快離子催化殺菌技術在南堡油田采出水處理中的應用

趙金龍，范志勇，王 宇

中國石油冀東油田公司，河北唐山 063200

南堡油田1 號人工島水處理站2009 年投入使用，設計能力9 600 m3/d，目前處理水量8 000 m3/d。三相分離出的水經水處理站處理后，為1 號人工島、2 號人工島及3 號人工島注水井提供水源，處理后的水質應達到B1 級（含油量≤8 mg/L、懸浮固體含量≤3 mg/L、懸浮物顆粒直徑中值≤2 μm、SRB菌含量≤25個/mL、鐵細菌與腐生菌含量均≤n×103個/mL，其中1≤n≤10）。注水中若存在超量的SRB 細菌、鐵細菌將會造成管道穿孔，需采取殺菌工藝對采出水中SRB細菌等進行處理以滿足注水要求。該站原采用紫外線燈照射物理滅菌方法，由于紫外線只能使SRB等細菌暫時性休克，加之污水中含油、聚合物等影響光照，導致殺菌效果差。后采用投加殺菌劑的方式進行殺菌，但運行中存在管道腐蝕、細菌抗藥性增加、人力成本高、加藥費用高以及殺菌效果差的問題。2018 年殺菌劑投加量34.9 t，質量濃度為13.8 mg/L，全年費用43.5萬元。2020年1月，殺菌劑投加量達到100 mg/L，仍未能殺死采出水中的各類細菌，隨著加藥時間的增加，細菌抗藥性增加，水質不穩定，外加殺菌劑不能滿足B1級水質的要求。為滿足生產中對于注水水質的要求，需對殺菌技術進行改進。

1 南堡油田采出水處理系統工藝流程

南堡油田1 號人工島水處理站主要生產工藝流程見圖1。1 號、2 號、3 號人工島的采出液經過三相分離器分離出的水經管道進入1 座5 000 m3接收水罐進行緩沖、沉降、除油，出水進入2臺并聯使用的高效溶氣浮選機，進行二級除油和進一步去除懸浮物，靠重力流入緩沖水池。出水經升壓泵提升后進入一級雙濾料過濾裝置，一級過濾后的出水直接進入二級懸掛纖維束過濾裝置，二級過濾后的出水進入改造后的三級雙濾料過濾裝置達到B1 水質標準，經過綜合殺菌裝置或投加殺菌劑后進入5 000 m3凈化水罐，出水經外輸泵分別輸至1號、2號、3號人工島注水站，回注油層[1]。

圖1 水處理系統工藝流程

2 殺菌技術優選

油田回注污水采用的滅菌方法很多，大體可分為三種。一是物理方法，如紫外線滅菌；二是化學方法（投加化學藥劑），如甲醛滅菌法、苯及季銨鹽類滅菌法等；三是電化學滅菌法，如電解鹽電化學法等[2?3]。這些方法都有一定的滅菌效果，但不能保證回注水水質達到無菌或細菌不超標；同時也存在共性問題，如運行費用高、工藝流程復雜、可操作性差、不同程度地對管道造成腐蝕和對水質及周邊生態環境造成影響。通過現場調研了解到快離子高級催化殺菌技術，將其與當前三種常用殺菌工藝的適用范圍、優缺點、安全環保性、經濟性進行對比[4]（見表1），從表1 可以看出，快離子高級催化殺菌技術優勢明顯，因此引進此工藝方法及裝置進行油田回注水殺菌處理。

表1 滅菌方法對比

3 快離子催化殺菌技術在南堡油田應用

3.1 快離子催化殺菌裝置工藝原理

快離子催化殺菌技術是一種無藥劑除硫滅菌技術，其除硫滅菌機理[5]就是其充分利用油田含油污水中存在的物質（礦化度），當含油污水進入快離子催化反應器中，在電場力的作用下快速建立離子電流場，從而產生高能的離子電流，促進水中離子做加速遷移運動，在此遷移過程中發生一系列的電化學反應，產生高濃度的活性基氧化性新物質，如OH、O、ClO2、H2O2、HClO、O3、ClO、Cl2等。將這些新生的高濃度活性基氧化性（除硫滅菌）新物質與原污水混合，可快速除去水中H2S、殺滅SRB 等細菌并能在水中持續作用。殺菌裝置原理如圖2所示。

圖2 殺菌裝置原理

3.2 現場工藝流程

南堡油田1 號人工島水處理站新建快離子高級催化殺菌裝置2 臺，單臺處理能力5 000 m3/d。快離子高級催化殺菌裝置[6]主要工藝流程：外輸水主管道上分出支管取水進入橇裝內增壓泵6，升壓后進入快離子反應器8，進行電化學高級氧化反應，反應器輸出含高濃度氧化劑殺菌物質（HClO），進入外輸水主管道上與原污水快速混合，殺滅污水中SRB 等細菌，殺菌后的水通過排氣口4，除去水中剩余的小氣泡后，通過外輸水泵5增壓后輸送至1號、2號、3號人工島注水站，回注油層。同時反應器另一路輸出氣水混合物，通過排氣管道至外輸水罐的入口與來水混合，繼續反應生成少量的HClO、H2O 和N2等物質。具體工藝流程如圖3 所示，內部工藝如圖4所示。

圖3 殺菌裝置工藝流程

圖4 快離子殺菌處理裝置內部工藝

3.3 應用效果

3.3.1 水質菌類指標情況

南堡油田1 號人工島水處理站殺菌裝置2020年10 月底投用，經過取樣化驗，化驗結果表明1號島、2 號島、3 號島注水井井口水質菌類指標均達到B1級。具體情況如表2所示。

表2 1號、2號、3號島注水井井口水質化驗結果

3.3.2 殺菌物質對外輸水管道腐蝕速率檢測

南堡油田1 號人工島水處理站于2020 年10 月20 日在站內外輸水泵出口匯管設置了腐蝕掛片裝置，隨后對由殺菌裝置制取活性基氧化性（殺菌）物質對外輸管道的腐蝕速率進行了驗證試驗，腐蝕掛片試驗周期30 d、60 d，腐蝕速率見表3。從表3可以看出，快離子高級催化殺菌裝置產出的活性基氧化性（殺菌）物質對下游設備和管道的設計腐蝕速率為0.026mm/a（<0.076 mm/a），滿足規范要求。

表3 腐蝕掛片試驗數據

3.3.3 經濟效益分析

南堡油田1號人工島水處理站處理量8 000 m3/d，殺菌劑加量為800 kg，殺菌劑單價為12 000 元/t，加藥費用為9 600元，單方水處理費用為1.2元/m3。

南堡油田1 號人工島電解殺菌裝置投用后運行電流5 000 A，電壓8 V，電費單價0.8元/（kW·h），每天耗電費用為(5 000 A×8 V)/1 000×0.8×24=768元，單方處理成本為768元/8 000 m3≈0.1元/m3。

南堡油田1 號人工島水處理站殺菌裝置安裝工程費用93 萬元，設備購置費400 萬元，殺菌劑年減少費用為（1.2?0.1）元/m3×8 000 m3×365 d=321.2 萬元，投資回收期為（400+93）萬元/321.2=1.5 a。

4 結束語

快離子高級催化殺菌裝置在南堡1 號人工島水處理站回注水系統成功應用，實現了冀東油田外輸回注水至井口“零”細菌含量的注水水質指標。快離子高級催化殺菌裝置運行費用低、自控程度高、對環境無污染，同時工藝簡單，裝置整體集成使其移動安裝更簡便。殺菌裝置投產后，南堡油田1號人工島滅菌成本由1.2元/m3降為0.1元/m3，降本顯著。電解殺菌技術在石油天然氣行業廢水處理領域極具推廣意義，為南堡油田回注水系統殺菌技術推廣奠定了理論和技術基礎。