含油污水處理系統(tǒng)分析及優(yōu)化措施

大慶油田有限責任公司第九采油廠規(guī)劃設(shè)計研究所

大慶油田采油九廠已建含油污水處理站6 座，總處理能力13 100 m3/d，實際處理污水能力10 390 m3/d，平均運行負荷率為79.3%。為保證油田穩(wěn)產(chǎn)，大規(guī)模壓裂等各類作業(yè)措施井增加，導(dǎo)致采出水的黏度增大、乳化嚴重，采出水在油水分離和懸浮物去除的難度上增加，污水處理工藝難以適應(yīng)。“十三五”期間，該廠通過加大新技術(shù)應(yīng)用力度，強化水質(zhì)節(jié)點管理，優(yōu)化運行參數(shù)，全力推進注水質(zhì)量提升工作，含油污水綜合達標率穩(wěn)步提升，由61.4%提升至94.4%。

1 污水深度處理工藝

污水深度處理工藝主要有以下三種：自然沉降—混凝沉降—兩級壓力過濾；溶氣氣浮—兩級過濾；溶氣氣浮—混合罐—高精濾過濾。詳見表1。

表1 大慶油田采油九廠含油污水深度處理站統(tǒng)計Tab.1 Statistics of oily sewage depth treatment stations in Daqing Oilffield No.9 Oil Production Plant

1.1 兩級沉降—兩級壓力過濾工藝

采出水黏度在0.74 mPa·s 左右；采出水中油Zeta 電位為-16.07～-37.35 mV；礦化度在3 000～6 000 mg/L，采出水呈堿性，pH 值平均在8.2 左右，粒徑中值為2.7～28.4 μm。隨著外圍油田的深入開發(fā)，為了滿足低滲透油層的注水水質(zhì)要求，采油九廠2000 年開始建設(shè)采出水深度處理站，主要采用兩級沉降、兩級壓力過濾工藝。該工藝主要在龍一聯(lián)、新一聯(lián)應(yīng)用。

1.1.1 兩級沉降工藝

（1）自然沉降罐。水中含油量在1～4 h時隨沉降時間延長呈下降趨勢，在4 h 后含油量無明顯變化趨勢；水中懸浮固體在1～2 h時隨沉降時間延長呈下降趨勢，在4 h后懸浮固體無明顯變化趨勢。自然沉降罐設(shè)計停留時間應(yīng)為4 h。

（2）混凝沉降罐。含油量對加藥后絮凝體沉降效果有顯著影響。含油量＜100 mg/L 時，絮體下沉，水中懸浮絮體較??；含油量在100～300 mg/L時，絮體有上浮有下沉，水中懸浮絮體較多；含油量＞300 mg/L時，絮體上浮，水中懸浮絮體較少。

（3）絮凝劑。絮凝劑有兩大類，無機絮凝劑以聚合氯化鋁為主，有機絮凝劑主要為聚丙烯酰胺類，包括陽離子、陰離子、非離子以及共聚PAM。藥劑復(fù)配使用會增加絮凝劑的協(xié)同效應(yīng)，改善單一藥劑的使用效果。藥劑篩選試驗表明陽離子聚丙烯酰胺效果好于陰離子、非離子和共聚PAM[1-2]，并且陽離子度越大效果越好。沉降工藝采用聚合氯化鋁、有機陽離子聚丙烯酰胺（相對分子質(zhì)量1 000×104～1 200×104）加藥體系[3]。加藥濃度在19.6～35.2 mg/L，無機、有機絮凝劑加藥比為40∶1～60∶1。

（4）來水適應(yīng)性。來水含油量在100～350 mg/L、懸浮物含量在50～100 mg/L 時，兩級沉降段出水含油量為20～86 mg/L、懸浮物含量為25～50 mg/L，兩級沉降出水水質(zhì)不能穩(wěn)定達到濾前水質(zhì)“20.20”的指標；當來水含油量≤100 mg/L、懸浮物≤50 mg/L，油厚≤0.3 m、污泥厚≤0.5 m 時，兩級沉降出水含油量≤20 mg/L、懸浮物含量≤20 mg/L，能穩(wěn)定達到濾前水質(zhì)“20.20”的指標。壓裂返排液回收量占污水處理總量百分比1%～4%時，統(tǒng)計龍一聯(lián)檢測數(shù)據(jù)懸浮固體達標率91.7%，含油達標率97.9%。近3年龍一聯(lián)污水系統(tǒng)年回收壓裂返排液最高3.52×104m3，總來水量220.41×104m3，龍一聯(lián)回收壓裂返排液占總來水量比為1.6%，系統(tǒng)運行不足1年，過濾罐出現(xiàn)憋壓問題，過濾罐壓差為0.1 MPa；龍一聯(lián)2019 年回收壓裂返排液2.12×104m3，總來水量205.81×104m3，2019 年龍一聯(lián)回收壓裂返排液占總來水量比為1.0%，系統(tǒng)運行1年，過濾罐壓差為0.1 MPa。新一聯(lián)老污水系統(tǒng)總計接收壓裂返排液量2.49×104m3，壓裂返排液回收量占污水處理總量百分比最高達17.2%時，濾料污染、憋壓，出水水質(zhì)無法實現(xiàn)穩(wěn)定達標。

（5）沉降段運行效果分析。自然沉降罐含油去除率7.2%～23.9%，懸浮物去除率11.6%～19.0%；混凝沉降罐含油去除率9.3%～24.4%，懸浮物去除率2.0%～44.8%。沉降罐收油、清淤不及時易造成沉降系統(tǒng)去除率低，特別是混凝沉降罐長期不清淤，易造成加藥后形成的絮體無法有效分離、污水混層的問題，造成混凝沉降罐檢測出水水質(zhì)比進水水質(zhì)差的問題。

1.1.2 過濾工藝

采用兩級壓力過濾工藝，一級過濾主要采用核桃殼過濾罐，二級過濾采用雙層濾料過濾罐。

過濾主要以濾料表面截留作用為主。核桃殼過濾罐設(shè)計填料厚度1.4 m，均質(zhì)濾料；雙層濾料過濾罐設(shè)計填料厚度1.15 m，采用不同規(guī)格墊料層，濾層厚度0.8 m。

（1）核桃殼過濾罐。過濾罐隨濾速增加納污量降低，濾速6 m/h 時納污量最大。濾速超過15 m/h時，反沖洗周期下降至19 h 以下；濾速為12 m/h時，反沖洗周期接近24 h，其納污量相對濾速15 m/h增加9.0%。從現(xiàn)場運行情況看，最佳設(shè)計濾速應(yīng)為12 m/h。

（2）雙層濾料過濾罐。過濾罐隨濾速增加納污量降低，濾速4 m/h時納污量最大。濾速超過8 m/h時，反沖洗周期下降至19 h 以下；濾速為6 m/h時，反沖洗周期接近24 h，其納污量相對濾速8 m/h增加10.5%。從現(xiàn)場運行情況看，最佳設(shè)計濾速應(yīng)為6 m/h。

（3）反沖洗方式優(yōu)化。單一強度反沖洗以水流的剪切力為主。通過反沖洗機理研究，充分利用濾料間的摩擦力、濾料間的碰撞力和水流的剪切力的作用，開展變參數(shù)反沖洗現(xiàn)場試驗。現(xiàn)場試驗優(yōu)選確定三梯次反沖洗運行參數(shù)：一階反沖洗強度采用7.5 L/(m2·s)，以摩擦力為主；二階反沖洗強度10 L/(m2·s)，以碰撞力為主；三階反沖洗強度14 L/(m2·s)，以水力剪切力為主。采用三階梯反沖洗技術(shù)后，相對單強度反沖洗核桃殼過濾罐懸浮固體去除率提高了18.3%，油去除率提高了10.7%；雙層濾料過濾罐懸浮固體去除率提高了32.4%，油去除率提高了15.3%。

（4）反沖洗周期優(yōu)化。反沖洗周期主要受濾床納污量、過濾速度等因素影響。為方便管理，通過現(xiàn)場試驗歸納出過濾罐運行壓差控制原則：核桃殼過濾罐正常過濾壓差≤0.08 MPa（最高過濾壓差≤0.10 MPa），雙層濾料過濾罐正常過濾壓差≤0.06 MPa（最高過濾壓差≤0.10 MPa）。

1.1.3 工藝適應(yīng)性評價

（1）普通含油污水。來水水質(zhì)含油量≤100 mg/L、懸浮物含量≤50 mg/L 時，兩級沉降—兩級壓力過濾工藝能穩(wěn)定達到“8.3.2”注入水水質(zhì)，濾料更換周期3年。

（2）含壓裂返排液污水。自然沉降—混凝沉降—兩級壓力過濾工藝，接收壓裂返排液回收量占污水處理總量≤4%（體積分數(shù)）時，能保障污水系統(tǒng)出水水質(zhì)穩(wěn)定達標，壓裂返排液全年回收量占污水全年處理總量≤1%時，可保障污水系統(tǒng)濾料穩(wěn)定運行1年。

1.2 溶氣氣浮—兩級壓力過濾工藝

1.2.1 溶氣氣浮工藝

為了適應(yīng)含油污水水質(zhì)的變化，大慶油田采油九廠2010 年應(yīng)用了溶氣氣浮技術(shù)，取代射流氣浮和橫向流除油工藝。

隨著溶氣量增加、溶氣壓力變大，溶氣量和溶氣釋放效果均增強。溶氣氣浮裝置的溶氣壓力在0.2～0.3 MPa 時出水水質(zhì)不穩(wěn)定，溶氣壓力現(xiàn)場執(zhí)行參數(shù)應(yīng)不低于0.3 MPa[4-5]。

氣浮箱體內(nèi)部出現(xiàn)乳白色的沸騰狀微小氣泡時，達到最佳運行狀態(tài)，現(xiàn)場參考氣水比為10%～12%[6]。

設(shè)計回流比為20%～30%，現(xiàn)場試驗20%、25%和30%三個回流比參數(shù)，隨著回流比升高，出水水質(zhì)的懸浮固體和含油的去除率也相對較高。因此，在來水水質(zhì)惡化、出站水質(zhì)不穩(wěn)定時，應(yīng)提高氣浮的回流比參數(shù)以保障污水處理站出站水質(zhì)的穩(wěn)定。

通過對比相對分子質(zhì)量500×104～600×104和1 000×104～1 200×104的有機陽離子絮凝劑的處理效果，500×104～600×104相對分子質(zhì)量的絮凝劑相對1 000×104～1 200×104相對分子質(zhì)量的絮凝劑除油率和除雜率分別提高了38.1 和11.8 個百分點。相對分子質(zhì)量低，生成的絮體小，更易氣浮分離。氣浮工藝采用聚合氯化鋁、有機陽離子聚丙烯酰胺（相對分子質(zhì)量500×104～600×104）加藥體系。加藥量在22.4～36.6 mg/L，無機、有機絮凝劑加藥比為10∶1～20∶1。

工藝對水量變化抗沖擊能力較差，前端應(yīng)設(shè)計來水緩沖罐?？蛇m應(yīng)懸浮物含量≤120 mg/L、含油量≤150 mg/L 的來水水質(zhì)，通過調(diào)整加藥量，保障氣浮出水達到“20.20”標準，含油去除率83.8%，懸浮物去除率85.8%。

1.2.2 工藝適應(yīng)性評價

（1）普通含油污水。來水水質(zhì)含油量≤150 mg/L、懸浮物濃度≤120 mg/L 時，溶氣氣浮—兩級壓力過濾工藝能穩(wěn)定達到“8.3.2”注入水水質(zhì)，濾料更換周期3年。

（2）含壓裂返排液污水。2017 年11 月新肇聯(lián)大量回收壓裂返排液，占處理量17.6%～38.5%，污水系統(tǒng)出水水質(zhì)懸浮固體、含油均無法穩(wěn)定達標，開罐檢查發(fā)現(xiàn)篩管堵塞、濾料污染問題突出。

1.3 溶氣氣浮—高精濾過濾工藝

1.3.1 高精濾工藝

氣、水反沖洗特點為“脈沖塌陷”氣洗和不（微）膨脹沖洗。高精濾過濾技術(shù)設(shè)計反洗水量占比為4%～5%，現(xiàn)場運行反洗水量占比均值3.9%（常規(guī)壓力過濾為12%～20%）。

高精濾采用納米鍍膜不定型復(fù)合濾料，材質(zhì)為改性微孔陶瓷均質(zhì)顆粒，孔隙率為73%～82%，抗剪切強度3.98 MPa，濾料填料高度即濾料的有效過濾厚度。過濾精度不僅受濾料顆粒直徑影響，也受過濾路徑影響。微孔陶瓷濾料因具有較高的過濾路徑，所以可采用較大的顆粒直徑。微孔陶瓷均質(zhì)顆粒的直徑為1～3 mm，低于石英砂最小顆粒直徑0.5～0.8 mm，低于磁鐵礦顆粒直徑0.25～0.5 mm。

現(xiàn)場檢測納米鍍膜不定型復(fù)合濾料壓實時間為1.5 h，核桃殼濾料、雙層濾料壓實時間分別為1 h和1.5 h。

設(shè)計最高運行壓差為0.05 MPa，現(xiàn)場最高運行壓差可達0.30 MPa，而核桃殼濾料、雙層濾料現(xiàn)場檢測最高運行壓差分別為0.08 MPa和0.06 MPa。微孔陶瓷濾料深床過濾的特性使其能承受更高的運行壓差。

1.3.2 工藝適應(yīng)性評價

與常規(guī)的兩級沉降—兩級過濾工藝相比，混合罐兼具混凝沉降和緩沖提升的作用，除油沉降段設(shè)計可減少一級工藝；高精濾濾料密度與水幾乎相同，有更深的過濾路徑，有效過濾層3.0 m，與常規(guī)壓力過濾有效過濾層幾十厘米相比，濾層的納污能力更高，設(shè)計過濾級數(shù)可由常規(guī)兩級過濾減少到一級過濾。

現(xiàn)場運行濾速10 m/h，檢測高精濾出水水質(zhì)，懸浮物固體和含油量去除率分別為38.7%和54.0%，出水懸浮物固體含量均值1.9 mg/L，含油量均值2.3 mg/L，高精濾出水水質(zhì)穩(wěn)定達到“8.3.2”注入水水質(zhì)指標要求。

新一聯(lián)污水系統(tǒng)回收處理壓裂返排液，來水含聚濃度87.86 mg/L，在相同進水水質(zhì)的情況下，兩級沉降—兩級過濾工藝出水粒徑中值為2.7 μm，溶氣氣浮—高精濾過濾工藝出水粒徑中值為1.3 μm，氣浮—高精濾工藝有較高的過濾精度。

氣浮—高精濾工藝處理污水壓裂液占比3.3%～22.7%時，系統(tǒng)運行相對穩(wěn)定，濾料不用化學(xué)清洗、不需更換，而兩級沉降—兩級過濾工藝無法保障出水水質(zhì)，濾料污染問題較為嚴重。

壓裂返排液占處理液量大于10%時，高精濾出水水質(zhì)綜合達標率為85%，壓裂返排液占處理液量小于10%時，高精濾出水水質(zhì)綜合達標率為100%。

2 存在的主要問題

（1）大規(guī)模集中壓裂期，大量壓裂液無法全部處理、回注。

（2）污水系統(tǒng)老化嚴重。采油九廠3 座污水處理站運行時間均在15 年以上，沉降罐附件及工藝管線腐蝕老化，如水箱腐蝕滲漏，罐壁出現(xiàn)砂眼等。近5 年來，管線穿孔65 處，罐壁砂眼113 處，閥門滲漏35處，增加了日常管理難度。

（3）沉降罐液位不易控制。由于沉降罐出水調(diào)節(jié)堰在系統(tǒng)投運穩(wěn)定后很少再動用，檢查各站都存在調(diào)節(jié)堰銹死問題。收油現(xiàn)場依靠調(diào)節(jié)沉降罐進出口閥門控制沉降罐液位，沉降罐液位不易控制，造成收油難度大的問題。

（4）溶氣氣浮裝置采用機械曝氣，易造成氣泵結(jié)垢、泵軸腐蝕損壞。通過垢樣檢測分析，包括二氧化碳、重質(zhì)油、化合水以及少量的硫、氟、氯等，剩余物質(zhì)中鈣、鎂垢類含量較多。

（5）出站水質(zhì)在輸送過程中存在二次污染問題，導(dǎo)致注水井井口水質(zhì)超標。

3 解決措施

（1）完善加藥工藝。大規(guī)模壓裂時，來水含油乳化嚴重，僅靠調(diào)整絮凝劑加藥量無法保障出站水質(zhì)穩(wěn)定達標，需要在系統(tǒng)內(nèi)投加反相破乳劑[7-8]，以有效改善油包水或水包油乳液的界面張力，使污水內(nèi)的膠體顆粒脫穩(wěn)，通過進一步的化學(xué)橋鏈使油水及雜質(zhì)分離?，F(xiàn)有常規(guī)處理工藝，設(shè)計上沒有考慮反相破乳劑的投加工藝，建議考慮增加反相破乳劑的加藥流程。

（2）微孔陶瓷均質(zhì)濾料與核桃殼濾料、石英砂、磁鐵礦濾料相比雜質(zhì)去除率更高，過濾精度更高（0.1～1.0 μm），無需化學(xué)清洗，濾料再生能力更強，將在杏西聯(lián)污水站進一步加大新技術(shù)的應(yīng)用力度。同時，選擇壓裂返排液污水回注區(qū)塊，壓裂返排液經(jīng)處理后達到“20.20”標準進行回注。根據(jù)開發(fā)預(yù)測，針對已建壓裂返排液處理站處理能力和污水處理站接收能力不足，已建壓裂返排液處理站冬季無法正常運行的問題，選擇砂體發(fā)育零散、連通差，注水開發(fā)已進入特高含水期，常規(guī)注水調(diào)整難以改善開發(fā)效果的區(qū)塊回注壓裂返排液。采油九廠在北部油田塔3、塔20 區(qū)塊以及新站油田的4口回注井建設(shè)集中處理回注工藝。

（3）更換沉降罐附件。利用老區(qū)改造及生產(chǎn)維修項目，對腐蝕、老化嚴重的水箱、布水器、出水調(diào)節(jié)堰等附件進行更換和修復(fù)。

（4）液位連鎖控制保障沉降罐收油液位。建議沉降罐出口安裝電動控制閥，用沉降罐液位來控制出口閥門的開度，使沉降罐液位始終保持在收油槽上部，實現(xiàn)連續(xù)收油。

（5）定期拆卸清洗溶氣泵，一般清洗周期為1～4 個月；投加阻垢劑，配套建設(shè)加藥裝置、加藥管線；采用鼓風機曝氣技術(shù)替代機械曝氣技術(shù)，加氣點由回流泵前改為回流泵后。

4 結(jié)束語

為實現(xiàn)“十四五”期間含油污水綜合達標率穩(wěn)步提升，應(yīng)強化“上游”，實現(xiàn)油系統(tǒng)平穩(wěn)供水，油系統(tǒng)來水水質(zhì)控制在含油量≤100 mg/L、懸浮物濃度≤50 mg/L；優(yōu)化“中游”，優(yōu)化加藥制度、反沖洗制度、完善污水站“一站一方案”制度，保障污水站出站水質(zhì)；控制“下游”，加強注水罐清淤工作，以及每年春秋兩季兩次對注水管線進行沖洗，降低水質(zhì)二次污染。