張瑋， 張樹(shù)友， 羅林軍， 折利軍， 邱棟峰， 馬驥， 劉宗園， 胡凱

（1.中海石油（中國(guó)）有限公司天津分公司， 天津 300459； 2.中海油天津化工研究設(shè)計(jì)院有限公司， 天津 300131；3.中國(guó)石油長(zhǎng)慶油田分公司第一采油廠， 陜西 延安 716000）

中國(guó)海上稠油資源豐富， 渤海已探明原油地質(zhì)儲(chǔ)量45 億m3， 其中62% 為稠油［1］。 稠油開(kāi)采通常會(huì)產(chǎn)生由原油、 砂和水組成的采出液［2］， 經(jīng)分離出的含油污水常稱為稠油污水［3－4］。 稠油污水水質(zhì)復(fù)雜［5］， 在海上處理難度極大［6］， 而基于環(huán)保法和經(jīng)濟(jì)性要求， 需要對(duì)稠油污水處理達(dá)到回注或熱采鍋爐給水要求。

渤海某海上采油平臺(tái)對(duì)稠油污水采用斜板除油、 氣浮、 核桃殼過(guò)濾器及超聲過(guò)濾器進(jìn)行綜合處理， 產(chǎn)水經(jīng)緩沖罐進(jìn)入后續(xù)精細(xì)過(guò)濾［7］。 現(xiàn)有的稠油污水預(yù)處理工藝存在流程長(zhǎng)［8］、 設(shè)備維護(hù)強(qiáng)度高、 占地面積大、 產(chǎn)水水質(zhì)不穩(wěn)定等問(wèn)題， 對(duì)后續(xù)精細(xì)處理設(shè)備造成嚴(yán)重沖擊。 氣浮－動(dòng)態(tài)膜耦合強(qiáng)化技術(shù)將氣浮工藝［9］與新型動(dòng)態(tài)膜過(guò)濾技術(shù)［10］耦合， 能顯著提高含油污水的處理效率， 工藝流程短， 產(chǎn)水水質(zhì)穩(wěn)定。 本研究設(shè)計(jì)并建造處理量為5 m3／h 的氣?。瓌?dòng)態(tài)膜稠油污水處理裝置， 對(duì)熱采平臺(tái)產(chǎn)生的稠油污水進(jìn)行預(yù)處理； 考察來(lái)水油含量和懸浮物含量對(duì)氣?。瓌?dòng)態(tài)膜耦合裝置運(yùn)行效果的影響； 利用氣浮出水考察動(dòng)態(tài)膜抗污染性能； 并進(jìn)行氣?。瓌?dòng)態(tài)膜耦合裝置長(zhǎng)周期運(yùn)行穩(wěn)定性的研究。

1 材料與方法

1.1 試驗(yàn)裝置

處理量為5 m3／h 的氣?。瓌?dòng)態(tài)膜耦合裝置示意如圖1 所示。

圖1 氣浮-動(dòng)態(tài)膜耦合裝置示意Fig. 1 air floatation-dynamic membrane coupling device

本試驗(yàn)裝置采用氣?。瓌?dòng)態(tài)膜耦合強(qiáng)化處理工藝， 海工標(biāo)準(zhǔn)撬裝結(jié)構(gòu)形式（CCS 認(rèn)證）， 主要包括供料泵系統(tǒng)、 水處理系統(tǒng)、 清洗系統(tǒng)及自動(dòng)化控制系統(tǒng)， 其中水處理系統(tǒng)包含氣浮、 動(dòng)態(tài)膜及相關(guān)泵閥儀表等設(shè)備。 來(lái)水由供料泵增壓后進(jìn)入氣浮設(shè)備， 然后通過(guò)工藝計(jì)算與動(dòng)態(tài)膜耦合， 動(dòng)態(tài)膜選用孔徑20 μm 的金屬網(wǎng)作為基膜， 粒徑25 μm 的高嶺土作為涂膜材料， 過(guò)濾前經(jīng)過(guò)預(yù)涂形成表面具有親水特性的動(dòng)態(tài)膜。 在循環(huán)泵作用下， 含油污水在動(dòng)態(tài)膜表面功能層的親水疏油特性及膜孔篩分作用下去除水中大量油及懸浮物。 該裝置滿足高濃度稠油油田平臺(tái)所有試驗(yàn)條件及試驗(yàn)內(nèi)容要求。

1.2 試驗(yàn)用水

試驗(yàn)用水為旅大油田32－2 平臺(tái)三相分離器產(chǎn)出的高濃度稠油污水， 氣浮－動(dòng)態(tài)膜耦合裝置進(jìn)水水質(zhì)及設(shè)計(jì)出水水質(zhì)如表1 所示。

1.3 試驗(yàn)方法

（1） 氣?。瓌?dòng)態(tài)膜耦合裝置對(duì)稠油污水水質(zhì)適應(yīng)性研究。 利用氣浮-動(dòng)態(tài)膜耦合裝置進(jìn)行稠油污水處理試驗(yàn)， 考察進(jìn)水中油及懸浮物含量對(duì)裝置運(yùn)行效果的影響。 氣浮運(yùn)行壓力為0.1 MPa， 藥劑使用量為0.015 m3／h， 進(jìn)氣量為0.13 m3／h， 動(dòng)態(tài)膜產(chǎn)水量為5 m3／h， 錯(cuò)流流速為3 m／s， 運(yùn)行壓力為0.15 MPa， 跨膜壓差為0.03 MPa， 對(duì)來(lái)水進(jìn)行間隔取樣， 然后測(cè)定該時(shí)間段內(nèi)來(lái)水及產(chǎn)水中油及懸浮物含量。 每個(gè)時(shí)間段取樣3 次， 結(jié)果取平均值。

表1 氣浮-動(dòng)態(tài)膜耦合裝置進(jìn)水及設(shè)計(jì)出水水質(zhì)Tab. 1 Influent and design effluent water quality of air flotation-dynaimic membrane coupling device

（2） 動(dòng)態(tài)膜抗污染試驗(yàn)。 將動(dòng)態(tài)膜裝置在0.15 MPa 下運(yùn)行， 測(cè)試膜對(duì)純水的通量（Jwi）； 然后將系統(tǒng)接入污水（氣浮出水）進(jìn)行測(cè)試， 分別取不同時(shí)間點(diǎn)測(cè)試膜的通量變化， 膜對(duì)污水的通量記錄為J0。將裝置接入純水， 記錄此時(shí)純水通量為Jm。 最后用高壓純水反沖洗， 再生后膜的純水通量為Jww。 整個(gè)滲透測(cè)試按照上述步驟進(jìn)行3 次循環(huán)測(cè)試。 根據(jù)水通量的變化可以計(jì)算出每次循環(huán)后膜對(duì)純水的恢復(fù)率（FRR）， FRR ＝Jww／Jwi×100%。

1.4 分析方法

油濃度采用wilks INFRACAL 2 TRANS－SP 便攜式紅外水中油分析儀檢測(cè)， 懸浮物粒度采用Mastersizer 3000 激光衍射粒度分析儀檢測(cè)， 懸浮物濃度采用國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)方法檢測(cè)［11］。

2 結(jié)果與討論

2.1 來(lái)水水質(zhì)對(duì)運(yùn)行效果的影響

在操作壓力為0.15 MPa， 處理量為5 m3／h， 來(lái)水經(jīng)氣浮處理后直接進(jìn)入動(dòng)態(tài)膜過(guò)濾的工藝裝置，考察來(lái)水水質(zhì)對(duì)裝置運(yùn)行效果的影響， 結(jié)果如圖2所示。

從圖2 可以看到， 來(lái)水的油和懸浮物含量波動(dòng)較大， 產(chǎn)水的油和懸浮物含量也隨之波動(dòng)， 分析原因是在產(chǎn)水量固定的情況下， 稠油污水在氣浮設(shè)備中的處理時(shí)間是一定的［12］， 當(dāng)水中油和懸浮物含量增加時(shí)， 氣浮產(chǎn)水的油和懸浮物含量會(huì)相應(yīng)增加，從而導(dǎo)致動(dòng)態(tài)膜處理壓力增大， 系統(tǒng)整體產(chǎn)水水質(zhì)隨之波動(dòng)。 該裝置對(duì)油的截留率大于93.8%， 懸浮物截留率大于90.5%， 出水油的質(zhì)量濃度始終保持在20 mg／L 以下， 懸浮物的質(zhì)量濃度小于15 mg／L。 由此可以看出， 來(lái)水水質(zhì)波動(dòng)對(duì)裝置的運(yùn)行效果影響不大。

圖2 來(lái)水水質(zhì)對(duì)裝置運(yùn)行情況的影響Fig. 2 Influence of influent water quality on device operation

2.2 動(dòng)態(tài)膜抗污染性能

膜的抗污染性能也是表征其性能的一個(gè)重要指標(biāo)［13］， 利用氣浮出水（ρ（油）=50 mg／L， ρ（懸浮物）=30 mg／L）， 在氣浮產(chǎn)水量為5 m3／h， 操作壓力為0.15 MPa， 膜面流速為3 m／s 的運(yùn)行條件下， 采用動(dòng)態(tài)抗污染試驗(yàn)方法［14］， 考察膜的抗污染能力， 結(jié)果如圖3 所示。

從圖3 可以看出， 膜的初始純水通量為340 L／（m2·h）， 油水分離時(shí)， 通量由初始230 L／（m2·h）下降至139 L／（m2·h）， 原因是油污及懸浮物在膜表面附著導(dǎo)致膜孔被堵塞、 通量下降， 平均通量為142 L／（m2·h）。 通過(guò)0.2 MPa 高壓反沖洗后， 再次測(cè)試膜的純水通量及油水分離狀態(tài)下的通量， 膜清洗周期為100 h。 在3 個(gè)清洗周期后， 平均通量為138 L／（m2·h）， 通量恢復(fù)率可以達(dá)到92.3%， 說(shuō)明動(dòng)態(tài)膜具有良好抗污染性能。

2.3 運(yùn)行穩(wěn)定性研究

圖3 動(dòng)態(tài)膜的再生性能及通量恢復(fù)率Fig. 3 regeneration performance and flux reversion rate

室溫下， 在操作壓力為0.15 MPa， 膜面流速為3 m／s 運(yùn)行條件下， 氣浮-動(dòng)態(tài)膜耦合裝置連續(xù)運(yùn)行6 個(gè)月， 考察該裝置處理海上平臺(tái)稠油污水長(zhǎng)時(shí)間運(yùn)行的穩(wěn)定性情況， 產(chǎn)水量和產(chǎn)水水質(zhì)變化如圖4 所示。

圖4 裝置運(yùn)行6 個(gè)月的產(chǎn)水量及產(chǎn)水水質(zhì)Fig. 4 Produced water quantity and quality of device after 6 months of operation

從圖4 可以看出， 裝置產(chǎn)水量可以穩(wěn)定在5.0 m3／h 以上， 沒(méi)有出現(xiàn)產(chǎn)水量衰減的現(xiàn)象， 同時(shí)油和懸浮物的平均質(zhì)量濃度分別為19.7 和13.6 mg／L， 滿足精細(xì)過(guò)濾進(jìn)水水質(zhì)要求。

裝置連續(xù)運(yùn)行6 個(gè)月后原水與產(chǎn)水對(duì)比情況如圖5 所示。

圖5 原水與產(chǎn)水對(duì)比Fig. 5 Comparison between raw water and produced water

3 結(jié)論

采用自行設(shè)計(jì)與建造的氣?。瓌?dòng)態(tài)膜耦合裝置對(duì)熱采平臺(tái)稠油污水進(jìn)行預(yù)處理。 在保持進(jìn)水油的質(zhì)量濃度低于695 mg／L， 懸浮物的質(zhì)量濃度低于90 mg／L 情況下， 產(chǎn)水油的質(zhì)量濃度低于20 mg／L，懸浮物的質(zhì)量濃度低于15 mg／L。 動(dòng)態(tài)膜表現(xiàn)出良好的抗污染性能， 在3 個(gè)清洗周期后， 平均通量為138 L／（m2·h）， 通量恢復(fù)率達(dá)到92.3%， 該耦合裝置長(zhǎng)時(shí)間運(yùn)行后其產(chǎn)水量及產(chǎn)水水質(zhì)保持穩(wěn)定。