橇裝除硫裝置處理零散區(qū)塊油田含硫采出水試驗(yàn)研究

王慶吉

大慶油田工程有限公司

目前在工業(yè)領(lǐng)域應(yīng)用的污水除硫技術(shù)大致有化學(xué)氧化劑、空氣氧化、催化氧化、氣提、化學(xué)沉淀、微生物等污水除硫化物技術(shù)[1-2]。這些技術(shù)在各工業(yè)領(lǐng)域發(fā)揮了一定作用，解決了企業(yè)的燃眉之急，但也存在著不足之處[3]。在某油田零散區(qū)塊利用采出水橇裝除硫裝置進(jìn)行了曝氣除硫、氧化塔除硫及微生物除硫的現(xiàn)場(chǎng)效果對(duì)比試驗(yàn)，確定了最優(yōu)的橇裝除硫技術(shù)及最佳運(yùn)行參數(shù)。

1 橇裝曝氣除硫裝置試驗(yàn)

1.1 試驗(yàn)原理及參數(shù)

曝氣是指水與氣體接觸，將空氣中的氧強(qiáng)制向液體中轉(zhuǎn)移的過(guò)程，其目的是獲得足夠的溶解氧，利用空氣中氧的氧化作用，將水中存在的二價(jià)硫等還原性物質(zhì)氧化成為非溶解性顆粒物質(zhì)，同時(shí)能將水中硫化氫吹脫出去。曝氣除硫作為一種簡(jiǎn)單且有效的除硫方式已在油田某聯(lián)合站生產(chǎn)運(yùn)用[3-4]，但該技術(shù)因其停留時(shí)間較長(zhǎng)，導(dǎo)致構(gòu)筑物體積較大，很難將其運(yùn)用在一體化橇裝裝置上；因此，需要對(duì)其曝氣釋放頭布置、停留時(shí)間、曝氣氣水比等進(jìn)行優(yōu)化，以適應(yīng)零散小區(qū)塊油田的開(kāi)發(fā)需要。氣水比為工況條件下的氣體流量與來(lái)水流量之比，試驗(yàn)氣體流量為6.5 m水頭壓力下而非標(biāo)況下的體積流量。試驗(yàn)考察了曝氣停留時(shí)間為4 h時(shí)的不同氣水比的硫化物去除效果。橇裝曝氣除硫裝置設(shè)計(jì)效果見(jiàn)圖1。

圖1 橇裝曝氣除硫裝置Fig.1 Skid mounted package units of aeration and desulphurization device

1.2 試驗(yàn)結(jié)果及分析

裝置處理量為10 m3/h，曝氣沉降罐的有效停留時(shí)間為4 h（體積40 m3），為驗(yàn)證曝氣強(qiáng)度擬補(bǔ)曝氣時(shí)間的可行性，試驗(yàn)考察了不同曝氣強(qiáng)度對(duì)硫化物的去除效果，試驗(yàn)結(jié)果見(jiàn)圖2。

圖2 不同氣水比曝氣除硫試驗(yàn)效果曲線Fig.2 Experimental result curve of desulfurization by aeration with different gas-water ratios

由圖2可知，隨著曝氣氣水比的增加，硫化物的整體去除效果變好。氣水比在5∶1～20∶1之間，出水平均值都可以達(dá)到《碎屑巖油藏注水水質(zhì)指標(biāo)及分析方法》（SY/T 5329—2012）規(guī)定的“硫化物質(zhì)量濃度小于2 mg/L”的輔助注水指標(biāo)要求；但氣水比在5∶1時(shí)，曝氣后的硫化物質(zhì)量濃度已出現(xiàn)大于2 mg/L的情況。因此，當(dāng)來(lái)水硫化物質(zhì)量濃度在30 mg/L左右、曝氣時(shí)間為4 h時(shí)，為保證出水穩(wěn)定達(dá)標(biāo)，曝氣氣水比最低限為7∶1［工況條件下的氣體流量，此時(shí)曝氣強(qiáng)度為21 m3/（m2·h），來(lái)水硫化物為40 mg/L以下］。

2 橇裝氧化塔除硫裝置試驗(yàn)

2.1 試驗(yàn)原理及參數(shù)

采用特殊的微納米氣泡發(fā)生技術(shù)，使空氣在污水中形成納米級(jí)的氣泡。含納米氣泡的污水在一定溫度和壓力下通過(guò)高活性的特殊固體填料床[5]，在填料的分散、催化等作用下，污水中的還原性物質(zhì)與微細(xì)氣泡中的氧迅速反應(yīng)（圖3、圖4）。二次反應(yīng)器（污水穩(wěn)定罐）實(shí)際上是1個(gè)沉降罐，可用生產(chǎn)站中原有的沉降罐代替，其主要作用是釋放多余的氣泡，消耗污水中的溶解氧以達(dá)到注水的控制標(biāo)準(zhǔn)[6-7]。另外，釋放多余的納米氣泡可起到除油等凈化污水的作用。工作溫度：35～40℃；出水溶解氧：0.05 mg/L以下；工作壓力：0～0.8 MPa，試驗(yàn)停留時(shí)間：10～45 min；裝置用氣量（0℃，101.325 k Pa）：0.67 m3/min（在實(shí)際操作中由現(xiàn)場(chǎng)來(lái)水水質(zhì)確定）。

圖3 橇裝氧化塔試驗(yàn)流程Fig.3 Test flow chart of skid mounted oxidation tower

圖4 氧化塔現(xiàn)場(chǎng)實(shí)物Fig.4 Actual scene of oxidation tower

2.2 試驗(yàn)結(jié)果及分析

改變?cè)囼?yàn)來(lái)水處理量，考察不同停留反應(yīng)時(shí)間對(duì)硫化物的去除效果（表1）。

現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)結(jié)果表明，氧化塔具有較高的硫化物去除能力，當(dāng)來(lái)水硫化物質(zhì)量濃度為28.8 mg/L、停留時(shí)間為20 min時(shí)，出水硫化物質(zhì)量濃度可達(dá)到2 mg/L以下，當(dāng)停留時(shí)間（45 min）足夠長(zhǎng)時(shí)，硫化物質(zhì)量濃度可由來(lái)水的30.7 mg/L降至0.73 mg/L。

表1 氧化塔硫化物去除效果Tab.1 Sulfide removal effect of oxidation tower

3 橇裝微生物除硫裝置試驗(yàn)

3.1 試驗(yàn)原理及參數(shù)

該裝置由微生物預(yù)處理橇及微生物處理橇兩部分組成。生物池內(nèi)安裝的陶瓷微孔曝氣器，通過(guò)曝氣風(fēng)機(jī)可產(chǎn)生大量微小氣泡，微小氣泡在水中停留時(shí)間長(zhǎng)，為微生物菌群的生長(zhǎng)提供充足的氧氣，同時(shí)微孔曝氣盤(pán)釋放出的氧氣在池內(nèi)將水中的硫化氫氧化為單質(zhì)硫[8-9]。另外，在微生物生長(zhǎng)代謝過(guò)程中，也會(huì)去除水中的部分硫化氫，在這些因素的共同作用下達(dá)到去除水中硫化氫的目的[10]。橇裝微生物處理裝置見(jiàn)圖5。裝置處理量為10 m3/h，微生物預(yù)處理裝置尺寸為8 500 mm×2 400 mm×2 900 mm，微生物處理裝置尺寸為8 000 mm×2 400 mm×2 900 mm，總停留時(shí)間為12 h。

3.2 試驗(yàn)結(jié)果及分析

在橇裝微生物處理裝置中投加前期室內(nèi)實(shí)驗(yàn)篩選出的針對(duì)含硫采出水的高效破乳菌種，完成菌種現(xiàn)場(chǎng)馴化，掛膜完成待出水平穩(wěn)后進(jìn)行了裝置的進(jìn)出口除硫效果監(jiān)測(cè)（圖6）。

圖5 橇裝微生物處理裝置Fig.5 Skid mounted package units of microbial treatment device

圖6 橇裝微生物處理裝置的除硫效果Fig.6 Desulphurization effect of skid mounted microbial treatment device

現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)結(jié)果表明，當(dāng)來(lái)水硫化物質(zhì)量濃度小于32.5 mg/L時(shí)，經(jīng)“微生物預(yù)處理裝置→微生物處理裝置”流程（停留時(shí)間12 h）處理后，最終出水硫化物質(zhì)量濃度小于1.19 mg/L，平均值為0.94 mg/L，達(dá)到預(yù)期出水指標(biāo)。

4 經(jīng)濟(jì)性分析

4.1 工程投資費(fèi)用

處理規(guī)模為10 m3/h的橇裝曝氣除硫裝置工程費(fèi)用是41.24萬(wàn)元，相同處理規(guī)模的脫硫氧化塔裝置工程費(fèi)用為47.5萬(wàn)元，相較于曝氣除硫裝置投資提高15.2℅；同樣處理規(guī)模的橇裝微生物處理裝置的工程費(fèi)用為92萬(wàn)元，約為曝氣除硫裝置工程費(fèi)用的2倍，因體積較大而價(jià)格相對(duì)昂貴。

4.2 運(yùn)行費(fèi)用

脫硫氧化塔裝置的用電負(fù)荷為8 k W，略低于曝氣除硫裝置的11.96 k W，但有時(shí)需視水質(zhì)情況投加一定量的藥劑，并且設(shè)備維修維護(hù)費(fèi)用相對(duì)較貴；所以，其總體運(yùn)行費(fèi)用略高于曝氣除硫裝置。橇裝微生物處理裝置的用電負(fù)荷為19 kW，高于脫硫氧化塔裝置和曝氣除硫裝置。

5 結(jié)論

（1）三種除硫技術(shù)都能達(dá)到有效除硫的目的，在來(lái)水硫化物質(zhì)量濃度小于44 mg/L時(shí)，最終出水硫化物質(zhì)量濃度基本穩(wěn)定在2 mg/L以下。除硫氧化塔的停留時(shí)間最短，只有20 min，曝氣除硫的停留時(shí)間為4 h，微生物除硫的停留時(shí)間最長(zhǎng)，高達(dá)12 h；較短的停留時(shí)間更利于裝置的橇裝一體化設(shè)計(jì)，也更利于實(shí)現(xiàn)移動(dòng)搬遷和重復(fù)利用。從三種除硫技術(shù)的投資及運(yùn)行費(fèi)用對(duì)比分析上看，橇裝曝氣除硫技術(shù)相對(duì)于其他兩種方式占有一定優(yōu)勢(shì)。

（2）曝氣除硫和微生物除硫已有在油田站場(chǎng)工業(yè)化應(yīng)用的經(jīng)驗(yàn)，其設(shè)備操作維護(hù)相對(duì)簡(jiǎn)單[11-12]，綜合考慮處理效果、經(jīng)濟(jì)效益、工藝成熟穩(wěn)定性及橇裝可行性等各方面因素，推薦零散小區(qū)塊采用橇裝曝氣技術(shù)進(jìn)行有效除硫。氧化塔除硫技術(shù)雖缺乏在油田含硫采出水中的實(shí)際應(yīng)用經(jīng)驗(yàn)且設(shè)備操作維護(hù)相對(duì)復(fù)雜，但因其設(shè)備高效且停留時(shí)間較短，故在采出水橇裝設(shè)計(jì)中具有較為廣闊的應(yīng)用前景；而對(duì)于其較大規(guī)模站場(chǎng)的工業(yè)化應(yīng)用效果及穩(wěn)定性卻有待于進(jìn)一步驗(yàn)證。