海上聚驅(qū)油田含聚污水動(dòng)態(tài)膜過濾處理技術(shù)研究

肖宗偉，陳華興

（1.中海石油烏干達(dá)有限公司，北京100027；2.中海石油（中國）有限公司天津分公司，天津300452）

海上聚驅(qū)油田含聚污水動(dòng)態(tài)膜過濾處理技術(shù)研究

肖宗偉1，陳華興2

（1.中海石油烏干達(dá)有限公司，北京100027；2.中海石油（中國）有限公司天津分公司，天津300452）

海上平臺(tái)現(xiàn)有含聚污水處理工藝存在處理成本高、難度大、處理效能逐步降低等問題。研究開發(fā)了一套動(dòng)態(tài)膜過濾工藝技術(shù)，通過水質(zhì)、過濾周期的變化研究筑膜劑種類、筑膜劑濃度、來水水質(zhì)對含聚污水處理效果的影響。研究結(jié)果表明，動(dòng)態(tài)膜過濾技術(shù)的處理效果明顯優(yōu)于常規(guī)的核桃殼和纖維束過濾技術(shù)，過濾效果穩(wěn)定，油、懸浮物、濁度的去除率均在90%以上。處理后的水質(zhì)符合油田注水控制標(biāo)準(zhǔn)，來水水質(zhì)越好，過濾周期越長。處理前后聚合物的濃度基本不變，未改變來水性質(zhì)，能夠適應(yīng)海上聚驅(qū)油田含聚污水的處理。

動(dòng)態(tài)膜過濾；聚驅(qū)油田；含聚污水；水處理

自2003年渤海油田注聚先導(dǎo)性試驗(yàn)成功以來，多個(gè)油田逐步擴(kuò)大注聚規(guī)模，取得了明顯效果。伴隨而來的是各井口平臺(tái)聚合物返出情況越來越嚴(yán)重，形成大量非常難處理的含聚污水。由于海上平臺(tái)空間及承載有限，含聚污水達(dá)標(biāo)處理成本高、難度大，多數(shù)現(xiàn)有的處理設(shè)備不適應(yīng)，處理效能逐步降低〔1〕。當(dāng)生產(chǎn)污水含有一定濃度的產(chǎn)出聚合物后，核桃殼過濾器、雙濾料過濾器、纖維球過濾器等常用過濾器出現(xiàn)極大不適應(yīng)。濾料表面因黏附有大量聚合物凝膠、原油和懸浮固體而結(jié)塊，造成過濾壓差增大，反洗周期縮短，反沖洗過程中濾料表面污染物的清除效果差，濾料污染速率加快，最終導(dǎo)致出水水質(zhì)惡化。以核桃殼過濾器為例，渤海3個(gè)注聚油田聚合物返出前，核桃殼過濾器的除油率在85%左右，達(dá)到設(shè)備設(shè)計(jì)要求，反洗頻率為1～2次/d，核桃殼濾料更換周期為1.5 a/次〔2〕。聚合物返出后，核桃殼過濾器的除油率不到70%，反洗頻率為3～6次/d，濾料更換周期為3～6個(gè)月/次，處理成本明顯增加。

對于含聚污水處理的新方法此前開展了大量研究〔3-8〕，但仍無突破性的可工業(yè)化應(yīng)用的含聚污水處理工藝。動(dòng)態(tài)膜過濾技術(shù)因過濾精度高、制備過程簡單、膜原料豐富等優(yōu)點(diǎn)在廢水處理行業(yè)應(yīng)用廣泛，相關(guān)報(bào)道也較多〔9〕。然而動(dòng)態(tài)膜過濾技術(shù)在油田生產(chǎn)污水中的應(yīng)用報(bào)道較少。筆者首次將動(dòng)態(tài)膜過濾技術(shù)應(yīng)用至海上油田含聚污水的處理，探究該技術(shù)處理含聚污水的效果及其影響因素，以期為海上聚驅(qū)油田含聚污水處理提供一定參考。

1　試驗(yàn)部分

1.1動(dòng)態(tài)膜超精過濾設(shè)備工作原理

為解決海上聚驅(qū)油田含聚污水處理難的問題，根據(jù)膜過濾原理研究動(dòng)態(tài)膜超精過濾工藝技術(shù)，處理能力8 m3/h，設(shè)計(jì)將含油120～200 mg/L、懸浮物30～50 mg/L的含聚污水處理至油＜10 mg/L、懸浮物＜5 mg/L。

試驗(yàn)樣機(jī)由過濾主機(jī)單元、筑膜劑加藥系統(tǒng)、進(jìn)出水緩沖罐、密封裝置、液壓系統(tǒng)、工作泵、管路、閥門、電氣控制系統(tǒng)等組成，結(jié)構(gòu)簡圖如圖1所示。筑膜劑由幾種不同粒度的硅藻土、珍珠巖及纖維粉配制而成，根據(jù)3種物質(zhì)的不同配比制成ZM1～ZM7 共7種筑膜劑用于試驗(yàn)。

圖1　動(dòng)態(tài)膜試驗(yàn)樣機(jī)結(jié)構(gòu)簡圖

動(dòng)態(tài)膜試驗(yàn)樣機(jī)采用預(yù)涂→過濾→充滿→干燥→排渣的周期循環(huán)工作模式：

動(dòng)態(tài)膜過濾系統(tǒng)使用的是純物理方法，不添加任何化學(xué)藥劑，不改變水體性質(zhì)，廢渣餅以干燥形式直接排出系統(tǒng)外，無需反沖洗，節(jié)約大量濾后水，避免二次污染，科學(xué)簡便。

1.2試驗(yàn)流程

現(xiàn)場試驗(yàn)在某處理廠進(jìn)行。來自海上的含聚原油首先經(jīng)過該處理廠的一級沉降罐、二級沉降罐作沉降處理，產(chǎn)生的含油污水進(jìn)入調(diào)儲(chǔ)罐、斜管除油罐、氣浮罐、沉降罐、緩沖罐、雙濾料過濾器處理至合格。動(dòng)態(tài)膜過濾設(shè)備選擇調(diào)儲(chǔ)罐出口或入口含聚污水為試驗(yàn)對象，處理后的水排放至污水池，試驗(yàn)過程產(chǎn)生的泥餅排放至工業(yè)垃圾箱。

1.3試驗(yàn)條件

試驗(yàn)過程中流量恒定在2.2 m3/h，預(yù)涂膜厚度統(tǒng)一為1.5 mm，最大過濾壓差設(shè)定為0.4 MPa，當(dāng)過濾壓差達(dá)到設(shè)定壓差時(shí)，設(shè)備自動(dòng)切換為干燥排渣狀態(tài)，1個(gè)過濾周期結(jié)束。

試驗(yàn)樣機(jī)進(jìn)出口水樣的濁度、懸浮物、含油率均采用現(xiàn)取現(xiàn)測的模式。濁度采用Turb 430T便攜式濁度儀測定；懸浮物參照SY/T 5329—2012推薦的膜濾法測定；含油率參照Q/HS 2042—2008推薦的紅外分析法，采用CH型紅外分析儀測定。聚合物濃度采用淀粉-碘化鎘方法測定。

2　試驗(yàn)結(jié)果

2.1過濾工藝對過濾效果的影響

我國大陸海岸線蜿蜒深遠(yuǎn)，18000公里的長度成為粵港澳大灣區(qū)得天獨(dú)厚的地理優(yōu)勢，渤海灣、膠州灣、杭州灣、珠三角灣等灣區(qū)星落其上，也讓粵港澳大灣區(qū)的發(fā)展有了重要的前期經(jīng)濟(jì)積淀。占據(jù)九市二區(qū)，在惠州、深圳、香港、東莞、廣州、肇慶、佛山、江門、中山、珠海、澳門圍繞下的粵港澳大灣區(qū)，不同區(qū)域內(nèi)，不同生產(chǎn)要素的優(yōu)勢互補(bǔ)，可以為粵港澳大灣區(qū)乃至整個(gè)泛珠三角區(qū)域提供廣闊的經(jīng)濟(jì)腹地，同時(shí)也將為泛珠區(qū)域合作注入新的發(fā)展動(dòng)力。作為“一帶一路”橋頭堡，粵港澳大灣區(qū)得天獨(dú)厚。

（1）纖維束過濾試驗(yàn)。根據(jù)現(xiàn)場所用纖維球過濾器的處理量、濾料體積、濾速等比例縮小，制成小型試驗(yàn)樣機(jī)，其中纖維束總質(zhì)量4.9 kg，纖維束壓緊高度為245 mm，流量為560 L/h，濾速為7.93 m/h，前15 min試驗(yàn)水為調(diào)儲(chǔ)罐入口含聚污水，之后切換為調(diào)儲(chǔ)罐出口含聚污水，纖維束對含聚污水的過濾效果見表1。

表1　纖維束處理含聚污水的過濾效果

由表1可知，含聚污水經(jīng)纖維束過濾處理75 min后，除油率約為56.1%，濁度去除率約為58.2%。但過濾壓差上升速度較快，過濾時(shí)間短，說明纖維束極易被含聚污水中的聚合物、懸浮雜質(zhì)和油等污染，反洗時(shí)纖維束不易被清洗。

（2）核桃殼過濾試驗(yàn)。核桃殼取自海上注聚油田核桃殼過濾器備用濾料，濾柱通徑200 mm，濾柱高1 000 mm，用調(diào)儲(chǔ)罐出口含聚污水進(jìn)行過濾試驗(yàn)，流量為160 L/h，濾速為5.1 m/h，試驗(yàn)周期為7 h。試驗(yàn)結(jié)果顯示核桃殼濾料基本能將濁度為400 NTU的含聚污水處理至210 NTU左右，濁度去除率為47.5%。

（3）動(dòng)態(tài)膜過濾試驗(yàn)。選擇ZM1為試驗(yàn)筑膜劑，筑膜劑投加量為400 mg/L，來水為調(diào)儲(chǔ)罐出口含聚污水，試驗(yàn)結(jié)果如圖2所示。

圖2　動(dòng)態(tài)膜過濾含聚污水的效果

過濾期間過濾壓差一直呈上升趨勢，前4 h內(nèi)過濾壓差上升較平緩，過濾至8.5 h后，過濾壓差上漲速度較快，此時(shí)膜已基本被污染。從過濾效果來看，不管是在低過濾壓差還是高過濾壓差條件下，動(dòng)態(tài)膜均能將濁度在44～114 NTU的含聚污水處理至5 NTU以下，濁度去除率在83%～97%，過濾精度遠(yuǎn)高于常規(guī)的纖維束和核桃殼過濾工藝。

2.2筑膜劑種類對過濾效果的影響

選擇硅藻土、珍珠巖及纖維粉按不同比例配制了7種筑膜劑。其中，硅藻土（IMERYS公司）呈白色粉末狀，以SiO2為主，滲透率3 500 mD，質(zhì)輕、多孔，吸水性和滲透性強(qiáng)。珍珠巖（IMERYS公司）主要成分為 SiO2，經(jīng)膨脹成為一種輕質(zhì)、多功能新型材料，具有珍珠裂隙結(jié)構(gòu)，具有表觀密度輕、化學(xué)穩(wěn)定性好、使用溫度范圍廣等特點(diǎn)。纖維粉（J. RETTENMAIER&S?HNE公司）是將高強(qiáng)高模碳纖維長絲經(jīng)特殊技術(shù)表面處理、研磨、烘干后獲得的等長圓柱形微粒，呈灰黑色，具有比表面積大、低密度、高強(qiáng)度、耐高溫、抗化學(xué)腐蝕、吸附能力強(qiáng)等特性。

對配制好的7種筑膜劑ZM1～ZM7進(jìn)行對比試驗(yàn)，筑膜劑投加量為400 mg/L，來水為調(diào)儲(chǔ)罐出口含聚污水，進(jìn)出口水質(zhì)及過濾周期見表2。

表2　不同類型筑膜劑處理含聚污水效果對比

從出口水質(zhì)來看，7種筑膜劑均能將入口濁度在37～114 NTU的含聚污水處理至濁度為6 NTU以下，濁度去除率基本在86.7%以上；對于入口濁度在114～926.6 NTU的含聚污水，處理后污水濁度也在16 NTU左右，濁度去除率高達(dá)95%以上，處理后的水樣清澈，說明硅藻土、珍珠巖及纖維粉按不同比例配制而成的筑膜劑處理含聚污水的精度能夠滿足要求。

從過濾周期來看，ZM1、ZM2、ZM6這3種筑膜劑單次過濾時(shí)間能維持10 h以上，其余筑膜劑過濾周期相對較短。結(jié)合出口水質(zhì)及過濾周期綜合考慮，筑膜劑ZM1、ZM2、ZM6的效果最好。

2.3筑膜劑投加量對過濾效果的影響

選取處理效果較好的ZM2、ZM6筑膜劑，考察不同投加量下（200～1 000 mg/L）對含聚污水的處理效果，結(jié)果見表3。

從表3中進(jìn)出口水質(zhì)變化判斷，對于來水濁度在48.3～697.1 NTU之間的含聚污水，不同投加量下的ZM2和ZM6均能將其處理至18 NTU以下，最低可處理至4 NTU以下，且筑膜劑投加量越大，濁度去除率越大，過濾精度越高，但過濾周期越短。從過濾周期判斷，ZM2和ZM6的最佳投加質(zhì)量濃度為400 mg/L，投加量過低或過高均會(huì)縮短過濾周期，且ZM2筑膜劑的效果優(yōu)于ZM6。

表3　不同筑膜劑投加量下的含聚污水處理效果

3　現(xiàn)場應(yīng)用案例

根據(jù)以上研究，現(xiàn)場選擇投加量為400 mg/L的筑膜劑ZM2進(jìn)行調(diào)儲(chǔ)罐出口水和調(diào)儲(chǔ)罐入口水的過濾效果對比試驗(yàn)，結(jié)果見表4。

表4　動(dòng)態(tài)膜對含聚污水的處理效果

由表4可知，選擇調(diào)儲(chǔ)罐出口水進(jìn)行過濾時(shí)，經(jīng)動(dòng)態(tài)膜過濾后聚合物基本不變，含油穩(wěn)定在4 mg/L，懸浮物為4.3～4.7 mg/L，濁度在3.1～3.9 NTU之間。除油率在92.4%～93.5%之間，懸浮物去除率在90%～91.8%之間，濁度去除率在92.6%～94.6%，過濾周期在10～11.5 h。選擇調(diào)儲(chǔ)罐入口水進(jìn)行過濾時(shí)，過濾后水樣的聚合物基本不變，除油率在98.5%～99.1%，懸浮物去除率在 95.3%～97.8%，濁度去除率在95.7%～96.9%，過濾周期在1.5～4 h。相比調(diào)儲(chǔ)罐出口含聚污水，調(diào)儲(chǔ)罐入口水的油、懸浮物的過濾精度有所提高，但過濾周期卻大幅縮短。說明在含聚污水來水水質(zhì)較好和水質(zhì)條件惡劣的情況下，動(dòng)態(tài)膜過濾效果均非常穩(wěn)定，來水水質(zhì)越好，過濾周期越長。當(dāng)水質(zhì)條件極其惡劣時(shí)，動(dòng)態(tài)膜過濾技術(shù)的處理效果明顯優(yōu)于常規(guī)過濾技術(shù)。

4　結(jié)論

（1）核桃殼過濾器等常規(guī)過濾工藝處理海上聚驅(qū)油田含聚污水時(shí)出現(xiàn)濾料污染速率加快、出水水質(zhì)惡化等一系列問題，已無法適應(yīng)含聚污水的處理要求。動(dòng)態(tài)膜過濾技術(shù)處理含聚污水的過濾精度遠(yuǎn)高于常規(guī)的纖維束和核桃殼過濾工藝，油、懸浮物、濁度去除率均在90%以上，處理前后聚合物濃度基本不變，油與懸浮物濃度明顯低于油田注水控制標(biāo)準(zhǔn)值，能夠適應(yīng)海上聚驅(qū)油田含聚污水的處理。

（2）動(dòng)態(tài)膜過濾技術(shù)工藝流程簡單，采用純物理法處理，不改變含聚污水的性質(zhì)，過濾精度高且無二次污染，具有較高的推廣應(yīng)用價(jià)值。

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Experimental research on polymer-containing wastewater treatment by dynamic membrane filtration technology in an offshore polymer flooding oilfield

Xiao Zongwei1，Chen Huaxing2
（1.CNOOC Uganda Co.，Ltd.，Beijing 100027，China；2.Tianjin Branch，CNOOC（Chinese）Co.，Ltd.，Tianjin 300452，China）

Problems，including high cost，great difficulty and gradually reduced treatment effect，exist in present polymer-containing wastewater treatment process in offshore platforms.A set of dynamic membrane filtration process has been developed.The influences of the types and concentrations of membrane-building agent and influent water quality on polymer-containing wastewater treatment effect are studied through water quality and filtration cycle changes.The research results show that the treatment effect of dynamic membrane filtration technology is obviously better than that of conventional walnut shell and fiber bundle filtration techniques.The filtration effect is stable.The removing rates of oil，suspended substances and turbidity are all above 90%.After the treatment，the water quality complies with the control standard of oilfield flooding.The better the influent water quality，the longer the filtration cycle.Basically，the polymer concentrations before and after the treatment do not have any changes and the influent nature has not been changed either，being able to adapt the treatment of polymer-containing wastewater in offshore polymer flooding oilfield.

dynamic membrane filtration；polymer flooding oilfield；polymer-contained wastewater；water treatment

TE991

A

1005-829X（2016）08-0089-04

肖宗偉（1965—），高級工程師。E-mail：782611012@qq. com。

2016-07-21（修改稿）