.1.2 過濾工藝

采用兩級壓力過濾工藝，一級過濾主要采用核桃殼過濾罐，二級過濾采用雙層濾料過濾罐。

過濾主要以濾料表面截留作用為主。核桃殼過濾罐設計填料厚度1.4 m，均質濾料；雙層濾料過濾罐設計填料厚度1.15 m，采用不同規格墊料層，濾層厚度0.8 m。

（1）核桃殼過濾罐。過濾罐隨濾速增加納污量降低，濾速6 m/h 時納污量最大。濾速超過15 m/h時，反沖洗周期下降至19 h 以下；濾速為12 m/h時，反沖洗周期接近24 h，其納污量相對濾速15 m/h增加9.0%。從現場運行情況看，最佳設計濾速應為12 m/h。

（2）雙層濾料過濾罐。過濾罐隨濾速增加納污量降低，濾速4 m/h時納污量最大。濾速超過8 m/h時，反沖洗周期下降至19 h 以下；濾速為6 m/h時，反沖洗周期接近24 h，其納污量相對濾速8 m/h增加10.5%。從現場運行情況看，最佳設計濾速應為6 m/h。

（3）反沖洗方式優化。單一強度反沖洗以水流的剪切力為主。通過反沖洗機理研究，充分利用濾料間的摩擦力、濾料間的碰撞力和水流的剪切力的作用，開展變參數反沖洗現場試驗。現場試驗優選確定三梯次反沖洗運行參數：一階反沖洗強度采用7.5 L/(m2·s)，以摩擦力為主；二階反沖洗強度10 L/(m2·s)，以碰撞力為主；三階反沖洗強度14 L/(m2·s)，以水力剪切力為主。采用三階梯反沖洗技術后，相對單強度反沖洗核桃殼過濾罐懸浮固體去除率提高了18.3%，油去除率提高了10.7%；雙層濾料過濾罐懸浮固體去除率提高了32.4%，油去除率提高了15.3%。

（4）反沖洗周期優化。反沖洗周期主要受濾床納污量、過濾速度等因素影響。為方便管理，通過現場試驗歸納出過濾罐運行壓差控制原則：核桃殼過濾罐正常過濾壓差≤0.08 MPa（最高過濾壓差≤0.10 MPa），雙層濾料過濾罐正常過濾壓差≤0.06 MPa（最高過濾壓差≤0.10 MPa）。

1.1.3 工藝適應性評價

（1）普通含油污水。來水水質含油量≤100 mg/L、懸浮物含量≤50 mg/L 時，兩級沉降—兩級壓力過濾工藝能穩定達到“8.3.2”注入水水質，濾料更換周期3年。

（2）含壓裂返排液污水。自然沉降—混凝沉降—兩級壓力過濾工藝，接收壓裂返排液回收量占污水處理總量≤4%（體積分數）時，能保障污水系統出水水質穩定達標，壓裂返排液全年回收量占污水全年處理總量≤1%時，可保障污水系統濾料穩定運行1年。

1.2 溶氣氣浮—兩級壓力過濾工藝

1.2.1 溶氣氣浮工藝

為了適應含油污水水質的變化，大慶油田采油九廠2010 年應用了溶氣氣浮技術，取代射流氣浮和橫向流除油工藝。

隨著溶氣量增加、溶氣壓力變大，溶氣量和溶氣釋放效果均增強。溶氣氣浮裝置的溶氣壓力在0.2～0.3 MPa 時出水水質不穩定，溶氣壓力現場執行參數應不低于0.3 MPa[4-5]。

氣浮箱體內部出現乳白色的沸騰狀微小氣泡時，達到最佳運行狀態，現場參考氣水比為10%～12%[6]。

設計回流比為20%～30%，現場試驗20%、25%和30%三個回流比參數，隨著回流比升高，出水水質的懸浮固體和含油的去除率也相對較高。因此，在來水水質惡化、出站水質不穩定時，應提高氣浮的回流比參數以保障污水處理站出站水質的穩定。

通過對比相對分子質量500×104～600×104和1 000×104～1 200×104的有機陽離子絮凝劑的處理效果，500×104～600×104相對分子質量的絮凝劑相對1 000×104～1 200×104相對分子質量的絮凝劑除油率和除雜率分別提高了38.1 和11.8 個百分點。相對分子質量低，生成的絮體小，更易氣浮分離。氣浮工藝采用聚合氯化鋁、有機陽離子聚丙烯酰胺（相對分子質量500×104～600×104）加藥體系。加藥量在22.4～36.6 mg/L，無機、有機絮凝劑加藥比為10∶1～20∶1。

工藝對水量變化抗沖擊能力較差，前端應設計來水緩沖罐。可適應懸浮物含量≤120 mg/L、含油量≤150 mg/L 的來水水質，通過調整加藥量，保障氣浮出水達到“20.20”標準，含油去除率83.8%，懸浮物去除率85.8%。

1.2.2 工藝適應性評價

（1）普通含油污水。來水水質含油量≤150 mg/L、懸浮物濃度≤120 mg/L 時，溶氣氣浮—兩級壓力過濾工藝能穩定達到“8.3.2”注入水水質，濾料更換周期3年。

（2）含壓裂返排液污水。2017 年11 月新肇聯大量回收壓裂返排液，占處理量17.6%～38.5%，污水系統出水水質懸浮固體、含油均無法穩定達標，開罐檢查發現篩管堵塞、濾料污染問題突出。

1.3 溶氣氣浮—高精濾過濾工藝

1.3.1 高精濾工藝

氣、水反沖洗特點為“脈沖塌陷”氣洗和不（微）膨脹沖洗。高精濾過濾技術設計反洗水量占比為4%～5%，現場運行反洗水量占比均值3.9%（常規壓力過濾為12%～20%）。

高精濾采用納米鍍膜不定型復合濾料，材質為改性微孔陶瓷均質顆粒，孔隙率為73%～82%，抗剪切強度3.98 MPa，濾料填料高度即濾料的有效過濾厚度。過濾精度不僅受濾料顆粒直徑影響，也受過濾路徑影響。微孔陶瓷濾料因具有較高的過濾路徑，所以可采用較大的顆粒直徑。微孔陶瓷均質顆粒的直徑為1～3 mm，低于石英砂最小顆粒直徑0.5～0.8 mm，低于磁鐵礦顆粒直徑0.25～0.5 mm。

現場檢測納米鍍膜不定型復合濾料壓實時間為1.5 h，核桃殼濾料、雙層濾料壓實時間分別為1 h和1.5 h。

設計最高運行壓差為0.05 MPa，現場最高運行壓差可達0.30 MPa，而核桃殼濾料、雙層濾料現場檢測最高運行壓差分別為0.08 MPa和0.06 MPa。微孔陶瓷濾料深床過濾的特性使其能承受更高的運行壓差。

1.3.2 工藝適應性評價

與常規的兩級沉降—兩級過濾工藝相比，混合罐兼具混凝沉降和緩沖提升的作用，除油沉降段設計可減少一級工藝；高精濾濾料密度與水幾乎相同，有更深的過濾路徑，有效過濾層3.0 m，與常規壓力過濾有效過濾層幾十厘米相比，濾層的納污能力更高，設計過濾級數可由常規兩級過濾減少到一級過濾。

現場運行濾速10 m/h，檢測高精濾出水水質，懸浮物固體和含油量去除率分別為38.7%和54.0%，出水懸浮物固體含量均值1.9 mg/L，含油量均值2.3 mg/L，高精濾出水水質穩定達到“8.3.2”注入水水質指標要求。

新一聯污水系統回收處理壓裂返排液，來水含聚濃度87.86 mg/L，在相同進水水質的情況下，兩級沉降—兩級過濾工藝出水粒徑中值為2.7 μm，溶氣氣浮—高精濾過濾工藝出水粒徑中值為1.3 μm，氣浮—高精濾工藝有較高的過濾精度。

氣浮—高精濾工藝處理污水壓裂液占比3.3%～22.7%時，系統運行相對穩定，濾料不用化學清洗、不需更換，而兩級沉降—兩級過濾工藝無法保障出水水質，濾料污染問題較為嚴重。

壓裂返排液占處理液量大于10%時，高精濾出水水質綜合達標率為85%，壓裂返排液占處理液量小于10%時，高精濾出水水質綜合達標率為100%。

2 存在的主要問題

（1）大規模集中壓裂期，大量壓裂液無法全部處理、回注。

（2）污水系統老化嚴重。采油九廠3 座污水處理站運行時間均在15 年以上，沉降罐附件及工藝管線腐蝕老化，如水箱腐蝕滲漏，罐壁出現砂眼等。近5 年來，管線穿孔65 處，罐壁砂眼113 處，閥門滲漏35處，增加了日常管理難度。

（3）沉降罐液位不易控制。由于沉降罐出水調節堰在系統投運穩定后很少再動用，檢查各站都存在調節堰銹死問題。收油現場依靠調節沉降罐進出口閥門控制沉降罐液位，沉降罐液位不易控制，造成收油難度大的問題。

（4）溶氣氣浮裝置采用機械曝氣，易造成氣泵結垢、泵軸腐蝕損壞。通過垢樣檢測分析，包括二氧化碳、重質油、化合水以及少量的硫、氟、氯等，剩余物質中鈣、鎂垢類含量較多。

（5）出站水質在輸送過程中存在二次污染問題，導致注水井井口水質超標。

3 解決措施

（1）完善加藥工藝。大規模壓裂時，來水含油乳化嚴重，僅靠調整絮凝劑加藥量無法保障出站水質穩定達標，需要在系統內投加反相破乳劑[7-8]，以有效改善油包水或水包油乳液的界面張力，使污水內的膠體顆粒脫穩，通過進一步的化學橋鏈使油水及雜質分離。現有常規處理工藝，設計上沒有考慮反相破乳劑的投加工藝，建議考慮增加反相破乳劑的加藥流程。

（2）微孔陶瓷均質濾料與核桃殼濾料、石英砂、磁鐵礦濾料相比雜質去除率更高，過濾精度更高（0.1～1.0 μm），無需化學清洗，濾料再生能力更強，將在杏西聯污水站進一步加大新技術的應用力度。同時，選擇壓裂返排液污水回注區塊，壓裂返排液經處理后達到“20.20”標準進行回注。根據開發預測，針對已建壓裂返排液處理站處理能力和污水處理站接收能力不足，已建壓裂返排液處理站冬季無法正常運行的問題，選擇砂體發育零散、連通差，注水開發已進入特高含水期，常規注水調整難以改善開發效果的區塊回注壓裂返排液。采油九廠在北部油田塔3、塔20 區塊以及新站油田的4口回注井建設集中處理回注工藝。

（3）更換沉降罐附件。利用老區改造及生產維修項目，對腐蝕、老化嚴重的水箱、布水器、出水調節堰等附件進行更換和修復。

（4）液位連鎖控制保障沉降罐收油液位。建議沉降罐出口安裝電動控制閥，用沉降罐液位來控制出口閥門的開度，使沉降罐液位始終保持在收油槽上部，實現連續收油。

（5）定期拆卸清洗溶氣泵，一般清洗周期為1～4 個月；投加阻垢劑，配套建設加藥裝置、加藥管線；采用鼓風機曝氣技術替代機械曝氣技術，加氣點由回流泵前改為回流泵后。

4 結束語

為實現“十四五”期間含油污水綜合達標率穩步提升，應強化“上游”，實現油系統平穩供水，油系統來水水質控制在含油量≤100 mg/L、懸浮物濃度≤50 mg/L；優化“中游”，優化加藥制度、反沖洗制度、完善污水站“一站一方案”制度，保障污水站出站水質；控制“下游”，加強注水罐清淤工作，以及每年春秋兩季兩次對注水管線進行沖洗，降低水質二次污染。