榆樹林油田含油污水處理工藝技術(shù)改進(jìn)研究

張韻晗

大慶榆樹林油田開發(fā)有限責(zé)任公司

榆樹林油田是大慶油田的重要組成部分，其所屬的扶楊油層孔隙度均值為12.3%，空氣滲透率為2.71×10-3μm2，屬于典型的特低滲透油田[1-3]。榆樹林油田采用了注水開發(fā)方案，在注水作業(yè)開展之前，為了防止出現(xiàn)地層堵塞問題，對(duì)含油污水進(jìn)行深度處理，并達(dá)到特低滲透率油藏回注水水質(zhì)控制指標(biāo)要求，即含油濃度≤5 mg/L，懸浮固體濃度≤1 mg/L，懸浮固體顆粒粒徑中值≤1 μm（簡(jiǎn)稱“5.1.1”）[4-5]。榆樹林油田已經(jīng)對(duì)已建含油污水處理工藝進(jìn)行了多次改進(jìn)，但處理效果沒有得到明顯改善，已有的處理工藝仍然存在一定的問題。因此，需要對(duì)現(xiàn)有的“曝氣→氣浮→砂濾→超濾”含油污水處理工藝進(jìn)行技術(shù)改進(jìn)研究，確保處理后的水質(zhì)滿足回注水水質(zhì)要求。

通過對(duì)目前的污水處理工藝的深入研究和分析發(fā)現(xiàn)，已建的“曝氣→氣浮→砂濾→超濾”處理工藝流程已經(jīng)應(yīng)用多年，其中的超濾使用材料為超濾膜，該種材料對(duì)于進(jìn)水水質(zhì)要求較高，且膜組件容易出現(xiàn)污染問題，對(duì)其進(jìn)行生產(chǎn)管理的難度和運(yùn)行成本相對(duì)較高。本次研究從易于管理和降低成本的角度出發(fā)，引進(jìn)高精濾技術(shù)，對(duì)該技術(shù)與已建的含油污水處理工藝技術(shù)進(jìn)行對(duì)比，并進(jìn)行應(yīng)用效果評(píng)價(jià)，為提高榆樹林油田含油污水處理能力，確保回注水水質(zhì)質(zhì)量奠定基礎(chǔ)[6-8]。

1 采出水水質(zhì)分析

榆樹林油田開發(fā)作業(yè)實(shí)施水驅(qū)開采措施，采出液油水混合物隨著油田開發(fā)的持續(xù)進(jìn)行，含水率逐漸升高，其含水率已經(jīng)高達(dá)90%以上。采出液在處理過程中產(chǎn)生了大量的含油污水，污水中含有部分剩余的油、雜質(zhì)、硫化物及無(wú)機(jī)鹽類等。榆樹林油田于2007 年建成了首座東16 含油污水處理站，該站現(xiàn)采用“曝氣→氣浮→砂濾→超濾”的處理工藝。為確定現(xiàn)有工藝技術(shù)效果，先后分3次、時(shí)間間隔1個(gè)月，對(duì)該工藝最終處理后的外輸緩沖罐內(nèi)的污水進(jìn)行抽樣檢測(cè)，其分析檢測(cè)結(jié)果見表1。

表1 東16含油污水處理站含油污水化驗(yàn)結(jié)果Tab.1 Test results of oily sewage in East 16 Oily Sewage Treatment Station

通過對(duì)表1 的數(shù)據(jù)分析可以發(fā)現(xiàn)，“曝氣→氣浮→砂濾→超濾”處理工藝處理后的最終出水的硫化物含量、COD含量都相對(duì)較高，含油量、懸浮物含量、粒徑中值及細(xì)菌含量超標(biāo)，沒有達(dá)到“5.1.1”的特低滲透率油藏回注水水質(zhì)控制指標(biāo)要求。

2 采出水處理及問題分析

榆樹林油田東16 含油污水處理站采用的“曝氣→氣浮→砂濾→超濾”的處理工藝中的“曝氣”，主要是通過通入空氣進(jìn)行氧化曝氣來去除含油污水中的硫化物。取樣分析發(fā)現(xiàn)，含油污水經(jīng)過氧化曝氣處理以后，盡管污水中的硫化物含量降低，但水中的懸浮物含量卻升高[9-10]。氣浮裝置主要是對(duì)含油污水進(jìn)行除油和去除懸浮物；含油污水經(jīng)過氣浮裝置處理以后進(jìn)入到砂濾裝置，該裝置主要是由流砂過濾器和海綠石過濾器共同組成，進(jìn)一步對(duì)含油污水進(jìn)行除油和去除懸浮物[11-13]。為了保障處理后的水質(zhì)滿足“5.1.1”的特低滲透率油藏回注水水質(zhì)控制指標(biāo)要求，經(jīng)砂濾處理的水最后進(jìn)入超濾裝置進(jìn)行處理，超濾裝置使用的膜為PVC 合金中空纖維超濾膜，其孔徑僅為0.1 μm。現(xiàn)場(chǎng)調(diào)查發(fā)現(xiàn)，PVC合金中空纖維超濾膜對(duì)于進(jìn)水水質(zhì)的要求相對(duì)較高，當(dāng)水中含油量、懸浮物及硫化物含量較高時(shí)，出水水質(zhì)不但不達(dá)標(biāo)，而且膜組件在使用的過程中非常容易遭受到污染，生產(chǎn)中需要對(duì)膜組件進(jìn)行頻繁的清洗及更換來確保處理后的水質(zhì)，其運(yùn)行成本較高，且對(duì)整個(gè)處理工藝進(jìn)行管理的難度較大。因此，為保障處理后的水質(zhì)達(dá)標(biāo)，在對(duì)已建主體處理工藝改變不大的前提下，需要尋找一種便于管理且運(yùn)行成本較低的高精濾技術(shù)，從而解決現(xiàn)有處理工藝和處理水質(zhì)不達(dá)標(biāo)的問題，滿足實(shí)際生產(chǎn)的需要。

3 含油污水處理工藝改進(jìn)

3.1 高精濾裝置的構(gòu)成

本次研究引用的高精濾裝置主要由懸浮污泥和微孔隙濾料過濾聯(lián)合構(gòu)成[14]，包括強(qiáng)化絮凝系統(tǒng)、精濾系統(tǒng)、反洗系統(tǒng)以及控制柜（圖1）。

圖1 高精濾裝置構(gòu)成Fig.1 Composition of high precision filtration device

含油污水經(jīng)過加藥后進(jìn)入混合罐中進(jìn)行充分的反應(yīng)，然后進(jìn)入到精濾裝置（精濾罐），污水中形成的高濃度絮體在經(jīng)過碰撞架橋后，可以在精濾罐的上部位置處形成過濾層，對(duì)含油污水中的懸浮固體以及剩余油進(jìn)行初步的截留處理[15-16]；再進(jìn)入精濾罐下部濾料濾層進(jìn)行進(jìn)一步的過濾，去除污水中的懸浮固體和剩余油，達(dá)到要求的處理水質(zhì)后進(jìn)入后續(xù)的外輸。精濾罐每運(yùn)行24 h后，需要通過反洗系統(tǒng)進(jìn)行沖洗，反沖洗排水可直接進(jìn)入精濾裝置進(jìn)行處理。強(qiáng)化絮凝系統(tǒng)主要是在被處理的污水中投加無(wú)機(jī)絮凝劑和有機(jī)絮凝劑，通過對(duì)兩種類型絮凝劑的加藥量進(jìn)行合理控制，來提高含油污水后續(xù)的處理效果。

精濾系統(tǒng)中的精濾裝置主要由動(dòng)態(tài)收油部件、微孔鍍膜陶瓷顆粒濾層部件、濾床出水收集部件以及氣水洗部件共同構(gòu)成。裝填的微孔鍍膜陶瓷顆粒濾料與常規(guī)使用的石英砂粒徑相比，放大了5倍左右，由0.5 mm～1.2 mm 提升到了3 mm～5 mm。微孔鍍膜陶瓷顆粒濾料經(jīng)過高溫?zé)Y(jié)后，其內(nèi)部產(chǎn)生了大量的孔隙，在受到高溫蒸騰作用時(shí)，可以將納米材料鑲嵌在濾料表面以及孔隙中，污水在通過微孔濾料的過程中，將會(huì)受到截留以及吸附的作用，以此達(dá)到過濾的效果；另外，裝填的微孔鍍膜陶瓷顆粒濾料，由于其彎曲孔徑處于不斷變化的狀態(tài)，因此其除了可以對(duì)大顆粒雜質(zhì)發(fā)揮截留作用以外，對(duì)于顆粒小雜質(zhì)還可以產(chǎn)生電荷吸附作用，使雜質(zhì)在孔徑的任意位置處滯留，濾層的表面積將會(huì)逐漸增加，可以吸附的雜質(zhì)量提升，從而提高雜質(zhì)吸附的效率[17]，并形成雜質(zhì)濾渣。

反洗再生系統(tǒng)主要是采用了氣、水反沖洗的模式，并通過設(shè)置的空壓機(jī)和儲(chǔ)罐來實(shí)現(xiàn)。空壓機(jī)產(chǎn)生的多層脈沖氣體，通過管道進(jìn)入微孔鍍膜陶瓷濾料層，首先將微孔中的污泥以及雜質(zhì)快速吹掃脫落，并經(jīng)過反洗排污口排出精濾罐，接著通入一定強(qiáng)度的濾后水，進(jìn)一步對(duì)微孔鍍膜陶瓷濾料進(jìn)行水洗。需要說明的是，在進(jìn)行氣洗時(shí)不會(huì)對(duì)上部形成的污泥濾層的使用產(chǎn)生影響；另外在進(jìn)行反洗作業(yè)的過程中，還配置了濾料回流裝置，以此防止濾料出現(xiàn)流失問題[18]。

3.2 高精濾技術(shù)現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)

為了對(duì)高精濾裝置的應(yīng)用效果做出合理的評(píng)價(jià)，在某聯(lián)合站內(nèi)建造了150 m3/d的試驗(yàn)設(shè)施。試驗(yàn)時(shí)將高精濾過濾裝置接入已經(jīng)過污水處理站的曝氣和氣浮處理之后的出水，替代已有的砂濾和超濾部分，試驗(yàn)用高精濾過濾裝置處理工藝流程見圖2。

圖2 高精濾過濾裝置試驗(yàn)處理工藝流程Fig.2 Experimental treatment process flow of high precision filtration device

經(jīng)過曝氣和氣浮的含油污水，首先進(jìn)入到混合罐中，同時(shí)啟動(dòng)加藥系統(tǒng)把絮凝劑和助凝劑投放到混合罐中；然后與被處理的含油污水一并經(jīng)過加壓水泵提升，將含油污水提升至多功能反應(yīng)罐進(jìn)行充分的混合反應(yīng)，經(jīng)反應(yīng)的含油污水先后分別進(jìn)入到兩級(jí)精濾器中，對(duì)污水中的污油和懸浮固體進(jìn)行去除。兩級(jí)精濾裝置的規(guī)格均為Φ600 mm×4 700 mm，裝填的微孔鍍膜陶瓷顆粒濾層厚度為2 500 mm，其中一級(jí)填裝的濾料粒徑為3 mm，二級(jí)填裝的濾料粒徑為1 mm。要求進(jìn)入一級(jí)精濾器試驗(yàn)裝置的含油污水含油濃度≤50 mg/L，懸浮物含濃度≤50 mg/L，經(jīng)過兩級(jí)高精濾過濾處理以后，出水水質(zhì)達(dá)到“5.1.1”的控制指標(biāo)要求。

3.2.1 藥劑投加量的優(yōu)化

試驗(yàn)中選擇使用的無(wú)機(jī)絮凝劑為聚合氯化鋁，有機(jī)絮凝劑為超細(xì)微粉復(fù)合絮凝劑。在含油污水處理量為150 m3/d，對(duì)應(yīng)的濾速為17.7 m/h 的前提下，進(jìn)行藥劑投加量的優(yōu)化，每次試驗(yàn)時(shí)間為4～5天。藥劑投加優(yōu)化試驗(yàn)結(jié)果見表2。

表2 藥劑投加試驗(yàn)結(jié)果Tab.2 Reagent dosing test results

綜合分析可以發(fā)現(xiàn)，在無(wú)機(jī)絮凝劑的添加量為40～60 mg/L、有機(jī)絮凝劑的添加量為1.0～1.5 mg/L時(shí)，過濾后出水的含油量以及懸浮固體含量可以達(dá)到“5.1.1”標(biāo)準(zhǔn)要求，可以確定為適宜的加藥量范圍。

3.2.2 濾速的調(diào)整

在無(wú)機(jī)絮凝劑的添加量為40～60 mg/L、有機(jī)絮凝劑的添加量為1.0～1.5 mg/L 的前提下，將含油污水的處理量從150 m3/d 提升到180 m3/d，對(duì)應(yīng)的濾速?gòu)?7.7 m/h 提升到21.2 m/h，測(cè)得濾后出水含油濃度均值為0.673 mg/L，懸浮固體濃度均值為2.163 mg/L、粒徑中值均值為1.132 μm，均未達(dá)到“5.1.1”回注水水質(zhì)控制指標(biāo)要求。由此可見，提高濾速以后，含油污水的過濾處理效果下降，因此選擇最佳的濾速為17.7 m/h（對(duì)應(yīng)的處理量150 m3/d）。

3.2.3 反洗參數(shù)優(yōu)化

反洗采用氣水反沖洗模式，其參數(shù)優(yōu)化設(shè)定見表3。通過對(duì)水頭損失及出水水質(zhì)情況進(jìn)行對(duì)比分析發(fā)現(xiàn)，其最佳的反洗周期為24 h，反洗的強(qiáng)度需要達(dá)到3.93 L/s·m2，此時(shí)對(duì)應(yīng)的反洗水量為4 m3/h。

表3 反洗參數(shù)設(shè)定Tab.3 Backwashing parameter setting

在開展反洗試驗(yàn)的過程中，每間隔2 min 對(duì)濾罐排水取樣，通過觀察反洗排水水樣的外觀顏色，得出最佳的反洗時(shí)長(zhǎng)為30 min，其中氣洗作業(yè)時(shí)長(zhǎng)為10 min，氣水聯(lián)合作業(yè)時(shí)長(zhǎng)為10 min，水洗作業(yè)時(shí)長(zhǎng)為10 min；另外，采用最佳反洗參數(shù)對(duì)濾罐進(jìn)行反洗作業(yè)時(shí)，在含油污水處理量不變的前提下，水頭損失的穩(wěn)定性相對(duì)較高，出水的水質(zhì)較為穩(wěn)定，說明濾料具有很好的再生效果。

3.2.4 穩(wěn)定運(yùn)行試驗(yàn)

選擇最佳的加藥量、濾速以及反洗參數(shù)，開展高精濾過濾處理含油污水的驗(yàn)證試驗(yàn)。試驗(yàn)分別對(duì)過濾的進(jìn)、出水水質(zhì)進(jìn)行取樣分析化驗(yàn)，水質(zhì)化驗(yàn)結(jié)果見表4。

表4 水質(zhì)化驗(yàn)結(jié)果Tab.4 Water quality test results

由表4看出，在進(jìn)入高精濾裝置的進(jìn)水含油濃度范圍為10.2～16.7 mg/L、懸浮固體濃度為8.3～24.8 mg/L 情況下，經(jīng)過兩級(jí)過濾之后，出水含油濃度均值為1.03 mg/L、懸浮固體濃度均值為0.89 mg/L、粒徑中值均值為0.84 μm，出水水質(zhì)達(dá)到了特低滲透率油藏回注水水質(zhì)“5.1.1”的控制指標(biāo)要求。

4 對(duì)比分析

為了證明高精濾技術(shù)應(yīng)用的先進(jìn)性，本次研究將榆樹林油田已建的“曝氣→氣浮→砂濾→超濾”含油污水處理工藝和“曝氣→氣浮→高精濾過濾”處理工藝進(jìn)行多方面的對(duì)比，按照含油污水處理量為2 000 m3/d進(jìn)行評(píng)價(jià)。

4.1 投資費(fèi)用對(duì)比

在已建的含油污水處理工藝中，砂濾包括2臺(tái)10 00 m3海綠石過濾罐、3臺(tái)800 m3流砂過濾罐以及1套超濾膜裝置，全部設(shè)備的購(gòu)置費(fèi)用為1 056.4萬(wàn)元；而在使用高精濾過濾的處理工藝中，需要購(gòu)置800 m3混合罐和反應(yīng)罐2 臺(tái)、高精濾器4 臺(tái)，全部設(shè)備的購(gòu)置費(fèi)用為732.6 萬(wàn)元。可以看出，采用“曝氣→氣浮→高精濾過濾”的處理工藝，相比已建的處理工藝的主體設(shè)備購(gòu)置費(fèi)可節(jié)省323.8萬(wàn)元。

4.2 運(yùn)行費(fèi)用對(duì)比

運(yùn)行成本費(fèi)用主要包括設(shè)備運(yùn)行過程中使用的電費(fèi)及含油污水處理過程中投加的藥劑費(fèi)，已建處理工藝和過濾部分采用高精濾處理工藝所需要的運(yùn)行費(fèi)用對(duì)比情況見表5。

表5 運(yùn)行費(fèi)用對(duì)比Tab.5 Comparison of operating costs

通過對(duì)比看出，與已建含油污水處理工藝相比，高精濾處理工藝的運(yùn)行成本可以減少25.9%，同時(shí)每年還可以節(jié)省濾料更換的費(fèi)用達(dá)到51萬(wàn)元。

4.3 生產(chǎn)管理對(duì)比

在已建的含油污水處理工藝中，使用的砂濾裝置數(shù)量較多，反沖洗過程時(shí)間長(zhǎng)且復(fù)雜；使用的超濾膜因?qū)M(jìn)水水質(zhì)要求較高且容易被污染，為了保證出水的水質(zhì)，需要頻繁的反洗，以及不定期的化學(xué)清洗，致使生產(chǎn)管理過程中需要管控的細(xì)節(jié)點(diǎn)數(shù)量相對(duì)較多和復(fù)雜。使用高精濾處理工藝，設(shè)備的結(jié)構(gòu)較為簡(jiǎn)單、數(shù)量少，自動(dòng)化程度較高，生產(chǎn)管理的過程中需要管控的細(xì)節(jié)點(diǎn)數(shù)量相對(duì)較少，生產(chǎn)管理維護(hù)的難度較小。

5 結(jié)論

在對(duì)榆樹林油田現(xiàn)有含油污水水質(zhì)分析的基礎(chǔ)上，針對(duì)目前“曝氣→氣浮→砂濾→超濾”含油污水處理工藝，處理后水質(zhì)不達(dá)標(biāo)及處理工藝存在的問題，引入高精濾技術(shù)進(jìn)行處理工藝的改進(jìn)，通過試驗(yàn)研究可得出以下結(jié)論：

（1）采用高精濾過濾技術(shù)最終處理后的出水含油濃度平均值為1.03 mg/L，懸浮固體濃度平均值為0.89 mg/L，粒徑中值平均值為0.84 μm，出水水質(zhì)滿足“5.1.1”的標(biāo)準(zhǔn)要求。

（2）高精濾技術(shù)與已有處理工藝（PVC合金中空纖維超濾膜）相比，對(duì)進(jìn)水水質(zhì)的要求不高，解決了使用過程中膜組件容易遭受污染所造成的出水水質(zhì)不達(dá)標(biāo)，以及對(duì)整個(gè)處理工藝進(jìn)行管理難度大的問題；相比同等處理量的已建處理工藝，引入高精濾技術(shù)投資建設(shè)費(fèi)用可以節(jié)省323.8 萬(wàn)元，運(yùn)行成本費(fèi)用可以降低25.9%，每年還可以節(jié)省濾料的更換費(fèi)用51萬(wàn)元，具有較好的經(jīng)濟(jì)效益。