基于高效聚結(jié)-旋流溶氣氣浮一體化裝置的海上返排液處理研究

白健華， 趙 宇， 馬 駿， 何亞其， 孫 超， 馬文杰， 李鳳娟

（1.中海石油（中國）有限公司天津分公司，天津 300452； 2.中海油能源發(fā)展股份有限公司安全環(huán)保分公司，天津 300452）

隨著開采時間的延長，我國部分海上油田已經(jīng)進入二次開采的中后期，采出液含水率達到90%以上［1］，產(chǎn)生了大量的含油污水，這些污水成分復(fù)雜，油的乳化程度、除油難度高［2］. 受海上空間限制和運輸成本影響，這些含油污水需經(jīng)過處理后回注油田. 同時，油田平臺上開排、閉排、污油罐等難處理生產(chǎn)廢液也需重新處理. 近年來，油田注水水質(zhì)指標不斷提高，對含油污水處理效果的要求也越來越高［3］. 對于不能及時有效處理的返排液，輸送至陸地終端處理廠處理也是其處理方式之一，這樣對陸地終端處理廠的處理能力也提出了更高的要求，因此開發(fā)新工藝、應(yīng)用新技術(shù)成為油田污水處理發(fā)展的新趨勢.

目前，油田含油污水處理系統(tǒng)一般采用傳統(tǒng)“斜板除油→加氣浮選→過濾”的三級處理工藝，但傳統(tǒng)工藝油水分離速度和除油率不高，浮選速度慢，處理成本高，且容易造成水體二次污染［4-5］. 為此，本文在傳統(tǒng)氣浮研究的基礎(chǔ)上，提出運用新型高效聚結(jié)-旋流溶氣氣浮一體化裝置處理含油污水，利用聚結(jié)板材表面特性和旋流氣浮效果強化油水分離，研究其解決海上油田含油污水中油、水、固三相快速、有效分離的適應(yīng)性.

1 新型聚結(jié)-旋流溶氣氣浮一體化設(shè)備設(shè)計與集成

1.1 高效聚結(jié)除油器設(shè)計

該除油器綜合應(yīng)用Stokes原理與粗?；夹g(shù)［6-7］，在吸收國外先進技術(shù)和理念的基礎(chǔ)上，在流道、內(nèi)件、自動控制等方面進行了獨特設(shè)計. 流道采用雙向流動設(shè)計，并通過計算流體動力學優(yōu)化內(nèi)部流場，可實現(xiàn)除油器內(nèi)部流動的合理布局，從而提高分離效率，較大地縮減容器尺寸，同時該設(shè)計在實現(xiàn)油滴快速碰撞、聚結(jié)的同時，可防止泥沙沉積進而堵塞填料；通過采用高效聚結(jié)內(nèi)件，增大油滴粒徑，可極大地縮短了油滴停留時間（僅為傳統(tǒng)除油器的30%左右），實現(xiàn)高效油水分離（除油效率90%以上），同時聚結(jié)內(nèi)件材料采用耐腐蝕的強化PP或不銹鋼，使用壽命大為延長，檢修次數(shù)減少，維護成本大幅降低；裝置采用全自動控制和封閉式壓力除油，能夠適應(yīng)各種復(fù)雜工況、人工成本低，可實現(xiàn)裝置運行平穩(wěn)、安全可靠. 此外，分離器底部可實現(xiàn)自動清沙和排沙，防止泥沙淤積占據(jù)分離空間，保證分離器性能穩(wěn)定.

圖1 旋流溶氣氣浮設(shè)備設(shè)計結(jié)構(gòu)示意圖Fig.1 Design structure diagram of cyclone dissolved air flotation equipment

1.2 旋流溶氣氣浮設(shè)備設(shè)計

為實現(xiàn)對污水中油（或含懸浮物）進行高效、快速分離，本旋流溶氣氣浮設(shè)備從入口、氣浮區(qū)域和旋流除沙三個角度進行了設(shè)計［8-10］，設(shè)備結(jié)構(gòu)示意圖見圖1.

入口采用雙切向進入的設(shè)計，產(chǎn)生更大的旋轉(zhuǎn)速度，離心加速度更大，旋流更為穩(wěn)定，有利于氣泡和油滴相互作用，加速氣泡和油滴向旋流中間區(qū)域聚結(jié)，提高氣浮效果，縮短停留時間，結(jié)構(gòu)可以設(shè)計得更為緊湊.

氣浮區(qū)域采用雙氣浮設(shè)計，即在氣浮罐中心位置設(shè)計中心筒，將氣浮隔分成中心筒內(nèi)浮選區(qū)和筒外浮選區(qū). 內(nèi)外筒設(shè)計細化了污水在氣浮罐體內(nèi)的流動，形成不同的氣浮區(qū)域，避免出水夾帶油滴，降低氣浮效果，同時空間利用率更高，結(jié)構(gòu)更為緊湊.

底部采用旋流除沙設(shè)計，即中心筒底部錐形設(shè)計，能夠起到一定的除沙效果. 較大和較重的顆粒在離心力的作用下，逐步被甩到內(nèi)筒壁，并沿著內(nèi)筒壁向下流入錐形區(qū)域，始終保持旋流狀態(tài)，沙粒不易堆積，更容易去除，且可定期流態(tài)化排沙，不易堵塞.

1.3 聚結(jié)除油器-旋流溶氣氣浮設(shè)備的系統(tǒng)集成

將聚結(jié)除油器和旋流溶氣氣浮設(shè)備串聯(lián)，形成一體化成套設(shè)備，聯(lián)合設(shè)備工藝裝置構(gòu)造見圖2. 該一體化裝置中，含油污水進入高效聚結(jié)除油器，污水中浮油、分散油和部分乳化油在除油器特殊填料的作用下，聚結(jié)成大油團，快速從污水中分離進入集油包排出［11］，初步油水分離后污水仍然含有大量乳化油再進入高效旋流溶氣氣?。–DFU）進行進一步處理，乳化油被超微氣泡捕捉后在旋流作用下不斷集聚、聚結(jié)破乳形成油團快速從污水中分離，破乳聚結(jié)后原油排出，處理后可使污水含油及懸浮物大幅降低.

一體化設(shè)備利用聚結(jié)板材表面特性和微氣泡浮升效果強化油水分離，擺脫了傳統(tǒng)僅僅依靠油水密度差的分離模式［12］，主要解決目前聚結(jié)分離器對于分散油、懸浮油處理速率慢且分離效果差的問題. 采用高效聚結(jié)除油器，具有分離效率高，抗沖擊性能強，不易堵塞，能耗低等優(yōu)勢，依靠氣-水、油-氣-水密度差，使得除油基本不受污油密度影響，大大提高分離效率. 采用高效緊湊型旋流溶氣氣浮裝置，結(jié)構(gòu)緊湊、分離效率高，在無需加任何化學藥劑情況下，能夠有效去除乳化油，可靠性高，處理效果穩(wěn)定.

圖2 聚結(jié)除油器-旋流溶氣氣浮一體化設(shè)備示意圖Fig.2 Schematic diagram of coalescing degreaser-swirling dissolved gas and air flotation integrated equipment

2 現(xiàn)場試驗

2.1 試驗方法

渤海油田某海上平臺難處理生產(chǎn)返排液經(jīng)海管輸送至陸地油田終端處理廠，針對該返排液，采用聚結(jié)聯(lián)合旋流溶氣氣浮一體化實驗裝置進行了為期10 d連續(xù)現(xiàn)場試驗，裝置污水處理能力為5 m3/h.

含油生產(chǎn)返排液經(jīng)由泵打入聚結(jié)除油器，進水從罐體前端上部進入，從尾端下部出水，上部集油包出油，污油進入集油槽每隔2 h進行排放；除油器出水連接氣浮進水，由氣浮上部切向進入罐體，從罐體下部出水進入地漏，浮渣、浮油和溶氣氮氣通過罐體內(nèi)部集油桶從罐體下部排出進入油槽，浮渣和浮油的排量控制在進水量的2%～3%之間. 其中旋流溶氣氣浮設(shè)備上，出水在進入溶氣泵前在管道中與氮氣（或其他氣體）混合后進入到溶氣泵內(nèi)，經(jīng)葉輪高速剪切和升壓后，氮氣（或其他氣體）完全溶解于水中，進入到穩(wěn)定罐穩(wěn)定后經(jīng)底部出水口減壓釋放后，產(chǎn)生大量超微氣泡氣液混合液在與入口污水混合切向進入旋流氣浮.

本試驗選取傳統(tǒng)溶氣氣浮進行對比試驗，在相同的試驗周期和污水處理能力下，每隔24 h采集進出口水樣，對其含油量及懸浮物含量進行化驗分析，對比設(shè)備的處理效率. 水樣中懸浮物含量和含油量的檢測分別參照王闖［13］和鄒輝［14］采用的方法.

2.2 試驗結(jié)果

1）旋流溶氣氣浮設(shè)備超微氣泡產(chǎn)生效果

旋流溶氣氣浮技術(shù)是一種將離心分離、溶氣和氣浮分離技術(shù)有效的組合的一種全新、高效氣浮技術(shù)［15］，本設(shè)備中含油污水通過入口管與攜帶大量微氣泡的部分回流溶氣水混合后，切向進入到旋流溶氣氣浮罐體內(nèi)，在旋流離心力的作用下，微氣泡迅速與油滴（或懸浮物）碰撞、黏附，與此同時微氣泡和油滴在離心力的作用下，逐步向中間聚集形成浮渣，上浮至油水界面，氣泡破裂，氣體析出，分離油集聚和聚結(jié)成油層一起從油氣出口排出. 浮選之后的污水向下經(jīng)污水出口排出，超微氣泡產(chǎn)生效果如圖3所示.

圖3 旋流溶氣氣浮設(shè)備微氣泡效果圖Fig.3 Effect picture of micro bubble of cyclone dissolved air flotation equipment

氣浮分離過程中產(chǎn)生的大量細微而均勻的微氣泡作為載體，氣浮效果的好壞在很大程度上取決于污水中氣泡的數(shù)量、大小以及分散度［16-17］. Kiuru［18］的研究結(jié)果表明，氣浮工藝中微氣泡大小應(yīng)適當，過大或過小都會影響氣浮效果，微氣泡直徑控制在10～100 μm范圍內(nèi)（平均為40 μm左右）就能夠取得滿意的凈水效果. Owens等［19］認為氣泡大小應(yīng)該小于30 μm；Robinson 等［20］認為氣泡直徑應(yīng)該小于顆粒直徑時，去除效率高；馬自駿等［3］認為氣浮最佳氣泡直徑為15～30 μm.

2）傳統(tǒng)氣浮與一體化處理方法處理效果對比

由圖4 和圖5 可以看出，在試驗水水質(zhì)波動較小的情況下，經(jīng)過10 d 連續(xù)運行實驗，一體化處理法處理后得到的水體含油量均值從1250 mg/L 大幅降為110 mg/L，去除率均值達到了91.2%，比傳統(tǒng)氣浮工藝提高了約5%，且最高去除率達到了92.38%；一體化處理法處理后得到的水體懸浮物含量均值從2030 mg/L 降為280 mg/L，去除率達到86.2%，比傳統(tǒng)氣浮工藝提高了約8%，且最高去除率達到88.89%，一體化處理設(shè)備比傳統(tǒng)的溶氣氣浮法有更好的處理效果.張孝光等采用BIPTCFU-III-20 型旋流氣浮一體化水處理設(shè)備處理返排液，當入口污水含油量為1500～2500 mg/L 時，出口的含油量則可以降至100～270 mg/L，平均去除率為93.2%，但懸浮物平均去除率只有74.6%［12］，本文自主設(shè)計的一體化處理設(shè)備懸浮物平均去除率可達86.2%.

圖4 傳統(tǒng)氣浮與一體化處理方法處理效果Fig.4 Treatment effect of traditional air flotation and integrated treatment method

與此同時，該一體化整套處理設(shè)備由于含油污水在容器中的停留時間比較短（一般在30 s以內(nèi)），所以整個裝置具有體積小和質(zhì)量輕的特點，體積只有傳統(tǒng)處理裝置的1/3，適合應(yīng)用于空間限制較嚴格的區(qū)域或者海上平臺應(yīng)用. 整套設(shè)備全封閉式運行，無危險氣體外泄，對員工安全和周圍環(huán)境影響小，自動化程度高，運行和維護人工成本低，不易堵塞、抗沖擊性強，可靠性高，能夠保證污水含油劇烈波動的情況下，經(jīng)處理后持續(xù)穩(wěn)定滿足進入處理廠下一級流程的水質(zhì)要求.

圖5 傳統(tǒng)氣浮與一體化處理方法處理效果對比Fig.5 Comparison of treatment effect between traditional flotation and integrated treatment methods

3 結(jié)論

1）對聚結(jié)除油器設(shè)備進行了優(yōu)化設(shè)計，較大地縮減容器尺寸，實現(xiàn)除油器內(nèi)部流動的合理布局，分離效率顯著提高，同時可防止泥沙沉積進而堵塞填料.

2）對旋流溶氣氣浮設(shè)備進行了優(yōu)化設(shè)計，克服了旋流氣?。–FU）對乳化油去除效果差，對藥劑依賴性強的不足，同時與傳統(tǒng)氣浮相比，有大幅降低沉降時間，縮小設(shè)備尺寸和減少設(shè)備占地面積.

3）將聚結(jié)除油器和旋流溶氣氣浮設(shè)備進行集成，在不添加化學藥劑、沒有二次污染前提下，可以將油田污水的含油量和懸浮物含量得到大幅降低，去除率分別達到了91.2%和86.2%，可有效地去除油田返排液中的油滴、懸浮物，優(yōu)于單獨的傳統(tǒng)氣浮工藝.