復合微生物反應器處理抗鹽聚合物采出水適應性研究

徐忠凱 李艷 馮夕桐

1大慶油田設計院有限公司

2大慶油田有限責任公司第六采油廠

3大慶油田有限責任公司第一采油廠

隨著油田的進一步深度開發，聚驅開發技術不斷改變[1]。目前，大慶油田主力油層的聚驅開采已結束，開采方向逐漸轉向二、三類油層[2-3]。由于二、三類油層滲透率相對較低，高相對分子質量的聚合物開采效果較差，要求驅油用聚合物具有較低的相對分子質量和較高的采出水體系黏度[4]。抗鹽聚合物同時兼具這兩種特性，對二、三類油層具有較高的適應性，可有效提高聚合物驅油的采收率[5]。常用的抗鹽聚合物有疏水締合聚合物、兩性聚合物、疏水聚合物、交聯聚合物和多元組合聚合物[6]。

相對于水驅，聚合物驅采出水由于油水乳化嚴重，形成穩定的膠體體系，沉降分離性能變差導致處理難度增加[7]。相較于聚合物驅采出水，抗鹽聚合物驅采出水中的油珠以更小的形態穩定地存在于水體中，穩定性增強，沉降特性變差，進而增大了采出水的乳化程度，破乳和聚結變得更加困難，使油水分離的難度加大。另外，抗鹽聚合物采出水中的含油量和懸浮固體含量均高于現有的聚合物驅采出水，采用現有的聚合物驅采出水處理工藝處理抗鹽聚合物采出水后不能夠達到回注水水質控制指標要求，出現處理難度增大、處理費用增高等問題。

因此，針對目前抗鹽聚合物采出水處理難度大、處理成本高等問題，需要開發出適用于抗鹽聚合物采出水處理的工藝技術，提高處理效果，從而解決制約抗鹽聚合物規模化應用的難題。

該試驗采用“厭氧+缺氧+好氧”串聯的復合微生物反應器是基于硫循環、硫代謝的電子傳遞、污染物有機碳源和氮源梯度利用的生物處理技術，是將厭氧生物反應、缺氧厭氧生物反應、好氧生物反應聯合應用的處理技術，采用投加電子受體方式提高硫酸鹽還原菌、硝化細菌、反硝化細菌等微生物對污染物的降解效能。該反應器目前在煙氣脫硫廢水、高聚污水、聚表劑污水、油田壓裂返排液、三元采出水[8]等污水處理中取得了很好的效果。

為考察處理高效穩定、操作簡單的抗鹽聚合物采出水生物處理技術，對復合微生物反應器在抗鹽聚合物采出水中的處理效能進行室內研究，主要研究污水中含油量、懸浮固體含量、聚合物含量、黏度、COD（化學需氧量）去除效果。

1 試驗材料及方法

1.1 復合微生物反應器裝置及技術參數

復合微生物反應器裝置如圖1所示。裝置材質為有機玻璃，其分為厭氧工藝段、缺氧工藝段、好氧工藝段及生物出水緩沖區，每個工藝段體積約為4.5 L，加上出水沉降區整個裝置體積約為40 L，各個工藝段內生物填料為PVC，尺寸為2 cm×2 cm×2 cm 正方體，填充率為50%～70%，每個工藝段進水方向為下進上出。

圖1 抗鹽聚合物復合微生物反應器處理裝置Fig.1 Treatment device of salt-resistant polymer composite microbial reactor

根據硫循環理論，分別向該反應器進水中投加硫酸鹽、硝酸鹽、磷酸鹽等電子受體及營養鹽（投加電子受體比例按BOD∶SO32-∶N∶P=200∶100∶5∶1 進行投加），促進反應器內微生物生長代謝，好氧出水回流到缺氧一段進水，回流比為1∶1，水力停留時間(HRT)設置為20 h、16 h、12 h 三個梯度，整個試驗周期為79 d，取樣周期為2 d，監測反應器出水含油量、懸浮固體含量、聚合物含量、黏度、COD。

1.2 原水水質

試驗污水為大慶油田第一采油廠某抗鹽聚合物污水處理站原水，試驗污水詳細參數如表1所示。

表1 試驗污水參數Tab.1 Parameters of test sewage

1.3 分析檢測方法及標準

試驗過程中采取的分析檢測方法及標準見表2。

表2 分析檢測標準Tab.2 Analysis and testing standards

2 復合微生物反應器處理效果

2.1 采出水含油去除效能分析

在整個試驗周期內反應器進水水質波動較大，含油濃度范圍200～1 200 mg/L（圖2）。由圖2 可知，該反應器在水力停留時間為20 h、16 h、12 h下均能有效去除污水中含油，且整體去除率均在93%以上。由表3可知，在不同水力停留時間下各工藝段平均去除率及總平均去除率均表現出隨水力停留時間減少而降低。以好氧工藝段為例，當水力停留時間為20 h 時，好氧段平均含油去除率為42.73%，但當水力停留時間為12 h時，平均含油去除率下降為29.08%，含油去除率下降了13.65%。此外，當水力停留時間為20 h、16 h、12 h 時，最終出水平均含油濃度均小于20 mg/L，但當水力停留時間為12 h 時，處理過程中曾存在出水含油濃度高于20 mg/L的情況，呈現不穩定性。

表3 不同水力停留時間下復合微生物反應器各工藝段含油量平均值及去除率變化Tab.3 Changes of average oil content and removal rate in each process section of composite microbial reactor under different HRT

圖2 不同水力停留時間下復合微生物反應器各工藝段含油量變化情況Fig.2 Changes of oil content in each process section of composite microbial reactor under different HRT

2.2 采出水懸浮固體去除效能分析

試驗周期內反應器進水懸浮固體濃度為85～380 mg/L（圖3），該反應器在水力停留時間為20 h、16 h、12 h下均能有效去除污水中的懸浮固體。由表4可知，當水力停留時間為20 h和16 h時，整體去除率均能達到90%以上，且最終出水懸浮固體濃度平均值滿足小于20 mg/L 的條件。此外，由圖3可知，當水力停留時間為16 h 時，雖然最終出水懸浮固體濃度平均值為13.08 mg/L，但仍存在大于20 mg/L 的情況，如未來在應用過程中考慮到處理時間和處理穩定性時，該反應器在水力停留時間為16 h情況下，為保證出水懸浮固體濃度穩定地小于20 mg/L，需在生物處理后端加上深度處理裝置，如壓力過濾系統等作為達標保障工藝。

表4 不同水力停留時間下各工藝段懸浮固體含量平均值及去除率變化Tab.4 Changes of average suspended solids content and removal rate in each process section under different HRT

圖3 不同水力停留時間下復合微生物反應器各工藝段懸浮固體變化情況Fig.3 Changes of suspended solids in each process section of composite microbial reactor under different HRT

2.3 采出水聚合物去除效能分析

整個試驗周期內進水聚合物濃度為400～550 mg/L（圖4），經過生物處理后污水中聚合物含量下降，但去除效果不如含油量和懸浮固體。由于聚合物為高分子有機物，微生物不能直接利用高分子有機物質，只能在厭氧段對聚合物分子進行水解酸化，降低聚合物分子穩定性，使其部分降解產生少量有機小分子等，便于微生物生長利用。由表5可知，該反應器在不同水力停留時間下聚合物去除均以厭氧工藝段為主，且隨著水力停留時間的增加，厭氧工藝段對污水中聚合物分子降解效果增加，當HRT=12 h時，厭氧段去除率僅為7.19%，但當HRT=20 h時，厭氧段去除率升高到10.59%。由此可知，在生物處理含聚合物污水過程中，污水中聚合物分子降解主要來自厭氧工藝段的水解酸化過程。

表5 不同水力停留時間下各工藝段聚合物含量平均值及去除率變化Tab.5 Changes of average polymer content and removal rate in each process section under different HRT

圖4 不同水力停留時間下復合微生物反應器各工藝段聚合物含量變化情況Fig.4 Changes of polymer content in each process section of composite microbial reactor under different HRT

2.4 采出水黏度降低效能分析

整個試驗周期內進水黏度變化相對穩定，進水黏度在0.750 0～0.920 0 mPa·s 之間。因污水黏度主要來自聚合物，由前所述，該套裝置對聚合物降解效率較低，在不同水力停留時間下該反應器對污水黏度去除效果一般（圖5）。由表6可知，在水力停留時間為20 h、16 h、12 h 時，污水中黏度降低率分別為5.36%、3.54%、3.04%，總體表現為隨著水力停留時間增加，黏度降低率升高。

圖5 不同水力停留時間下復合微生物反應器各工藝段污水黏度變化情況Fig.5 Changes of sewage viscosity in each process section of composite microbial reactor under different HRT

表6 不同水力停留時間下各工藝段黏度平均值及去除率變化Tab.6 Changes of viscosity average value and removal rate in each process section under different HRT

2.5 采出水COD處理效能分析

整個試驗周期內進水COD在900～1 800 mg/L之間（圖6），該反應器在不同水力停留時間下對污水中COD去除表現出顯著差異性。由表7可知，當水力停留時間為20 h 時，最終出水COD 平均值為506.68 mg/L，平均除率為60.65%。但當水力停留時間為12 h 時，最終出水COD 平均值達到719.06 mg/L，且數據波動較大，平均去除率下降到42.51%。此外，結合試驗周期內含油量、懸浮固體含量、聚合物含量變化情況，表明該反應器主要去除的有機污染物為含油量、懸浮固體及少量聚合物分子。

圖6 不同水力停留時間下復合微生物反應器各工藝段污水COD變化情況Fig.6 Changes of COD in wastewater from different process stages of composite microbial reactor under different HRT

表7 不同水力停留時間下各工藝段COD平均值及去除率變化Tab.7 Changes of COD average value and removal rate in each process section under different HRT

3 結論

（1）復合微生物反應器處理抗鹽聚合物采出水試驗表明：“厭氧+缺氧+好氧”串聯的復合微生物反應器能夠有效去除抗鹽聚合物采出水中含油、懸浮固體等污染物。在不同水力停留時間下（20 h、16 h、12 h），最終出水含油濃度均小于20 mg/L，但當水力停留時間小于16 h，出水懸浮固體波動較大，需要加入后續保障工藝以實現懸浮固體穩定達標處理。此外，試驗發現隨著生物反應器水力停留時間減少，導致污染物去除效果下降。因此，未來工業應用過程中應在處理條件允許情況下，盡可能延長污水在微生物單元的水力停留時間。

（2）試驗可知，厭氧段對污染物去除率較高，且抗沖擊效果較強，這是由于厭氧段內發生水解酸化反應，為缺氧和好氧段提供了穩定的生化反應基礎，通過缺氧和好氧段發生的梯度降解和深度處理，實現了復合微生物反應器中污染物進一步降解。

（3）復合微生物反應器具有操作簡單、運行穩定、無二次污染的優點，因此該技術在抗鹽聚合物采出水大規模工業處理過程中具有獨特優勢和應用潛力。