渤海油田高含油量返排液減量處理現(xiàn)場試驗

孫 超， 趙 宇， 馬 駿， 何亞其， 尚寶兵， 馬文杰， 張 丹

（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）

渤海油田是我國最大的海上油田，在油田生產(chǎn)過程中產(chǎn)生了大量鉆井返排液、洗井返排液、壓裂返排液和酸化返排液等生產(chǎn)廢液［1-2］. 這些返排液成分極其復(fù)雜、污染物種類較多，不僅含有砂礫、黏土等泥漿稀釋物，而且含有各類難以降解的水溶性高分子聚合物，具有高濁度、高氨氮、高總磷、高COD等特點［3-5］，特別是其中含有大量的原油懸浮物和膠體物質(zhì)，直接進入油水處理流程會嚴(yán)重影響生產(chǎn)系統(tǒng)的正常運行，影響出水效率［6-7］. 隨著國家新《安全生產(chǎn)法》和《環(huán)境保護法》的頒布，如何高效合理地處理油田生產(chǎn)廢液，已成為油田發(fā)展的瓶頸問題之一［8］.

為解決這一問題，國內(nèi)外學(xué)者和工程技術(shù)人員開展了大量研究，從混凝處理劑種類、投加量和攪拌時間等工藝參數(shù)方面進行了研究和優(yōu)化. 目前常規(guī)的返排液處理工藝采用三級處置工藝（即斜板除油器—加氣浮選器—核桃殼過濾器），但面臨裝置體積大、處理效果差、效率低的問題，亟須設(shè)計開發(fā)適用于海上鉆井平臺使用的高含油量返排液處理的新裝置［9-10］. 本研究以渤海油田海上生產(chǎn)返排液為處理對象，以開發(fā)滿足海上平臺高含油量返排液減量處理為目標(biāo)，通過采用“高效混凝+油水分離+污泥脫水”組合處理工藝技術(shù)，以期為國內(nèi)高效處理海上油田高含油量生產(chǎn)廢液工藝提供新的方向.

1 工藝概述及現(xiàn)場試驗方法

1.1 組合工藝

針對中海油某終端處理廠接收的生產(chǎn)廢液，本研究采用“高效混凝+油水分離+污泥脫水”組合處理工藝技術(shù)，整體工藝流程如圖1所示. 其中高效混凝工段將混凝、多級沉降、斜板聚結(jié)和負(fù)壓排泥等多項技術(shù)相結(jié)合，核心設(shè)備主要是管道混凝器、雙級沉淀槽和擴張式排泥管道，具有縮小混凝空間（＞80%）、在排泥時產(chǎn)生一定負(fù)壓和大幅提高上清液水質(zhì)等優(yōu)點；油水分離工段采用水力旋流溶氣氣浮處理技術(shù)，采用雙切向入口、雙氣浮區(qū)域、旋流除砂等獨特的設(shè)計，具有占地面積小、無須使用化學(xué)藥劑、原油和懸浮物的去除率高、處理后粒徑中值小和處理費用低等優(yōu)點；污泥脫水工段采用兩相臥式沉降離心機和三相碟式分離機相組合的撬裝設(shè)備，經(jīng)耐磨設(shè)計、防爆設(shè)計和恒扭矩設(shè)計，實現(xiàn)了轉(zhuǎn)鼓零部件高速三面動平衡和整機現(xiàn)場動平衡［11-13］，可遠(yuǎn)程進行在線監(jiān)測、評估及運維管理，具有使用壽命長、穩(wěn)定性強，結(jié)構(gòu)簡單等優(yōu)點.

圖1 生產(chǎn)廢液處理工藝流程Fig.1 Process flow of waste liquid treatment

1.2 現(xiàn)場試驗方法

本裝置在中海油渤西處理廠進行現(xiàn)場試驗，為一體化撬裝設(shè)備. 試驗中首先研究在不同工藝參數(shù)條件下，對廢液處理效果的影響；其次通過正交實驗確定最佳工藝運行條件；最后在最佳條件下連續(xù)運行，觀察其工藝的穩(wěn)定性.

現(xiàn)場試驗通過測定原液及混凝后上清液中SS、含油量、COD、氨氮、總磷濃度，對比混凝前后水質(zhì)情況. 在生產(chǎn)廢液入口和油水分離裝置出水口取樣. 水樣SS含量和含油量的檢測參照王闖等采用的方法［14］，COD含量采用HJ/T 399—2007《水質(zhì)化學(xué)需氧量的測定快速消解分光光度法》測定［15］，氨氮采用納氏試劑分光光度法測定［16］，總磷采用鉬酸銨分光光度法測定［17］；泥樣中的含水量和含油量的檢測參照張珂等采用的方法［18］.

2 工藝參數(shù)對處理效果的影響

2.1 加藥量對處理效果的影響

GT01絮凝劑是國內(nèi)外新近研發(fā)的新型吸附型絮凝劑，投入混凝裝置中可以使廢液中部分有機物、小顆粒懸浮物、膠體物質(zhì)絮凝沉淀，具有較好的處理效果［19］. 現(xiàn)場試驗保持一定的充氣量和返排液流量（充氣量體積比為4.6%，流量為4 m3/h），研究GT01絮凝劑不同加藥量廢液處理效果如圖2所示.

圖2 GT01絮凝劑加藥量對處理效果的影響Fig.2 Effect of GT01 flocculant dosage on treatment effect

從圖2可以看出，隨著加藥量的增加，廢液中COD、原油、SS、氨氮和總磷的去除率都呈現(xiàn)先增加后下降的趨勢. 這主要是由于廢液中的大分子有機物，懸浮物和膠體物質(zhì)通常帶有負(fù)電荷，它們之間相互排斥，而絮凝劑可以降低這些粒子的電位，使它們相互吸引形成絮團，最終沉淀. 但隨著加藥量的增加，去除效果逐漸減小，污染物COD、原油、SS、氨氮、總磷的去除率分別在加藥量為200、180、220、180、220 mg/L時達到峰值.

2.2 充氣量對處理效果的影響

根據(jù)文獻［20］，充氣量范圍在標(biāo)況下體積比4%～5%時，微細(xì)氣泡的存在能夠明顯提升油水旋流分離器的分離效率，但當(dāng)氣泡量達到某一極限值時，分離效率開始下降，過量氣泡會擾亂原來有序的分離場，影響分離效果. 現(xiàn)場試驗在加藥量為200 mg/L，流量為4 m3/h，充氣量體積比為4%～5%的條件下進行現(xiàn)場試驗，不同充氣量廢液處理效果如圖3所示.

圖3 充氣量對處理效果的影響Fig.3 Effect of aeration rate on treatment effect

從圖3 可以看出，隨著充氣量的增加，廢液中COD、原油、SS和氨氮的去除率的整個趨勢是先增加后降低，分別在充氣量為4.4%、4.8%、4.4%和4.6%達到峰值，而廢液中總磷的去除率呈緩慢下降趨勢，在4.0%～4.4%之間，總磷去除率下降速度緩慢，在4.4%～5%之間，總磷去除率下降速度較快.

2.3 流量對處理效果的影響

現(xiàn)場試驗在加藥量為200 mg/L、充氣量體積比為4.6%條件下，觀察在不同的返排液流量條件下污染物的去除情況，結(jié)果見圖4.

圖4 流量對處理效果的影響Fig.4 Effect of flow rate on treatment effect

如圖4 所示，廢液中COD 去除率呈下降趨勢，其中在3～5 m3/L 時下降緩慢，在5～8 m3/L 時下降較快；原油、SS和氨氮的去除率隨著流量的增加呈現(xiàn)先增加后下降的趨勢，分別在5、6、4 m3/L時達到峰值；而廢液中總磷的去除率一直緩慢增加并趨于100%.

3 工藝方案優(yōu)化

3.1 參數(shù)優(yōu)化

上述現(xiàn)場試驗研究發(fā)現(xiàn)，高效混凝中的加藥量、油水分離裝置的充氣量以及整個工藝的流量3個因素的綜合作用決定了生產(chǎn)廢液處理效果，采用正交試驗設(shè)計方法優(yōu)化工藝方案. 設(shè)計的3因素四水平表及實驗方案和結(jié)果分別如表1和表2所示.

表1 正交試驗因素水平表Tab.1 Orthogonal test factor level table

表2 正交試驗方案和結(jié)果表Tab.2 Orthogonal test scheme and result table

分析表2正交試驗結(jié)果，影響廢液中COD 去除的主次參數(shù)是流量＞加藥量＞充氣量，影響氨氮去除的主次參數(shù)是充氣量＞加藥量=流量，而影響原油、SS和總磷去除的主次參數(shù)是加藥量＞充氣量＞流量，故綜合考慮影響整個工藝對廢水中各指標(biāo)去除主次參數(shù)是加藥量＞充氣量＞流量，因此得到三個最優(yōu)組合A2B4C1、A2B1C4和A3B3C.

表3 綜合分析Tab.3 Comprehensive analysis

從表3可以看出，首先可以確定A2，一是對于原油和SS的去除都處于優(yōu)水平，二是A2對原油比A3對總磷產(chǎn)生的極差要大，這表明A2的影響程度較大；其次從極差的角度可以看，B4和C1對廢液各指標(biāo)去除的影響程度都高于B1 和C4，因此最終確定A2B4C1 為最優(yōu)組合，即最佳工藝參數(shù)：加藥量200 mg/L、充氣量為4.6%和4 m3/h.

3.2 工藝穩(wěn)定性分析

采用上述正交試驗得到的最優(yōu)組合工藝參數(shù)：加藥量200 mg/L、充氣量為4.6%和4 m3/h，經(jīng)過1個多月的現(xiàn)場試驗，生產(chǎn)廢液處理工藝流程運行穩(wěn)定，出水水質(zhì)和出泥效果較好，達到了預(yù)期目標(biāo). 生產(chǎn)廢液原液由原來的黑色變?yōu)榘咨?，各項水質(zhì)指標(biāo)均大幅度下降，現(xiàn)場試驗結(jié)果表明：生產(chǎn)廢液在4 m3/h的流量下，經(jīng)處理后，水中含油量去除率達到95.45%，SS 含量去除率達到99.85%，COD 去除率達到98.17%，氨氮去除率達到96.95%，總磷含量未檢出. 處理后的水質(zhì)達到國家排入設(shè)置二級污水處理廠的城鎮(zhèn)排水系統(tǒng)的污水排放標(biāo)準(zhǔn)［14］，降低了油田的處理壓力和風(fēng)險，保證油田油水處理正常運行. 生產(chǎn)廢液處理前后檢測水質(zhì)指標(biāo)數(shù)據(jù)如表4所示.

表4 生產(chǎn)廢液處理前后水質(zhì)指標(biāo)Tab.4 Water quality indexes before and after treatment of production waste liquid

4 結(jié)果與討論

1）高效混凝中的加藥量、油水分離裝置的充氣量以及返排液流量是影響污染物去除的主要因素，其綜合作用決定了生產(chǎn)廢液處理效果；

2）正交試驗得到的最優(yōu)組合工藝條件，即高效混凝中的加藥量為200 mg/L，油水分離裝置的充氣量為4.6%，污泥脫水裝置流量為4 m3/h；

3）通過1個月現(xiàn)場試驗，裝置運行穩(wěn)定，最終出水水質(zhì)指標(biāo)控制在含油量1 mg/L、SS 20 mg/L、COD 255 mg/L、氨氮1.3 mg/L、總磷未檢出，去除率分別達到95.45%、99.85%、98.17%、96.95%和100%，達到國家排入設(shè)置二級污水處理廠的城鎮(zhèn)排水系統(tǒng)的污水排放標(biāo)準(zhǔn).