生化破乳+火山巖曝氣生物過濾技術在特低滲透油田污水處理中的應用

韓國勇（大慶油田有限責任公司第七采油廠）

生化破乳+火山巖曝氣生物過濾技術在特低滲透油田污水處理中的應用

韓國勇（大慶油田有限責任公司第七采油廠）

特低滲透油田由于孔隙小、喉道細，對注入水質要求非常高，采用常規含油污水深度處理工藝達到“5.1.1”出水水質困難，不利于節能環保。生化破乳+火山巖曝氣生物過濾技術保證了回注污水的有效利用和工程運行的安全可靠，該工藝結構緊湊，降低了運行成本。年節約地下清水15.6×104m3，節約用電量97×104kWh。

特低滲透油田 油田采出液 火山巖 破乳 過濾

隨著油田開發的不斷擴大，采出液含水率逐年上升。開采過程中產生的采出廢液量也大幅增加[1]。采出液中由于含有大量的有機物，又有適宜微生物生存的環境，因此還會繁殖大量的細菌，直接注入地下對環境造成嚴重污染危害[2]。為了有效利用油田采出液，對該廢液進行處理回注是既經濟又實用的辦法，然而要確保油田的高效注采開發，又要對水中的含油、懸浮固體等多項指標進行嚴格控制，防止其對地層產生傷害[3]。

葡四聯地區扶余油層屬特低滲透油層，采用溶氣氣浮+生化除油+曝氣生物過濾+高分子燒結濾芯過濾工藝處理油田采出液，該處理裝置設計能力為500 m3/d。葡四聯原水來自于葡三聯含油污水處理站，處理后水質達到石油行業要求的“5.1.1”標準，節約地下水資源的同時，保證了污水的有效回注，降低了工程造價及運行成本。

1 工藝流程

采出液經污水緩沖罐首先進入氣浮裝置，通過高速渦旋加速氣液混合液體，在液體內部形成高壓，將較大粒徑的氣泡壓縮后形成微納米氣泡，其粒徑在20～30 μm之間。在微納米氣泡的作用下分離回收大部分原油[4]；氣浮裝置出水進入生化反應裝置，充分破乳回收乳化油并降解污水中的有機污染物，其出水經火山巖曝氣生物過濾裝置進一步截留過濾去除水中懸浮物，最后再經精細過濾裝置處理后達到“5.1.1”標準后外輸。

氣浮裝置以及生化破乳裝置回收污油進入污油儲罐，然后通過污油泵回收至集輸系統；氣浮單元、生化破乳單元、生物曝氣濾池單元排出污泥以及回收水池排污匯入儲泥罐后，經污泥泵進入污水池，再由翻斗車將含油污泥拉運至處理站。工藝流程見圖1。

圖1 工藝流程

2 主要工藝設備

采出液處理工藝主要處理裝置有氣浮裝置、生化破乳裝置、火山巖曝氣生物過濾裝置、精細過濾裝置等（圖2）。

圖2 工藝立體示意圖

2.1 氣浮除油裝置

通過高速渦旋加速氣液混合液體，在液體內部形成高壓，將較大粒徑的氣泡壓縮后形成微納米氣泡，其粒徑在20～30 μm之間。微納米氣泡具有非常高的能量，在射入水中之后能對水產生局部電離作用，穩定后部分氣泡周圍包圍著一層正負離子，從而使氣泡具有帶電功能。而且非常小的尺寸使得微納米氣泡具有較高的表面能量，從而對其他物體具有較強的表面吸附作用。這兩方面的特點使微納米氣泡能夠吸附微小的油滴，逐漸聚合成為較大的油滴并快速上升到水面，完成油水分離作用。

2.2 生化破乳裝置

生化破乳裝置以組合填料作為生物膜載體，利用高效微生物菌群達到分離、回收污水中乳化油的目的。本工藝采用的微生物菌株可以利用水體中微量的無機鹽類和有機污染物作為營養進行生命代謝活動，無需額外添加營養。在25～40℃下可以保持旺盛的代謝活動，具有寬泛的耐受性（pH 6.0～10.5）。

2.3 曝氣生物過濾裝置

曝氣生物過濾裝置（BAF）采用火山巖填料，料層厚度為2 m，微生物附著于多孔結構的火山巖表面，構成微生物膜（圖3）。

圖3 曝氣生物濾池結構示意圖

曝氣生物過濾裝置運行工藝：來水由濾料上層進入曝氣生物濾池，在濾池底部進行曝氣，氣水兩相逆流。在反應器中，有機物被微生物氧化分解，固體懸浮物則被微生物膜截留過濾。隨著過濾的進行，由于火山巖表面附著的微生物上升，截留的懸浮物不斷增加，在開始階段壓差逐漸升高；當固體物質積累達到一定程度，堵塞濾層的上表面，并且阻止氣泡的釋放，將會導致壓差達到設計值[5]，此時應立即進行反沖洗再生，恢復處理能力。

火山巖生物濾料各項性能測試平均參數見表1。

表1 火山巖濾料性質

2.4 精細過濾裝置

精細過濾裝置的濾芯采用高分子燒結材料，過濾精度為0.2 μm，可以截留絕大部分顆粒物、膠體顆粒及微生物體，進而保證出水能夠滿足“含油量小于或等于5 mg/L，懸浮固體含量小于或等于1 mg/L，粒徑中值小于或等于1 μm”的要求。

過濾裝置由3個濾筒組成，每個濾筒內裝有40支濾芯，共計120支濾芯。殼體進口采用切面進入的方式，避免物料直接沖擊濾芯，大的顆粒也會因旋轉而掉入罐底，有效提高了濾芯的使用壽命。正常過濾時，3個濾筒聯合過濾。裝置結構見圖4。

在正常狀態下，物料經過濾器入口進入，從下而上通過過濾組件，由濾芯的外表面將原料中的顆粒雜物阻隔，干凈液體由內排出；過濾元件表面濾餅逐漸堆積，造成進出口兩端壓差增大；當壓差達到預定值時，差壓變送器輸出差壓信號，啟動PLC控制箱里的可編程控制器，3臺過濾器逐臺開始清洗（2臺進行過濾，1臺進行反洗），反沖洗采用氣水聯合反沖洗，水洗8 s 1次+氣洗8 s 2次。

圖4 精細過濾結構示意圖

3 核心技術原理

3.1 生物破乳

針對含油污水的特點，通過篩選、配伍的方式培養適應污水水質的高效微生物破乳菌群，采用組合填料作為生物膜載體。接種微生物破乳菌，接種的微生物可利用水中無機鹽和有機酸等作為營養進行新陳代謝，在組合填料表面形成生物膜（圖5）。

生物破乳菌及其表面的生物大分子與疏水的乳化劑形成絡合物，破壞乳狀液中的水包油結構，微生物菌株利用水體中微量的無機鹽類和有機污染物作為營養進行生命代謝活動，無需添加其他藥劑。該段一次性投加液體菌劑3.6 t。

圖5 生物破乳菌的篩選及電鏡照片

通過透射電鏡觀察可以發現，生物破乳劑產生菌的胞外分泌物主要為多糖和e-DNA等生物大分子，生物破乳劑攜帶的正電荷中和了油滴表面的負電荷，使油滴間電荷斥力減弱[6]，同時經吸附架橋作用聚集在一起，乳化油滴得以聚集并長大（圖6）。

圖6 生物破乳劑產生菌及胞外分泌物透射電鏡觀察

將獲得的菌株接種到乳化油污水中，產生的生物破乳劑能夠破壞乳狀液中的水包油結構，使其破乳。破乳后的原油與水相分離，并聚集成大液滴后上浮至液面。由于微生物破乳菌的使用，避免了傳統生物工藝對原油過度消耗的現象，這不僅大大增加了原油的回收率，而且提高了水質和經濟效益。現場運行結果表明，出水水質達到“5.1.1”標準。

3.2 生物過濾技術

來水由濾料上層進入曝氣生物濾池，與濾池底部的曝氣形成氣水兩相逆流。利用微生物附著于多孔結構的火山巖表面，構成微生物膜。有機物被微生物氧化分解，固體懸浮物則被微生物膜截留過濾。該段一次性投加液體菌劑1.6 t。

4 設計參數

原水含油量100～300 mg/L，懸浮固體含量30～270 mg/L；來水溫度33℃；設計流量 22 m3/h；33℃時空氣溶量1.154 g/L；33℃時溶解系數約為0.015 8；空氣裕量系數1.2；溶氣壓力3.9×105Pa；大氣壓力1.013×105Pa。

根據公式計算出回流量為5.3，回流比為25%。

式中：

Va——空氣溶量，g/L；

Kt——溶解系數，20℃時，Kt=0.024；

η——溶氣效率 （取η=1）；

P——溶氣壓力，Pa；

Po——大氣壓力，Pa；

Qr——溶氣水量，m3/h；

QS——為水中懸浮物含量，mg/L；

Q——污水量，m3/h。

氣固比的確定采用經驗法，as的典型經驗選取范圍在0.005～0.06之間。綜合考慮來水中的含油量和懸浮物含量，根據檢測結果取as=0.04。

生化破乳：生化系統氣水比為5∶1，有效停留時間4 h。

曝氣生物濾池：采取25 min氣洗+2 min氣水聯合反洗+3 min水洗反沖洗方式，根據液位自動反沖洗，正常運行氣水比為5∶1，濾速3～5 m/h。

精細過濾精度為0.2 μm，根據壓差自動反沖洗，反沖洗方式為8 s水洗1次+8 s氣洗2次。

5 現場運行效果

現場數據表明，溶氣氣浮+生化除油+曝氣生物過濾+高分子燒結濾芯過濾工藝具有較好的處理含油污水的效果。

進水含油量最高值為325.8 mg/L，最低值為295.7 mg/L，平均含油量為310.7 mg/L。精細過濾后出水含油量最高值為4.8 mg/L，最低值為4.6 mg/L，平均含油量為4.7 mg/L，含油量平均去除率為98.48%（表2）。

進水懸浮固體含量最高值為292.2 mg/L，最低值為259.5 mg/L，平均懸浮固體含量為275.8 mg/L。精細過濾后出水懸浮固體含量最高值為0.97 mg/L，最低值為0.68 mg/L，平均懸浮固體含量為0.82 mg/L，懸浮固體含量平均去除率為99.7%（表3）。

工藝投產運行后，水質指標達到“5.1.1”石油行業標準要求，解決了剩余污水無法回注的難題，年節約地下清水15.6×104m3，節約用電量97×104kWh。

表2 含油污水經處理設備各階段含油量變化情況

表3 含油污水經處理設備各階段懸浮固體含量變化情況

6 運行成本

運行成本主要包括固定資產折舊費、系統運行藥劑投加費、維護費用以及運行電費。

固定資產折舊費：污水處理站運轉時間一般為20年，其年折舊費用不計利率變化約為39.9萬元。

藥劑費：本工藝不需投加任何藥劑，因此不計藥劑費用。

維護費：由于本工藝微生物不需維護，維護費主要考慮濾芯更換費用。高分子燒結濾芯使用壽命約為3年，共120支濾芯，單價120元，因此維修費用每年0.48萬元。

運行電費：包括升壓水泵用電費用，加藥裝置、反沖洗和生活用電費用。

年總費用為66.98萬元，全成本為3.67元/m3；年運行費用為26.6萬元，運行成本為1.46元/m3。

相比清水價格為5.9元/m3、膜處理運行成本約2.5元/m3，生化處理工藝的運行成本是清水膜處理工藝的58.4%，全成本是清水價格的53.2%，具有較好的應用前景。

7 結束語

工程實踐證明，采用溶氣氣浮+生化除油+曝氣生物過濾+高分子燒結濾芯過濾工藝處理油田采出液簡單有效。該工藝結構緊湊，運行費用低，處理效果穩定，對其他類似油田采出液處理工程具有一定的借鑒作用。

[1]高峰.油田采油廢水霧化處理方法的研究[D].重慶:重慶大學,2010.

[2] Yoshihiro Suzuki，Toshiroh Maruyama.Removal of emulsified oilfrom water by coagulation and foam separation[J].Separation Science and Technology，2005，40(16):3407-3418.

[3]梁進峰,屈策計,李婷婷,等.吳起油田采出水處理技術研究[J].中國石油和化工標準與質量,2013(3):1673-4076.

[4]劉季霖.納米氣泡發生裝置研究[D].杭州:浙江大學機械電子工程學院,2012.

[5]張薇,史開武,孔惠.曝氣生物濾池(BAF)的發展與現狀[J].北京石油化工學院學報,2005(3):24-30.

[6]侯寧.生物破乳劑產生菌的特性及破乳效能研究[D].哈爾濱：哈爾濱工業大學環境工程學院,2009.

10.3969/j.issn.2095-1493.2015.004.009

2015-01-30）

韓國勇，工程師。2008年畢業于東北石油大學（油氣儲運工程專業），從事注水管理工作，E-mail：meteor.hgy@163.com，地址：黑龍江省大慶市第七采油廠油田管理部，163517。