塔一聯懸浮污泥過濾水處理工藝及優化措施

王吉福，孔 偉，周 旋，喻友均，王洪松，李自懷，卓世虎

中石油塔里木油田分公司，新疆庫爾勒 841000

塔一聯油田采出水處理系統始建于1997年，設計日處理規模為7 000 m3，處理水質指標：含油量≤8 mg/L，懸浮物含量≤3 mg/L，粒徑中值≤2 μm；主要水處理設備有：污水壓力緩沖罐、水力旋流器、壓力沉降罐、深床過濾器、精細過濾器及注水罐。經過長年運行，該水處理系統中的水力旋流器、深床過濾器及精細過濾器由于腐蝕、內構件脫落、濾料板結等原因先后停運，水處理系統處理水質已不能滿足油田精細注水需求。2008年將塔一聯站內一座1萬m3事故罐改造為水處理沉降罐，改造后水質含油量基本達標，但懸浮物指標一直不能達標。為改進采出水處理工藝，提高水處理質量，塔一聯引進懸浮污泥過濾水處理系統，該系統2011年建成投運。

1 懸浮污泥過濾水處理工藝系統

1.1 工藝流程

塔一聯水處理系統主要采用“沉降+過濾”工藝。首先，站內全部來水都先進入1萬m3沉降罐進行油水沉降分離，然后分離水通過提升泵輸送至懸浮污泥過濾裝置進行過濾，接著經過過濾后的水進入注水緩沖罐，最后通過高壓注水泵回注至站外各注水井中。水處理系統主要設施有：1萬m3沉降罐1座，污水提升泵2臺，懸浮污泥過濾裝置2套，700 m3注水緩沖罐2座，高壓離心注水泵5臺，加藥房1間。

1.2 設備原理

懸浮污泥過濾（Suspended Sludge Filtration，以下簡稱SSF）裝置包括物化工藝和凈化器兩大部分，是一套純物理化學法處理裝置[1-3]。凈化器有旋流反應系統、懸浮澄清系統、斜管沉降系統、定期排泥系統等四大系統。首先，采用投加藥劑方式使污水中部分溶解狀態的污染物和膠體顆粒吸附出來，形成微小懸浮顆粒，從污水中分離出來，凝聚成大塊密實的絮凝體；再依靠同向凝聚和水力學原理在旋流反應系統中形成懸浮污泥層，污水經泥層過濾之后，達到設計水質標準，懸浮泥層起到了精細過濾作用。懸浮泥層自動更新，當污泥濃縮室蓄滿時定期排出。

1.3 技術指標

（1）來水水質：含油量≤100 mg/L，對懸浮物含量無要求。

（2）設計溫度：25～75℃。

（3）設計處理流量：180 m3/h。

（4）處理后水質：含油量≤8.0 mg/L，懸浮物含量≤3.0 mg/L，懸浮固體粒徑中值≤2.0 μm。

2 水處理系統運行存在問題

塔一聯懸浮污泥過濾水處理系統建成試運行3年后，系統運行存在的問題逐漸暴露出來：

（1）污水提升泵故障頻繁，機械密封容易燒毀，平均每1.5個月就需更換機械密封。

（2）污水提升泵至SSF裝置管道的結垢問題嚴重，結垢導致提升泵背壓增加約0.7 MPa，平均每2個月酸洗一次管道，拆卸管道發現管壁內結垢厚度約2～4 cm。

（3）水處理系統處理水質不穩定、波動大，綜合水質達標率僅65.48%，2套SSF裝置出口水質情況如圖1所示。

（4）SSF裝置凈化器上部設計有瓦楞斜板，主要作用是形成穩定污泥層，防止污泥、水中的大顆粒上漂，造成出水水質超標。由于斜板僅靠尼龍繩捆扎固定，當處理水量的變化超過30%時，斜板上下浮動過大，導致斜板垮塌，影響水質。

（5）水處理系統的污水腐蝕性極強，腐蝕速率0.344 6 ～ 2.865 4 mm/a，刺漏問題嚴重。SSF 裝置進口管道運行2年累計發生刺漏32次，SSF裝置罐體運行4年累計刺漏27次，每次處理刺漏點都要停運懸浮污泥過濾裝置，再次啟運后需要12 h以上才能將水質處理合格。此外，高壓離心注水泵內構件葉輪、泵軸以及注水閥組高壓閥門的閥芯腐蝕情況也很嚴重。

圖1 SSF裝置出口水質情況

（6）按要求SSF裝置每次重新投運開始，處理不合格的水需外排至站外暫存池（每次排水量約5 000 m3），當暫存池液位高于警戒線時，不合格的水只能回注到地層，造成水井堵塞，導致水井酸化頻次增加。

綜上，SSF系統運行最主要的問題：一是系統腐蝕結垢嚴重，運行不平穩；二是水質穩定性較差。

3 系統運行問題產生的原因分析

3.1 污水提升泵故障頻繁

拆解污水提升泵發現，泵體內、葉輪部分含有大量污垢，機械密封燒毀的主要原因是卡泵。調查分析認為，水處理系統中絮凝劑A劑、絮凝劑C劑加藥點在污水提升泵入口，藥劑加入系統后水中聚結形成的絮體、藥劑結晶等造成機泵葉輪和機械密封結垢卡死。

3.2 系統結垢嚴重

塔一聯處理的污水來源復雜多樣，站外暫存池內的回收水（含生活污水、鉆/試/修井廢液、場站排污水等） 與其他區塊（如161、401、40等區塊） 生產水混合在一起，導致污水成分復雜，鈣、鎂等成垢離子濃度高，礦化度高，污水容易結垢。污水離子成分組成分析見表1，其pH值為6.15，水型為CaCl2。結垢主要成份為碳酸鈣，占總量的79.3%，如圖2所示。

表1 污水離子組成分析/（mg·L-1）

圖2 結垢成分組成/%

3.3 系統腐蝕刺漏情況嚴重

水中氯離子質量濃度為57 328 mg/L，處于高腐蝕速率區間[4]。系統加注藥劑后改變了水質pH值，沿程水質pH值逐漸降低，出站時pH值為6.09。pH值的降低使得水性更偏向酸性，加劇了污水的腐蝕性。沉降罐出口至SSF裝置入口管道為Q345螺旋焊接鋼管，管道抗腐蝕性能較差。SSF裝置罐體由普通碳鋼焊接而成，刺漏點主要集中在污泥層位置，該位置累計刺漏占罐體刺漏總量的89%。污泥層中不僅聚集污水中的懸浮顆粒，也聚集了系統中加注的藥劑，說明水處理系統加注的絮凝劑具有一定腐蝕性。

3.4 水質處理穩定性差

影響懸浮污泥過濾系統水質穩定性的原因多種多樣，SSF裝置加藥系統出現故障時，處理水質立即超標；處理流量變化較大時，調整藥劑加注至少4 h才能使水質合格；裝置進行排泥操作時，取樣水質化驗超標；當來水中含油量超高、含硫化氫、含有氣泡、沉降罐液位低時都會影響水質處理。此外，由于SSF裝置及注水罐都是敞口裝置，污水直接與空氣接觸暴氧也成為影響水質的關鍵因素，系統沿程取樣點水質變化如表2所示。水處理系統暴氧的主要原因有兩個，一是回收水來自暫存池，池子里的水含氧量較高；二是懸浮污泥過濾裝置及注水罐是敞口裝置，水與空氣直接接觸暴氧。

表2 系統沿程取樣點水質變化/（mg·L-1）

4 工藝優化與應用

4.1 藥劑加注點設計優化

藥劑加注點設計優化后的分布如圖3所示，SSF配套加藥系統中絮凝劑A劑、C劑加注點由污水提升泵入口調整為懸浮污泥過濾裝置入口前30 m處的彎頭前端，利用彎頭改變流向作用來增加藥劑與水的混合程度。為避免水質超標（含油量＞100 mg/L）時沉降罐出口以及管道、裝置的腐蝕結垢，利用站內原水處理系統的加藥裝置在沉降罐進口匯管增注殺菌劑、破乳劑，在SSF裝置出口匯管增注緩蝕劑、阻垢劑。當沉降罐出口含油量超高時，及時加注破乳劑改善沉降罐內油水分離效果，提高沉降罐出水水質，通過加注化學藥劑降低水的腐蝕性，緩解結垢情況。

圖3 藥劑加注點設計優化后的分布

4.2 防腐措施優化

站內低壓輸水及加藥管道通過更換為非金屬材質管道進行防腐。SSF低壓供水管道由Q345螺旋焊接鋼管更換為鋼骨架復合管或玻璃鋼管并埋地；地面架空部分管道更換為耐腐蝕性好的2205雙相不銹鋼管，加藥管道由內襯管道更換為PPR管道。

SSF裝置及注水緩沖罐等靜設備的罐體內壁及內構件采用內襯加強級環氧玻璃鋼，通過隔斷金屬與水介質接觸的方式進行防腐。注水泵泵軸、葉輪以及高壓注水閥門、閥芯等過流部件通過更換耐腐蝕材質進行防腐，材質變更如表3所示。

表3 過流件材質更換

4.3 系統回收水流程優化

水處理系統排污、排泥、排澄清水等廢液以及處理不合格的水最初全都先排放到泥水池，再用泵轉輸到站外3萬m3暫存池，最后通過提升泵回收到站內沉降罐重新處理。優化后將系統產生的水分成兩部分，一部分相對干凈的水（如SSF裝置的澄清水、重新投運系統時產生的不合格水）直接利用舊的閑置緩沖罐通過泵回收到沉降罐，由兩級提升回收優化為一級提升回收；另一部分相對臟且不易處理的水先統一排放至隔油池，充分利用隔油池進行油水分離和顆粒沉降后自流到暫存池。暫存池與隔油池都是兩列，既可以一用一備，也可以并聯運行。暫存池的水利用現有洗井管網反輸到回注井口進行增壓回注，暫存池的進水點與供水點分別設計在池子兩端，防止距離過近而影響水在暫存池的沉降分離。

4.4 SSF斜板固定方式優化

SSF裝置的斜板最初由尼龍繩捆扎固定，現優化為在斜板上下兩側利用角鋼從中心支柱到罐壁輻射狀方式進行固定，每段角鋼采用螺栓連接，并進行防腐蝕處理，防止腐蝕且便于后期斜板更換。

4.5 系統密閉工藝優化

在注水罐先后試驗了柴油密閉、隔氧浮床密閉兩種密閉方式，但由于處理水量變化較大，水罐液位不穩定，容易造成柴油外溢或浮床垮塌而導致密閉失效。此外，SSF裝置出水口在設備頂端，上述兩種密閉方式并不適用。綜合考慮塔一聯站內現有設施設備及安全性，采用站內制氮系統的氮氣作為密閉介質。通過氮氣管道入口閥門的調節，使SSF裝置與注水緩沖罐容器內保持100 Pa微正壓。

4.6 運行管理方式優化

（1）水處理系統運行系統劃分為沉降罐進口、SSF裝置入口、注水罐入口、注水泵入口等節點，嚴格控制每個節點水質指標。

（2）定期開展藥劑評價及篩選，確定最佳的藥劑及加藥濃度，目前系統藥劑加注情況見表4。

表4 藥劑加注優化調整情況

（3）定期進行沉降罐、SSF裝置及注水罐清洗。

（4）SSF裝置處理水量變化時，緩慢調整并及時調整藥劑加注量，水量調節階梯式變化，每次調節量不大于10 m3/h。

（5）取樣方式變更為現場過濾水樣化驗懸浮物含量，以避免暴氧對水質化驗結果的影響。

4.7 工藝運行優化實施效果

通過一系列的工藝流程、系統運行管理優化后，水處理系統運行逐漸平穩，水質處理長期穩定達標。污水提升泵機封近一年未出現卡死損壞現象，近半年無刺漏穿孔，實施氮氣密閉改造后水質合格率增加到98.8%，效果良好。

5 結束語

（1）利用大容積的儲罐作為污水沉降罐進行油水分離，其除油效果較好，且設備檢修、維修操作簡單方便。

（2）SSF裝置利用自身形成的懸浮污泥層進行精細過濾，與常規濾料機械過濾相比，不用反洗、不怕堵塞，但產生的污泥量比較大。

（3）建議在強腐蝕性介質環境中，SSF裝置（內部結構相對復雜）采用內襯非金屬材料進行防腐或整體（含內構件）使用玻璃鋼等非金屬材質制造，管道盡量選用非金屬材質或更高耐腐蝕性能等級的金屬材質。

（4）SSF裝置絮凝劑加注點設計在泵入口時容易造成機泵卡死故障，建議將絮凝劑加藥點設計在SSF裝置入口前的彎頭處，充分促進藥劑與水的混合，提高絮凝效果，同時避免管道結垢。

（5）氮氣密閉系統密閉方法簡單，可操作性、安全性及有效性好，對設備內部結構無要求。

（6）隔油池、大容積暫存池對污水有除油作用，對降低懸浮物含量有一定效果，對注水水質要求不高時可廣泛應用。

（7）采集現場過濾水樣進行化驗，可有效避免暴氧對水質檢測結果的影響，現場過濾水樣要求有一定的壓力，常壓時無法現場過濾。

（8）水處理工藝的運行是一項系統工作，流程中每個節點、工藝設備的調整變化均會影響整個工藝系統的運行狀態。細分系統節點、統籌考慮，嚴格控制系統中每個節點水質，才能保證最終水質達標。

[1]魏修水，顏春者，張傳江，等.懸浮污泥過濾法用于污水精細處理的試驗研究[J].石油機械，2005，33（6）：10-13.

[2]張明亮，楊永彬，侯春生，等.懸浮污泥過濾污水處理裝置在塔里木油田的應用[J].石油石化節能，2012（11）：30-32.

[3]王洪松，龔秋紅，韓瑋男，等.塔中油田污水處理和回注工藝技術[J].石油石化節能，2013（10）：45-47.

[4]王吉福，鞠成才，閻逸超，等.核桃殼過濾強腐蝕含油污水工藝優化[J].油氣田地面工程，2015，34（7）：46-49.

[5]喻友均，孔偉，王吉福，等.某油田聯合站污水處理工藝密閉改造[J].石油工程建設，2016，42（6）：66-69.

[6]鄭潤芬.海拉爾油田28區塊污水處理系統腐蝕控制技術[J].油氣田地面工程，2017，36（2）：86-88.

[7]申坤，賀琦.安塞油田污水回注防腐工藝研究[J].石油天然氣學報（江漢石油學院學報），2006，28（3）：391-393.

[8]范強強，華麗.2205雙相不銹鋼腐蝕行為的影響因素[J].腐蝕科學與防護技術，2014，26（2）：178-182.