微生物+膜工藝在特低滲透油田采出水回注處理中的應(yīng)用

周薛揚(yáng) 侯雨涵 蔣孟蕓 何思琦

（1.北京工業(yè)大學(xué)；2.中國石油華北油田分公司第一采油廠；3.中國石油華北油田分公司第三采油廠；4.中國石油華北油田分公司第二采油廠）

1 工藝現(xiàn)狀

該采出水處理站負(fù)責(zé)A油田產(chǎn)出液處理及采出水回注任務(wù)，A油田屬于特低滲透油藏，平均空氣滲透率小于或等于0.01 μ m2，日均產(chǎn)液1838 m3/d，日產(chǎn)油318 t，綜合含水率82.7%，日均回注采出水1740 m3。處理后的采出水應(yīng)該達(dá)到SY/T 5329—2012《碎屑巖油藏注水水質(zhì)指標(biāo)及分析方法》中第一級水質(zhì)要求[1]（含油量≤5 mg/L，懸浮物質(zhì)量濃度≤1 mg/L，粒徑中值≤1 μ m），但是2011年之前進(jìn)行的污水系統(tǒng)工藝改造是按照SY/T 5329—1994標(biāo)準(zhǔn)中的要求來設(shè)計(jì)的，其出站水質(zhì)含油量小于10 mg/L，懸浮物質(zhì)量濃度小于10 mg/L，因此現(xiàn)有的工藝不能滿足生產(chǎn)要求。取油區(qū)來水、沉降罐出口、過濾器出口三個(gè)節(jié)點(diǎn)的濾后采出水進(jìn)行水質(zhì)檢測，水中含油量、懸浮物含量及各種菌含量均超標(biāo)（表1），不能作為有效回注，屬于無效注水，有效注水則全部采用清水，日注水量為1100 m3。采出水處理工藝流程如下：三相分離器出水進(jìn)入1000 m3污水沉降罐進(jìn)行沉降和收油，之后通過提升泵進(jìn)入MGL型污水處理裝置進(jìn)行過濾，濾后水通過注水泵回灌入地層（圖1）。

2 工藝優(yōu)選

2.1 微生物處理工藝

成分復(fù)雜的油田采出水，注入微生物反應(yīng)池，通過與專性菌群和氧氣發(fā)生反應(yīng)，采出水中的污油及有機(jī)懸浮物在適宜的環(huán)境中發(fā)生氧化分解，專性菌群以有機(jī)物作為營養(yǎng)進(jìn)行新陳代謝，復(fù)雜的有機(jī)物降解成簡單的無機(jī)物，達(dá)到凈化采出水的目的。采用微生物對有機(jī)物、油、硫化物及固體懸浮物進(jìn)行生物降解，再經(jīng)過固液分離池分離微生物反應(yīng)池出水中的懸浮物，有效降低處理采出水含油、懸浮物及細(xì)菌含量[2]。特點(diǎn)：曝氧殺菌，不需要化學(xué)藥劑，流程短，污泥產(chǎn)生少，除有機(jī)物效果好[3]。主要的工藝原理如圖2所示。在該站設(shè)置4座微生物反應(yīng)池，設(shè)計(jì)停留時(shí)間10 h，單池尺寸15 m×5 m×6 m，單池處理能力500 m3/d。微生物反應(yīng)池要求油區(qū)來水含油量小于或等于150 mg/L，處理后出水含油量小于或等于8 mg/L，反應(yīng)池中的氣水比按照10∶1計(jì)算，則總曝氣量設(shè)計(jì)為20 000 m3/d，單池的表面水力負(fù)荷為5.55 m3/（m2·d）。

表1 水質(zhì)檢測結(jié)果（改造前）

圖1 采出水處理工藝流程（改造前）

圖2 微生物處理工藝原理

2.2 膜處理工藝

按照通量進(jìn)行分類，膜分離工藝主要包括微濾（MF）、超濾（UF）、納濾（NF）、反滲透（RO）、透析（DA）、電滲析（ED）、電脫鹽（EDI）、滲透汽化（PV）、膜萃取（ME）、膜蒸餾（MD）、液膜技術(shù)（LM）和氣體分離（GS）等，其中以超濾和納濾應(yīng)用最為廣泛[4]。

超濾膜和納濾膜的工作原理大致相同，都是以壓力差為驅(qū)動(dòng)力，其中超濾適用于分離10-8～10-6μ m孔徑大小的液體中的顆粒和溶解的大分子物質(zhì)，如乳膠、乳化油和各種膠體等；納濾適用脫除水中的硬度和小分子有機(jī)物，孔徑大小為10-8～10-9μ m，如各種病毒、蔗糖和卵清蛋白等。取某采出水處理站經(jīng)微生物池氧化后的采出水分別進(jìn)行超濾膜和納濾膜處理對比（表2）。

表2 超濾膜與納濾膜工藝水處理對比

超濾膜與納濾膜水處理裝置具有以下特點(diǎn)：

1）納濾處理系統(tǒng)不具備去除水中離子功能，可去除大部分懸浮物雜質(zhì)。

圖3 采出水處理工藝流程（改造后）

3）超濾膜噸水電耗小于0.5 kWh。

綜合以上對比和分析，采用超濾膜技術(shù)作為主工藝。

為了保證超濾膜系統(tǒng)可以穩(wěn)定運(yùn)行，超濾膜需要一定的進(jìn)水條件（表3）。要滿足進(jìn)水條件需要進(jìn)行預(yù)處理，目的是去除原水中對超濾膜產(chǎn)生污染或者破壞的物質(zhì)，一旦預(yù)處理不合格，污染物就會堆積在膜表面[5]。采用微生物+膜過濾工藝進(jìn)行精細(xì)處理，并配套殺菌、加藥、防垢等措施控制細(xì)菌含量和腐蝕結(jié)垢速率，基本滿足超濾膜進(jìn)水條件。

表3 超濾膜進(jìn)水水質(zhì)要求

膜過濾介質(zhì)采用不銹鋼316L五層燒結(jié)網(wǎng)為過濾介質(zhì)，過濾精度高（最高可達(dá)1 μ m）。五層燒結(jié)金屬網(wǎng)是由多張金屬編織絲網(wǎng)為原料，通過特殊的疊層設(shè)計(jì)、復(fù)合壓制和真空燒結(jié)等工藝制成，具有普通金屬編織絲網(wǎng)孔隙結(jié)構(gòu)簡單、網(wǎng)孔尺寸均勻的特性，又克服了其強(qiáng)度低、整體性差、網(wǎng)孔形狀不穩(wěn)定等不足；并且可以靈活地對材料的孔隙尺寸、滲透性能和機(jī)械強(qiáng)度進(jìn)行合理的匹配，其綜合特性優(yōu)于燒結(jié)金屬粉末、陶瓷、纖維、濾紙、濾布等其他類型的多孔材料。膜過濾過程能夠精細(xì)截留水體中的懸浮物、有機(jī)物、膠質(zhì)顆粒、微生物等，使水得到凈化。由于超濾膜的通徑較小，長時(shí)間運(yùn)行后容易產(chǎn)生膜污染，從而導(dǎo)致膜通量下降。

選用的膜組件直徑400 mm、長1000 mm，獨(dú)立成罐，罐體直徑500 mm、高1200 mm，單個(gè)罐的處理規(guī)模約200 m3/d，設(shè)置10個(gè)罐，罐組處理能力為2000 m3/d，在膜組件中心設(shè)有超聲波清洗裝置，運(yùn)行方式采用內(nèi)壓型。進(jìn)水流向與膜表面平行，該過程有進(jìn)料液、截留液和透過液三種液流，利用剪切力的作用截留水中雜質(zhì)，屬于錯(cuò)流過濾，與死端過濾相比反沖洗周期可以大大縮短，膜通量也可相對增加。膜過濾器中心嵌入超聲波振盒，利用空化效應(yīng)清除附著在膜表面的污染物。超聲波在設(shè)定壓差為0.015 MPa時(shí)自動(dòng)清洗，若4h壓差仍未達(dá)到設(shè)定值由時(shí)間控制其自動(dòng)清洗，水洗反洗也是根據(jù)運(yùn)行時(shí)間或壓差啟動(dòng)，底部回流與進(jìn)水流道形成錯(cuò)流，時(shí)時(shí)沖刷濾桶表面，減少污染物附著在濾桶表面的概率，從而更好地解決膜過濾的易污染現(xiàn)象。

2.3 工藝流程及應(yīng)用效果

在站內(nèi)新建微生物反應(yīng)池、膜過濾器及配套工藝，油區(qū)來水經(jīng)過降溫、曝氣調(diào)節(jié)后進(jìn)入微生物反應(yīng)池，微生物反應(yīng)池內(nèi)裝有半軟性填料，風(fēng)機(jī)通過安裝在微生物反應(yīng)池底部的曝氣器為微生物供氣。在微生物反應(yīng)池中投加微生物菌群，先對采出水中容易造成膜污染的油及有機(jī)物進(jìn)行生物降解，達(dá)到膜過濾的進(jìn)水指標(biāo)要求（含油量≤8 mg/L），滿足預(yù)處理要求；反應(yīng)池出水進(jìn)入膜處理系統(tǒng)進(jìn)行泥水分離，產(chǎn)水收集到200 m3濾后水罐，然后通過注水泵回注地層，同時(shí)配套殺菌、加藥、防垢措施，使采出水水質(zhì)達(dá)到第一級標(biāo)準(zhǔn)。改造后的工藝流程見圖3。

應(yīng)用微生物-錯(cuò)流超濾膜過濾技術(shù)，使采出水水質(zhì)處理后達(dá)到第一級標(biāo)準(zhǔn)“511”。該油田的采出水全部實(shí)現(xiàn)了有效回注，油區(qū)來水到膜過濾后出水外觀變化明顯，膜過濾后出水清澈，水樣見圖4；分別取油區(qū)來水、微生物處理后、超濾膜處理后三個(gè)節(jié)點(diǎn)的采出水進(jìn)行檢測，水質(zhì)檢測結(jié)果如表4所示。

圖4 油區(qū)來水、微生物池出水、膜過濾后出水外觀對比

表4 水質(zhì)處理效果

由表4可知，微生物-超濾膜水處理組合裝置的水質(zhì)處理效果具有以下特點(diǎn)：

1）微生物處理系統(tǒng)可去除大顆粒油脂、硫化物及游離CO2[6]。其中：水中含油量6.5 mg/L，去除率為92%；硫化物去除率為77.7%，游離CO2去除率為100%；但對于水中懸浮物的去除尚不合格。

2）超濾膜處理系統(tǒng)具有較好的去除懸浮物、小顆粒油脂及硫化物功能，其中懸浮物去除率為98.2%，水中油去除率為99%，硫化物去除率為100%。

3）應(yīng)用微生物處理系統(tǒng)及超濾膜處理系統(tǒng)處理后水中含油量小于或等于5 mg/L，懸浮物質(zhì)量濃度小于或等于1 mg/L，粒徑中值未檢出。

3 經(jīng)濟(jì)效益分析

該站采用微生物-超濾膜技術(shù)后，設(shè)計(jì)處理量2000 m3/d，實(shí)際處理量1600 m3/d，設(shè)備投資及工藝改造1176萬元，運(yùn)行成本4元/m3，能夠?qū)崿F(xiàn)自動(dòng)反沖洗，可24 h自動(dòng)響應(yīng)及時(shí)維護(hù)。雖然該站出水為高礦化度（16 565 mg/L），但水質(zhì)處理后仍然很穩(wěn)定，無須加入絮凝劑。

處理后的采出水全部得到有效回注，代替了原來的注清水和污水無效回灌。每年可節(jié)約清水40.1×104m3，水價(jià)按照5元/m3計(jì)算，可節(jié)約水費(fèi)200.5萬元/a；每年節(jié)約用電268×104kWh，工業(yè)用電按照0.65元/kWh計(jì)算，可節(jié)約電費(fèi)174.2萬元/a；2臺1000 m3污水罐增加排泥器，實(shí)現(xiàn)了定期不開罐清淤，每年節(jié)約維護(hù)費(fèi)用50萬元；較之前的水處理工藝系統(tǒng)減少了添加絮凝劑、殺菌劑等化學(xué)藥劑，每年可節(jié)約藥劑費(fèi)用80萬元。每年的運(yùn)行總收益為504.7萬元。

系統(tǒng)運(yùn)行后自耗電20萬元，投加微生物菌種每年50萬元，超濾膜不定期更換平均每年20萬元，設(shè)備折舊費(fèi)60萬元，每年的運(yùn)行總支出為150萬元。投資回收期約為3.3年。

4 結(jié)論及建議

1）利用微生物的“吃油特性”達(dá)到分解采出水中的污油及有機(jī)污染物，使污油及有機(jī)污染物轉(zhuǎn)化成一種無污染的物質(zhì)，對環(huán)境的污染幾乎為零，處理后每年減少污染物排放約700 t。

2）采用微生物-超濾膜組合工藝流程可有效去除水中含油及懸浮物，處理后水質(zhì)可達(dá)到“511”，滿足特低滲透油藏的注水水質(zhì)要求。

3）微生物的適宜生長溫度一般在30℃左右，含油污水一般在40℃左右，這種溫度條件限制了微生物的生長和運(yùn)行效果，今后需繼續(xù)進(jìn)行微生物專性及復(fù)合菌群的培養(yǎng)，定期投加復(fù)合菌種以保證凈化效果。

4）油、水儲罐及微生物反應(yīng)池底部會產(chǎn)生大量污泥，下一步繼續(xù)研究污泥處理工藝，與原采出水處理系統(tǒng)形成一整套污水污泥處理組合工藝流程。