遼河油田稠油采出水外排處理技術應用

孫繩昆 孫曉明 鄭麗華

1中油遼河工程有限公司

2大慶榆樹林油田開發有限責任公司工程技術研究所

遼河油田是我國最大稠油生產基地，2019 年日產各類稠油采出水約10×104t，其中深度處理回用熱采注汽鍋爐約每日8×104t，由于注采不平衡尚有約每日2×104t外排水量[1]。

隨著遼寧省污水綜合排放標準2008 年版的頒布實施，遼河油田原有3座稠油采出水外排廠均需要提標改造。錦采外排廠2014 年建成投產，設計規模1.5×104t/d，處理工藝為“預處理+生化+臭氧催化氧化”，投產后由于臭氧布氣管口處結垢堵塞嚴重，臭氧發生及布氣系統無法正常運行，2016年將臭氧催化氧化工藝改造為臭氧氧化工藝，改造段規模0.8×104t/d，同時對臭氧發生氣源及臭氧投加方式進行調整，實現了液氧直接發生臭氧簡化工藝及臭氧水射器密閉投加，避免臭氧布氣管口處結垢。曙光外排廠分兩期建設，一期為預處理工藝段，設計規模2×104t/d，2013 年建成投產；二期在一期預處理工藝的基礎上，增加兩級AS+PACT（活性污泥+粉沫活性炭）生化工藝段，設計規模1×104t/d，2017 年建成投產。金海外排廠設計規模0.8×104t/d，處理工藝為“預處理+生化+顆粒活性炭吸附及再生”，預計2020年10月投產。

1 稠油采出水

1.1 水質特點

我國稠油按其50 ℃時的動力黏度和20 ℃時密度進行分類，分為普通稠油、特稠油和超稠油。按照稠油的分類，稠油采出水分為普通稠油采出水、特稠油采出水和超稠油采出水。不同種類稠油，其性質和開采階段不同，對應不同開發方式。普通稠油一般采用蒸汽吞吐開采，特稠油和超稠油一般采用SAGD（Steam Assisted Gravity Drainage）或蒸汽驅開采。由于稠油種類和開采方式的不同，導致稠油采出水的性質也有較大變化，尤其是水溫、COD組成和含量、石油類及懸浮物含量等指標差異較大。另外，稠油采出水中普遍含有大量原油生產過程中人為添加的各類措施用化學藥劑[2]，這些化學藥劑造成的原水水質波動、難生化，對處理工藝產生較大影響。

遼河油田稠油采出水的水質特點：

（1）油水密度差小。污水中原油密度大，相對密度992～995 g/cm3。

（2）黏滯性大。污水具有較大的黏滯性，原油中膠質和瀝青質含量高達42%～48%，流動性差，污染程度高，特別在水溫低時更顯著。

（3）溫度高。超稠油在地下開采、地面集輸和脫水過程中，為降低原油黏度要保持高溫，污水進處理站前水溫度在50～80 ℃。

（4）乳化嚴重。由于超稠油所含膠質和瀝青質是天然乳化劑，且原油在生產過程中經過泵多次離心剪切，污水乳化較嚴重。

（5）成分復雜和多變。通過原水成分檢測分析，污水中除烷烴類、醇類、酮類物質外，還含有40 多種化學藥劑成分。受上游生產影響，導致污水中所含污染成分具有隨機性。

（6）可生化性差。通過原水除油后BOD、COD化驗分析以及COD構成分析，生化進水B/C一般在0.1～0.2 左右[2]，可生化性差，營養成分缺乏[3]，不可生化成分部分來自于化學藥劑。

（7）原水屬于重碳酸氫鈉型水，腐蝕性低，但宜結垢（鈣鎂垢和硅垢），對生化曝氣系統具有不利影響。

表1 錦采外排廠設計進出水水質Tab.1 Design inflow and outflow water quality of Jincai Discharge Plant

表2 曙光外排廠設計進出水水質Tab.2 Design inflow and outflow water quality of Shuguang Discharge Plant

表3 金海外排廠設計進出水水質Tab.3 Design inflow and outflow water quality of Jinhai Discharge Plant

1.2 設計水質

錦采和金海外排廠原水屬于普通稠油采出水，曙光外排廠原水屬于超稠油采出水，3座外排廠設計出水指標均執行遼寧省《污水綜合排放標準》（DB21/1627—2008）標準。設計水質見表1、表2和表3，其中進水石油類含量檢測為油田注水用可見光分光光度法，出水石油類含量檢測為紅外分光光度法。

2 工藝流程

錦采外排廠2016年改造后流程見圖1。上游氣浮處理污水進入污水緩沖罐進行水量調節，經提升泵恒流量進入厭氧/好氧接觸氧化池，出水進入二沉池，再經提升泵進入射流器，射流器負壓區引入臭氧混合氣，溶氣水進入兩級串聯臭氧氧化反應罐最終出水。

金海外排廠處理工藝流程見圖2。上游氣浮處理污水進入接觸氧化水解酸化罐，出水進入好氧生物接觸氧化池，然后進入二沉池后經提升泵依此進入砂濾器、一級活性炭吸附塔、二級活性炭吸附塔、三級活性炭吸附塔和保安過濾器，最終出水。飽和活性炭通過水力輸送從吸附塔轉移至再生裝置，再生后活性炭水力輸送回吸附塔。

曙光外排廠處理工藝流程分物化處理和生化處理兩段，如圖3所示。物化處理段：上游曙五聯來含油污水和其他廢水進入調節水罐，均質均量后經提升泵進入除油罐，除油罐出水重力進入兩級DAF（溶器）浮選機，浮選出水經提升泵依此進入核桃殼過濾器、空冷器和冷卻塔，冷卻塔出水經提升泵進入生化處理段。生化處理段：冷卻塔來水進入攪拌配水池，均分成三股水進入三組一級好氧生化池和攪拌池，出水進入一級沉淀池，一級沉淀池上清液經提升泵進入一組二級好氧生化池和攪拌池，出水進入二級沉淀池，二級沉淀池上清液經提升泵進入砂濾器后最終出水。

3 主要構筑物和設備

3.1 錦采污水廠

圖1 錦采外排廠處理工藝流程Fig.1 Process flow of Jincai Discharge Plant

圖2 金海外排廠處理工藝流程Fig.2 Process flow of Jinhai Discharge Plant

圖3 曙光外排廠處理工藝流程Fig.3 Process flow of Shuguang Discharge Plant

污水緩沖罐2座，利舊已建的2座1×104m3罐改造成污水緩沖罐。罐內頂部設中心布水管，底部設集水管，罐底設穿孔排泥管。生物接觸氧化池1座，為水解酸化池和好氧池合建，池內水流為上下翻騰式。水解酸化池設計水力停留時間15 h，共設8 條廊道，每條廊道2 格，單格尺寸分別為20.8 m×7.0 m×6.0 m（H）和12.0 m×7.0 m×6.0 m（H），池內設懸掛式組合填料和潛水攪拌裝置。好氧池設計水力停留時間19 h，共設8條廊道，每條廊道3 格，單格尺寸14.0 m×7.0 m×6.0 m（H），池內設懸掛式組合填料，池底設旋混曝氣器。二沉池2 座，設周邊傳動刮吸泥機。臭氧氧化罐4 座串聯，設計總接觸氧化時間1.3 h。臭氧發生器裝置1 套，其中管式臭氧發生器1 臺，臭氧發生量30 kg/h，發生氣源為液態氧；50 m3液氧儲罐1 座，空溫式氣化器2臺。

3.2 曙光污水廠（二期）

冷卻塔3 座，單座處理量240 m3/h。生化池（AS+PACT）1座，一級為利舊改造，推流式，3條并聯廊道，每條廊道體積為2 700 m3；二級為利舊改造，推流式，1 條廊道體積為2 700 m3；池內設粗孔曝氣器和脫氣攪拌器。沉淀池3座，一級輻流式，規格為Φ18 m×3.5 m，2 座利舊；二級輻流式，規格為Φ22 m×5 m，1 座。砂濾器8 座，單級壓力式直徑為3.4 m，利舊改造。炭泥脫水機3臺，單臺處理絕干泥量130 kg/h，機型為自動廂式隔膜壓濾機。粉末活性炭儲存及投加設備1套，炭倉規格為Φ4 m×8.8 m，1 座；粉末活性炭投加裝置1套，最大出料量420 kg/h。

3.3 金海污水廠

生物接觸氧化水解酸化罐1 座，規格為Ф23.7 m×12.5 m，利舊改造，上向流，內裝懸掛式生物填料。生物接觸氧化好氧池1 座，尺寸為55 m×10.75 m×6.7 m（H），2 組并聯，池內裝填組合填料，池底安裝粗孔曝氣器。二沉池2座，輻流式，中心進水周邊出水，單座規格為Ф13 m×4.6 m。生化砂濾器6 座，直徑為3.2 m，氣水反洗。多級循環活性炭吸附塔12 座，4 列并聯，每列3 座串聯，單座直徑為3.2 m，空塔流速12.4 m/s，吸附劑裝填高度9 m。活性炭再生裝置1套，再生規模5 t/d，爐型為多膛爐。

4 運行效果及分析

4.1 錦采外排廠

錦采外排廠自2016 年臭氧催化氧化系統改造后，整體處理工藝運行平穩正常，基本達到設計技術指標要求。以液氧為氣源的管式臭氧發生器及臭氧水射器投加系統工藝簡單、可靠適用。

目前，污水廠運行水量約8 000 t/d，污水站進水含油10 mg/L、懸浮物20～30 mg/L、COD 110～120 mg/L。生化處理后COD 80～85 mg/L，石油類小于3 mg/L。臭氧投加濃度53 mg/L，臭氧氧化出水COD 45～48 mg/L，達到遼寧省污水綜合排放標準50 mg/L要求。噸水主要操作成本2.03元/t，其中電費1.0元/t，液氧費0.63元/t，生物營養劑費0.4元/t。

臭氧催化氧化系統無法正常運行的主要原因是臭氧催化氧化池底部臭氧布氣裝置上小孔堵塞，導致臭氧發生器背壓升高，設備無法正常工作。根據現場取樣分析，小孔處堵塞物主要是硅垢，極難去除。結垢主要原因是原水屬于碳酸氫鈉型，易結垢，且水中含硅量較高，以二氧化硅計達100～120 mg/L，臭氧在布氣過程中，在直徑1.0 mm 布氣孔處流速和壓力發生變化，導致水中硅含量過飽和析出。投產初期運行6個月左右，生化池內散流曝氣器與空氣管道連頭處也發生結垢現象，導致曝氣量減少。垢樣形狀為直徑5 mm 左右球型顆粒，垢樣分析成分主要為碳酸鈣，經對曝氣器連頭處進行改進，結垢現象得到緩解，目前需要1～2 年清洗一次曝氣器連頭處。

4.2 曙光外排廠

曙光外排廠自2017 年二期投產運行以來，整體處理工藝基本達到設計指標要求。污水廠運行水量6 000～9 000 t/d，污水站進水含油1 000～2 000 mg/L、懸浮物5 000～8 000 mg/L、COD 5 000～8 000 mg/L。預處理出水含油10～15 mg/L、懸浮物20～30 mg/L，COD 650～700 mg/L。一級AS+PACT 生化出水COD 100～120 mg/L，二級AS+PACT 生化出水COD 20～40 mg/L，石油類小于2 mg/L，氨氮和總磷等其他指標均小于排放值。

主要運行成本：預處理段處理單位水量藥劑和電費合計約3.4 元/m3，其中藥劑費3.0 元/m3，電費0.36 元/m3。生化段活性炭、藥劑和電費合計約7～8元/t，其中粉末活性炭投加量（出水CODcr控制在40～45 mg/L 條件下）500～600 mg/L，單位水量成本5.0～6.0 元/t（粉末活性炭價格按1 萬元/t計）；藥劑費（聚丙烯酰胺、液堿、生物營養劑等）1.5元/m3；電耗約0.7 kWh/t，電費約0.42元/kWh。

一級空冷器在運行過程中存在散熱管內污堵現象，檢修頻繁。通過取樣分析，堵塞物主要為黏稠化學藥劑，主要成因為污水中溶解了各類化學藥劑，水溫降低后飽和析出。由于空冷器清堵操作較復雜，將冷卻工藝全部改為冷卻塔降溫。

5 展望

AS+PACT 工藝具有可靠適用、抗沖擊能力強等特點，特別適用于高濃度難降解污水的生物強化處理[4]，該工藝在污水生化系統提標改造以及難生化污水外排處理方面具有廣闊應用前景[5]。目前，顆粒活性炭吸附處理各類污水及炭再生工藝和設備國內比較成熟，應用較多。AS+PACT 工藝產生的活性污泥粉末活性炭再生技術仍由少數國外公司掌握[6]，國內尚處于研究和試驗階段。當粉末活性炭投加量和成本較高時，配套實施粉末活性炭再生工藝十分必要，實施后約90%的粉末活性炭可再生回用[7-8]，可降低70%～80%活性炭成本。

6 結論

（1）當普通稠油采出水預處理到含油小于10 mg/L時，COD含量100～200 mg/L，采用A-O生物接觸氧化處理工藝，出水COD含量為80～100 mg/L。如果外排COD指標為50 mg/L以下時，需要進一步深度處理，臭氧氧化和顆粒活性炭吸附工藝可以滿足COD 深度處理達標需要。臭氧投加量、吸附參數及其對應的出水COD 含量應通過實驗確定。活性炭吸附出水COD 含量比臭氧氧化出水更低，可以達到20～30 mg/L，該工藝對日后外排處理COD提標更具優勢。

（2）當超稠油采出水預處理到含油小于10mg/L時，COD 含量600～700 mg/L，一般普通生化出水COD 含量150～250 mg/L。若要達標排放，COD 需要進一步深度處理。AS+PACT 工藝可以滿足超稠油采出水深度處理COD達標需要。