已建三元污水站濾前水常規處理和外輸水深度處理現場試驗研究

單紅曼

大慶油田設計院有限公司

目前大慶油田已經進入高含水期后[1]，三元復合驅驅油技術較水驅可提高原油采收率20%以上[2]，是大慶油田穩產的重大技術措施之一。三元復合驅驅油技術在大幅度提高原油采收率的同時，也產生了大量難以治理的三元采出水[3-5]，化學驅采出水中乳化程度最高、處理難度最大的目前當屬三元采出水。三元采出水處理難度大主要體現在：油珠初始粒徑小和污水黏度大；油珠碰撞后難以聚并；靜電斥力高和油水界面張力低；懸浮固體初始粒徑小，宜過飽和析出。三元采出水回注目前執行大慶油田含聚合物注水水質指標[6]，常規處理指滿足含聚污水高滲透層（注入層滲透率＞0.6 μm2）回注水質指標，即處理后含油濃度≤20 mg/L、懸浮固體濃度≤20 mg/L，懸浮固體粒徑中值≤5 μm。深度處理指滿足含聚污水低滲透層（注入層滲透率＜0.1 μm2）回注水質指標，即處理后含油濃度≤5 mg/L、懸浮固體濃度≤5 mg/L，懸浮固體粒徑中值≤2 μm。

“十二五”初至“十三五”末，大慶油田已建三元污水處理站基本都采用“序批式沉降+兩級雙層濾料過濾”處理工藝[7-8]。在設計三元污水處理站時，濾前水水質控制指標一般執行含油濃度≤100 mg/L、懸浮固體濃度≤50 mg/L，此水質控制指標主要為經驗值，設定比較寬泛且沒有實際試驗數據支撐。通過現場試驗研究，考察三元采出水濾前水水質對于最終常規達標處理效果的影響，可為今后新建三元污水處理站沉降段出水水質控制指標提供參考，且在三元污水處理站外輸水水質不達標時，對判斷工藝中各單體構筑物的處理效能診斷分析提供依據。

此外，隨著大慶油田化學驅驅油的大面積開發應用[9]，深度水需求量大幅度增加，對水質要求更加嚴格[10]。目前三元采出水在深度處理領域方面還處于空白狀態，通過現場試驗，在已建三元污水處理站常規處理水質達標的基礎上，探索深度處理工藝技術，可填補三元采出水深度處理領域的空白，為實現三元采出水的自身循環、自身利用，三元采出水回注自身區塊這一總體目標提供技術支持。

1 材料與方法

1.1 試驗水質

試驗原水分別來源于大慶油田某強堿三元污水處理站濾前水及外輸水，試驗期間水質分析如表1、表2所示。

表1 濾前水水質分析Tab.1 Quality analysis of pre-filtration water

表2 外輸水水質分析Tab.2 Quality analysis of external water

1.2 試驗流程及技術參數

1.2.1 常規達標處理

針對已建站濾前水采用和已建站過濾段相同工藝及濾料級配，即“濾前水→一級石英砂-磁鐵礦雙層濾料過濾罐→二級海綠石-磁鐵礦雙層濾料過濾罐→出水”（圖1），探索不同水質的濾前水最終出水是否滿足大慶油田含聚污水高滲透層回注水指標的要求。其中一級試驗過濾罐濾速6 m/h，二級試驗過濾罐濾速4 m/h，反洗周期48 h。

圖1 已建站濾前水常規處理工藝流程示意圖Fig.1 Schematic diagram of conventional treatment process of pre-filtration water in the established station

1.2.2 深度達標處理

針對已建站外輸水，采用工藝流程為“外輸水→旋流氣浮→一級石英砂-磁鐵礦雙層濾料過濾罐→二級海綠石-磁鐵礦雙層濾料過濾罐→出水”（圖2），探索已建站外輸水經過該套工藝流程處理后最終出水水質滿足大慶油田含聚污水低滲透層回注水指標時的技術界限。其中旋流氣浮裝置水力停留時間20 min，旋流起點壓力0.6 MPa，終點釋放壓力0.2 MPa；一級過濾濾速6 m/h、二濾過濾濾速4 m/h，反洗周期48 h。

圖2 已建站外輸水深度處理工藝流程示意圖Fig.2 Schematic diagram of the advanced treatment process of the external water in the established station

旋流氣浮裝置采用漩渦差速三相混合器全溶氣氣浮，不同于傳統的利用溶氣泵的回流加壓氣浮，省略了氣液回流混合泵、溶氣罐和緩慢低效的氣泡附著過程。空氣由氣泵加壓后，通過進氣電磁閥定時將空氣與進水混合，經過4～6 組多級漩渦差速三相混合器，逐級減壓后進入氣浮裝置內。加壓空氣與來水在多級漩渦差速三相混合器中完成高壓空氣溶解、污染物捕捉、帶氣微粒形成等所有步驟。主要技術特點為：全溶氣氣浮，無回流比，因此水力停留時間不受回流量影響，同時產生的微氣泡數量大；采用多級漩渦差速三相混合器，高壓旋流狀態下氣泡在狹小的空間快速釋放并和來水充分接觸和混合，同時產生的微氣泡直徑小，依據氣泡附著理論，可以去除更加細微的和水體密度接近的污染粒子。旋流氣浮溶氣原理及結構如圖3所示。

圖3 旋流氣浮裝置溶氣原理及結構示意圖Fig.3 Dissolving principle and structure schematic diagram of cyclone air flotation device

1.3 分析方法

采出水含油量分析采用分光光度法，采出水懸浮固體含量分析采用重量法，采出水懸浮固體粒徑中值測定采用庫爾特計數儀（MS3型），均執行SY/T 5329—2012 《碎屑巖油藏注水水質指標及分析方法》。采出水黏度采用流變儀AR1500ex，執行GB/T 10247—2008《黏度測量方法》。采出水礦化度分析采用SY/T 5523—2016《油田水分析方法》。采出水聚合物含量采用分光光度法，表面活性劑含量采用滴定法，均執行大慶油田企業內部標準。

2 結果與討論

2.1 濾前水兩級過濾常規達標處理試驗

濾前水常規處理試驗共進行三組，其中具有代表性的試驗數據為兩組。第一組試驗對含油去除效果如圖4所示，對懸浮固體去除效果如圖5所示。

圖4 濾前水常規處理第一組含油去除效果Fig.4 Effect of oil removal in the first group of conventional treatment of pre-filtration water

圖5 濾前水常規處理第一組懸浮固體去除效果Fig.5 Removal effect of suspended solids in the first group of conventional treatment of pre-filtration water

濾前水含油濃度在41.1～122 mg/L 之間變化，平均73.6 mg/L；一濾出水含油濃度在19.6～87.8 mg/L之間變化，平均45.5 mg/L；二濾出水含油濃度在6.03～33.0 mg/L 之間變化，平均為15.3 mg/L。48 h過濾周期內，二濾出水含油量共計取樣12 次，其中達標樣次為10次，合格率為83.3%。綜合二濾出水在一個過濾周期內的平均含油量和合格率，已建三元污水站濾前水，在處理水質含油濃度平均為73.6 mg/L 的條件下，經兩級過濾處理后出水水質含油濃度≤20 mg/L，達到大慶油田含聚污水高滲透層回注水水質指標要求。

濾前水懸浮固體濃度在44.4～92.0 mg/L之間變化，平均71.3 mg/L；一濾出水懸浮固體濃度在17.4～43.1 mg/L之間變化，平均31.3 mg/L；二濾出水懸浮固體濃度在8.40～28.8 mg/L之間變化，平均為19.6 mg/L。48 h過濾周期內，二濾出水懸浮固體共計取樣12 次，其中達標樣次為7 次，合格率為58.3%。綜合二濾出水在一個過濾周期內的平均懸浮固體含量和合格率，已建三元污水站濾前水，在處理水質懸浮固體濃度平均為71.3 mg/L 的條件下，經兩級過濾處理后出水水質懸浮固體濃度≤20 mg/L，達到大慶油田含聚污水高滲透層回注水水質指標要求。

第二組試驗對含油去除效果如圖6所示，對懸浮固體去除效果如圖7所示。

圖6 濾前水常規處理第二組含油去除效果Fig.6 Effect of oil removal in the second group of conventional treatment of pre-filtration water

圖7 濾前水常規處理第二組懸浮固體去除效果Fig.7 Removal effect of suspended solids in the second group of conventional treatment of pre-filtration water

濾前水含油濃度在32.7L～119 mg/L 之間變化，平均82.9 mg/L；一濾出水含油濃度在24.7～96.5 mg/L 之間變化，平均59.8 mg/L；二濾出水含油濃度在11.0～53.0 mg/L 之間變化，平均為30.6 mg/L。48 h過濾周期內，二濾出水含油量共計取樣12 次，其中達標樣次為3 次，合格率為25%。綜合二濾出水在一個過濾周期內的平均含油量和合格率，已建三元污水站濾前水，在處理水質含油濃度平均為82.9 mg/L 的條件下，經兩級過濾處理后出水水質含油濃度＞20 mg/L，未達到大慶油田含聚污水高滲透層回注水水質指標要求。

濾前水懸浮固體濃度在40.0～95.0 mg/L之間變化，平均69.2 mg/L；一濾出水懸浮固體濃度在20.0～60.0 mg/L之間變化，平均34.1 mg/L；二濾出水懸浮固體濃度在15.0～25.0 mg/L之間變化，平均為17.6 mg/L。48 h過濾周期內，二濾出水懸浮固體共計取樣12 次，其中達標樣次為11 次，合格率為91.7%。綜合二濾出水在一個過濾周期內的平均懸浮固體含量和合格率，已建三元污水站濾前水，在處理水質懸浮固體濃度平均為69.2 mg/L 的條件下，經兩級過濾處理后出水水質懸浮固體濃度≤20 mg/L，達到大慶油田含聚污水高滲透層回注水水質指標要求。

2.2 “旋流氣浮+兩級過濾”深度達標處理試驗

該試驗選擇已建三元污水處理站最終處理后的外輸水，作為“旋流氣浮+兩級雙層濾料過濾”處理工藝試驗的來水水源，進行深度處理試驗。試驗進行四組，其中數據具有代表性的試驗為兩組。第一組試驗對含油去除效果如圖8所示，對懸浮固體去除效果如圖9所示。

圖8 外輸水深度處理第一組含油去除效果Fig.8 Effect of oil removal in the first group of advanced treatment of external water

圖9 外輸水深度處理第一組懸浮固體去除效果Fig.9 Removal effect of suspended solids in the first group of advanced treatment of external water

已建三元污水站外輸水含油濃度在14.8～20.7 mg/L 之間變化，平均含油濃度在18.0 mg/L；經過旋流氣浮處理后，出水平均含油濃度降至10.8 mg/L，去除率為40%；氣浮出水經過一級過濾后，出水平均含油濃度降至7.24 mg/L，去除率為33.0%；一濾出水經過二級過濾后，出水平均含油濃度降至4.77 mg/L，去除率為34.1%。48 h 過濾周期內，二濾出水含油量共計取樣8次，其中達標樣次為5 次，合格率為62.5%。綜合二濾出水在一個過濾周期內的平均含油量和合格率，已建三元污水站外輸水，在處理水質含油濃度平均為18.0 mg/L的條件下，經“旋流氣浮+兩級過濾”處理后出水水質含油濃度≤5 mg/L，達到大慶油田含聚污水低滲透層回注水水質指標要求。

已建三元污水站外輸水懸浮固體濃度在8.89～24.4 mg/L 之間變化，平均懸浮固體濃度為15.2 mg/L；經過旋流氣浮處理后，出水平均懸浮固體濃度降至12.0 mg/L，去除率為21.1%；氣浮出水經過一級過濾后，出水平均懸浮固體濃度降至7.64 mg/L，去除率為36.3%；一濾出水經過二級過濾后，出水平均懸浮固體濃度降至4.24 mg/L，去除率為44.5%。48 h 過濾周期內，二濾出水懸浮固體共計取樣8 次，其中達標樣次為7 次，合格率為87.5%。綜合二濾出水在一個過濾周期內的平均懸浮固體含量和合格率，已建三元污水站外輸水，在處理水質懸浮固體濃度平均為15.2 mg/L 的條件下，經“旋流氣浮+兩級過濾”處理后出水水質懸浮固體濃度≤5 mg/L，達到大慶油田含聚污水低滲透層回注水水質指標要求。

第二組試驗對含油去除效果如圖10 所示，對懸浮固體去除效果如圖11所示。

圖10 外輸水深度處理第二組含油去除效果Fig.10 Effect of oil removal in the second group of advanced treatment of external water

圖11 外輸水深度處理第二組懸浮固體去除效果Fig.11 Removal effect of suspended solids in the second group of advanced treatment of external water

已建三元污水站外輸水含油濃度在25.0～57.2 mg/L 之間變化，平均含油濃度37.0 mg/L；經過旋流氣浮處理后，出水平均含油濃度降至25.1 mg/L，去除率為32.2%；氣浮出水經過一級過濾后，出水平均含油濃度降至18.6 mg/L，去除率為25.9%；一濾出水經過二級過濾后，出水平均含油濃度降至7.83 mg/L，去除率為57.9%。48 h 過濾周期內，二濾出水含油量共計取樣8次，其中達標樣次為3 次，合格率為37.5%。綜合二濾出水在一個過濾周期內的平均含油量和合格率，已建三元污水站外輸水，在處理水質含油濃度平均為37.0 mg/L的條件下，經“旋流氣浮+兩級過濾”處理后出水水質含油濃度＞5 mg/L，未達到大慶油田含聚污水低滲透層回注水水質指標要求。

已建三元污水站外輸水懸浮固體濃度在8.89～21.8 mg/L 之間變化，平均懸浮固體濃度15.6 mg/L；經過旋流氣浮處理后，出水平均懸浮固體含濃度降至12.4 mg/L，去除率為20.5%；氣浮出水經過一級過濾后，出水平均懸浮固體濃度降至6.63 mg/L，去除率為46.5%；一濾出水經過二級過濾后，出水平均懸浮固體濃度降至4.18 mg/L，去除率為37.0%。48 h 過濾周期內，二濾出水懸浮固體共計取樣8 次，其中達標樣次為6 次，合格率為75.0%。綜合二濾出水在一個過濾周期內的平均懸浮固體含量和合格率，已建三元污水站外輸水，在處理水質懸浮固體濃度平均為15.6 mg/L 的條件下，經“旋流氣浮+兩級過濾”處理后出水水質懸浮固體濃度≤5 mg/L，達到大慶油田含聚污水低滲透層回注水水質指標要求。

2.3 討論

（1）針對已建三元污水站濾前水常規處理，在三元驅油劑返出高峰期時，兩組現場試驗結果表明：濾前水含油濃度為70 mg/L 左右的情況下，經過兩級雙層粒狀濾料過濾處理后，最終出水水質可以滿足含油濃度≤20 mg/L的常規處理要求；濾前水含油濃度為80 mg/L 左右的情況下，經過兩級雙層粒狀濾料過濾未達到常規處理要求。

在濾前水懸浮固體濃度平均為71.3 mg/L 和69.2 mg/L 的情況下，經過兩級雙層粒狀濾料過濾處理后，雖然最終出水平均懸浮固體濃度都可以滿足≤20 mg/L的常規處理要求，但濾前水平均懸浮固體濃度為69.2 mg/L 的情況下，合格率更高，達標運行更趨于穩定。綜合以上分析，已建三元污水站驅油劑返出高峰期時沉降段出水水質控制指標宜為含油濃度≤70 mg/L、懸浮固體濃度≤70 mg/L。

（2）針對已建三元污水站外輸水深度處理，在三元驅油劑返出高峰期時，兩組現場試驗結果表明：采用“旋流氣浮+兩級過濾”處理工藝，在外輸水水質含油濃度≤20 mg/L、懸浮固體濃度≤20 mg/L的情況下，經過該套工藝處理后出水水質能夠滿足大慶油田含聚污水低滲透層回注水水質指標。相比大慶油田普通含聚污水深度處理站，該工藝是在兩級過濾的基礎上增加了溶氣浮選設備且濾速更低。

3 結論

（1）已建三元污水處理站采用的“序批式沉降+一級石英砂-磁鐵礦雙層濾料壓力過濾罐+二級海綠石-磁鐵礦雙層濾料壓力過濾罐”處理工藝，當沉降段出水含油濃度≤70 mg/L、懸浮固體濃度≤70 mg/L 時，經兩級雙層濾料過濾器過濾后出水水質可穩定達到大慶油田含聚污水高滲透層回注水水質指標，否則難以穩定達標。

（2）當三元驅油劑返出高峰期時，已建三元污水站外輸水水質滿足大慶油田含聚污水高滲透層回注水水質指標的前提下，增加“旋流氣浮+兩級雙層濾料過濾”的處理工藝，可以滿足大慶油田含聚污水低滲透層回注水水質標準的深度處理需求，其中旋流氣浮水力停留時間20 min、一濾濾速6 m/h、二濾濾速4 m/h。