黃啟玉， 畢 權(quán)

(中國石油大學(北京)城市油氣輸配技術(shù)北京市重點實驗室，北京 102249)

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油田污水處理新技術(shù)在低滲透油田的應用

黃啟玉， 畢 權(quán)

(中國石油大學(北京)城市油氣輸配技術(shù)北京市重點實驗室，北京 102249)

根據(jù)低滲透油田采出水的水質(zhì)特性，設(shè)計一套微濾膜污水處理一體化撬裝裝置。該微濾膜污水處理裝置在工藝上應用了微濾膜深度處理技術(shù)，并配套使用了絮凝沉降輔助工藝，解決了低滲透油田污水處理后回注不達標的問題。應用該微濾膜污水處理一體化撬裝裝置后，懸浮物含量、懸浮物顆粒粒徑中值、油含量等指標均達到了規(guī)定要求。根據(jù)微濾深度處理的結(jié)果，分析了影響微濾的因素，研究了運行溫度與壓力對微濾處理效果的影響，并得到了金屬膜過濾器的最佳運行溫度和壓力范圍。

低滲透油田； 污水處理； 一體化； 微濾

延長油田地處干旱、缺水地區(qū)，屬于低滲、特低滲透油田。延長油田定邊采油廠缺乏完善的污水處理技術(shù)，導致大部分油田污水處理后無法達到注水水質(zhì)標準，只能用地表水或淺層地下水回注，造成嚴重的水資源浪費和環(huán)境污染[1]。延長油田注水水源分油田采出水和清水。該油田某采油廠注水水源主要為清水，工藝以“一級沉降+二級過濾”為主，造成大量水資源浪費，在干旱缺水的該地區(qū)此問題更凸顯其嚴重性。產(chǎn)出水處理工藝以重力沉降、水質(zhì)改性、氣浮、過濾為主，還未應用較為先進的膜分離技術(shù)，污水處理效果不佳，懸浮物、油含量等指標難以達到注水水質(zhì)要求[2]。因此，為了提高油田經(jīng)濟效益和滿足環(huán)保要求，確保污水處理后達到注水水質(zhì)標準，設(shè)計了一套微濾膜污水處理一體化裝置，應用于該油田某處理站。處理后的污水可以用于回注，緩解了水資源短缺和環(huán)境污染的問題。

1 工藝流程及核心技術(shù)

1.1 工藝流程

本油田污水處理裝置為一體化撬裝裝置，取代了“老三段”污水處理工藝中占地面積大的設(shè)備，與傳統(tǒng)污水處理設(shè)備相比，去除油和懸浮物的能力更強，并且具有流程精簡、設(shè)備緊湊、占地面積小等特點。

污水首先在沉降罐中初步重力沉降，后進入混合處理裝置，并加化學藥劑絮凝沉降，通過化學藥劑的作用，使油田污水中的懸浮物凝聚成絮凝體，后通過沉降或者過濾去除污染物。經(jīng)過絮凝沉降的污水進入一體化撬裝裝置。經(jīng)一次提升泵提升至旋流油水分離器，利用離心力原理將油和水分離。旋流油水分離器出水進入中間水箱，中間水箱出水利用二次提升泵提升至多層機械過濾裝置。首先經(jīng)過核桃殼過濾器，利用核桃殼過濾器初步除污水中大顆粒物質(zhì)和大部分油類物質(zhì)，核桃殼過濾器出水進入精細核桃殼過濾器，利用精細核桃殼過濾器進一步去除污水中油和大的懸浮物，精細核桃殼過濾器出水進入改性纖維球過濾器，利用改性纖維球過濾器去除水中含油和機械雜質(zhì)，改性纖維球過濾器出水進入雙濾料過濾器，利用過濾器內(nèi)雙層濾料去除污水中的油和懸浮物，雙濾料過濾器出水進入金屬膜過濾器，利用金屬膜高精度過濾污水中微米級的懸浮固體、乳化油和溶解油等，確保污水中油、懸浮物、懸浮物顆粒粒徑中值達標，金屬膜過濾器出水回注。工藝流程圖如圖1所示。

圖1 工藝流程圖

Fig.1 Process flow

1.2 核心技術(shù)

1.2.1 金屬膜微濾技術(shù) 微濾膜裝置選用鈦材膜作為過濾介質(zhì)。鈦金屬屬于惰性金屬，鈦材膜由一定直徑的鈦金屬粉末顆粒經(jīng)高溫燒結(jié)制成，使得以鈦金屬為原料的鈦材膜具有優(yōu)良的耐腐蝕性能和穩(wěn)定的化學性能，可以在強酸、強堿及含油有機溶劑的介質(zhì)中實現(xiàn)過濾。鈦濾膜中，粗纖維層組成支撐材料，精細纖維層用于過濾，粗纖維層與精細纖維層通過真空燒結(jié)成一個整體，使鈦濾膜具有很好的機械性能[3]。本裝置在多層壓力過濾預處理的基礎(chǔ)上，利用鈦材膜的“篩分”作用進行分離。在壓強差的作用下，鈦濾膜截留大于膜孔徑的粒子，主要為懸浮物，乳化油和溶解油等，小于膜孔徑的粒子則順利通過鈦濾膜，使大、小粒子得以分離，從而達到分離、凈化、濃縮的目的[4]。

該裝置金屬膜過濾器采用切線螺旋進水，并設(shè)置了濃水口。設(shè)備進水流速大于2 m/s，使整個容器內(nèi)的液體產(chǎn)生攪動，切線螺旋進水技術(shù)使容器內(nèi)液體相對于金屬膜是運動狀態(tài)，減少了金屬膜表面的積污，減緩了濾餅層的形成，降低了金屬膜的運行壓力；所設(shè)置的濃水口排量為系統(tǒng)運行水量的20%，避免了常規(guī)金屬膜過濾器死端過濾帶來的易堵、再生困難的缺點，從而延長了金屬膜的使用壽命。

1.2.2 多級過濾預處理技術(shù) 金屬膜過濾是該污水處理流程的核心技術(shù)，但金屬膜極易被污染且再生困難[5-6]。該實驗裝置設(shè)置了混凝沉降-旋流分離-多級機械過濾(核桃殼過濾、精細核桃殼過濾、改性纖維球過濾、雙濾料過濾)的膜前預處理流程，保證了金屬膜過濾器的進水水質(zhì)。

1.2.3 自動控制技術(shù) 本裝置全過程采用PLC自動控制，控制閥門采用氣動蝶閥，并設(shè)有壓力開關(guān),保護系統(tǒng)的部件不受損壞。

2 處理效果分析

2.1 出水水樣分析

將此套微濾膜污水處理一體化裝置應用于該油田某采油廠某處理站，進行污水處理實驗，設(shè)備連續(xù)穩(wěn)定運行之后，發(fā)現(xiàn)初始水樣水質(zhì)渾濁，且顏色較深，出水水質(zhì)透明清澈，無色。分別對初始水樣、金屬膜進水、金屬膜出水進行了測試，得到油含量、懸浮物、粒徑中值的數(shù)值。各項具體數(shù)值見表1，粒徑分布見圖2，處理后出水水樣見圖3。

表1 出口水質(zhì)指標

圖2 粒徑分布

Fig.2 The particle size distribution histogram

圖3 設(shè)備進出水水樣對比

Fig.3 Water sample of import and export

由表1、圖2和圖3，對初始水樣、設(shè)備出水水樣進行對比，可以得到以下結(jié)論：

(1) 經(jīng)微濾膜污水處理裝置處理后的油田污水的懸浮物粒徑分布均在91.28～955.4 nm，懸浮物顆粒粒徑中值小于1 μm，懸浮物質(zhì)量濃度不大于3 mg/L,污水含油質(zhì)量濃度不大于5 mg/L。金屬鈦膜過濾器對微米級的懸浮物去除效果優(yōu)良，各項指標基本達到了該油田注水指標的要求[6]。

(2) 由設(shè)備出水水樣可以看出，出水基本不含油。該裝置采用的混凝沉降-旋流分離-多級機械過濾(核桃殼過濾、精細核桃殼過濾、改性纖維球過濾、雙濾料過濾)的膜前預處理流程，不僅起到了良好的除油效果，而且對提升金屬膜過濾的效果起到了關(guān)鍵的作用。

2.2 微濾深度處理分析

為了更好地分析微濾深度處理的應用效果，對金屬膜過濾器的進、出口水樣和未處理的初始水樣進行了測定，水質(zhì)化驗結(jié)果見表2。

表2 微濾膜進出口水質(zhì)指標

對比初始水樣與金屬膜進水的水質(zhì)指標，可以看出污水經(jīng)過膜前預處理后，水質(zhì)有大幅度的提升，但污染物仍有一定的殘留，油含量、懸浮物含量及粒徑中值均未達到回注水質(zhì)標準。由此推斷，本微濾膜污水處理裝置的混凝沉降、旋流分離和多級機械過濾膜前預處理對于去除污水中懸浮油和大顆粒懸浮物有較好的效果，但是難以去除溶解油、乳化油和微米級的懸浮物。

對比金屬膜過濾器的進、出口水質(zhì)指標，可以看出污水經(jīng)過金屬鈦膜微濾處理后，油含量、懸浮物含量及粒徑中值均從超標狀態(tài)變成達標狀態(tài)。金屬鈦膜微濾對膜前預處理流程無法去除的溶解油、乳化油和微米級的懸浮物有很好的截留效果。

3 微濾影響因素分析

影響微濾效果的因素主要有液體溫度、操作壓力、膜面流速和進水pH等[7]。本裝置的設(shè)計溫度為80 ℃，設(shè)計壓力為1 MPa。綜合考慮該油田污水情況和該裝置的運行情況，液體溫度和操作壓力為可控的影響因素。所以，設(shè)計兩組實驗，考察液體溫度和操作壓力對微濾效果的影響。

3.1 液體溫度對微濾效果的影響

實驗分別設(shè)置3種不同的污水溫度(40、60、80 ℃)，在相同的操作壓力下(1 MPa)運行設(shè)備，檢測出水的油含量和懸浮物含量,結(jié)果見表3。

表3 不同溫度下水質(zhì)指標

由表3分析可知，油田污水處于低溫狀態(tài)下，該設(shè)備金屬鈦膜去除污油和懸浮物的效果更好。但考慮到油田采出水本身具有較高的溫度，且低溫會對膜前預處理流程中旋流分離的除油效果造成不利影響，所以該設(shè)備的運行溫度定為70～80 ℃。

3.2 操作壓力對微濾效果的影響

實驗分別設(shè)置3種不同的操作壓力(0.8、1.0、1.2 MPa)，在相同的液體溫度下(80 ℃)運行設(shè)備，檢測出水的油含量和懸浮物含量，結(jié)果見表4。

表4 不同壓力下水質(zhì)指標

由表4分析可知，微濾膜操作壓力的升高會使濾出水的油含量和懸浮物含量均小幅升高。隨著操作壓力的增大，污水中油滴粒徑減小，懸浮物也更容易通過金屬膜，使污染量升高。綜合考慮能耗和裝置可控情況，選定操作壓力為0.8～1.0 MPa。

4 結(jié)論與建議

通過在該油田應用該微濾膜污水處理新技術(shù)，對微濾膜深度處理效果進行了分析研究，并得出以下結(jié)論：

(1) 混凝沉降-旋流油水分離器-核桃殼過濾器-精細核桃殼過濾器-改性纖維球過濾器-雙濾料過濾器-金屬膜過濾器的油田污水處理工藝技術(shù)，設(shè)計新穎，運行安全穩(wěn)定可靠，且效果良好，解決了該油田采出水處理效果不佳，懸浮物等指標難以達到注水水質(zhì)要求的問題，在該油田具有較好的應用前景。

(2) 金屬鈦膜對去除乳化油、溶解油和微米級的懸浮物起到了關(guān)鍵的作用，與傳統(tǒng)的金屬膜過濾流程相比，該微濾膜污水處理一體化撬裝裝置中采用了混凝沉降-旋流分離-多級機械過濾的膜前預處理流程和切線螺旋進水技術(shù)，保證了金屬鈦膜的過濾效果。

(3) 該微濾膜污水處理一體化撬裝裝置也遺留了一些問題，如未考慮細菌和致垢離子的影響。該油田采油污水中含有大量的細菌，細菌在污水中繁殖會造成水質(zhì)的污染，過濾器和油層的堵塞[8]；該油田采油污水富含致垢離子，混合后會產(chǎn)生沉淀，使集輸管道、采油油井嚴重結(jié)垢，甚至在回注油層時造成空隙喉道堵塞[9-10]。建議在本裝置絮凝沉降流程處進行改進，投放殺菌劑，增加絮凝-殺菌流程，并在此污水處理流程中增加加藥流程，往處理后的污水中添加水溶性聚合物防垢劑[11]。此外，該裝置流程較為復雜，仍存在簡化的空間。在今后的油田污水處理技術(shù)研究中，應該著力于解決這些問題。

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(編輯 閆玉玲)

Application of New Technology for Wastewater Treatment in Low Permeability Oilfield

Huang Qiyu， Bi Quan

(Beijing Key Laboratory of Urban Oil and Gas Distribution Technology，China UniversityofPetroleum,Beijing102249,China)

According to the characteristics of the water in low permeability oilfield, an integrated filter skid device is designed for wastewater treatment. Microfiltration membrane technology andauxiliary process of flocculation sedimentation are applied in this device. After using this device, the indexes including the content of suspended solids, the diameter of the suspended median particle and the content of oil meet the requirements of sewage reinjection in that oilfield. Then based on results of the microfiltration process, the factors which influence this process are analyzed. The effect of operating temperature and pressure is studied, and the optimum operating temperature and pressure of the metal membrane filter are obtained.

Low permeability oilfield; Wastewater treatment; Integration; Microfiltration

1006-396X(2015)05-0069-05

2015-02-07

2015-04-11

延長油田“油田注水開發(fā)工藝技術(shù)引進試驗與應用”項目(YCSY2013XJS-B-05)。

黃啟玉(1969-)，男，博士，研究員，從事油氣管道流動保障技術(shù)方面的研究；E-mail:ppd@cup.edu.cn。

TE992.2

A

10.3969/j.issn.1006-396X.2015.05.014