榆樹林油田含油污水處理工藝技術改進研究

張韻晗

大慶榆樹林油田開發有限責任公司

榆樹林油田是大慶油田的重要組成部分，其所屬的扶楊油層孔隙度均值為12.3%，空氣滲透率為2.71×10-3μm2，屬于典型的特低滲透油田[1-3]。榆樹林油田采用了注水開發方案，在注水作業開展之前，為了防止出現地層堵塞問題，對含油污水進行深度處理，并達到特低滲透率油藏回注水水質控制指標要求，即含油濃度≤5 mg/L，懸浮固體濃度≤1 mg/L，懸浮固體顆粒粒徑中值≤1 μm（簡稱“5.1.1”）[4-5]。榆樹林油田已經對已建含油污水處理工藝進行了多次改進，但處理效果沒有得到明顯改善，已有的處理工藝仍然存在一定的問題。因此，需要對現有的“曝氣→氣浮→砂濾→超濾”含油污水處理工藝進行技術改進研究，確保處理后的水質滿足回注水水質要求。

通過對目前的污水處理工藝的深入研究和分析發現，已建的“曝氣→氣浮→砂濾→超濾”處理工藝流程已經應用多年，其中的超濾使用材料為超濾膜，該種材料對于進水水質要求較高，且膜組件容易出現污染問題，對其進行生產管理的難度和運行成本相對較高。本次研究從易于管理和降低成本的角度出發，引進高精濾技術，對該技術與已建的含油污水處理工藝技術進行對比，并進行應用效果評價，為提高榆樹林油田含油污水處理能力，確保回注水水質質量奠定基礎[6-8]。

1 采出水水質分析

榆樹林油田開發作業實施水驅開采措施，采出液油水混合物隨著油田開發的持續進行，含水率逐漸升高，其含水率已經高達90%以上。采出液在處理過程中產生了大量的含油污水，污水中含有部分剩余的油、雜質、硫化物及無機鹽類等。榆樹林油田于2007 年建成了首座東16 含油污水處理站，該站現采用“曝氣→氣浮→砂濾→超濾”的處理工藝。為確定現有工藝技術效果，先后分3次、時間間隔1個月，對該工藝最終處理后的外輸緩沖罐內的污水進行抽樣檢測，其分析檢測結果見表1。

表1 東16含油污水處理站含油污水化驗結果Tab.1 Test results of oily sewage in East 16 Oily Sewage Treatment Station

通過對表1 的數據分析可以發現，“曝氣→氣浮→砂濾→超濾”處理工藝處理后的最終出水的硫化物含量、COD含量都相對較高，含油量、懸浮物含量、粒徑中值及細菌含量超標，沒有達到“5.1.1”的特低滲透率油藏回注水水質控制指標要求。

2 采出水處理及問題分析

榆樹林油田東16 含油污水處理站采用的“曝氣→氣浮→砂濾→超濾”的處理工藝中的“曝氣”，主要是通過通入空氣進行氧化曝氣來去除含油污水中的硫化物。取樣分析發現，含油污水經過氧化曝氣處理以后，盡管污水中的硫化物含量降低，但水中的懸浮物含量卻升高[9-10]。氣浮裝置主要是對含油污水進行除油和去除懸浮物；含油污水經過氣浮裝置處理以后進入到砂濾裝置，該裝置主要是由流砂過濾器和海綠石過濾器共同組成，進一步對含油污水進行除油和去除懸浮物[11-13]。為了保障處理后的水質滿足“5.1.1”的特低滲透率油藏回注水水質控制指標要求，經砂濾處理的水最后進入超濾裝置進行處理，超濾裝置使用的膜為PVC 合金中空纖維超濾膜，其孔徑僅為0.1 μm。現場調查發現，PVC合金中空纖維超濾膜對于進水水質的要求相對較高，當水中含油量、懸浮物及硫化物含量較高時，出水水質不但不達標，而且膜組件在使用的過程中非常容易遭受到污染，生產中需要對膜組件進行頻繁的清洗及更換來確保處理后的水質，其運行成本較高，且對整個處理工藝進行管理的難度較大。因此，為保障處理后的水質達標，在對已建主體處理工藝改變不大的前提下，需要尋找一種便于管理且運行成本較低的高精濾技術，從而解決現有處理工藝和處理水質不達標的問題，滿足實際生產的需要。

3 含油污水處理工藝改進

3.1 高精濾裝置的構成

本次研究引用的高精濾裝置主要由懸浮污泥和微孔隙濾料過濾聯合構成[14]，包括強化絮凝系統、精濾系統、反洗系統以及控制柜（圖1）。

圖1 高精濾裝置構成Fig.1 Composition of high precision filtration device

含油污水經過加藥后進入混合罐中進行充分的反應，然后進入到精濾裝置（精濾罐），污水中形成的高濃度絮體在經過碰撞架橋后，可以在精濾罐的上部位置處形成過濾層，對含油污水中的懸浮固體以及剩余油進行初步的截留處理[15-16]；再進入精濾罐下部濾料濾層進行進一步的過濾，去除污水中的懸浮固體和剩余油，達到要求的處理水質后進入后續的外輸。精濾罐每運行24 h后，需要通過反洗系統進行沖洗，反沖洗排水可直接進入精濾裝置進行處理。強化絮凝系統主要是在被處理的污水中投加無機絮凝劑和有機絮凝劑，通過對兩種類型絮凝劑的加藥量進行合理控制，來提高含油污水后續的處理效果。

精濾系統中的精濾裝置主要由動態收油部件、微孔鍍膜陶瓷顆粒濾層部件、濾床出水收集部件以及氣水洗部件共同構成。裝填的微孔鍍膜陶瓷顆粒濾料與常規使用的石英砂粒徑相比，放大了5倍左右，由0.5 mm～1.2 mm 提升到了3 mm～5 mm。微孔鍍膜陶瓷顆粒濾料經過高溫燒結后，其內部產生了大量的孔隙，在受到高溫蒸騰作用時，可以將納米材料鑲嵌在濾料表面以及孔隙中，污水在通過微孔濾料的過程中，將會受到截留以及吸附的作用，以此達到過濾的效果；另外，裝填的微孔鍍膜陶瓷顆粒濾料，由于其彎曲孔徑處于不斷變化的狀態，因此其除了可以對大顆粒雜質發揮截留作用以外，對于顆粒小雜質還可以產生電荷吸附作用，使雜質在孔徑的任意位置處滯留，濾層的表面積將會逐漸增加，可以吸附的雜質量提升，從而提高雜質吸附的效率[17]，并形成雜質濾渣。

反洗再生系統主要是采用了氣、水反沖洗的模式，并通過設置的空壓機和儲罐來實現。空壓機產生的多層脈沖氣體，通過管道進入微孔鍍膜陶瓷濾料層，首先將微孔中的污泥以及雜質快速吹掃脫落，并經過反洗排污口排出精濾罐，接著通入一定強度的濾后水，進一步對微孔鍍膜陶瓷濾料進行水洗。需要說明的是，在進行氣洗時不會對上部形成的污泥濾層的使用產生影響；另外在進行反洗作業的過程中，還配置了濾料回流裝置，以此防止濾料出現流失問題[18]。

3.2 高精濾技術現場試驗

為了對高精濾裝置的應用效果做出合理的評價，在某聯合站內建造了150 m3/d的試驗設施。試驗時將高精濾過濾裝置接入已經過污水處理站的曝氣和氣浮處理之后的出水，替代已有的砂濾和超濾部分，試驗用高精濾過濾裝置處理工藝流程見圖2。

圖2 高精濾過濾裝置試驗處理工藝流程Fig.2 Experimental treatment process flow of high precision filtration device

經過曝氣和氣浮的含油污水，首先進入到混合罐中，同時啟動加藥系統把絮凝劑和助凝劑投放到混合罐中；然后與被處理的含油污水一并經過加壓水泵提升，將含油污水提升至多功能反應罐進行充分的混合反應，經反應的含油污水先后分別進入到兩級精濾器中，對污水中的污油和懸浮固體進行去除。兩級精濾裝置的規格均為Φ600 mm×4 700 mm，裝填的微孔鍍膜陶瓷顆粒濾層厚度為2 500 mm，其中一級填裝的濾料粒徑為3 mm，二級填裝的濾料粒徑為1 mm。要求進入一級精濾器試驗裝置的含油污水含油濃度≤50 mg/L，懸浮物含濃度≤50 mg/L，經過兩級高精濾過濾處理以后，出水水質達到“5.1.1”的控制指標要求。

3.2.1 藥劑投加量的優化

試驗中選擇使用的無機絮凝劑為聚合氯化鋁，有機絮凝劑為超細微粉復合絮凝劑。在含油污水處理量為150 m3/d，對應的濾速為17.7 m/h 的前提下，進行藥劑投加量的優化，每次試驗時間為4～5天。藥劑投加優化試驗結果見表2。

表2 藥劑投加試驗結果Tab.2 Reagent dosing test results

綜合分析可以發現，在無機絮凝劑的添加量為40～60 mg/L、有機絮凝劑的添加量為1.0～1.5 mg/L時，過濾后出水的含油量以及懸浮固體含量可以達到“5.1.1”標準要求，可以確定為適宜的加藥量范圍。

3.2.2 濾速的調整

在無機絮凝劑的添加量為40～60 mg/L、有機絮凝劑的添加量為1.0～1.5 mg/L 的前提下，將含油污水的處理量從150 m3/d 提升到180 m3/d，對應的濾速從17.7 m/h 提升到21.2 m/h，測得濾后出水含油濃度均值為0.673 mg/L，懸浮固體濃度均值為2.163 mg/L、粒徑中值均值為1.132 μm，均未達到“5.1.1”回注水水質控制指標要求。由此可見，提高濾速以后，含油污水的過濾處理效果下降，因此選擇最佳的濾速為17.7 m/h（對應的處理量150 m3/d）。

3.2.3 反洗參數優化

反洗采用氣水反沖洗模式，其參數優化設定見表3。通過對水頭損失及出水水質情況進行對比分析發現，其最佳的反洗周期為24 h，反洗的強度需要達到3.93 L/s·m2，此時對應的反洗水量為4 m3/h。

表3 反洗參數設定Tab.3 Backwashing parameter setting

在開展反洗試驗的過程中，每間隔2 min 對濾罐排水取樣，通過觀察反洗排水水樣的外觀顏色，得出最佳的反洗時長為30 min，其中氣洗作業時長為10 min，氣水聯合作業時長為10 min，水洗作業時長為10 min；另外，采用最佳反洗參數對濾罐進行反洗作業時，在含油污水處理量不變的前提下，水頭損失的穩定性相對較高，出水的水質較為穩定，說明濾料具有很好的再生效果。

3.2.4 穩定運行試驗

選擇最佳的加藥量、濾速以及反洗參數，開展高精濾過濾處理含油污水的驗證試驗。試驗分別對過濾的進、出水水質進行取樣分析化驗，水質化驗結果見表4。

表4 水質化驗結果Tab.4 Water quality test results

由表4看出，在進入高精濾裝置的進水含油濃度范圍為10.2～16.7 mg/L、懸浮固體濃度為8.3～24.8 mg/L 情況下，經過兩級過濾之后，出水含油濃度均值為1.03 mg/L、懸浮固體濃度均值為0.89 mg/L、粒徑中值均值為0.84 μm，出水水質達到了特低滲透率油藏回注水水質“5.1.1”的控制指標要求。

4 對比分析

為了證明高精濾技術應用的先進性，本次研究將榆樹林油田已建的“曝氣→氣浮→砂濾→超濾”含油污水處理工藝和“曝氣→氣浮→高精濾過濾”處理工藝進行多方面的對比，按照含油污水處理量為2 000 m3/d進行評價。

4.1 投資費用對比

在已建的含油污水處理工藝中，砂濾包括2臺10 00 m3海綠石過濾罐、3臺800 m3流砂過濾罐以及1套超濾膜裝置，全部設備的購置費用為1 056.4萬元；而在使用高精濾過濾的處理工藝中，需要購置800 m3混合罐和反應罐2 臺、高精濾器4 臺，全部設備的購置費用為732.6 萬元。可以看出，采用“曝氣→氣浮→高精濾過濾”的處理工藝，相比已建的處理工藝的主體設備購置費可節省323.8萬元。

4.2 運行費用對比

運行成本費用主要包括設備運行過程中使用的電費及含油污水處理過程中投加的藥劑費，已建處理工藝和過濾部分采用高精濾處理工藝所需要的運行費用對比情況見表5。

表5 運行費用對比Tab.5 Comparison of operating costs

通過對比看出，與已建含油污水處理工藝相比，高精濾處理工藝的運行成本可以減少25.9%，同時每年還可以節省濾料更換的費用達到51萬元。

4.3 生產管理對比

在已建的含油污水處理工藝中，使用的砂濾裝置數量較多，反沖洗過程時間長且復雜；使用的超濾膜因對進水水質要求較高且容易被污染，為了保證出水的水質，需要頻繁的反洗，以及不定期的化學清洗，致使生產管理過程中需要管控的細節點數量相對較多和復雜。使用高精濾處理工藝，設備的結構較為簡單、數量少，自動化程度較高，生產管理的過程中需要管控的細節點數量相對較少，生產管理維護的難度較小。

5 結論

在對榆樹林油田現有含油污水水質分析的基礎上，針對目前“曝氣→氣浮→砂濾→超濾”含油污水處理工藝，處理后水質不達標及處理工藝存在的問題，引入高精濾技術進行處理工藝的改進，通過試驗研究可得出以下結論：

（1）采用高精濾過濾技術最終處理后的出水含油濃度平均值為1.03 mg/L，懸浮固體濃度平均值為0.89 mg/L，粒徑中值平均值為0.84 μm，出水水質滿足“5.1.1”的標準要求。

（2）高精濾技術與已有處理工藝（PVC合金中空纖維超濾膜）相比，對進水水質的要求不高，解決了使用過程中膜組件容易遭受污染所造成的出水水質不達標，以及對整個處理工藝進行管理難度大的問題；相比同等處理量的已建處理工藝，引入高精濾技術投資建設費用可以節省323.8 萬元，運行成本費用可以降低25.9%，每年還可以節省濾料的更換費用51萬元，具有較好的經濟效益。