斜板溶氣氣浮處理油田污水實(shí)驗(yàn)研究

史 博， 陳 濤， 常旭軒, 郭 勇, 周圣昊

(1.陜西延安石油天然氣有限公司，陜西西安 710016； 2.長(zhǎng)慶油田分公司第三采油廠，陜西西安 750000)

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斜板溶氣氣浮處理油田污水實(shí)驗(yàn)研究

史 博1， 陳 濤2， 常旭軒2, 郭 勇2, 周圣昊2

(1.陜西延安石油天然氣有限公司，陜西西安 710016； 2.長(zhǎng)慶油田分公司第三采油廠，陜西西安 750000)

研究了斜板溶氣氣浮法對(duì)油田含油污水的處理效果。根據(jù)不同的工藝參數(shù)條件，包括斜板間距、回流比、表面負(fù)荷、絮凝劑投加、氣泡層厚度等，設(shè)計(jì)試驗(yàn)，研究斜板溶氣氣浮法對(duì)含油污水的處理效果變化，確定最優(yōu)的參數(shù)值。針對(duì)某油田的采油污水處理，對(duì)比于傳統(tǒng)的溶氣氣浮法，驗(yàn)證了斜板溶氣氣浮法處理含油污水的持續(xù)、穩(wěn)定的優(yōu)越效果，處理后水體含油量控制在10 mg/L以下。

溶氣氣浮； 含油廢水； 氣浮工藝； 污水處理

油田含油污水，根據(jù)油田的地質(zhì)條件、石油開(kāi)采工藝、原油性質(zhì)等特點(diǎn)，雖然略有不同，但是各油田含油廢水具有有機(jī)物多、懸浮物多、含油量高、礦化度高、水質(zhì)偏堿性等特征[1]。含油廢水來(lái)源多、數(shù)量大而且污染面廣，其對(duì)環(huán)境將造成很大危害，進(jìn)入其他水體，將會(huì)使水變臭，影響江河湖泊等水體的自凈功能，同時(shí)污水中還含有對(duì)生物有毒物質(zhì)，導(dǎo)致水中魚(yú)、蝦等生物大規(guī)模死亡。含油污水還會(huì)對(duì)土壤造成很大的危害[2]。

目前，油田含油污水的處理中，溶氣氣浮法(DAF)在世界各國(guó)得到廣泛應(yīng)用。溶氣氣浮法可以快速、高效、可靠、安全地處理含油污水，使用方便，節(jié)約成本。溶氣氣浮法通過(guò)對(duì)含油污水增加壓力并導(dǎo)入空氣，使空氣充分溶入污水，使污水中空氣含量增加[3]。導(dǎo)入含有混凝劑的水中，當(dāng)污水在氣浮池中通過(guò)釋放器突然降至常壓時(shí)，水中過(guò)量的空氣將會(huì)以微小氣泡析出，并將水中雜質(zhì)、污染物、含油顆粒、懸浮物等帶到水面，達(dá)到固液分離[4]。

實(shí)驗(yàn)根據(jù)溶氣氣浮法，研究斜板溶氣氣浮法，設(shè)計(jì)溶氣氣浮裝置和實(shí)驗(yàn)，確定斜板氣浮的最佳工藝參數(shù)條件，處理油田含油污水，建立安全、有效的油田含油污水處理方法。

1 斜板溶氣氣浮實(shí)驗(yàn)裝置與方法

斜板溶氣氣浮實(shí)驗(yàn)裝置包括4個(gè)部分：

(1)配水系統(tǒng)：包括配水水箱、加壓水泵、回流泵；

(2)混凝反應(yīng)系統(tǒng)：加藥裝置、管式反應(yīng)器；

(3)溶氣釋放系統(tǒng)：空壓機(jī)、溶氣罐、溶氣釋放器；

(4)分離系統(tǒng)：氣浮池。

該斜板溶氣氣浮裝置平面尺寸為850 mm×400 mm×900 mm，設(shè)計(jì)流量為0.8 m3/h，接觸區(qū)的尺寸為300 mm×400 mm×530 mm。

斜板溶氣氣浮實(shí)驗(yàn)裝置的特點(diǎn)是在氣浮池分離系統(tǒng)中，增加了斜板結(jié)構(gòu)。當(dāng)溶氣水經(jīng)過(guò)釋放系統(tǒng)，在氣浮池中與待處理的污水混合時(shí)，溶氣水釋放出的微小氣泡與污水中的油質(zhì)、雜質(zhì)顆粒等混合、黏附。由于在氣浮池增加了斜板，可以充分利用淺池原理，使污水中雜質(zhì)、污染物、含油顆粒、懸浮物與水得到更加徹底的分離，污水處理效果更好。而且由于斜板溶氣氣浮法氣浮池的深度淺，成本低，更容易推廣和應(yīng)用。圖1為斜板氣浮實(shí)驗(yàn)裝置中斜板氣浮池結(jié)構(gòu)圖。圖2為斜板溶氣氣浮實(shí)驗(yàn)裝置處理含油廢水工藝方案。

圖1 斜板氣浮實(shí)驗(yàn)裝置斜板氣浮池結(jié)構(gòu)

Fig.1 The structure of the inclined plate floatation tank of the inclined plate floatation experiment device

圖2 斜板溶氣氣浮實(shí)驗(yàn)裝置處理含油廢水工藝方案

Fig.2 Process plan for treating oily wastewater by the experimental device of the inclined plate dissolved air flotation

2 工藝條件對(duì)氣浮效果的影響

斜板溶氣氣浮實(shí)驗(yàn)過(guò)程包括兩個(gè)階段：第一階段含油污水破乳、混凝階段；第二階段即油粒、懸浮物、雜質(zhì)和水分離階段。實(shí)驗(yàn)過(guò)程中，研究了在不同的各工藝參數(shù)條件下，包括斜板間距、回流比、表面負(fù)荷、絮凝劑投加、氣泡層厚度等，斜板溶氣氣浮法對(duì)含油污水處理的效果，確定了這些工藝參數(shù)的最優(yōu)值。實(shí)驗(yàn)用含油污水由實(shí)驗(yàn)室條件下制備得到，利用油田原油和污泥得到的油樣50 mL，加入300 mL水中，并加入6 g的石油磺酸鈉，水浴加熱并高速攪拌30 min，制備含油污水。實(shí)驗(yàn)條件：水溫25 ℃，溶氣壓力0.7 MPa，氣水體積比為15%，污水的絮凝反應(yīng)時(shí)間為180 s，管式反應(yīng)器中水流速為1 m/s。

2.1 斜板板間距影響分析

分別研究了斜板間距為45、65、85 mm條件下，斜板間距對(duì)溶氣氣浮效果的影響，結(jié)果見(jiàn)圖3。實(shí)驗(yàn)中均添加有聚合氯化鋁(PAC)和陽(yáng)離子聚丙烯酰胺(PAM)，回流比設(shè)定為30%，表面負(fù)荷為9 m3/(m2·h)。由圖3可知，當(dāng)斜板間距為65 mm和85 mm時(shí)，隨著進(jìn)水含油量的增加，而出水含油量較小，且保持在一個(gè)穩(wěn)定的水平，其斜板間距為65 mm處理效果最優(yōu)。因此，斜板溶氣氣浮的斜板間距宜采用65 mm，溶氣氣浮處理效果最好。

圖3 斜板間距對(duì)溶氣氣浮效果影響

Fig.3 Influence of the spacing of the inclined plate on the dissolved air flotation

2.2 表面負(fù)荷影響分析

分別研究了在不同的表面負(fù)荷下，斜板溶氣氣浮法對(duì)含油污水的處理效果，結(jié)果見(jiàn)圖4。試驗(yàn)初始條件為：污水中含油量為270 mg/L左右，濁度為65～75 NTU。實(shí)驗(yàn)中均添加有PAC和PAM，回流比設(shè)定為30%，斜板間距為65 mm。

圖4 表面負(fù)荷對(duì)氣浮效果的影響

由圖4可知，當(dāng)表面負(fù)荷增大時(shí)，實(shí)驗(yàn)對(duì)含油污水中油量的去除效果一直保持穩(wěn)定。但是，對(duì)于含油污水中濁度的去除，則效果較差。但表面負(fù)荷大于9 m3/(m2·h)時(shí)，處理后污水中的濁度則快速升高，處理效果顯著下降。表面負(fù)荷低于9 m3/(m2·h)時(shí)，則處理后污水中含油量和濁度都很理想。

2.3 回流比影響分析

分別研究了在不同的回流比下，斜板溶氣氣浮法對(duì)含油污水的處理效果，結(jié)果見(jiàn)圖5。試驗(yàn)初始條件為：污水中含油量為230 mg/L左右，濁度為45～55 NTU。由圖5可知，當(dāng)回流比大于30%時(shí)，含油污水處理效果較為理想，出水中含油量和濁度都保持在較低水平。當(dāng)回流比為40%～50%時(shí)，出水中含油量和濁度已經(jīng)保持在穩(wěn)定水平。而當(dāng)回流比為10%～30%時(shí)，出水中含油量和濁度則較大，但是隨著回流比的增大，出水中含油量和濁度均下降很快。因此，最佳回流比為30%。

圖5 回流比對(duì)氣浮效果的影響

Fig.5 Effect of reflux ratio on air flotation

2.4 分離區(qū)氣泡層厚度影響分析

分別研究了在不同的分離區(qū)氣泡層厚度下，斜板溶氣氣浮法對(duì)含油污水的處理效果，結(jié)果見(jiàn)圖6。

圖6 分離區(qū)氣泡層厚度對(duì)氣浮效果的影響

Fig.6 Effect of bubble layer thickness on air flotation

試驗(yàn)初始條件為：污水中含油量為230 mg/L左右，濁度為65～70 NTU。分離區(qū)氣泡層中存在著氣態(tài)、液態(tài)和固態(tài)三相混合，主要作用是使污水中含油物質(zhì)、懸浮物等與清水分離。由圖6可知，當(dāng)氣泡層增大時(shí)，出水含油量和濁度變得越來(lái)越低。而出水中濁度對(duì)氣泡層厚度的增加更敏感、更劇烈，氣泡層越厚，出水濁度將顯著的降低。但是，當(dāng)氣泡層厚度大于15 cm時(shí)，出水中含油量變化較小。因此，如果含油污水濁度較大，則分離區(qū)氣泡層厚度應(yīng)達(dá)到30 cm以上。

2.5 絮凝劑影響分析

采用常用的混凝劑聚合氯化鋁(PAC)和陽(yáng)離子聚丙烯酰胺(PAM)分別進(jìn)行了3種試驗(yàn)，結(jié)果見(jiàn)表1。試驗(yàn)初始條件為：污水中含油量為70～130 mg/L，濁度為65～85 NTU。由表1可知，添加絮凝劑可以顯著地改善氣浮效果，而且添加了PAC和PAM之后，污水處理效果更好。

表1 絮凝劑對(duì)氣浮效果的影響分析

2.6 斜板溶氣氣浮與傳統(tǒng)溶氣氣浮處理效果比較

分別研究了在不同的污水初始含油量和表面負(fù)荷因素下，斜板溶氣氣浮法和傳統(tǒng)的溶氣氣浮法對(duì)含油污水的處理效果對(duì)比，結(jié)果見(jiàn)圖7和圖8。傳統(tǒng)溶氣氣浮法是指在污水和溶氣水混合的氣浮池中，無(wú)斜板結(jié)構(gòu)的氣浮裝置。由圖7和圖8可知，在污水初始含油量和表面負(fù)荷因素變化時(shí)，斜板溶氣氣浮法對(duì)含油污水的處理效果顯著優(yōu)于傳統(tǒng)溶氣氣浮法。

圖7 不同的污水初始含油量處理效果

Fig.7 Treatment effect of different wastewater initial oil content

圖8 不同的表面負(fù)荷因素時(shí)污水處理效果

Fig.8 Different surface load factor when the sewage treatment effect

3 斜板溶氣氣浮裝置應(yīng)用分析

將斜板溶氣氣浮裝置應(yīng)用于某油田含油污水處理，驗(yàn)證斜板溶氣氣浮裝置實(shí)際的含油污水處理效果，同時(shí)對(duì)比傳統(tǒng)的溶氣氣浮法，驗(yàn)證斜板溶氣氣浮法的優(yōu)越性。

3.1 實(shí)驗(yàn)方法及流程

實(shí)驗(yàn)采用處理水量0.5 m3/h的斜板溶氣氣浮裝置進(jìn)行試驗(yàn)，而含油污水為該油田采出水處理站的進(jìn)水，其中油的質(zhì)量濃度不大于200 mg/L。斜板溶氣氣浮裝置在現(xiàn)場(chǎng)連續(xù)進(jìn)行45 d，每天24 h連續(xù)運(yùn)行，每隔2 h記錄裝置運(yùn)行參數(shù)，并對(duì)污水進(jìn)行采樣分析。預(yù)期含油污水處理效果為油的質(zhì)量濃度不大于10 mg/L。

圖9為該實(shí)驗(yàn)中的含油污水處理工藝流程。

圖9 含油污水處理工藝流程

Fig.9 Treatment process of oily wastewater

3.2 實(shí)驗(yàn)結(jié)果分析

表2為斜板溶氣氣浮法和傳統(tǒng)溶氣氣浮法處理污水前后水質(zhì)變化。由表2可知，針對(duì)同一種油田含油污水，斜板溶氣氣浮法比傳統(tǒng)的溶氣氣浮法處理效果更好，處理效率更高。斜板溶氣氣浮法處理后得到的水體含油量均值為7.3 mg/L，而傳統(tǒng)溶氣氣浮法處理得到的水體含油量均值為26.5 mg/L。同時(shí)，在連續(xù)45 d的運(yùn)行過(guò)程中，斜板溶氣氣浮法得到的水體的含油量始終維持在最大值10.3 mg/L、最小值4.2 mg/L、均值為7.3 mg/L的水平，說(shuō)明斜板溶氣氣浮裝置處于穩(wěn)定運(yùn)行中，含油污水處理效果穩(wěn)定。

因此，根據(jù)本次現(xiàn)場(chǎng)實(shí)驗(yàn)結(jié)果，可得斜板溶氣氣浮裝置可以有效地處理油田含油污水，污水處理效果穩(wěn)定且優(yōu)秀，處理后水體水質(zhì)滿足要求，實(shí)現(xiàn)了良好經(jīng)濟(jì)效益和環(huán)境效益。

表2 斜板溶氣氣浮法和傳統(tǒng)溶氣氣浮法處理含油污水前后水質(zhì)變化

4 結(jié)論

本文對(duì)斜板溶氣氣浮法處理含油廢水的機(jī)理進(jìn)行了研究，根據(jù)試驗(yàn)結(jié)果，可知該斜板溶氣氣浮法處理油田含油污水時(shí)的最佳參數(shù)：PAC與PAM添加量為60 mg/L和1 mg/L，斜板間距 60 mm，回流比30%，表面負(fù)荷9 m3/(m2·h)，氣泡層厚30 cm。

通過(guò)對(duì)某油田含油廢水的處理實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證，結(jié)果表明，對(duì)比于傳統(tǒng)的溶氣氣浮法，斜板溶氣氣浮法可以獲得更好的處理效果，而且對(duì)含油污水的處理能力穩(wěn)定，連續(xù)45 d不間斷實(shí)驗(yàn)表明，在連續(xù)運(yùn)行下，斜板溶氣氣浮法處理后水體含油量能夠一直維持在10 mg/L以下。因此，斜板溶氣氣浮法可廣泛應(yīng)用于油田含油污水的處理。

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(編輯 宋官龍)

Effect of Inclined Plate Dissolved Air Gas Float Processing on Oilfield Wastewater

Shi Bo1, Chen Tao2, Chang Xuxuan2, Guo Yong2, Zhou Shenghao2

(1. Shaanxi Yan'an Oil and Natural Gas Co. Ltd., Xi'an Shaanxi 710016, China;2.TheThirdOilProductionPlantofChangqingOilfieldCompany,Xi'anShaanxi750000,China)

The effect of the inclined plate dissolved air flotation method on the treatment of oil bearing wastewater in oil field was studied. Influence of the different technological parameters, including inclined plate spacing, reflux ratio, surface load, coagulant dosage and bubble layer thickness, on the treatment effect of the inclined plate dissolved air flotation method was investigated, and the optimum parameters were determined. In view of the oil production wastewater treatment in an oilfield, compared with the traditional dissolved air flotation, the advantages of the continuous and stable treatment of the oil bearing wastewater by the inclined plate dissolved air flotation process were verified, and the oil content of the treated water was below 10 mg/L.

Dissolved air flotation; Oily wastewater; Flotation process; Wastewater treatment

1006-396X(2015)05-0074-04

2015-07-08

2015-08-27

史博(1982-)，男，工程師，從事油田地面工藝方面的研究；E-mail: shibo11221@126.com。

TE992.2

A

10.3969/j.issn.1006-396X.2015.05.015