新疆克拉瑪依油田百重7井區(qū)稠油污水處理工藝技術①

?

新疆克拉瑪依油田百重7井區(qū)稠油污水處理工藝技術①

唐 麗

新疆克拉瑪依職業(yè)技術學院石油化學工程系

摘要針對百重7井區(qū)稠油污水處理站處理的采出污水具有含油量高、乳化程度高、懸浮物含量高、溫度高、污水處理難度大等特點，從工藝流程的選擇入手，結合污水水質(zhì)特點及配套藥劑的應用，通過室內(nèi)實驗對適合百重7井區(qū)稠油污水的處理工藝流程進行了篩選，最終確定水處理設計工藝為重力除油-混凝沉降-過濾三段式工藝流程。在工藝設計過程中，采用了水位調(diào)節(jié)器調(diào)節(jié)出水、微渦旋混合反應、小間距斜板分離、等摩阻穿空管等新工藝。完善了混凝沉降罐的工藝設計，有效地提高了含油污水的凈化效率，研發(fā)出了國內(nèi)先進的“稠油污水微渦旋處理技術”，使處理后的凈化水達到了注水及回用注汽鍋爐水質(zhì)標準。

關鍵詞污水特點處理工藝篩選優(yōu)化設計應用效果

根據(jù)百重7井區(qū)稠油污水的水質(zhì)特點，結合水處理藥劑，對國內(nèi)稠油污水常用的處理工藝進行了對比研究，并對可能實現(xiàn)的工藝流程進行了室內(nèi)模擬實驗。通過對不同工藝流程的水處理效果進行比較，找出適合百重7井區(qū)稠油污水處理的工藝流程，并對整個污水處理的工藝設計進行優(yōu)化，實現(xiàn)了自動加藥，對液位、壓力、流量、溫度的在線檢測。保證了污水處理藥劑充分發(fā)揮藥效，水質(zhì)凈化達標，并形成了成熟的“稠油污水微渦旋處理技術”。

1水處理工藝的室內(nèi)研究

針對百重7井區(qū)稠油污水的特點:①油、懸浮物含量波動大；②含油乳化程度高，且稠油與水的密度差??；③懸浮物分散程度高、波動范圍大；④水溫高(65～75 ℃),利用水處理藥劑篩選結果，首先對國內(nèi)稠油污水處理常用的反相破乳-混凝沉降工藝、氣浮選-混凝沉降工藝以及組合工藝進行了對比研究。

1.1　混凝沉降模擬實驗

在室內(nèi)篩選藥劑的基礎上，進行了混凝沉降室內(nèi)模擬實驗。實驗結果見表1。

表1 混凝沉降模擬實驗結果Table1 Resultsofcoagulatingsedimentationsimulationexperiment測試項目處理工藝來水混凝沉降后實驗結果實驗現(xiàn)象ρ(油)/(mg·L-1)134115除油率/%98.5ρ(懸浮物)/(mg·L-1)727除懸浮物率/%90.3絮體大,上浮水面,水色清 注:1.實驗用凈水劑為KL-401,加藥量100mg/L;2.助凝劑為KW-01,加藥量150mg/L;3.實驗用水為百重7井區(qū)稠油污水處理站含油污水,未投加反相破乳劑。

從表1結果可知，所選凈水劑除油及除懸浮物效果好，但由于來水含油高，混凝沉降后絮體上浮水面。

1.2　反相破乳除油-混凝沉降模擬實驗[1]

表2 反相破乳除油-混凝沉降模擬實驗結果Table2 Resultsofinversedemulsificationdeoil-coagulatingsedimentationsimulationexperiment測試項目處理工藝來水反相破乳劑除油后混凝沉降后實驗結果實驗現(xiàn)象ρ(油)/(mg·L-1)13411362除油率/%89.999.9ρ(懸浮物)/(mg·L-1)72146除懸浮物率/%80.691.7絮體大,沉降快,水色清 注:1.反相破乳劑為現(xiàn)場使用藥劑,加藥量20mg/L;2.實驗用凈水劑為KL-401,加藥量50mg/L;3.助凝劑為KW-01,加藥量150mg/L;4.實驗用水為百重7井區(qū)稠油污水處理站含油污水,未投加反相破乳劑。

從表2結果可知，來水經(jīng)反相破乳劑除油后，除油率接近100%；混凝沉降時絮體不再上??；處理后污水油、懸浮物含量均很低，完全滿足過濾系統(tǒng)進水要求。

1.3 氣浮選除油-混凝沉降模擬實驗

氣浮就是在含油污水中通入空氣(或天然氣)或設法使水中產(chǎn)生氣體，有時還需加入浮選劑和混凝劑，使污水顆粒為0.25～25 μm的乳化油和水中懸浮物黏附在氣泡上，隨氣泡一起上浮到水面并加以回收，從而達到含油污水除油除懸浮物的目的。

表3 氣浮選除油-混凝沉降模擬實驗結果Table3 Resultsofairflotationforoilremoval-coagulatingsedimentationexperiment測試項目處理工藝來水氣浮選除油后混凝沉降后實驗結果實驗現(xiàn)象ρ(油)/(mg·L-1)13411938除油率/%85.599.4ρ(懸浮物)/(mg·L-1)72249除懸浮物率/%66.787.5絮體大,沉降快,水色清注:1.浮選劑為F-3,加藥量40mg/L;2.實驗用凈水劑為KL-401,加藥量40mg/L;3.助凝劑為KW-01,加藥量150mg/L;4.實驗用水為百重7井區(qū)稠油污水處理站含油污水,未投加反相破乳劑。

從表3結果可知，F(xiàn)-3加藥量40 mg/L，氣浮選可將水樣中大部分油除去，混凝沉降后水質(zhì)也較好。

1.4　反相破乳除油-氣浮選除油-混凝沉降模擬實驗

表4 反相破乳劑除油-氣浮選除油-混凝沉降模擬實驗結果Table4 Resultsofinversedemulsification-airfloatationforoilremoval-coagulatingsedimentationsimulationexperiment測試項目處理工藝來水反相破乳除油后氣浮選除油后混凝沉降后實驗結果實驗現(xiàn)象ρ(油)/(mg·L-1)13411364檢測不出除油率/%89.999.7ρ(懸浮物)/(mg·L-1)7214245.5除懸浮物率/%80.666.792.4絮體大,沉降快,水色清 注:1.反相破乳劑為現(xiàn)場使用藥劑,加藥量20mg/L;2.浮選劑為F-3,加藥量20mg/L;3.實驗用凈水劑為KL-401,加藥量50mg/L;4.助凝劑為KW-01,加藥量150mg/L;5.實驗用水為百重7井區(qū)稠油污水處理站含油污水,未投加反相破乳劑;6.表中含油檢測不出是指用紅外分光光度計法測定值為0。

從表4可以看出，百重7井區(qū)稠油污水經(jīng)過反相破乳劑除油、氣浮選、混凝沉降流程后，水質(zhì)較好。

1.5　工藝流程的確定

對比上述4種水處理工藝流程，可以看出：各種處理工藝都各有優(yōu)缺點。從處理效果看，反相破乳除油-氣浮選除油-混凝沉降工藝處理效果最佳，但其處理設備多，工藝流程長，投加藥劑種類多，運行成本高，工藝管理難度大，并不是最佳的工藝方案。對比反相破乳除油與氣浮選除油工藝，二者處理能力相當。但前者反相破乳除油部分已在百重7井區(qū)稠油處理站完成。因此，只需要增加混凝沉降-過濾系統(tǒng)，無需增加額外的諸如浮選機等處理設備。故無論從設備運行操作還是工藝管理的角度來說，都具有明顯的優(yōu)勢。

所以，百重7井區(qū)稠油污水處理工藝設計采用反相破乳除油-混凝沉降工藝流程，實際設計為來水-反相破乳除油-混凝沉降-過濾工藝，輔以相應配套的藥劑，就可以滿足水處理工作的要求。

2稠油污水處理工藝的選擇

2.1　國內(nèi)稠油污水處理工藝簡介

目前，國內(nèi)外油田采出水處理方法較多，但稠油污水處理最常用的流程為重力除油罐→浮選→緩沖罐→增壓泵→過濾→出水。近幾年，又新采用一種接受罐→提升泵→反應罐→斜板沉降罐→緩沖罐→增壓泵→過濾→出水的工藝流程。

2.2　稠油污水處理工藝的優(yōu)化設計

2.2.1主污水處理工藝優(yōu)化

室內(nèi)處理工藝研究結果表明，雖然浮選及混凝沉降都能達到注水水質(zhì)要求，浮選對去除乳化油的能力比其他流程要好，效果顯著，除油效率高，特別適合稠油和油水比重差小的污水，但維修管理麻煩。

研究發(fā)現(xiàn)，百重7井區(qū)稠油污水中的乳化油一般為O/W乳狀液，乳狀液粒表面一般帶負電，其ζ電位為-30～60 mV，油珠外存在著一個雙電層。所以，只要破壞了油珠外的雙電層，就能使油珠凝聚。再加上百重7井區(qū)污水溫度較高，根據(jù)范特苛夫(VantHoof)規(guī)則，百重7井區(qū)污水的反應速度要比其他區(qū)快4倍以上。所以，最終百重7井區(qū)稠油污水主工藝確定為混凝沉降工藝。

2.2.2次污水處理工藝優(yōu)化

(1) 預處理。根據(jù)百重7井區(qū)稠油污水的污水含油乳化程度高的特點及室內(nèi)處理工藝研究結果，需加反相破乳劑以除去污水中細小的油滴。工藝設計首先在百重7井區(qū)稠油污水泵站設置了破乳劑投加點，利用10 km輸水管道進行管道破乳。另外，考慮到油、懸浮物含量變化范圍較大，設重力除油灌對污水進行預處理，保證進下段的污水ρ(油)≤300 mg/L、ρ(懸浮物)≤300 mg/L。

(2) 混凝、反應、沉淀。 “慣性效應”理論從亞微觀流體動力學角度指出，若水中顆粒尺度非常小，比重又與水相近，其在水流中的跟隨性較好[2]。如果這些顆粒隨水流同步運動，就不會發(fā)生碰撞。而在旋渦水體中，顆粒所受水的剪切力與流動空間尺度成反比，與流動速度成正比。因此,根據(jù)這一理論，只要控制水流的特征速度及流動空間特征尺寸就能使油田采出水的懸浮物顆粒及油珠產(chǎn)生有效碰撞。所以，在百重7井區(qū)稠油污水的旋流反應筒中設置了網(wǎng)格，產(chǎn)生系列尺度不同的渦流，大渦流中包含著許多小渦流的復合渦流。利用柯爾莫洛夫微尺度產(chǎn)生小渦流，避免能量浪費，使油田采出水中的懸浮物顆粒及油珠產(chǎn)生有效碰撞。

同時，在設計百重7井區(qū)稠油污水斜板沉降時，將斜板斜角改為70°，這樣有利于污泥沉降與水流成為同向流，有利于污泥沉降，使污泥不會堵塞斜管。斜板的間距設計為30 mm，利于油珠上浮至斜板而去除，形成稠油污水處理的小間距斜板分離技術。

綜上所述，應用混凝動力學理論[3]，將含過濾裝置整改后的油污水處理混凝、反應、沉淀三段過程設置在一套處理設備內(nèi)，從而產(chǎn)生了采用微渦旋反應、小間距斜板分離、等面積收配、水等摩阻排泥、水位調(diào)節(jié)等多種新技術的混凝反應沉降罐。

從現(xiàn)場監(jiān)測結果來看，即使在ρ(油)遠大于300 mg/L，ρ(懸浮物)遠大于300 mg/L的進水水質(zhì)要求的情況下，在凈水藥劑及混凝沉降罐的作用下，出水的水質(zhì)均能保證ρ(油)在10 mg/L以下，ρ(懸浮物)在20 mg/L以下，完全達到設計要求。

(3) 過濾和污泥處理。目前,國內(nèi)油田采用的壓力過濾器按濾料和水流形式的不同分為5類,即：石英砂過濾器、核桃殼過濾器、雙層濾料過濾器、纖維球過濾器、雙向流過濾器。各種過濾器都有其不同的優(yōu)缺點。所以,百重7井區(qū)稠油污水處理后ρ(懸浮物)要求達到5 mg/L，要求很高，因而處理過濾選擇了兩級過濾，即:第一級過濾為核桃殼過濾，第二級過濾為雙層濾料過濾。

含油污泥的主要成分是懸浮物、污油和混凝劑。由于油田采出水產(chǎn)出的污泥含油較高，一般在10%～30%，這樣的污泥不易脫水。目前，有4種污泥脫水機，即：板框壓濾機、螺旋壓榨機、高速離心機及帶式壓濾機，只有板框壓濾機在油田應用。所以，最終確定污泥處理工藝為濃縮→板框壓濾機→干泥。目前，百重7井區(qū)污水處理后的污泥也基本是排放的,板框壓濾機屬于停用狀態(tài)。

(4) 藥劑投加控制。由于油田含油污水水量、水質(zhì)波動大，處理后的出水水質(zhì)要求嚴格，約為mg/L級。因此，采用自動加藥控制系統(tǒng)。自動加藥控制系統(tǒng)是通過污水來液量信號與加藥泵流量設定值進行對比，自動調(diào)節(jié)加藥泵變頻器的輸出，調(diào)整藥劑的投加量，這樣不僅便于管理，而且還能控制藥效(見圖1)。

3稠油污水處理現(xiàn)場實驗

3.1　稠油污水處理化學藥劑投加方案

百重7井區(qū)稠油污水處理系統(tǒng)共設有7個加藥點，可以投加7種化學藥劑，其具體的投加點、投加量見表5。

表5 百重7井區(qū)稠油污水化學處理劑投加方案Table5 ChemicaldosingprogramforheavyoilwastewatertreatmentinBaizhong7wellblock水處理劑種類水處理劑型號加藥量/(mg·L-1)加藥點耐溫凈水劑助凝劑緩蝕劑殺菌劑KL-401KW-01KL-308KL-2045015080100(每周投加一次)重力罐出水沉降罐進水緩沖罐進水緩沖罐進水

3.2　重力除油罐運行效果監(jiān)測

圖2、圖3記錄的是現(xiàn)場實驗期間重力除油罐進出口以天為單位的油、懸浮物含量變化情況。

從圖2、圖3可以看出，為期32天的監(jiān)測過程中，重力除油罐進口油、懸浮物含量超標情況各有5天、8天，平均約每天發(fā)生一次；而經(jīng)重力沉降后，出水油、懸浮物含量超標的僅有2天、3天，而且均發(fā)生在油、懸浮物含量嚴重超出進水設計要求的情況下。

從以上的監(jiān)測情況可以看出，在百重7井區(qū)稠油處理站來水水質(zhì)滿足污水處理系統(tǒng)進水要求的情況下，重力除油罐的運行狀況完全可以滿足設計要求。

3.3　混凝沉降罐系統(tǒng)運行效果監(jiān)測

結合除油-混凝沉降-過濾的三段處理工藝，在污水處理系統(tǒng)混凝沉降罐的進口設計了3個加藥點，投加凈水劑、助凝劑。在現(xiàn)場實驗中，嚴格按室內(nèi)篩選結果投加藥劑。 圖4、圖5記錄的是污水處理系統(tǒng)處于正常運行狀態(tài)下監(jiān)測到的41組數(shù)據(jù)中，混凝沉降罐進出口油、懸浮物含量的監(jiān)測結果。

從圖4、圖5可以直觀地看出，無論混凝沉降罐進口油、懸浮物含量如何波動，混凝沉降罐出口水質(zhì)始終保持平穩(wěn)狀態(tài)，沒有出現(xiàn)大的波動，油、懸浮物含量始終符合設計要求，說明目前使用的耐溫凈水劑KL-401與混凝工藝結合良好，凈水效果極佳，且不受來水波動的影響。

總體說來，稠油污水處理系統(tǒng)混凝沉降系統(tǒng)在配套凈水藥劑協(xié)同作用下，運行效果完全可以達到設計要求。

3.4　過濾系統(tǒng)運行效果監(jiān)測

百重7井區(qū)稠油污水處理系統(tǒng)設計的是兩級過濾，其中粗濾采用核桃殼過濾，主要作用是除油；精致過濾采用石英砂、無煙煤雙濾料過濾器，主要作用是去懸浮物。由于來水含油很低，已經(jīng)達到注水指標<30 mg/L的要求。因此，污水含油不存在問題，除少數(shù)反常點外，ρ(油)基本保持在0～2 mg/L的極低范圍內(nèi)。雖然,大部分時間精濾出口ρ(懸浮物)可以達到<5 mg/L的注水指標要求，但過濾效果時好時壞，有時水質(zhì)比過濾器進口還差。 所以，對過濾裝置進行了整改。表6列出的是百生7井區(qū)污水處理站的稠油污水在正常處理情況下精細過濾器出口含油污水注水指標監(jiān)測結果。

表6 精細過濾器出口注水指標監(jiān)測結果Table6 Monitoringresultsofthecontrolledindicesforwaterinjectionattheoutletofthefinefilter監(jiān)測項目監(jiān)測結果指標要求ρ(油)/(mg·L-1)ρ(懸浮物)/(mg·L-1)ρ(溶解氧)/(mg·L-1)ρ(硫化物)/(mg·L-1)ρ(總鐵)/(mg·L-1)TGB/(個·mL-1)SRB/(個·mL-1)平均腐蝕率/(mm·a-1)ρ(侵蝕性CO2)/(mg·L-1)0~101~300~50~0.20~600~0.60.00780<30<5<0.3<5<0.4<1000<100.0<0.1<10

從表6數(shù)據(jù)可知，處理后的百重7井區(qū)稠油污水各項指標均達到了克拉瑪依注水指標的要求。

3.5　細菌、腐蝕、硫化物含量及鐵含量的控制

在混凝沉降罐出口每周一次，每次100 mg/L沖擊式投加殺菌劑，可以防止細菌在污水處理系統(tǒng)內(nèi)滋生，避免引起細菌含量遞增及細菌腐蝕等不良后果。在加藥點投加KL-0308緩蝕劑80 mg/L后，污水的腐蝕率監(jiān)測結果為0.007 9 mm/a，遠低于注水指標≤0.076 mm/a的要求，能夠滿足注水要求。在凈水藥劑、兩級過濾的作用下，到精濾出口，ρ(總鐵)均保持在0～0.2 mg/L，已經(jīng)達到<0.4 mg/L注水指標要求，無需作進一步處理。

4結 論

通過室內(nèi)實驗，結合污水水質(zhì)特點及配套藥劑的開發(fā)研究，選用了重力除油-混凝沉降-過濾三段式工藝流程。優(yōu)化了百重7井區(qū)稠油污水處理站具體的主工藝和次工藝，即：重力除油罐采用水位調(diào)節(jié)器調(diào)節(jié)出水，以適應水量的變化；混凝斜板沉降罐采用了微渦旋混合反應、小間距斜板分離、等摩阻穿孔管排泥等新技術；污水來液量與加藥泵聯(lián)動，實現(xiàn)了自動加藥，對液位、壓力、流量、溫度的在線檢測。這些新技術可使污水處理藥劑充分發(fā)揮藥效，現(xiàn)場水處理效果良好，并形成了成熟的“稠油污水微渦旋處理技術”。

參 考 文 獻

[1] 屈撐囤, 王新強. Ky-3型聚合物與聚合氯化鋁復配處理采油污水研究[J]. 油田化學. 2000, 17(4): 324-326.

[2] 陸柱, 鄭士忠, 錢滇子. 油田水處理技術[M]. 北京: 石油工業(yè)出版社, 1992: 138.

[3] 徐偉東, 韓志霞. 中原油田油氣水系統(tǒng)的腐蝕與防護[J]. 油氣田地面工程. 1997, 16(3): 40-42.

Heavy oil wastewater treatment technology in Baizhong 7 well block of

Xinjiang Karamay Oilfield

Tang Li

(DepartmentofPetrochemicalEngineering,KaramayVocationalandTechnicalCollege,

Karamay834000,China)

Abstract:The influent at heavy oil wastewater treatment station in Baizhong 7 well block was known with high oil content, high emulsification degree, high TSS, high temperature, and therefore increasing difficulties for treatment. Combining the wastewater characteristics and application of the water treatment chemicals, this study screened the treatment processes in laboratory tests and finally identified the process as follow: gravity driven oil-water separation/coagulating sedimentation/filtration. During the process design, novel techniques such as water-level regulator to adjust the effluent water, micro-vortex mixer, small-spaced inclined plate separator, and constant-friction perforated pipe were applied to improve the coagulating sedimentation tank design and enhance the purification efficiency. In this study, domestic advanced technology, namely “micro-vortex based heavy oil wastewater treatment technology ” were developed to ensure the treated wastewater meeting the injection and boiler make-up requirement.

Key words:wastewater characteristics, process selection, optimization design, application effect

收稿日期：2015-01-25；編輯：鐘國利

中圖分類號：TE992.2

文獻標志碼：A

DOI:10.3969/j.issn.1007-3426.2016.01.023

作者簡介：①唐麗(1965-),女，上海嘉定人，克拉瑪依職業(yè)技術學院副教授，化學工程碩士，主要從事油田應用化學和鉆井液研究。E-mail：tl19901024@163.com