油田采油廢水處理技術(shù)應(yīng)用及研究進展

宗 悅

(沈陽建筑大學(xué)市政與環(huán)境工程學(xué)院，遼寧 沈陽 110168)

隨著石油相關(guān)產(chǎn)業(yè)的發(fā)展日漸成熟，我國大多數(shù)油田已經(jīng)處于開采中后期。原油中的含水量不斷增加，甚至可達到90%[1,2]。雖然部分污水可通過處理作為回注水使用，但是實際處理后的污水很難達到回注水質(zhì)量指標(biāo)，另外部分油田不存在回注條件，仍會產(chǎn)生大量含油污水[3]。如果未經(jīng)處理達標(biāo)直接排放，大量無機和有機污染物可以釋放到大氣、水體以及土壤中，危害生態(tài)環(huán)境和人類健康。采油廢水中污染物的種類和性質(zhì)相對復(fù)雜，屬于難降解工業(yè)廢水。因此，針對廢水的污染物特性，通常采用多種處理技術(shù)組合使用，合理高效地降低污染物的含量，從而實現(xiàn)采油廢水的達標(biāo)排放。但是目前處理工藝在實際應(yīng)用中仍存在許多問題，需要進一步優(yōu)化改善，以取得更好的處理效果。

1 采油廢水的組成及其危害

油田采油廢水中含有油類物質(zhì)、懸浮固體、無機鹽類、酚類、烴類、醇類、酯類等多種成分[4]。

采油廢水如若未經(jīng)處理直接排放，會對生態(tài)環(huán)境產(chǎn)生多種危害[5]。

1.1 水資源污染

廢水中的浮油以連續(xù)相漂于水面，影響氣水之間的物質(zhì)互動及水生植物的光合作用，溶解氧含量下降，水質(zhì)不斷惡化。

1.2 土壤污染

采油廢水不僅會降低土壤的透水性和透氣性，石油中的污染物質(zhì)還會與磷和氮等元素結(jié)合，降低土壤的肥力，影響各種植物的生長。油類物質(zhì)會損壞植物根部甚至造成植物死亡，造成農(nóng)業(yè)生態(tài)經(jīng)濟的嚴(yán)重虧損。

1.3 大氣污染

采油廢水中部分污染物質(zhì)通過揮發(fā)進入大氣，隨著污染物濃度的不斷升高，造成嚴(yán)重的大氣污染。

1.4 危害人類身體健康

石油污染物質(zhì)通過呼吸、皮膚接觸和食物鏈進入人體后，對人體健康造成極大損害，引發(fā)貧血、惡性腫瘤等各種疾病。

2 采油廢水處理工藝研究現(xiàn)狀

2.1 物理法處理工藝

2.1.1 氣浮法

氣浮法的主要處理對象是密度接近于1的細微懸浮顆粒和膠體，污染物微粒黏附在大量微氣泡表面上浮至液面，形成浮沫被去除。氣浮法主要包括電解氣浮、加壓溶氣氣浮、化學(xué)氣浮和曝氣氣浮，該方法具有處理效率高、占地面積小等優(yōu)點，被廣泛應(yīng)用于處理含油廢水。

張吉庫[6]等采用電解氣浮/過濾工藝處理沈陽采油廠廢水，以含油量和SS為主要水質(zhì)污染指標(biāo)，探究電流強度、停留時間、極板間距、溫度等因素對氣浮處理效果的影響。結(jié)果表明，在水溫60℃，電流強度為1.2A，極板間距為20mm，停留時間為18min時，SS去除率達到79.19%，除油率達到93.13%。

2.1.2 吸附法

吸附法是利用固體吸附材料比表面積大和表面活性強的特性吸收去除污水中的污染物質(zhì)的過程。因其去除效果好，避免二次污染，出水水質(zhì)穩(wěn)定等優(yōu)點被廣泛應(yīng)用[7]。近年來，常用的吸附劑有活性炭、樹脂吸附劑、聚乙烯、炭石纖維等。

He Lei[8]等通過氨基化氧化石墨烯，加入磁性Fe3O4納米粒子，并涂覆聚乙二醇制備了可重復(fù)使用的納米吸附劑去除油田廢水中Mg2+和Ga2+。試驗結(jié)果表明，在10min時，對Mg2+和Ga2+的去除率分別達到61.1%和69.8%，并且該納米吸附劑在第5次回收時的重復(fù)利用率達到了79.1%。用納米吸附劑處理過的油田廢水用于巖心驅(qū)替實驗中的采油，采油效率較之前顯著提高了11.8%。

2.1.3 膜分離法

膜分離法是利用膜的孔徑大小產(chǎn)生的選擇透過性將污染物小分子或顆粒分離去除的過程，具有分離效率高、操作簡單、出水穩(wěn)定且水質(zhì)好等優(yōu)點，逐漸受到國內(nèi)外研究者的重視[9]。膜依據(jù)其材質(zhì)大致可以分為纖維膜、聚酯膜、陶瓷膜等。

曹婷婷[10]等采用無機陶瓷膜過濾處理采油廢水，結(jié)果表明，陶瓷膜過濾對采油廢水中Ba2+去除率達到92%，TP去除率達到69%，TS去除率達到59%。但膜組件運行一段時間后膜通量下降，表面附著有機污染物、碳酸鈣等導(dǎo)致膜堵塞，建議與其它工藝結(jié)合使用處理采油廢水。

2.2 化學(xué)法處理工藝

2.2.1 化學(xué)混凝法

化學(xué)混凝法主要是處理廢水中的不溶污染物，投加化學(xué)藥劑可以降低油的乳化性，使水中膠體粒子和微小懸浮物聚集沉淀，凈化污水的過程。常用的絮凝劑有PFS、PAM、PAC等?；炷ú僮骱唵?，但由于COD去除效果差，存在二次污染等問題，一般作為采油廢水的預(yù)處理階段。

王孝[11]等采用混凝-氣浮組合工藝處理三元驅(qū)和聚合驅(qū)采油廢水，確定除油效果較好的藥劑組合。結(jié)果表明，投加一定量硫酸鋁作為絮凝劑及少量PAM和破乳劑，在pH為8時，含油量從300mg·L-1降至5.2mg·L-1。結(jié)合氣浮工藝，提升了整體的除油效率。

2.2.2 高級氧化法

高級氧化技術(shù)主要針對處理高濃度含油廢水，利用羥基自由基(·OH)促進氧化分解難降解的大分子有機物，達到污染物無毒無害化的過程。常用的技術(shù)有電化學(xué)氧化法、Fenton氧化法、臭氧氧化法等。該技術(shù)具有氧化無選擇性、反應(yīng)速度快、效率高等優(yōu)點，具有良好的應(yīng)用前景[12]。

孟寧等[13]采用O3/H2O2氧化組合工藝處理某油田外排水，通過探究氧化反應(yīng)時間、O3質(zhì)量濃度、H2O2投加量、pH等因素對廢水處理效果的影響，確定了O3/H2O2處理工藝的最佳運行條件。結(jié)果表明，在O3濃度為30mg·L-1、pH為8.50、H2O2投加量為0.24g·L-1、反應(yīng)時間為60min的最佳條件下，COD去除率達到55%以上，B/C提升至0.440。相比單獨使用O3氧化法，COD去除率提高了26.9%，B/C值增加了0.192。

2.3 生物法處理工藝

2.3.1 好氧生物處理

好氧生物處理法是借助好氧微生物(包括兼性微生物)進行好氧代謝將有機污染物降解為無機物，使其穩(wěn)定、無害化的處理方法。好氧生物處理主要分為活性污泥法和生物膜法，主要處理中、低濃度的有機廢水。常用的處理工藝有SBR、A/A/O、MBR、曝氣生物濾池等。

2.3.1.1 SBR處理工藝

該工藝采用間歇式曝氣，集均化、生物降解、沉降于一體，具有運行方式靈活、占地少、出水水質(zhì)好等優(yōu)點。王玫[14]等采用SBR工藝處理遼河油田高含鹽采油廢水，利用嗜鹽菌減少廢水的含鹽量，探究工藝的最佳運行參數(shù)。結(jié)果表明，在pH為5.5、反應(yīng)時間4～10h的最佳運行條件下，COD的去除率在32.2%～76.2%。

2.3.1.2 曝氣生物濾池法

該方法因為處理效率高、運行穩(wěn)定等優(yōu)點被廣泛應(yīng)用于實際工程中。張齊[15]等采用三級內(nèi)循環(huán)BAF-超濾聯(lián)合工藝處理東北某油田采油廢水，以氣水比為影響因素考察了BAF對各污染物的降解效果。結(jié)果表明，三級內(nèi)循環(huán)BAF對COD的去除率達到60%以上，PAM的去除率高于40%，氨氮和SS去除率始終高于95%。經(jīng)聯(lián)合工藝處理后，最終出水滿足SYT5329—2012滲透層注水水質(zhì)標(biāo)準(zhǔn)。

2.3.2 厭氧生物處理

厭氧生物處理是在隔絕氧氣條件下，厭氧菌和兼性菌通過自身代謝對大分子有機物進行生化降解的過程，可以分為3個階段，水解階段、產(chǎn)氫產(chǎn)乙酸階段、產(chǎn)甲烷階段。厭氧消化具有應(yīng)用范圍廣、能耗較低等優(yōu)點，但出水水質(zhì)較差，一般需進一步經(jīng)過好氧處理。

李薇[16]等采用UASB-SMBR組合工藝模擬處理油田廢水，以COD、SS、氨氮、石油類、揮發(fā)酚為主要水質(zhì)污染指標(biāo)，考察該工藝的可行性。結(jié)果表明，經(jīng)過UASB消化作用，含油廢水的可生化性B/C從0.14提高到0.35。UASB出水經(jīng)好氧處理后，廢水中各類污染物質(zhì)的去除率均高于96%，出水滿足行業(yè)和國家排放標(biāo)準(zhǔn)。

2.4 組合工藝處理采油廢水

雖然使用單一工藝可以部分降低采油廢水中各污染物質(zhì)的濃度，但是處理效果并不能達到預(yù)期，出水不能達到回用水標(biāo)準(zhǔn)或者國家排放標(biāo)準(zhǔn)。因此，組合工藝的使用就顯得尤為重要，進一步優(yōu)化處理效果，成為科學(xué)有效處理油田采油廢水的最佳選擇。

2.4.1 物化法組合工藝

物理法和化學(xué)法一般作為一級處理工藝[17]，物化法組合工藝具有占地小，反應(yīng)時間快等優(yōu)點，但由于其處理能力有限且存在二次污染，一般后面結(jié)合生物法共同處理采油廢水。王維[18]等采用混凝-Fenton氧化技術(shù)處理新疆某油田污水，結(jié)果表明，混凝階段，在pH為9，PAC投加量為700mg·L-1，APAM投加量為1.43mg·L-1時，COD降低至300mg·L-1，去除率可以達到62%；經(jīng)Fenton氧化處理混凝出水，當(dāng)H2O2投加量為0.55g·L-1，F(xiàn)eSO4投加量為0.65g·L-1時，出水中COD從832mg·L-1降至166mg·L-1，原油類物質(zhì)基本除盡。

2.4.2 物化加生化法組合工藝

生化法主要作為二級處理工藝[17]，對一級處理的出水進行生物降解處理，具有處理效率高、無二次污染等優(yōu)點，物化加生物法組合工藝在實際處理采油廢水中應(yīng)用最為普遍。

研究以COD、SS、油類物質(zhì)、聚丙烯酰胺為主要水質(zhì)污染指標(biāo)考察了氣浮-酵母生物反應(yīng)器-上流式厭氧污泥床-曝氣生物濾池組合工藝對油田污水的處理效果。結(jié)果表明，在優(yōu)化條件下，COD、SS、油和聚丙烯酰胺的總?cè)コ史謩e為95.7%、88.8%、99.6%和97.0%，最終出水達到國家一級污水排放標(biāo)準(zhǔn)[19]。

王澤正[20]等采用MBR與陶瓷平板膜過濾技術(shù)相結(jié)合的工藝處理中海油高鹽度采油廢水，考察該工藝對COD和氨氮的去除效果。結(jié)果表明，在DO的質(zhì)量濃度在2～3mg·L-1條件下，C-MBR工藝對廢水中COD的去除率達到95%以上、NH4+-N的去除率達到98%以上，出水水質(zhì)較好。

3 結(jié)論與展望

通過上述研究與討論可知，由于油田采油廢水產(chǎn)量大、成分復(fù)雜，各油田廢水成分不盡相同，采油廢水的處理工藝也隨之相對復(fù)雜多變。國內(nèi)外學(xué)者研究發(fā)現(xiàn)很多處理采油廢水的新技術(shù)，也逐漸在實際處理中得到應(yīng)用。但使用單一的、傳統(tǒng)的處理工藝并不能徹底解決采油廢水處理達標(biāo)的問題，因此，在實際處理采油廢水過程中，各油田應(yīng)結(jié)合自身情況，同時考慮運行成本、工藝可行性、出水水質(zhì)等因素，選擇最佳的組合工藝。并且不斷地發(fā)展新的處理技術(shù)以優(yōu)化組合工藝，保證更加科學(xué)高效地提升油田采油廢水的處理效率，最大程度地減少對生態(tài)環(huán)境的污染，實現(xiàn)我國在石油開采與污水處理2方面均可持續(xù)發(fā)展的可能。