復(fù)合生物表面活性劑在稠油含油污泥處理中的應(yīng)用

周鶴 袁鵬 韓志強(qiáng)

1中國石油新疆油田公司陸梁油田作業(yè)區(qū)

2中國石油新疆油田公司工程技術(shù)研究院

3中國石油新疆油田公司風(fēng)城油田作業(yè)區(qū)

新疆油田稠油普遍采用注蒸汽的開發(fā)方式[1-3]，開采出的稠油密度大（綜合密度為0.963 g/cm3）、黏度高（平均為14 325 mPa·s）、膠質(zhì)含量高（15%～25%）、瀝青質(zhì)含量高（2%～8%），再加上地層環(huán)境較為疏松，導(dǎo)致采出液泥沙含量高（1%～3%），污泥產(chǎn)生量大且罐底泥含油量高（12%～18%），表現(xiàn)出油水泥裹挾吸附，形成穩(wěn)定的糊狀乳液膠體，目前現(xiàn)有的溶劑萃取、機(jī)械調(diào)質(zhì)、離心分離等處理工藝技術(shù)無法實(shí)現(xiàn)油、水、泥的有效分離。因此，針對超稠油含油污泥必須進(jìn)行無害化快速處理工藝技術(shù)研究，實(shí)現(xiàn)含油污泥的高效分離和有效利用。

1 污油泥處理技術(shù)工藝現(xiàn)狀

目前我國各油田逐步加強(qiáng)了對污泥處理的力度，其工藝技術(shù)也越來越受到重視，主要分為物理法、化學(xué)法、生物法[4-8]。物理法包括填埋法、焚燒法、固化法、超聲波處理、微波處理、冷凍熔融法及熱解法；化學(xué)法包括化學(xué)清洗法、萃取法、超臨界水氧化法；生物法包括堆肥法、生物反應(yīng)器法、生物浮選法。針對新疆油田稠油含油污泥的特性采取生物反應(yīng)器法進(jìn)行處理，并在現(xiàn)場試驗(yàn)中取得了一定的效果。

2 污油泥物性分析及菌種篩選

2.1 污油泥物性分析

通過對萬方池中采集池中底層污泥和上層污泥進(jìn)行物性分析，底層的泥沙中含油率達(dá)到了24.6%，含固率達(dá)到了31.2%；上層樣品含油率較高，達(dá)到了49.5%，含固率相對較低，為12.6%（表1）。

表1 含油污泥組分構(gòu)成Tab.1 Composition of oily sludge

對新疆油田含油污泥中原油各組分碳數(shù)分布（圖1）以及含油污泥中原油黏溫曲線（圖2）進(jìn)行分析。

圖1 含油污泥中原油碳數(shù)分布Fig.1 Distribution of crude carbon number in oily sludge

從碳數(shù)分布圖可知，C1～C10比例為0.05%，C11～C20為37.87%，C21～C35為59.12%，C35以上為2.96%，原油主要組分分布在C21～C35；由圖2 可知，原油重組分含量較多；原油溫度在50 ℃以下時(shí)，黏度在600 mPa·s 以上，原油黏度較高，流動(dòng)性較差，因此，在后續(xù)的試驗(yàn)過程中需要進(jìn)行加熱和攪拌[9-10]，以增加含油污泥的流動(dòng)性。

圖2 含油污泥中原油黏溫曲線Fig.2 Viscosity-temperature curve of crude oil in oily sludge

2.2 菌種篩選

針對新疆油田含油污泥內(nèi)28 種菌株的代謝產(chǎn)物中篩選出3 種產(chǎn)物的混合組分，這3 種菌分別是假單胞菌（FC-1）、枯草芽孢桿菌（FC-2）、紅平紅球菌（FC-3）。FC-1 和FC-3 降解烷烴，產(chǎn)生糖脂類生物表面活性劑DN001 和DM003，而FC-2 降解多環(huán)芳烴，產(chǎn)生脂肽類生物表面活性劑DM002。3 種生物表面活性劑和少量十二烷基苯磺酸鈉復(fù)配形成復(fù)合生物表面活性劑，再將細(xì)菌代謝產(chǎn)物進(jìn)行復(fù)配，通過正交試驗(yàn)，得到最適用于污油泥處理的復(fù)合微生物制劑，其中枯草芽孢桿菌）是高效石油降解菌株。3 種菌株降解前后數(shù)據(jù)對比見表2。

表2 3 種菌株降解前后組分Tab.2 Components of 3 strains before and after degradation質(zhì)量分?jǐn)?shù)/%

2.3 室內(nèi)實(shí)驗(yàn)

取含油率為51%的含油污泥，加入濃度為12 mg/L 的復(fù)合微生物表面活性劑，反應(yīng)溫度80 ℃，攪拌速度200 r/min，進(jìn)行室內(nèi)實(shí)驗(yàn)。隨著反應(yīng)時(shí)間的延長，油泥經(jīng)藥劑洗滌分離，油珠粒徑逐漸增大聚結(jié)，表面活性劑與污油泥經(jīng)過16 h 攪拌反應(yīng)后泥沙殘?jiān)吐剩?%。通過熒光顯微鏡觀察表面活性劑與含油污泥發(fā)生反應(yīng)后原油的微觀變化（圖3）。

圖3 熒光顯微鏡下污泥中原油微觀變化Fig.3 Microscopic changes of crude oil in sludge under fluorescence microscope

取經(jīng)16 h 攪拌反應(yīng)后含油率為2%的泥沙殘?jiān)尤?0%微生物菌劑（FC-2），在35 ℃條件下經(jīng)微生物降解處理3 天后，泥沙殘?jiān)鼨z測含油率降至0.21%，達(dá)到國家農(nóng)用污泥排放低于0.3%的標(biāo)準(zhǔn)要求（圖4）。

圖4 復(fù)合微生物制劑處理污泥效果Fig.4 Effect of compound microorganism preparation on sludge treatment

3 小試試驗(yàn)裝置研究

為確定試驗(yàn)裝置中一級(jí)和二級(jí)反應(yīng)溫度、時(shí)間、藥劑濃度的最合適反應(yīng)參數(shù)，進(jìn)行了小試試驗(yàn)裝置反應(yīng)參數(shù)及設(shè)備優(yōu)化研究。

3.1 反應(yīng)參數(shù)優(yōu)化

在小試過程中通過使用控制變量法對反應(yīng)溫度、反應(yīng)時(shí)間、藥劑濃度做了相關(guān)性實(shí)驗(yàn)，最終得到合理的反應(yīng)參數(shù)值（表3）。

由表3 可知，當(dāng)反應(yīng)溫度80 ℃、反應(yīng)時(shí)間（一級(jí)+二級(jí)）24 h、復(fù)合藥劑平均濃度（1 號(hào)藥劑+2 號(hào)藥劑）12 mg/L 時(shí)，反應(yīng)參數(shù)最為合理。此時(shí)經(jīng)二級(jí)處理后的泥沙含油率為1.2%，反應(yīng)后殘?jiān)?jīng)三級(jí)微生物降解處理后，泥沙殘?jiān)吐式抵?.23%，達(dá)到國家農(nóng)用污泥排放低于0.3%的標(biāo)準(zhǔn)要求。

表3 反應(yīng)參數(shù)優(yōu)化Tab.3 Optimization of reaction parameters

3.2 反應(yīng)設(shè)備優(yōu)化

在室內(nèi)實(shí)驗(yàn)和小試試驗(yàn)的基礎(chǔ)上，為確保含油污泥各層段與復(fù)合微生物制劑充分反應(yīng)，需對反應(yīng)設(shè)備進(jìn)行優(yōu)化。

（1）研發(fā)出容積為80 m3含油污泥反應(yīng)方罐，通過采用“氮?dú)夤娘L(fēng)+罐頂攪拌+液面收油”工藝技術(shù)，可縮短反應(yīng)時(shí)間50%，具有抑制可燃?xì)怏w、有毒有害氣體產(chǎn)生的特點(diǎn)，主要設(shè)備見圖5。

圖5 污泥反應(yīng)罐和罐頂液面刮油器Fig.5 Sludge reation tank and tank top level wiper

（2）將現(xiàn)場小試的一、二級(jí)反應(yīng)合并在一個(gè)反應(yīng)罐內(nèi)完成，減少了下部泥水的轉(zhuǎn)移工序，出水回用反應(yīng)罐后可稀釋油泥加快反應(yīng)。

（3）去除了三級(jí)反應(yīng)微生物降解處理單元，縮短了處理流程，提高了處理效率，降低了處理成本。

4 現(xiàn)場工業(yè)化應(yīng)用

4.1 處理工藝

根據(jù)試驗(yàn)研究的結(jié)果，應(yīng)用復(fù)合微生物制劑處理稠油含油污泥工藝技術(shù)，在新疆油田現(xiàn)場建設(shè)處理規(guī)模為1 000 m3/d 的工業(yè)化裝置，其工藝流程見圖6。

圖6 復(fù)合微生物表活劑處理污油泥工藝流程Fig.6 Process of composite microbe surfactant for treating sludge

根據(jù)含油污泥的室內(nèi)實(shí)驗(yàn)和小試試驗(yàn)裝置研究，確定應(yīng)用的藥劑為1 號(hào)藥劑、2 號(hào)藥劑、FC-2菌，污泥反應(yīng)罐采用“氮?dú)夤娘L(fēng)+罐頂攪拌+液面收油”工藝技術(shù)。一級(jí)處理為將1 號(hào)藥劑、含油污泥、蒸汽同時(shí)通入一級(jí)反應(yīng)罐加熱恒溫并開始攪拌反應(yīng)；當(dāng)達(dá)到一級(jí)反應(yīng)效果后，將2 號(hào)藥劑、含油污泥、蒸汽同時(shí)通入二級(jí)反應(yīng)罐加熱恒溫并開始攪拌反應(yīng)。當(dāng)二級(jí)處理達(dá)到二級(jí)反應(yīng)效果后，通過螺桿泵將二號(hào)反應(yīng)罐內(nèi)含油泥沙抽送至離心機(jī)處理。

工藝流程為：稠油聯(lián)合站產(chǎn)生的罐底油泥液通過管道輸送進(jìn)旋流器，實(shí)現(xiàn)部分原油（含有一定的水）分離，分離出來的原油回稠油處理站沉降罐；剩下的罐底油泥經(jīng)過管道輸送進(jìn)一級(jí)反應(yīng)系統(tǒng)，通過補(bǔ)溫、加藥、攪拌、刮油等過程完成污泥中原油的二次分離，分離后的原油自流進(jìn)沉降罐；反應(yīng)后的處理液進(jìn)二級(jí)反應(yīng)系統(tǒng)，再通過補(bǔ)溫、加藥、攪拌、刮油等過程完成污泥中原油的三次分離，分離出的污油、污水，進(jìn)入已有的原油、污水處理系統(tǒng)，達(dá)標(biāo)的污泥直接進(jìn)行干化處理。

4.2 處理效果

一級(jí)和二級(jí)反應(yīng)測試結(jié)果數(shù)據(jù)見表4，一級(jí)和二級(jí)反應(yīng)后復(fù)合微生物制劑處理污泥效果分別見圖7 和見圖8。

表4 現(xiàn)場測試結(jié)果Tab.4 Field test results

圖7 一級(jí)反應(yīng)后復(fù)合微生物制劑處理污泥效果Fig.7 Effect of compound microorganism preparation on sludge after first reaction

圖8 二級(jí)反應(yīng)后復(fù)合微生物制劑處理污泥效果Fig.8 Effect of compound microorganism preparation on sludge after secondary reaction

裝置在現(xiàn)場運(yùn)行中處理效果穩(wěn)定，進(jìn)料含固率為12%～16%時(shí)，在反應(yīng)溫度為70～80 ℃、反應(yīng)時(shí)間10 h、加藥濃度12～15 mg/L 的條件下，一級(jí)反應(yīng)系統(tǒng)和二級(jí)反應(yīng)系統(tǒng)處理后干化污泥含油率均小于2%，可達(dá)標(biāo)排放，目前已累計(jì)處理含油污泥7.5×104t，回收污油1.4×104t，實(shí)現(xiàn)含油污泥處理后的干化污泥含油達(dá)標(biāo)率100%。

反應(yīng)罐中的污油泥含水率維持在65%～85%，現(xiàn)場運(yùn)行效果優(yōu)于室內(nèi)實(shí)驗(yàn)效果，形成了污油泥連續(xù)處理工藝流程。

5 結(jié)論

（1）根據(jù)新疆油田稠油采出液處理產(chǎn)生的泥沙性質(zhì)，優(yōu)選出FC-1、FC-2、FC-3 菌種，復(fù)配出復(fù)合微生物制劑，并通過室內(nèi)實(shí)驗(yàn)確定了反應(yīng)溫度、時(shí)間及加藥質(zhì)量濃度的運(yùn)行參數(shù)。

（2）現(xiàn)場工業(yè)化應(yīng)用復(fù)合微生物制劑處理含油污泥工藝，檢測得出被處理的平均含油率25%的稠油污泥經(jīng)一級(jí)和二級(jí)反應(yīng)處理后投加復(fù)合微生物藥劑可實(shí)現(xiàn)泥油分離，處理后的含油率均達(dá)到了DB 65/T 3998—2017《油氣田含油污泥綜合利用污染控制要求》標(biāo)準(zhǔn)中要求（含油率＜2%），實(shí)現(xiàn)了超稠油污油泥連續(xù)減量處理，從而達(dá)到安全環(huán)保與提升經(jīng)濟(jì)效益的目的。