濮城油田預(yù)氧化污水處理工藝的優(yōu)化與應(yīng)用

蔡愛斌，汪新志

(中國石油化工股份有限公司中原油田分公司，河南濮陽457001)

預(yù)氧化油田污水處理技術(shù)于2002年在濮城油田濮三污水站首次應(yīng)用成功后迅速得到推廣，目前在國內(nèi)各大油田均有應(yīng)用。預(yù)氧化油田污水處理技術(shù)經(jīng)過近幾年的發(fā)展，日趨成熟，特別是污水處理工藝經(jīng)過現(xiàn)場不斷摸索，逐步優(yōu)化改進，與污水處理技術(shù)結(jié)合越來越科學(xué)合理，處理后的污水水質(zhì)指標(biāo)和穩(wěn)定性均有較大幅度的提高。

1 預(yù)氧化油田污水處理技術(shù)基本原理

預(yù)氧化油田污水處理技術(shù)是在水質(zhì)改性技術(shù)的基礎(chǔ)上發(fā)展而來的，水質(zhì)改性技術(shù)雖然從根本上解決了油田污水的水質(zhì)和腐蝕問題，但水質(zhì)改性技術(shù)也逐漸暴露出一些問題，如:

(1)污泥產(chǎn)出量大，無法有效處置，給環(huán)保帶來巨大壓力;

(2)回注水與地層水pH值差異大，仍具有較強的結(jié)垢趨勢，注水壓力逐年增加;

(3)細(xì)菌在弱堿性環(huán)境條件下長期生存產(chǎn)生抗藥性，無法得到有效控制;

(4)污水處理藥劑成本較高，1.2 RMB￥/m3。

為解決水質(zhì)改性技術(shù)存在的問題，研發(fā)了預(yù)氧化油田污水處理技術(shù)，原理是通過化學(xué)或電化學(xué)的方法對來水進行預(yù)氧化處理，利用預(yù)氧化過程中產(chǎn)生的強氧化態(tài)中間物質(zhì)在殺滅細(xì)菌的同時，將污水中的Fe2+氧化成Fe3+，將S2-氧化成單質(zhì)硫，并使其具有凝聚作用，在較低pH值和混凝劑的共同作用下，打破污水中存在的CO2-HCO-3-CO2-3緩沖體系和固有的膠體平衡，使水中的微小雜質(zhì)顆粒聚集成體積大、密度高、沉降快的絮體，從水體中完全沉降、分離出來，實現(xiàn)水質(zhì)達(dá)標(biāo)和降低污泥產(chǎn)出量的目的。其工藝流程見圖1。

圖1 預(yù)氧化技術(shù)工藝流程示意Fig.1 Sketch map of pre-oxidation technological process

2 預(yù)氧化油田污水處理工藝優(yōu)化

預(yù)氧化技術(shù)工藝與油田傳統(tǒng)的“三段式”污水處理主體工藝基本相同，即“收油-沉降-過濾”，只是預(yù)氧化技術(shù)在工藝方面做了進一步優(yōu)化，使工藝與技術(shù)配合更加緊密，提高了污水與藥劑的混合效果及沉降凈化效果，水質(zhì)指標(biāo)及其穩(wěn)定性進一步提高。

2.1 來水均質(zhì)均量工藝優(yōu)化

濮城油田來水水源有油井產(chǎn)出水、補充清水、油田作業(yè)措施廢水及站內(nèi)排污反洗循環(huán)水，這些水源均在混合罐前端的管線上引入污水處理系統(tǒng)。由于這些水源均有獨立的提升系統(tǒng)，導(dǎo)致進入污水處理系統(tǒng)的污水總流量難以保持平穩(wěn)，瞬時流量波動非常大，致使后續(xù)的污水處理藥劑加藥量難以與處理水量保持正比波動，處理后水質(zhì)也頻繁波動。另外污水處理系統(tǒng)需要平穩(wěn)操作，來水量波動大，對系統(tǒng)的沖擊也隨之增加，如果水量突然增大，會對沉降罐內(nèi)已經(jīng)沉積下來的污泥沖擊上翻，使沉降罐出罐水質(zhì)難以保持平穩(wěn)。

油井產(chǎn)出水、補充清水、油田作業(yè)措施廢水及站內(nèi)排污反洗循環(huán)水等各種水源的性質(zhì)差別很大，對污水處理加藥量要求也不一樣，這種多頭治水的工藝在生產(chǎn)現(xiàn)場加藥系統(tǒng)無法實現(xiàn)分類加藥，水質(zhì)也無法實現(xiàn)穩(wěn)定達(dá)標(biāo)。

為解決該問題，濮城油田提出了來水均質(zhì)均量工藝優(yōu)化，將補充清水、油田作業(yè)措施廢水及站內(nèi)排污反洗循環(huán)水全部引入5 000 m3大罐，與油井產(chǎn)出水充分混合均質(zhì)后由一級提升系統(tǒng)提升進入污水處理系統(tǒng)，這樣既保證了來水的均質(zhì)均量，又能確保污水處理藥劑加藥量與水量匹配，為水質(zhì)穩(wěn)定達(dá)標(biāo)奠定基礎(chǔ)。

2.2 收油工藝優(yōu)化

濮城油田污水站來水含油偏高，水質(zhì)波動大。污水處理站來水油的質(zhì)量濃度在100 mg/L以上，峰值達(dá)到1 000 mg/L左右。預(yù)氧化污水處理技術(shù)采用的是沉降工藝，污水中含油過高，不利于污水處理過程中產(chǎn)生的污泥礬花沉降，導(dǎo)致系統(tǒng)水質(zhì)大幅度波動。另外含油過高的污水對污水處理設(shè)施造成很大沖擊，尤其是處理流程耐沖擊性能較差時，造成后續(xù)處理一系列問題，最嚴(yán)重的是過濾罐濾料被污油堵塞，出水含油超標(biāo)，導(dǎo)致注水罐內(nèi)污水表面有一層浮油。污水含油過高，污水處理過程中產(chǎn)生的污泥含油也隨之增加，污泥處理難度大，導(dǎo)致板框壓濾機濾布堵塞，壓濾困難。

為了解決這一難題，濮城油田采用先期除油工藝。通過對各聯(lián)合站廢棄的5 000 m3高含水油罐進行改造，增設(shè)布水系統(tǒng)、集水系統(tǒng)、收油系統(tǒng)、排污系統(tǒng)。聯(lián)合站三相分離器放水首先進入改造后的預(yù)收油罐，該罐除油效率可達(dá)95%以上，除懸浮物效率可達(dá)60%以上，耐水質(zhì)水量波動能力大幅度提高，有效地降低了進站負(fù)荷，對保證污水站處理設(shè)備正常運行、保證凈化污水穩(wěn)定達(dá)標(biāo)起到重要作用。

2.3 藥劑混合工藝優(yōu)化

藥劑與污水的混合是污水處理的一個關(guān)鍵環(huán)節(jié)，為提高污水與藥劑的混合效果，在污水處理流程中，取消了沉降罐內(nèi)中心反應(yīng)桶，在沉降罐前增設(shè)了專門的混合反應(yīng)器。污水在混合反應(yīng)器處于旋流狀態(tài)，依據(jù)反應(yīng)器進口污水流量，控制噴嘴尺寸，控制合理的污水旋流速度，污水處理藥劑在混合器上按一定間隔距離依次投加，保證單個藥劑的反應(yīng)時間不小于30 s。實踐證明混合反應(yīng)器大幅度提高了污水與藥劑的混合效果，藥劑的作用效果也得到充分發(fā)揮。

預(yù)氧化技術(shù)所投加的預(yù)氧化劑多為雙氧水，雙氧水與污水中Fe2+和S2-等還原性離子反應(yīng)需要一定時間，混合罐由于容積有限，很難保證預(yù)氧化劑的反應(yīng)時間。為此將預(yù)氧化劑的投加位置前移至一次提升泵進口，利用一次提升泵到混合罐之間管線提供預(yù)氧化劑的反應(yīng)時間。預(yù)氧化劑的加注點也依據(jù)管線內(nèi)水流狀態(tài)做了進一步優(yōu)化。原先只是在管線的管壁上直接焊接加藥口，眾所周知，污水在管線內(nèi)的流態(tài)是層流，管線中心流速較快，越靠近管壁流速越慢，藥劑加入管線后，隨著水流沿著管壁直線運行，藥劑與污水不能混合均勻，其氧化作用也不能充分發(fā)揮，而且還造成藥劑浪費。通過對管線內(nèi)液體流態(tài)分析，對預(yù)氧化劑加注點的結(jié)構(gòu)進行優(yōu)化。將預(yù)氧化劑加藥管線延伸至管線中間，加藥管線頂端切割成坡口，坡口方向迎著水流方向，這樣利用管線中心水流快的特點沖擊加藥管線坡口，預(yù)氧化劑在水流沖擊下迅速在水中分散開，一來提高了藥劑與污水的混合效果;二來提高了預(yù)氧化劑的作用效果。預(yù)氧化劑加注點結(jié)構(gòu)示意見圖2。

預(yù)氧化劑加注點經(jīng)過優(yōu)化改造后，效果非常明顯，特別是處理后污水中鐵的質(zhì)量濃度由改造前的0.8 mg/L下降至改造后的0.3 mg/L。

2.4 沉降工藝優(yōu)化

傳統(tǒng)式沉降罐采用同向流沉降工藝，即污水進出罐的方位采用高進低出，污水從沉降罐上部進水，下部出水，在污水向下運移過程中產(chǎn)生的污泥礬花也同步下移，這樣出水端始終處于渾水層，出罐水質(zhì)無法保證。為提高沉降罐沉降凈水效果，使沉降罐功能轉(zhuǎn)化為以去除懸浮物為主，對沉降罐進行了逆向流改造，即調(diào)整沉降罐進出水方位，采用低進高出工藝，使懸浮物沉降方向與水流運移方向相反。這樣出水端始終處于上部清水層，出罐水質(zhì)得到大幅度提高，而且縮短了污泥礬花沉降時間，出水水質(zhì)穩(wěn)定性也大幅提高。沉降罐按逆向流進行改造后，出罐污水懸浮物的質(zhì)量濃度由改造前的大于50 mg/L下降至15 mg/L，大大減輕了后續(xù)過濾罐的工作負(fù)荷。

圖2 預(yù)氧化劑加注點結(jié)構(gòu)示意Fig.2 Sketch map of the pre-oxidation injection construction

2.5 過濾工藝優(yōu)化

過濾系統(tǒng)是控制出站水質(zhì)的最后一道工序，其工作效果直接影響出站水質(zhì)。濮城油田原先全部采用直徑3 m的雙濾料過濾器，單罐每天過濾水量不超過2 000 m3，單罐處理量小，數(shù)量多，每天反洗工作量大，反洗水量大。以濮三污水站為例，處理水量20 dam3/d，投運直徑3 m過濾器12座，每天反洗2次，每次單罐反洗水量達(dá)100 m3，12座濾罐反洗水量1 200 m3，每天因反洗需消耗凈化水2 400 m3。而且濾罐反洗時間長，每次反洗一個循環(huán)需耗時2.5～3.0 h。過濾罐反洗期間，濾后水質(zhì)指標(biāo)會急劇下降，這樣每天基本有6 h處于反洗期間，濾后水難以達(dá)標(biāo)，造成系統(tǒng)水質(zhì)波動。

為減少反沖洗對系統(tǒng)水質(zhì)的沖擊，濮城油田采取了過濾罐擴容措施，單個濾罐的直徑擴大至3.6 m，單個濾罐的處理能力增加至3 000 m3/d。濾罐擴容改造后濮三污水站日常投運濾罐6座，一個反洗循環(huán)水量減至600 m3，反洗時間縮短至90 min，有效縮短了反洗對系統(tǒng)水質(zhì)的影響。而且濾罐改造時，取消了濾罐內(nèi)最上層的無煙煤濾料，因為無煙煤濾料有質(zhì)輕、易碎等特點，反洗時濾料在罐內(nèi)反復(fù)搓洗，無煙煤濾料很容易從反洗出口流出，造成濾料流失，影響濾罐的正常過濾效果，所以在改造時，取消了無煙煤濾層，適當(dāng)增加了0.3～0.5 mm石英砂濾層厚度，確保濾罐的過濾精度不受影響。實踐證明，經(jīng)過改造后過濾罐的處理水量有所增加、過濾精度沒有下降、濾料使用周期有所延長。

2.6 排污工藝優(yōu)化

污水處理系統(tǒng)各類罐內(nèi)沉積的污泥能及時排出是確保水質(zhì)長期平穩(wěn)達(dá)標(biāo)的一個重要因素。濮城油田原先采用滑泥坡與穿孔管相結(jié)合的排污方式，由于污泥在罐內(nèi)流動性較差，排泥效果不盡理想，“中石化水質(zhì)專項治理”改造時，濮城油田引進了負(fù)壓排泥技術(shù)。在沉降罐距離罐底30 cm位置安裝負(fù)壓排泥器，通過罐外排泥動力泵提供高壓水流，在排泥器內(nèi)形成負(fù)壓，這樣罐內(nèi)污泥就被吸進排泥器內(nèi)而排出罐外。實踐證明，負(fù)壓排泥器能控制罐內(nèi)污泥淤積高度不超過40 cm，排泥效果有明顯提升。但其缺陷是使用時間長，排泥器提供負(fù)壓的噴射管容易被雜物堵塞而失去負(fù)壓排泥作用，使用一段時間需要進行維修。

排污工藝目前又有了進一步發(fā)展，國內(nèi)有部分油田開始使用衍車式排泥器，其利用一組排泥器在罐底旋轉(zhuǎn)，利用液位壓力將罐內(nèi)污泥排出。這類排泥器的應(yīng)用效果應(yīng)該有保障，只是出現(xiàn)故障時需要清罐維修。

2.7 提高工藝自控水平

自動化技術(shù)是實現(xiàn)污水站平穩(wěn)運行、水質(zhì)穩(wěn)定達(dá)標(biāo)的重要保證，而且還減輕了工人勞動強度。濮城油田污水處理基本實現(xiàn)了過程管理自動化。

2.7.1 加藥自動化工藝優(yōu)化

加藥自控系統(tǒng)采用電磁流量計對來水流量進行計量，根據(jù)各種藥劑的投加濃度進行比例控制。系統(tǒng)輸出4～20 mA信號給加藥泵變頻調(diào)速器，由變頻調(diào)速器控制加藥泵轉(zhuǎn)速，進而達(dá)到加藥自動化的目的。實踐證明，這套自動化加藥系統(tǒng)控制效果良好，現(xiàn)場使用方便，操作簡便，可以實現(xiàn)pH值的準(zhǔn)確控制，藥劑根據(jù)水量自動控制投加量。

2.7.2 提升泵自動化工藝優(yōu)化

在各級緩沖罐安裝壓力變送器，壓力變送器根據(jù)緩沖罐內(nèi)液位壓力輸出4～20 mA信號給各級提升泵變頻調(diào)速器，由變頻調(diào)速器控制提升泵轉(zhuǎn)速，進而達(dá)到平穩(wěn)控制系統(tǒng)各類罐液位的目的。實踐證明，這套自動化液位控制系統(tǒng)使用方便，操作簡便，可以實現(xiàn)液位自控的目的。

2.8 處理后水質(zhì)指標(biāo)

由于預(yù)氧化技術(shù)對污水處理工藝各個細(xì)節(jié)方面做了更進一步優(yōu)化，水質(zhì)管理從細(xì)節(jié)入手，處理后水質(zhì)指標(biāo)有了一定程度提高，水質(zhì)穩(wěn)定性更好。預(yù)氧化技術(shù)處理后水質(zhì)指標(biāo)參見表1。

表1 預(yù)氧化技術(shù)處理后水質(zhì)指標(biāo)Table 1 Quality index of the water treated with pre-oxidation treatment technology

3 結(jié)束語

油田污水處理是一項綜合性復(fù)雜工作，需要污水處理技術(shù)與工藝的完美結(jié)合才能確保處理后污水各項指標(biāo)穩(wěn)定達(dá)標(biāo)。只有先進的技術(shù)，沒有與之配套的工藝，污水處理也難以取得好的效果。工藝優(yōu)化措施實施后，水質(zhì)和穩(wěn)定性也有較大幅度的提高，處理后污水中鐵的質(zhì)量濃度由改造前的0.8 mg/L下降至改造后的 0.3 mg/L，懸浮物平穩(wěn)控制在3 mg/L以下，腐蝕速率控制在0.076 mm/a以下，使污水處理工藝與污水處理技術(shù)結(jié)合更加緊密。