新型布水破板結(jié)過濾技術(shù)在三元污水處理中的應(yīng)用

蔣鴻建

大慶油田有限責(zé)任公司第四采油廠

杏北油田經(jīng)過了幾個(gè)階段的發(fā)展，已開始三次采油大面積的工業(yè)化開發(fā)，其中強(qiáng)堿三元復(fù)合驅(qū)開發(fā)對污水處理系統(tǒng)帶來了較大的影響，處理污水中含有一定量聚合物、堿、表面活性劑，并且在驅(qū)油過程中攜帶出大量的泥沙與成垢離子，也導(dǎo)致了篩管結(jié)垢、堵塞，嚴(yán)重影響了過濾及濾料再生效果。針對上述問題，站庫頻繁開展清洗維修等工作，不僅站庫維修維護(hù)成本居高不下，也影響了站庫的運(yùn)行效率。

因此杏北油田于2019 年4 月開始在三元-6 污水站開始應(yīng)用新型布水破板結(jié)過濾罐，并持續(xù)對新型濾罐的應(yīng)用效果進(jìn)行跟蹤。新型布水破板結(jié)過濾罐的應(yīng)用有效解決了三元污水站過濾罐結(jié)垢、污染物淤積導(dǎo)致的過濾效果差，反沖洗憋壓的問題，取得了良好的試驗(yàn)效果。

1 杏北油田建設(shè)現(xiàn)狀

杏北油田自1966 年開發(fā)以來，逐步形成了水驅(qū)、聚驅(qū)、三元復(fù)合驅(qū)并存開發(fā)的局面。不同開發(fā)方式下，采出水性質(zhì)也有所差異，因此杏北油田針對采出水水質(zhì)特性及注水需求共建設(shè)5 類31 座污水站[1-5]，總設(shè)計(jì)能力為67.2×104m3/d（表1）。其中三元污水站沉降方式采用連續(xù)流/序批沉降的工藝，過濾方式采用石英砂磁鐵礦+海綠石磁鐵礦兩級(jí)過濾的工藝[6-9]，站庫參數(shù)如表2 所示。目前杏北油田兩個(gè)正在開發(fā)的三元復(fù)合驅(qū)區(qū)塊均處于注劑階段，區(qū)域內(nèi)含聚合物濃度已超過600 mg/L，采出水水質(zhì)波動(dòng)情況如圖1、圖2 所示。

圖1 杏三、杏四區(qū)東部采出水水質(zhì)Fig.1 Produced water quality in the east of Xing 3，Xing 4 District

圖2 杏七區(qū)東部采出水水質(zhì)Fig.2 Produced water quality in the east of Xing 7 District

表1 杏北油田含油污水處理站建設(shè)現(xiàn)狀Tab.1 Construction status of oil-containing sewage treatment station in Xingbei Oilfield

表2 三元污水站工藝參數(shù)Tab.2 Process parameters of ASP flooding sewage station

2 存在的問題

2.1 反沖洗憋壓嚴(yán)重

由于強(qiáng)堿對地層礦物的溶蝕作用，三元污水中硅含量持續(xù)上升，過濾罐上篩管結(jié)垢問題更加嚴(yán)重，篩管表面被致密白色垢質(zhì)覆蓋，主要以硅酸鹽和碳酸鹽為主，其分別占比43.6%和17.2%，垢質(zhì)成分如表3、4 所示。濾罐結(jié)垢同時(shí)伴隨著反沖洗壓力上升，見劑高峰運(yùn)行三3 個(gè)月后反沖洗壓力就由0.1 MPa 上升至0.3 MPa，影響反沖洗效果。

表3 三元-6 污水站硅離子濃度跟蹤Tab.3 Silicon ion concentration tracking of ASP Flooding-6 Sewage Station

表4 垢質(zhì)成分Tab.4 Composition of scale

隨著開發(fā)的不斷深入，結(jié)垢速率也在不斷加快，針對過濾罐篩管結(jié)垢問題，開展技術(shù)研究。研究結(jié)果表明，離線清垢技術(shù)通過人工拆卸方式清洗篩管，需停運(yùn)11 d，清洗效果隨著水質(zhì)變化而變化；在線清垢技術(shù)通過藥劑悶罐清洗篩管[10]，需停運(yùn)1 d，清洗效果與離線效果基本持平。離線清垢和在線清垢技術(shù)可以有效緩解結(jié)垢問題，但平均有效期為6 個(gè)月，有效時(shí)間較短。

2.2 濾料再生不徹底

三元采出液性質(zhì)復(fù)雜，含聚合物濃度、采出水黏度均較高（圖3）。油和聚合物相互作用形成有機(jī)質(zhì)膠團(tuán)，這些有機(jī)質(zhì)膠團(tuán)在反沖洗過程中并不能有效排出罐體，淤積在濾料頂部（表5），導(dǎo)致上層濾料板結(jié)，嚴(yán)重影響了過濾罐的反沖洗效果（圖4、圖5）。

圖3 三元-6 污水站污水黏度變化Fig.3 Variation of sewage viscosity in ASP Flooding-6 Sewage Station

表5 淤積物成分Tab.5 Composition of sediment

圖4 濾料結(jié)塊Fig.4 Agglomeration of filter material

圖5 污染物淤積Fig.5 Deposition of pollutant

目前三元污水站在用過濾罐頂部為球形空間，上部篩管安裝位置與罐頂之間有一定距離，在反沖洗過程中，反沖洗水從篩管位置快速通過，淤積物從上篩管篩絲孔隙通過的難度較大，無法有效排出，進(jìn)而在罐頂處形成了死油區(qū)，對反沖洗效果產(chǎn)生一定影響（圖6）。

圖6 過濾罐內(nèi)部結(jié)構(gòu)Fig.6 Internal structure of filter tank

3 新型布水破板結(jié)過濾罐應(yīng)用

由于原結(jié)構(gòu)過濾罐的不適應(yīng)性，2019 年4 月在三元-6 污水站應(yīng)用了10 座新型布水破板結(jié)過濾罐（圖7），試驗(yàn)效果較好（表6）。

表6 新過濾罐結(jié)構(gòu)的作用與效果Tab.6 Function and effect of new filter tank structure

圖7 三元-6 污水站新、舊過濾罐內(nèi)部結(jié)構(gòu)對比Fig.7 Comparison of internal structures of new and old filter tanks in ASP Flooding-6 Sewage Station

3.1 過濾罐運(yùn)行效果提升明顯

目前三元-6 污水站新型布水破板結(jié)過濾罐已連續(xù)運(yùn)行超過800 d，期間原結(jié)構(gòu)過濾罐由于運(yùn)行過程中濾料污染、反沖洗憋壓嚴(yán)重，已采取兩次化學(xué)清洗，以保障正常運(yùn)行；但新型過濾罐未進(jìn)行過任何措施，目前反沖洗壓力仍低于原結(jié)構(gòu)過濾罐（表7）。

表7 新、舊過濾罐反沖洗壓力、水量對比Tab.7 Comparison of backwashing pressure and water volume between the new and old filter tanks

由表7 可知，新型布水破板結(jié)過濾罐反沖洗壓力上升較慢，憋壓現(xiàn)象基本消除。采用相同的濾罐反沖洗參數(shù)，對新、舊過濾罐的反沖洗排水進(jìn)行跟蹤化驗(yàn)：每1 min 取樣1 次，檢測新、舊過濾罐排水含油濃度的變化，分析不同過濾罐結(jié)構(gòu)對濾料污染物的脫除效果。結(jié)果表明，新型布水破板結(jié)過濾罐濾料再生效果優(yōu)于原結(jié)構(gòu)濾罐。經(jīng)統(tǒng)計(jì)，新結(jié)構(gòu)濾罐單座濾罐單次反洗除油率是原結(jié)構(gòu)濾罐的1.7倍。對水質(zhì)數(shù)據(jù)進(jìn)行跟蹤，繪制投產(chǎn)初期、投產(chǎn)800 d 后的除油率、除懸率對比圖如圖8～圖11所示。

圖8 投產(chǎn)初期除油率對比Fig.8 Comparison of oil removal rate at the initial stage of production

圖9 投產(chǎn)初期除懸率對比Fig.9 Comparison of suspened solids removal rate at the initial stage of production

圖10 投產(chǎn)800 天后除油率對比Fig.10 Comparison of oil removal rate after 800 days of production

圖11 投產(chǎn)800 天后除懸率對比Fig.11 Comparison of suspened removal rate after 800 days of production

由圖8～圖11 可知，投產(chǎn)初期新型布水破板結(jié)過濾罐平均除油率高于原結(jié)構(gòu)過濾罐20%，平均除懸率高于原結(jié)構(gòu)過濾罐15%。投產(chǎn)800 d 后新型布水破板結(jié)過濾罐平均除油率仍高于原結(jié)構(gòu)過濾罐15%，平均除懸率高于原結(jié)構(gòu)過濾罐5%。

3.2 定期對濾罐進(jìn)行開罐檢查

于2020 年6 月、2021 年6 月分別對三元-6 污水站濾罐進(jìn)行開罐檢查，發(fā)現(xiàn)檢查結(jié)果與運(yùn)行效果跟蹤情況一致，新結(jié)構(gòu)濾罐濾料污染、結(jié)垢程度較輕，濾料未流失。

3.3 工藝參數(shù)優(yōu)化

由于新型布水破板結(jié)過濾罐應(yīng)用效果較好，為避免因頻繁反洗影響濾料成床，開展延長反沖洗周期試驗(yàn)，延長反沖洗周期至48 h，反沖洗壓力、水量，水質(zhì)提升效果與反沖洗周期24 h 一致。延長反沖洗周期至72 h，運(yùn)行參數(shù)及出水水質(zhì)波動(dòng)較大，反沖洗壓力上升、水量下降，對油、懸浮物的去除率下降。因此最終確定新型布水破板結(jié)過濾罐最佳反沖洗周期為48 h 。將反沖洗間隔由24 h 延長至48 h 后，連續(xù)跟蹤1 個(gè)月，過濾罐運(yùn)行穩(wěn)定。跟蹤結(jié)果表明，將反沖洗周期延長后可使自耗水量降低50%，處理能力提高13%，起到了節(jié)水、提高處理能力的效果。

3.4 杏二十六三元污水站濾罐改造

針對杏七區(qū)東部進(jìn)入見劑高峰期后，2020 年12 月，參照新型布水破板結(jié)過濾罐結(jié)構(gòu)對杏二十六三元污水站4 座過濾罐進(jìn)行維修改造，即取消上篩管，增設(shè)下部穿孔管（圖12）。

圖12 新、舊過濾罐內(nèi)部結(jié)構(gòu)對比Fig.12 Comparison of internal structures of new and old filter tanks

改造后的4 座濾罐平均反洗壓力為0.05 MPa，壓力平穩(wěn)，上升幅度較小，反沖洗水量穩(wěn)定。原結(jié)構(gòu)濾罐平均反沖洗壓力上升幅度較大，平均反沖洗壓力達(dá)到0.13 MPa。改造后的4 座濾罐水質(zhì)改善能力優(yōu)于原結(jié)構(gòu)濾罐，去除率較原結(jié)構(gòu)濾罐提升5%以上（圖13～圖15）。

圖13 2020 年12 月運(yùn)行初期水質(zhì)改善能力增強(qiáng)Fig.13 Water quality improvement capacity is enhanced at the initial stage of production (2020.12)

圖14 2021 年8 月200 d 后水質(zhì)改善能力仍優(yōu)于原結(jié)構(gòu)Fig.14 After 200 days，the water quality improvement capacity is still better than that of the original structure (2021.08)

圖15 水質(zhì)改善能力低于三元-6 污水站（見劑高峰期）Fig.15 Water quality improvement capacity is lower than that of ASP Flooding-6 Sewage Station (peak period of agent exposure)

2020 年4 月對杏二十六三元污水站過濾罐進(jìn)行開罐檢查，發(fā)現(xiàn)新結(jié)構(gòu)濾罐未發(fā)生結(jié)垢、跑料現(xiàn)象，濾料上層存在污染物淤積情況，但污染程度均低于原結(jié)構(gòu)濾罐。在2022 年老區(qū)改造項(xiàng)目中，規(guī)劃對杏二十六三元污水站過濾罐全部按新型布水破板結(jié)結(jié)構(gòu)進(jìn)行改造，提高站庫過濾效果。

3.5 三元污水站見劑高峰期水質(zhì)達(dá)標(biāo)難度大

對三元-6、二十六三元污水站運(yùn)行情況進(jìn)行跟蹤，濾罐結(jié)構(gòu)改造可有效解決三元污水站篩管結(jié)垢、濾料污染問題。但污水處理效果受多方面因素的影響，同時(shí)濾料種類及級(jí)配并未發(fā)生改變，因此僅對濾罐結(jié)構(gòu)進(jìn)行改造，不足以使見劑高峰期三元污水站水質(zhì)達(dá)標(biāo)。目前杏三、杏四區(qū)東部I 塊已進(jìn)入后續(xù)水驅(qū)、Ⅱ塊正在注劑，三元-6 污水站濾后水平均含油濃度16.2 mg/L，含懸浮物濃度18.4 mg/L，杏七區(qū)東部正處于見劑高峰期，區(qū)域內(nèi)杏二十六三元污水站濾后水平均含油濃度110.2 mg/L，含懸浮物濃度76.4 mg/L。

4 經(jīng)濟(jì)效益分析

（1）過濾罐單體設(shè)備投資大幅下降。新型布水破板結(jié)過濾罐單臺(tái)建設(shè)成本較原結(jié)構(gòu)濾罐降低35.5萬元，采用新型布水破板結(jié)過濾罐可實(shí)現(xiàn)污水處理站建設(shè)投資降低11.9%。

（2）污水站處理能力較大提升。新型布水破板結(jié)過濾罐反沖洗周期可延長至48 h，以處理規(guī)模2.2×104m3/d 的杏北三元-6 污水站為例，反沖洗水量由5 800 m3/d 下降至2 900 m3/d，相當(dāng)于增加站庫處理能力2 900 m3/d。

（3）減少站庫運(yùn)行成本。對于見劑高峰期的三元污水站需每年對過濾罐進(jìn)行濾料更換或?yàn)V料離線清洗，運(yùn)行期間如過濾罐再次出現(xiàn)憋壓現(xiàn)象，需額外進(jìn)行在線清洗以保障站庫平穩(wěn)運(yùn)行，因此站庫維護(hù)成本較高，具體更換費(fèi)用及相關(guān)措施情況如表8、表9 所示。

表8 三元污水站過濾罐維護(hù)費(fèi)用明細(xì)Tab.8 Details of maintenance cost of filter tank in ASP flooding sewage station

表9 2020 年三元污水站過濾罐措施次數(shù)Tab.9 Numbers of filter tank taking measures of ASP flooding sewage station in 2020

經(jīng)統(tǒng)計(jì)，三元-6 污水站10 座新型布水破板結(jié)過濾罐運(yùn)行800 d 共節(jié)省維護(hù)費(fèi)用377.8 萬元，二十六三元污水站按新型布水破板結(jié)結(jié)構(gòu)進(jìn)行改造后年可節(jié)省維護(hù)費(fèi)用537.6 萬元。

5 結(jié)論

新型布水破板結(jié)過濾罐具有較強(qiáng)的耐污、耐垢能力，可有效解決三元污水站過濾罐結(jié)垢、污染物淤積導(dǎo)致的過濾效果差，反沖洗憋壓問題，經(jīng)過連續(xù)跟蹤，新結(jié)構(gòu)過濾罐在去除率、反沖洗參數(shù)、濾料再生效果上均優(yōu)于原結(jié)構(gòu)過濾罐。反沖洗周期可延長至48 h，可有效提高過濾罐運(yùn)行時(shí)率，節(jié)省站內(nèi)自耗水量。在投資效益、運(yùn)行效果方面優(yōu)勢明顯，具有較大的推廣應(yīng)用價(jià)值。但對現(xiàn)階段運(yùn)行情況進(jìn)行分析，僅對濾罐結(jié)構(gòu)進(jìn)行改造，不足以使見劑高峰期三元污水站水質(zhì)達(dá)標(biāo)，仍需要對三元污水處理工藝進(jìn)行持續(xù)攻關(guān)。