金屬膜過濾裝置在油田污水處理中應(yīng)用

李 松

（中國石油冀東油田公司 油氣集輸公司，河北 唐山063200）①

金屬膜分離技術(shù)是目前用于城市污水和工業(yè)廢水深度處理的一項(xiàng)新型實(shí)用技術(shù)。由鈦、鎳、不銹鋼等金屬材質(zhì)制造的金屬膜具有機(jī)械強(qiáng)度高、無相變操作、低耗高效的特點(diǎn)，由于其處理裝置占用空間小，特別適用于老廠技術(shù)改造升級(jí)［1－5］。冀東油田高尚堡聯(lián)合站主要擔(dān)負(fù)高尚堡采油作業(yè)區(qū)的污水處理任務(wù)，鑒于該地區(qū)油層特性，對(duì)注水水質(zhì)要求較高，需達(dá)到SY5329—1994標(biāo)準(zhǔn)A2級(jí)水質(zhì)［6］。但是，由于采出水成分復(fù)雜，原有2段式污水處理工藝已無法保證回注水的懸浮物質(zhì)量濃度、粒徑中值指標(biāo)持續(xù)達(dá)標(biāo)。在對(duì)多種深度過濾技術(shù)的過濾效果、加工精度、再生性能和適應(yīng)性進(jìn)行綜合對(duì)比的基礎(chǔ)上，選用了金屬膜過濾裝置，以金剛砂等多種濾料過濾裝置作為預(yù)處理，通過精細(xì)過濾手段去除大顆粒懸浮物，取得了較好的應(yīng)用效果［7］。

1 污水水質(zhì)特征及處理現(xiàn)狀

1.1 進(jìn)水水質(zhì)

冀東油田高尚堡聯(lián)合站污水來源主要為高尚堡采油作業(yè)區(qū)的采出水，其主要水質(zhì)特征是：①溫度較高；②水質(zhì)變化大，污水含油濃度、懸浮物含量、聚合物含量以及油水乳化程度等均有可能在短時(shí)期內(nèi)出現(xiàn)較大的變化；③油和懸浮物含量較高；④成分復(fù)雜，含有石油類物質(zhì)、地層黏土顆粒、溶解性礦物質(zhì)、細(xì)菌和油田采油助劑等［8－11］。

1.2 處理工藝

原有的污水處理工藝流程如圖1所示，由高尚堡采油作業(yè)區(qū)采出液脫出的含油污水依次經(jīng)過一級(jí)、二級(jí)混凝沉降處理后，再經(jīng)核桃殼和纖維球過濾罐兩級(jí)過濾處理，最終輸送至各注水站進(jìn)行回注。

圖1 原回注污水處理工藝流程

1.3 存在問題

高尚堡聯(lián)合站原注水處理工藝主要存在2個(gè)問題：

1） 水處理總量無法滿足高尚堡采油作業(yè)區(qū)所需注水量。

2） 對(duì)小粒徑懸浮物的攔截和吸附能力有限，回注水懸浮物和粒徑中值指標(biāo)合格率較低。

高尚堡聯(lián)合站原注水處理工藝回注水懸浮物監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)如圖2，回注水粒徑中值檢測(cè)數(shù)據(jù)如圖3。由圖2～3可知，在該監(jiān)測(cè)時(shí)間段內(nèi)，回注水中平均懸浮物質(zhì)量濃度為8.3mg／L，平均粒徑中值為5.43 μm。可見，原有注水處理工藝已不能適應(yīng)進(jìn)水水質(zhì)變化和出水指標(biāo)要求，必須進(jìn)行技術(shù)改造，需采用精細(xì)過濾技術(shù)進(jìn)行深度處理。

圖2 2010年原注水處理工藝回注水懸浮物監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)

圖3 2010年原注水處理工藝回注水粒徑中值監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)

2 技術(shù)原理及工藝設(shè)計(jì)

2.1 技術(shù)原理［12］

膜分離是借助于膜，在某種推動(dòng)力的作用下，利用流體中各組分對(duì)膜的滲透速率的差別而實(shí)現(xiàn)組分分離的過程。膜分離過程有截留率和膜通量2個(gè)重要的過程參數(shù)。

1） 截留率 表示膜阻止料液中某組分通過或截留其中某一組分的能力。計(jì)算式：

式中：R為截留率，%；Cp為透過液濃度；C為進(jìn)料液濃度（Cp和C可用任何濃度單位表示，但二者應(yīng)相同）。

2） 膜通量 表示單位面積膜的過濾速率，是以膜分離過程中單位時(shí)間內(nèi)通過單位膜面積的濾過液體積來表示。其計(jì)算公式為：

式中：J1為膜通量，L／（m2·h）；V 為取樣體積，L；t為取樣時(shí)間，h；A為膜有效面積，m2。

3） 滲透通量及污染阻力

式中：J2為滲透通量 m3／（m2·h）；△p為膜壓差，Pa；u為油田污水粘度，Pa·s；Rt為過濾總阻力；Rm為膜自身阻力；Rp為濃差極化阻力（可用水沖洗除去）；Re為顆粒等在膜表面吸附及沉淀形成的濾餅阻力（物理方法清除）；Ri為膜孔堵塞阻力（化學(xué)方法清洗）。

2.3 擴(kuò)建污水金屬膜處理工藝

2.3.1 工藝流程

擴(kuò)建后高尚堡聯(lián)合站污水處理工藝如圖4所示。金屬膜過濾裝置增設(shè)于高尚堡聯(lián)合站污水處理系統(tǒng)，設(shè)計(jì)處理規(guī)模為6 000m3／d，主要處理工藝為：將纖維球過濾罐出水提升泵依次輸送至金剛砂過濾器和鈦金屬膜過濾器進(jìn)行逐級(jí)過濾處理，再通過外輸泵輸送至高尚堡作業(yè)區(qū)各注水站進(jìn)行回注。

圖4 擴(kuò)建后高尚堡聯(lián)合站污水處理工藝流程

2.3.2 主要部件

金剛砂復(fù)合過濾器內(nèi)部結(jié)構(gòu)如圖5所示。金剛砂過濾器作為膜過濾的預(yù)處理裝置，復(fù)合濾料在過濾器內(nèi)部形成梯度分布的濾床，來水通過分配器進(jìn)入過濾器內(nèi)，流經(jīng)吸附性較強(qiáng)的多孔濾層后，被集液濾芯截留，逐級(jí)除去水中的油份和機(jī)械雜質(zhì)。

圖5 金剛砂復(fù)合過濾器內(nèi)部結(jié)構(gòu)示意

鈦金屬膜過濾器內(nèi)部結(jié)構(gòu)如圖6所示，進(jìn)水經(jīng)分配器進(jìn)入過濾器內(nèi)，流經(jīng)金屬膜濾芯進(jìn)行微孔過濾后，被集液濾芯截留，進(jìn)一步除去小顆粒懸浮物。

圖6 鈦金屬膜過濾器內(nèi)部結(jié)構(gòu)示意

金剛砂和鈦金屬膜過濾裝置主要技術(shù)指標(biāo)如表1所示。

表1 金屬膜過濾器技術(shù)指標(biāo)

3 應(yīng)用效果分析

從現(xiàn)場(chǎng)運(yùn)行統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)和注水水質(zhì)監(jiān)測(cè)指標(biāo)來看，鈦金屬膜過濾裝置的適應(yīng)性較好，實(shí)際處理量和出水指標(biāo)達(dá)到工程設(shè)計(jì)要求和行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)，處理成本相比原工藝也有所降低。

3.1 運(yùn)行效果

3.1.1 處理量

高尚堡聯(lián)合站金屬膜過濾裝置實(shí)際處理水量如圖7所示。金屬膜過濾裝置實(shí)際日均處理水量約為4 800m3／d，最高處理量可達(dá)到5 500m3／d，可完全滿足高尚堡地區(qū)注水量以及高尚堡聯(lián)合站過濾裝置濾料反沖洗的需要，達(dá)到了設(shè)計(jì)指標(biāo)和預(yù)期效果。

圖7 金屬膜過濾裝置實(shí)際處理水量

3.1.2 主要水質(zhì)指標(biāo)

1） 懸浮物去除效果 金剛砂和金屬膜過濾裝置出水懸浮物含量監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)如圖8所示。在進(jìn)水水質(zhì)指標(biāo)滿足系統(tǒng)要求時(shí)，金剛砂過濾器出水平均懸浮物質(zhì)量濃度為0.808 9mg／L，鈦金屬膜過濾器出水平均懸浮物質(zhì)量濃度為0.792 9mg／L。

圖8 2011年金剛砂和金屬膜過濾出水懸浮物濃度

2） 回注水處理效果 增設(shè)金屬膜過濾裝置后回注水中懸浮物監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)如圖9，回注水中粒徑值監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)如圖10。如圖9～10所示，回注水平均懸浮物質(zhì)量濃度為1.39mg／L，回注水懸浮固體粒徑中值平均為0.79μm。

圖9 增設(shè)金屬膜過濾裝置后回注水中懸浮物監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)

圖10 增設(shè)金屬膜過濾裝置后回注水中粒徑中值監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)

3.2 效益分析

3.2.1 環(huán)境效益

由于不合格回注水注入地層后會(huì)造成地層孔隙堵塞、降低注水效率、增加注水能耗，并導(dǎo)致油井產(chǎn)能降低、產(chǎn)液量下降快。高尚堡聯(lián)合站通過鈦金屬膜精細(xì)過濾處理后的回注水可顯著提高懸浮物和粒徑中值指標(biāo)合格率，有效降低了不合格回注水對(duì)地層的不良影響。

3.2.2 經(jīng)濟(jì)效益

在原處理工藝中，需要通過提高污水加藥濃度、增加濾料更換次數(shù)或進(jìn)行過濾罐結(jié)構(gòu)改造等措施來達(dá)到提高回注水質(zhì)的目的，造成污水處理費(fèi)用偏高。金屬膜處理裝置投用后，降低了前端處理的運(yùn)行維護(hù)費(fèi)用。相比于改造前，每年可減少水處理藥劑和過濾罐濾料更換等費(fèi)用約￥58.4萬元。

4 結(jié)論

1） 鈦金屬膜分離技術(shù)在冀東油田高尚堡聯(lián)合站的成功應(yīng)用，解決了回注水懸浮物難以達(dá)標(biāo)的問題，在油田生產(chǎn)和新技術(shù)引進(jìn)方面都具有一定積極意義。鈦金屬膜過濾裝置日均處理水量可滿足現(xiàn)階段高尚堡作業(yè)區(qū)回注水需求量，且在進(jìn)水水質(zhì)達(dá)到設(shè)計(jì)要求的條件下運(yùn)行效果較好。處理后回注水平均懸浮物質(zhì)量濃度1.39mg／L，平均粒徑中值0.79 μm，適用于油田回注污水的深度處理。

2） 建議在今后的研究中，把膜污染控制以及膜清洗方法作為研究重點(diǎn)，以保證金屬膜的過濾通量，使其在油田污水處理中發(fā)揮更大的優(yōu)勢(shì)。

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