橇裝除硫裝置處理零散區塊油田含硫采出水試驗研究

王慶吉

大慶油田工程有限公司

目前在工業領域應用的污水除硫技術大致有化學氧化劑、空氣氧化、催化氧化、氣提、化學沉淀、微生物等污水除硫化物技術[1-2]。這些技術在各工業領域發揮了一定作用，解決了企業的燃眉之急，但也存在著不足之處[3]。在某油田零散區塊利用采出水橇裝除硫裝置進行了曝氣除硫、氧化塔除硫及微生物除硫的現場效果對比試驗，確定了最優的橇裝除硫技術及最佳運行參數。

1 橇裝曝氣除硫裝置試驗

1.1 試驗原理及參數

曝氣是指水與氣體接觸，將空氣中的氧強制向液體中轉移的過程，其目的是獲得足夠的溶解氧，利用空氣中氧的氧化作用，將水中存在的二價硫等還原性物質氧化成為非溶解性顆粒物質，同時能將水中硫化氫吹脫出去。曝氣除硫作為一種簡單且有效的除硫方式已在油田某聯合站生產運用[3-4]，但該技術因其停留時間較長，導致構筑物體積較大，很難將其運用在一體化橇裝裝置上；因此，需要對其曝氣釋放頭布置、停留時間、曝氣氣水比等進行優化，以適應零散小區塊油田的開發需要。氣水比為工況條件下的氣體流量與來水流量之比，試驗氣體流量為6.5 m水頭壓力下而非標況下的體積流量。試驗考察了曝氣停留時間為4 h時的不同氣水比的硫化物去除效果。橇裝曝氣除硫裝置設計效果見圖1。

圖1 橇裝曝氣除硫裝置Fig.1 Skid mounted package units of aeration and desulphurization device

1.2 試驗結果及分析

裝置處理量為10 m3/h，曝氣沉降罐的有效停留時間為4 h（體積40 m3），為驗證曝氣強度擬補曝氣時間的可行性，試驗考察了不同曝氣強度對硫化物的去除效果，試驗結果見圖2。

圖2 不同氣水比曝氣除硫試驗效果曲線Fig.2 Experimental result curve of desulfurization by aeration with different gas-water ratios

由圖2可知，隨著曝氣氣水比的增加，硫化物的整體去除效果變好。氣水比在5∶1～20∶1之間，出水平均值都可以達到《碎屑巖油藏注水水質指標及分析方法》（SY/T 5329—2012）規定的“硫化物質量濃度小于2 mg/L”的輔助注水指標要求；但氣水比在5∶1時，曝氣后的硫化物質量濃度已出現大于2 mg/L的情況。因此，當來水硫化物質量濃度在30 mg/L左右、曝氣時間為4 h時，為保證出水穩定達標，曝氣氣水比最低限為7∶1［工況條件下的氣體流量，此時曝氣強度為21 m3/（m2·h），來水硫化物為40 mg/L以下］。

2 橇裝氧化塔除硫裝置試驗

2.1 試驗原理及參數

采用特殊的微納米氣泡發生技術，使空氣在污水中形成納米級的氣泡。含納米氣泡的污水在一定溫度和壓力下通過高活性的特殊固體填料床[5]，在填料的分散、催化等作用下，污水中的還原性物質與微細氣泡中的氧迅速反應（圖3、圖4）。二次反應器（污水穩定罐）實際上是1個沉降罐，可用生產站中原有的沉降罐代替，其主要作用是釋放多余的氣泡，消耗污水中的溶解氧以達到注水的控制標準[6-7]。另外，釋放多余的納米氣泡可起到除油等凈化污水的作用。工作溫度：35～40℃；出水溶解氧：0.05 mg/L以下；工作壓力：0～0.8 MPa，試驗停留時間：10～45 min；裝置用氣量（0℃，101.325 k Pa）：0.67 m3/min（在實際操作中由現場來水水質確定）。

圖3 橇裝氧化塔試驗流程Fig.3 Test flow chart of skid mounted oxidation tower

圖4 氧化塔現場實物Fig.4 Actual scene of oxidation tower

2.2 試驗結果及分析

改變試驗來水處理量，考察不同停留反應時間對硫化物的去除效果（表1）。

現場試驗結果表明，氧化塔具有較高的硫化物去除能力，當來水硫化物質量濃度為28.8 mg/L、停留時間為20 min時，出水硫化物質量濃度可達到2 mg/L以下，當停留時間（45 min）足夠長時，硫化物質量濃度可由來水的30.7 mg/L降至0.73 mg/L。

表1 氧化塔硫化物去除效果Tab.1 Sulfide removal effect of oxidation tower

3 橇裝微生物除硫裝置試驗

3.1 試驗原理及參數

該裝置由微生物預處理橇及微生物處理橇兩部分組成。生物池內安裝的陶瓷微孔曝氣器，通過曝氣風機可產生大量微小氣泡，微小氣泡在水中停留時間長，為微生物菌群的生長提供充足的氧氣，同時微孔曝氣盤釋放出的氧氣在池內將水中的硫化氫氧化為單質硫[8-9]。另外，在微生物生長代謝過程中，也會去除水中的部分硫化氫，在這些因素的共同作用下達到去除水中硫化氫的目的[10]。橇裝微生物處理裝置見圖5。裝置處理量為10 m3/h，微生物預處理裝置尺寸為8 500 mm×2 400 mm×2 900 mm，微生物處理裝置尺寸為8 000 mm×2 400 mm×2 900 mm，總停留時間為12 h。

3.2 試驗結果及分析

在橇裝微生物處理裝置中投加前期室內實驗篩選出的針對含硫采出水的高效破乳菌種，完成菌種現場馴化，掛膜完成待出水平穩后進行了裝置的進出口除硫效果監測（圖6）。

圖5 橇裝微生物處理裝置Fig.5 Skid mounted package units of microbial treatment device

圖6 橇裝微生物處理裝置的除硫效果Fig.6 Desulphurization effect of skid mounted microbial treatment device

現場試驗結果表明，當來水硫化物質量濃度小于32.5 mg/L時，經“微生物預處理裝置→微生物處理裝置”流程（停留時間12 h）處理后，最終出水硫化物質量濃度小于1.19 mg/L，平均值為0.94 mg/L，達到預期出水指標。

4 經濟性分析

4.1 工程投資費用

處理規模為10 m3/h的橇裝曝氣除硫裝置工程費用是41.24萬元，相同處理規模的脫硫氧化塔裝置工程費用為47.5萬元，相較于曝氣除硫裝置投資提高15.2℅；同樣處理規模的橇裝微生物處理裝置的工程費用為92萬元，約為曝氣除硫裝置工程費用的2倍，因體積較大而價格相對昂貴。

4.2 運行費用

脫硫氧化塔裝置的用電負荷為8 k W，略低于曝氣除硫裝置的11.96 k W，但有時需視水質情況投加一定量的藥劑，并且設備維修維護費用相對較貴；所以，其總體運行費用略高于曝氣除硫裝置。橇裝微生物處理裝置的用電負荷為19 kW，高于脫硫氧化塔裝置和曝氣除硫裝置。

5 結論

（1）三種除硫技術都能達到有效除硫的目的，在來水硫化物質量濃度小于44 mg/L時，最終出水硫化物質量濃度基本穩定在2 mg/L以下。除硫氧化塔的停留時間最短，只有20 min，曝氣除硫的停留時間為4 h，微生物除硫的停留時間最長，高達12 h；較短的停留時間更利于裝置的橇裝一體化設計，也更利于實現移動搬遷和重復利用。從三種除硫技術的投資及運行費用對比分析上看，橇裝曝氣除硫技術相對于其他兩種方式占有一定優勢。

（2）曝氣除硫和微生物除硫已有在油田站場工業化應用的經驗，其設備操作維護相對簡單[11-12]，綜合考慮處理效果、經濟效益、工藝成熟穩定性及橇裝可行性等各方面因素，推薦零散小區塊采用橇裝曝氣技術進行有效除硫。氧化塔除硫技術雖缺乏在油田含硫采出水中的實際應用經驗且設備操作維護相對復雜，但因其設備高效且停留時間較短，故在采出水橇裝設計中具有較為廣闊的應用前景；而對于其較大規模站場的工業化應用效果及穩定性卻有待于進一步驗證。