克深氣田含汞污水處理工藝改造及效果

董林林

中油遼河工程有限公司環(huán)境工程所

克拉蘇氣田克深區(qū)塊位于塔里木盆地庫車坳陷克拉蘇構(gòu)造帶克深段，克深天然氣處理廠設(shè)計天然氣處理能力為60×108m3/a，處理廠生產(chǎn)污水主要包括集氣裝置、凝析油處理裝置、乙二醇再生及注醇裝置分離出的氣田污水。利用當(dāng)?shù)貧夂蚝铜h(huán)境特點，氣田污水經(jīng)過混凝沉降罐處理后轉(zhuǎn)輸至污水蒸發(fā)池進行蒸發(fā)處理。隨著克深氣田的不斷開發(fā)，天然氣將地層中的汞攜帶出來，并且天然氣中的汞含量隨著產(chǎn)層深度的增加而逐漸增加[1]，導(dǎo)致氣田污水中的汞含量逐漸升高。經(jīng)測定，克深區(qū)塊氣田污水中總汞濃度達到0.5～4 mg/L，遠超出國家污水綜合排放標(biāo)準(zhǔn)（0.05 mg/L），現(xiàn)有的“混凝沉降+蒸發(fā)”處理工藝無法對汞進行有效去除，不但對操作人員的健康構(gòu)成嚴(yán)重威脅，而且對周圍的大氣、土壤和地下水造成不同程度的污染，因此有必要對現(xiàn)有的處理工藝進行改造，進而為氣田含汞污水的處理提供工程借鑒。

1 工程現(xiàn)狀及存在的問題

克深天然氣處理廠的氣田污水采用的處理工藝是“混凝沉降+蒸發(fā)”，設(shè)計出水指標(biāo)為含油質(zhì)量濃度≤100 mg/L、懸浮物質(zhì)量濃度≤100 mg/L，工藝流程見圖1。氣田污水首先利用重力排入2 座50 m3臥式零位罐，之后經(jīng)泵提升進入2 座1 000 m3混凝沉降罐，混凝沉降罐出水經(jīng)泵提升后排至站外1.5 km 處的污水蒸發(fā)池（有效容積86 400 m3）?；炷两倒捱M水分別投加破乳劑和絮凝劑，以提高油和懸浮物的去除效果?；炷两倒揄敳慨a(chǎn)生的浮油經(jīng)收油槽收集后自流進入1 座30 m3臥式收油罐，之后經(jīng)泵提升至凝析油處理裝置進行回收處理；混凝沉降罐底部產(chǎn)生的污泥通過定期清罐并外運處理。

圖1 已建克深氣田污水處理流程Fig.1 Existing sewage treatment process in Keshen Gas Field

克深氣田污水處理工藝的主要功能是去除污水中的油和懸浮物，對汞的去除作用非常有限，加之整個流程不密閉，混凝沉降罐、臥式零位罐和臥式收油罐的頂部呼吸閥直接與大氣連通，而蒸發(fā)池中的污水完全暴露在空氣中，增加了汞向周圍環(huán)境的揮發(fā)和遷移。2座混凝沉降罐未設(shè)置污泥回收和處理流程，污泥的排出僅依靠定期清罐和人工排泥，不但清罐過程會導(dǎo)致汞的散逸，而且未經(jīng)濃縮的污泥含水率較高，造成污泥后續(xù)處理費用的增加。

2 含汞污水處理工藝改造

含汞污水處理工藝改造的主要內(nèi)容是在保證流程密閉的前提下將污水中的汞、油和懸浮物等指標(biāo)處理合格，同時增加污泥回收和處理系統(tǒng)，以滿足職業(yè)衛(wèi)生和清潔生產(chǎn)的要求。

2.1 工藝參數(shù)

2.1.1 設(shè)計規(guī)模

根據(jù)地質(zhì)部門提供的克深區(qū)塊總體開發(fā)指標(biāo)預(yù)測，未來10 年最大產(chǎn)水量出現(xiàn)在2026 年，為17.33×104m3/a（516.97 m3/d，年運行330 天），因此，含汞污水處理系統(tǒng)設(shè)計規(guī)模確定為500 m3/d，設(shè)計計算水量為25 m3/h。

2.1.2 設(shè)計進出水水質(zhì)指標(biāo)

根據(jù)克深氣田污水水質(zhì)實測情況，同時考慮未來隨著單井產(chǎn)水量的變化導(dǎo)致水質(zhì)波動，以及氣田污水處理系統(tǒng)的建設(shè)成本，按照現(xiàn)行規(guī)范和地質(zhì)部門要求，分別確定氣田污水各項水質(zhì)指標(biāo)（表1）。目前，由于國內(nèi)缺少氣田污水中汞形態(tài)的預(yù)處理分離標(biāo)準(zhǔn)及檢測標(biāo)準(zhǔn)，無法規(guī)范指導(dǎo)不同汞形態(tài)的定量分析[2]，因此，本工程采用總汞作為設(shè)計指標(biāo)。

表1 設(shè)計進出水水質(zhì)指標(biāo)Tab.1 Design quality indicators for inlet and outlet water

2.2 工藝流程改造

為了實現(xiàn)將氣田污水中的汞、懸浮物、含油、粒徑中值等各項水質(zhì)指標(biāo)處理合格，確保工藝流程的可靠性、經(jīng)濟性和適用性，同時滿足職業(yè)衛(wèi)生和清潔生產(chǎn)的各項要求，從以下幾個方面對現(xiàn)有工藝流程進行改造。

2.2.1 汞的轉(zhuǎn)化及去除

根據(jù)出水水質(zhì)指標(biāo)要求，氣田污水處理系統(tǒng)在去除汞的同時還要去除水中的油和懸浮物，由于本工程為改造工程，因此汞的去除工藝應(yīng)與現(xiàn)有污水處理工藝充分結(jié)合并相互適應(yīng)。在對國內(nèi)外除汞工藝的優(yōu)缺點和適用性進行比較后，結(jié)合已建混凝沉降罐的功能和特點，除汞工藝擬采用絮凝沉淀法和硫化物沉淀法，硫化物沉淀法是目前國內(nèi)外常用的污水除汞方法[3]。即通過絮凝和沉淀反應(yīng)將游離狀態(tài)的汞轉(zhuǎn)化為懸浮物和沉淀，進而隨著浮渣和底泥從系統(tǒng)中排出，污泥經(jīng)脫水后送至第三方進行無害化處理。由于沉降罐對油的去除作用有限，因此，在沉降罐之后增加噴射氣浮裝置，可以在去除油的同時去除含汞懸浮物。硫化物沉淀法的缺點是處理后汞的濃度仍然較高（10～20 μg/L）[4]，為了進一步去除剩余汞，保障出水汞的指標(biāo)達標(biāo)，在噴射氣浮裝置之后設(shè)置活性炭吸附裝置。考慮到改性活性炭（載硫/載銀活性炭）成本較低，且再生方便，因此采用載硫活性炭作為吸附劑[5]。

2.2.2 混凝沉降罐改造

本工程設(shè)計規(guī)模為500 m3/d，已建2 座500 m3混凝沉降罐為并聯(lián)運行，停留時間大于30 h，遠遠超出規(guī)范要求（2～3 h），因此擬將其中1座混凝沉降罐改造為緩沖沉降罐，2座沉降罐由并聯(lián)運行改為串聯(lián)運行。由于已建混凝沉降罐無內(nèi)部結(jié)構(gòu)，來水與藥劑的混凝反應(yīng)條件不佳，并且進出水存在短流現(xiàn)象，因此擬對混凝沉降罐內(nèi)部結(jié)構(gòu)進行改造。在軸心設(shè)置中心反應(yīng)筒，并且進水管由反應(yīng)筒底部切向接入，確保來水與藥劑反應(yīng)充分并與絮體有效聚集，同時上部設(shè)置配水喇叭口，下部設(shè)置集水喇叭口，實現(xiàn)均勻配水和集水。為了保證底部污泥能及時排出，擬在2座沉降罐底部安裝刮吸泥機，刮吸泥臂由罐外傳動裝置驅(qū)動作圓周運動，刮吸泥臂上設(shè)吸泥口，污泥在刮泥板的攪動下通過液位差壓入吸泥口，然后通過排泥管線排至罐外。改造后的混凝沉降罐內(nèi)部結(jié)構(gòu)見圖2。

圖2 改造后的混凝沉降罐內(nèi)部結(jié)構(gòu)Fig.2 Internal structure of the coaguiation sedimentation tank after transformation

2.2.3 處理合格的污水回注

由于氣田污水所含污染物成分復(fù)雜，水質(zhì)波動大，即使將汞、含油和懸浮物的指標(biāo)處理合格，后續(xù)的蒸發(fā)處理不但會產(chǎn)生VOCs，而且蒸發(fā)產(chǎn)生的底泥仍然存在污染環(huán)境的風(fēng)險。因此，將處理合格后的污水回注至與其配伍性較好的地層，不但可以補充地層壓力，提高油氣采出程度，而且可以降低環(huán)境污染的風(fēng)險。為了保障注入水的粒徑中值指標(biāo)合格，在活性炭吸附裝置之后設(shè)置雙濾料過濾器，濾料采用金剛砂和石英砂。

2.2.4 流程密閉及氣體處理

由于汞具有較強的揮發(fā)性，為了防止汞隨著氣體排入大氣污染環(huán)境，整個污水處理流程應(yīng)實現(xiàn)密閉，因此需要將所有容器和構(gòu)筑物排出的氣體進行統(tǒng)一收集，并將汞處理合格后方可排入大氣。由于常壓儲罐內(nèi)壁承受的氣壓隨著液位的變化而變化，為了防止氣體收集系統(tǒng)將罐內(nèi)抽成負壓而導(dǎo)致儲罐變形，需要向儲罐內(nèi)部補充氮氣。固定頂常壓儲罐內(nèi)壁能承受的最大正壓和最大負壓分別是2.0 kPa和0.25 kPa[6]，因此將罐內(nèi)氣壓值分別與補氣閥和排氣閥進行連鎖，當(dāng)罐內(nèi)氣壓降低到0.2 kPa 時，開啟補氣閥向罐內(nèi)補氮氣；當(dāng)罐內(nèi)壓力升高到0.5 kPa 時，關(guān)閉補氣閥。當(dāng)罐內(nèi)壓力繼續(xù)升高到1.5 kPa 時，聯(lián)鎖開啟排氣閥，罐內(nèi)氣體經(jīng)引風(fēng)機輸送到氣體處理裝置，如果出現(xiàn)超壓的情況，則罐頂?shù)陌踩y動作。氣體中的汞采用載硫活性炭進行吸附去除，吸附劑可以再生，處理后氣體中汞的濃度應(yīng)滿足《大氣污染物排放標(biāo)準(zhǔn)》（0.015 mg/m3）。

2.2.5 污泥收集及脫水

本工程污泥的來源主要為2 座沉降罐的罐底泥、噴射氣浮裝置產(chǎn)生的浮渣。由于污水中的汞通過絮凝和沉淀的方式轉(zhuǎn)移到了污泥中，為了防止污泥中的汞再次返回水中，需要將污泥及時排出系統(tǒng)。利用沉降罐底部設(shè)置的刮吸泥機將污泥通過排泥管線排至新建的污泥收集池。噴射氣浮裝置頂部的浮渣通過重力直接流入污泥收集池，之后污泥經(jīng)泵提升至污泥濃縮池，經(jīng)濃縮后的污泥進入疊螺脫水機，脫水后的污泥裝車?yán)摺Ｓ捎诠谖勰嘀械臐舛冗h大于在污水中的濃度，因此整個污泥脫水系統(tǒng)也需要密閉，同時為了提高自動化程度，盡可能降低污泥在裝車過程中對操作人員的健康產(chǎn)生危害，疊螺脫水機固相出口設(shè)置自動包裝機，可實現(xiàn)脫水污泥的自動封口包裝。

2.3 主工藝流程

通過將除汞工藝與傳統(tǒng)的除油、除懸浮物工藝相結(jié)合，在充分利用已建設(shè)施的基礎(chǔ)上，對克深氣田污水處理系統(tǒng)進行改造，主工藝流程采用“混凝沉降—噴射氣浮—活性炭吸附—雙濾料過濾”，處理合格后的氣田污水用于生產(chǎn)注水，各構(gòu)筑物排出的氣體經(jīng)處理合格后排放大氣，系統(tǒng)產(chǎn)生的污泥經(jīng)脫水后自動密封裝袋并由第三方拉走進行無害化處理。改造后的工藝流程如圖3所示。

圖3 改造后的克深氣田污水處理工藝流程Fig.3 Transformed sewage treatment process in Keshen Gas Field

3 投產(chǎn)及運行效果

3.1 投產(chǎn)概況

克深氣田含汞污水處理系統(tǒng)改造工程于2017年9月開工建設(shè)，2018年10月竣工，2019年3月20日正式投產(chǎn)運行。投產(chǎn)初期由于氣田污水量較少，運行規(guī)模為200～300 m3/d，每天產(chǎn)生含水率99.3%的污泥為45～50 m3。

3.2 分段運行效果

經(jīng)過一段時間的運行，當(dāng)來水水質(zhì)穩(wěn)定時，測定各污水處理單元出水水質(zhì)指標(biāo)（表2），含油去除率大于96%，懸浮物去除率大于93%，總汞去除率大于99%，檢測氣體除汞裝置出口處的汞含量為0.007 mg/m3，滿足《大氣污染物排放標(biāo)準(zhǔn)》（0.015 mg/m3）。改造后的污水處理系統(tǒng)出水水質(zhì)達標(biāo)，總體運行效果良好。

表2 各污水處理單元分段水質(zhì)指標(biāo)Tab.2 Sectional water quality indicators of each sewage treatment unit

3.3 污泥中的汞含量

污水中的汞通過絮凝和沉淀的方式轉(zhuǎn)移到污泥中，因此污泥中的汞含量遠高于污水中的汞含量，分別測定脫水前和脫水后污泥中的汞含量，以及將不同含水率的污泥轉(zhuǎn)換為絕干污泥時的汞含量，檢測數(shù)據(jù)見表3。結(jié)果表明，在常溫環(huán)境下，含水率的降低基本不會引起汞的析出。有研究表明，在100～200 ℃干化時，污泥中的汞含量隨干化溫度的升高呈現(xiàn)出緩慢降低的趨勢；當(dāng)干化溫度大于200～300 ℃時，汞從污泥中大量析出[7]。污泥中汞的形態(tài)主要以Hg0存在，其次是無機汞和微量的甲基汞，且各形態(tài)的汞較為穩(wěn)定，幾乎不發(fā)生轉(zhuǎn)化[8]。

表3 污泥中的汞含量Tab.3 Mercury content in sludge

3.4 操作成本

本工程操作成本主要由藥劑成本、濾料更換成本、水電消耗、污泥拉運及處理等構(gòu)成，詳細成本構(gòu)成見表4。經(jīng)測算，改造后的克深氣田污水處理系統(tǒng)處理單位體積污水的操作成本為7.84元/m3，其中耗電和油泥處理費用占比最高，分別達到了31.6%和51%。

表4 氣田污水處理系統(tǒng)操作成本構(gòu)成Tab.4 Operation cost composition of gas field sewage treatment system

4 結(jié)論

（1）克深氣田污水采用“混凝沉降+蒸發(fā)”處理工藝不但對汞的去除作用非常有限，而且還存在流程不密閉、無污泥收集與脫水系統(tǒng)、處理后污水直接蒸發(fā)會導(dǎo)致污染環(huán)境等問題，無法滿足職業(yè)衛(wèi)生和清潔生產(chǎn)的要求，因此，亟需對污水處理工藝進行改造。

（2）汞的去除工藝采用絮凝沉淀法和硫化物沉淀法，即通過絮凝和沉淀反應(yīng)將游離狀態(tài)的汞轉(zhuǎn)化為懸浮物和沉淀，進而隨著浮渣和底泥從系統(tǒng)中排出，同時增加載硫活性炭作為保障措施。

（3）分別從除汞工藝選擇，沉降罐并聯(lián)改串聯(lián)，混凝沉降罐增加內(nèi)部結(jié)構(gòu)，新建污泥收集、脫水及封裝系統(tǒng)，流程密閉后氣體達標(biāo)排放等方面對已建工藝流程進行改造，改造后的工藝流程為“混凝沉降—噴射氣浮—活性炭吸附—雙濾料過濾”。

（4）工程投產(chǎn)后的回注污水和排放氣體等各項指標(biāo)均達到了設(shè)計要求，脫水后的污泥交由第三方進行無害化處理，經(jīng)測算，污水操作成本為7.84 元/m3，不但實現(xiàn)了對氣田污水中汞的有效去除，而且經(jīng)處理合格后的污水可以用于生產(chǎn)注水。

（5）隨著開采井?dāng)?shù)的增加以及產(chǎn)層深度的變化，采出水的水質(zhì)會出現(xiàn)波動，為了增加污水處理系統(tǒng)的抗沖擊性，保留了2 座沉降罐的并聯(lián)流程，即可串可并，以及在流程適當(dāng)位置預(yù)留了加藥點，既可以提高系統(tǒng)的靈活性，也可以為將來開展科研試驗提供條件。