利用盤(pán)式曝氧技術(shù)提高注入污水含氧量試驗(yàn)

韓蓓

大慶油田有限責(zé)任公司第五采油廠

隨著油田的深入開(kāi)發(fā)，大慶油田已全面進(jìn)入三次采油階段。聚合物驅(qū)油過(guò)程中由于大量采用清水配制和稀釋聚合物溶液，致使油田采出污水無(wú)法完全回注到地下，造成了污水大量外排及環(huán)境污染。與清水相比，油田采出水礦化度較高，應(yīng)用油田采出污水配制和稀釋聚合物溶液，會(huì)使配制聚合物溶液的黏度損失顯著增大，另外其含有的各類還原性物質(zhì)、有機(jī)質(zhì)和滋生的各類微生物等均會(huì)促進(jìn)黏度損失的增大［1］，因此需要對(duì)污水進(jìn)行曝氧處理以提高注入的聚合物溶液黏度。大量試驗(yàn)分析表明，污水溶液中含有Fe2+、S2-等二價(jià)離子可以使聚丙烯酰胺（HPAM）分子催化氧化產(chǎn)生自由基，對(duì)降低HPAM溶液的黏性有直接影響。因此通過(guò)增加溶液中氧含量（即曝氧），對(duì)Fe2+、S2-等離子進(jìn)行氧化去除，可顯著提高HPAM溶液黏性。

目前大慶油田主要采用射流曝氧工藝提高溶液中含氧量，但是在生產(chǎn)過(guò)程中發(fā)現(xiàn)，部分聚丙烯酰胺溶液曝氧后溶氧量?jī)H為1.5 mg/L，對(duì)Fe2+、S2-等二價(jià)離子去除率未能達(dá)到預(yù)期，并且工藝設(shè)備也存在安全隱患。針對(duì)射流曝氧污水溶氧量不足的問(wèn)題，大慶油田采油五廠應(yīng)用了注水罐盤(pán)式曝氧技術(shù)，并在A和B兩座配注站開(kāi)展了盤(pán)式曝氧技術(shù)現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)，內(nèi)容包括：研究不同曝氧值下HPAM溶液黏性變化，以及不同氣水比對(duì)溶液中Fe2+、S2-等二價(jià)離子去除率的影響；通過(guò)調(diào)整氣水比，測(cè)量曝氧后溶液中含氧量數(shù)值；分析溶氧量提高后對(duì)管道等地面設(shè)施的影響，從而確定合理的新型曝氧殺菌工藝。

1 盤(pán)式曝氧工藝

盤(pán)式曝氧技術(shù)不同于射流曝氧，無(wú)需增壓泵和射流器，其采用供氣增氧微氧化裝置，在罐內(nèi)增加曝氣器構(gòu)成增氧系統(tǒng)。由設(shè)置在罐外的增壓供氣系統(tǒng)（鼓風(fēng)機(jī)）提供氣源，空氣經(jīng)微增壓后進(jìn)入清水罐，并通過(guò)增氧系統(tǒng)的曝氣器以小氣泡的形式釋放在水體中，從而對(duì)水質(zhì)好氧物質(zhì)進(jìn)行微氧化，減少配注水中的好氧物質(zhì)，降低其稀釋聚合物母液時(shí)的黏度損失，從而提高開(kāi)發(fā)效果。

盤(pán)式工藝不改變?cè)凶⑺鞒?，空氣?jīng)微增壓后進(jìn)入注水儲(chǔ)罐，再通過(guò)空氣管線從罐底進(jìn)入水罐，并沿罐壁升至罐頂，在罐外做環(huán)形運(yùn)動(dòng)后，分4～6 根支管重新進(jìn)罐（圖1）。經(jīng)此流程，氣體速度減慢，壓力增強(qiáng)，再通過(guò)罐底盤(pán)式曝氧器，氣體被分割成細(xì)小氣泡釋放在水體中，達(dá)到與射流曝氧工藝相同效果。此時(shí)小氣泡表面增大，與罐體內(nèi)溶液接觸面積增大，空氣中的氧氣更易溶解于溶液中。由于氣泡直徑小，上升速度變得緩慢，從而延長(zhǎng)了氣泡中氧氣溶解于溶液中的時(shí)間，促使污水與氧氣的結(jié)合更為充分，氧化污水中的還原性物質(zhì)，殺滅大部分硫酸鹽還原菌和其他一些厭氧菌，從而達(dá)到處理污水的目的[2]。

圖1 盤(pán)式曝氧工藝流程Fig.1 Disk aeration process flow

2 盤(pán)式曝氧技術(shù)試驗(yàn)

當(dāng)曝氧量達(dá)到一定值后，污水中氧氣飽和率趨于飽和狀態(tài)，溶氧量增加幅度變緩，并且殺滅SRB后還有剩余氧，聚合物分子鏈會(huì)受到氧分子作用而發(fā)生斷裂，導(dǎo)致聚合物溶液黏度降低[3]。為使污水稀釋聚合物溶液黏度達(dá)到注入標(biāo)準(zhǔn)，應(yīng)優(yōu)化污水最佳曝氧量，最大程度利用污水，增加所配聚合物溶液的黏度穩(wěn)定性[4]。通過(guò)實(shí)驗(yàn)，研究標(biāo)準(zhǔn)狀況下曝氧后聚丙烯酰胺溶液黏度隨氧溶解量增加的變化規(guī)律。同時(shí)為進(jìn)一步研究盤(pán)式曝氧工藝實(shí)際應(yīng)用效果，選取A和B兩座配注站進(jìn)行試驗(yàn)，改變不同氣水比，分析溶液中Fe2+、S2-二價(jià)離子量以及對(duì)溶液氧濃度的影響。兩座配注站現(xiàn)采用射流曝氧工藝進(jìn)行曝氧（表1），曝氧效果不佳，取樣化驗(yàn)測(cè)得曝氧后溶氧量為1.5 mg/L，溶液中Fe2+、S2-濃度分別為0.52 mg/L和2.33 mg/L。

表1 射流曝氧情況Tab.1 Status of jet aeration

2.1 不同曝氧量對(duì)聚合物黏度影響

標(biāo)準(zhǔn)大氣壓下，室內(nèi)溫度20 ℃，采用“5.5.2”深度處理曝氧污水（表2）調(diào)配母液質(zhì)量濃度（下同）為1 000、1 200、1 400 和1 600 mg/L四種HPAM溶液，測(cè)試不同曝氧量下黏度變化。

表2 “5.5.2”深度處理污水水質(zhì)分析報(bào)告Tab.2 Quality analysis report of“5.5.2”advanced treatment sewage

由圖2 可以看出：隨著稀釋污水溶氧量的增加，聚合物溶液黏度呈現(xiàn)先增加、后上下波動(dòng)趨勢(shì)，聚合物溶液的黏度變化不大。聚合物溶液的黏度保留率隨溶氧量的增加先增加、后上下波動(dòng)，當(dāng)溶氧量大于5.0 mg/L 時(shí)，聚合物溶液的黏度保留率增幅變緩，趨于穩(wěn)定[5]，HPAM 黏度值增速變緩。因此初步判定溶液內(nèi)溶氧量達(dá)到5.0 mg/L時(shí)最適宜（相同條件下，飽和溶解氧質(zhì)量濃度為8.9 mg/L）。

圖2 不同曝氧量下聚合物黏度值Fig.2 Viscosity value of polymer under different aeration rates

2.2 不同氣水比對(duì)污水中Fe2+、S2-去除率影響

理論研究證明，含聚污水中所含的Fe2+、S2-等還原性物質(zhì)和細(xì)菌對(duì)聚合物溶液有降解作用，直接用含聚污水配制聚合物溶液影響其驅(qū)油效果[6]。Fe2+、S2-在HPAM 溶液中具有催化劑作用，少量即可引發(fā)聚合物劇烈的降解作用，是導(dǎo)致溶液黏度降低的主要因素[7-9]。Fe2+、S2-降解聚合物機(jī)理見(jiàn)以下反應(yīng)式：

Fe2+、S2-在與水中的氧發(fā)生反應(yīng)時(shí)，生成“·OH”，它是活潑的活性分子，含有負(fù)電荷，易和所有無(wú)機(jī)物和生物大分子有機(jī)物發(fā)生化學(xué)反應(yīng)，具有非常高的反應(yīng)速率。聚合物在·OH 和過(guò)氧化物存在的情況下，產(chǎn)生了過(guò)氧化聚合物（POOH），過(guò)氧化聚合物繼續(xù)分解生成初級(jí)自由基，同時(shí)引發(fā)連鎖的自動(dòng)氧化反應(yīng)。當(dāng)溫度升高或者具有微量的還原性物質(zhì)時(shí)促進(jìn)了聚合物中分子鏈的自由基（P·和PO·）繼續(xù)發(fā)生連鎖氧化反應(yīng)；接著聚合物分解形成的自由基通過(guò)引發(fā)α裂解反應(yīng)或α裂解反應(yīng)使主鏈斷裂。

曝氧作用能夠有效降低水溶液中亞鐵離子和硫離子的含量，從而使聚合物溶液的黏損大幅度減小[10]。合理的氣水比以及曝氧時(shí)間，直接影響污水中兩種離子的去除效果。選擇氣水比范圍1∶1～8∶1分別進(jìn)行試驗(yàn)，曝氧時(shí)間設(shè)定為20 min?；?yàn)離子濃度發(fā)現(xiàn)：隨著氣水比提高，F(xiàn)e2+含量明顯降低，當(dāng)氣水比在5∶1 及以上時(shí)未檢測(cè)出亞鐵離子；硫化物在曝氧前后雖然沒(méi)有規(guī)律性變化，但硫酸鹽還原菌（SRB）是厭氧異氧菌，氧含量增加可以明顯降低菌群數(shù)量，提高HPAM溶液黏性。某作業(yè)區(qū)井采出液不同氣水比條件下溶液中Fe2+、S2-含量變化情況見(jiàn)表3。

表3 某作業(yè)區(qū)不同氣水比情況下曝氧前后Fe2+、S2-含量Tab.3 Contents of Fe2+and S2-before and after aeration under different gas-water ratios in a certain operation area

2.3 不同氣水比下曝氧前后HPAM溶液中氧含量分析

試驗(yàn)采用相對(duì)分子質(zhì)量為2 500 萬(wàn)的部分水解聚丙烯酰胺，配制質(zhì)量濃度為5 000 mg/L的聚合物母液，實(shí)驗(yàn)溫度為20 ℃，通過(guò)試驗(yàn)分析1∶1～8∶1氣水比范圍內(nèi)HPAM溶液中氧濃度變化情況。發(fā)現(xiàn)曝氧前后，溶液中氧質(zhì)量濃度從0.5 mg/L 左右升至6.6 mg/L左右；并且隨著氣水比升高，溶液中氧濃度數(shù)值增大（圖3）。曝氧處理的污水稀釋聚合物溶液黏度下降率為10%，低于未處理污水稀釋聚合物溶液黏度下降率（19.97%），隨著溶解氧濃度的增大，聚合物黏度呈現(xiàn)先增大后減小的趨勢(shì)，溶解氧含量在6.2 mg/L左右時(shí)，稀釋聚合物母液后溶液黏度最大。

圖3 不同氣水比下曝氧前后數(shù)據(jù)分析示意圖Fig.3 Schematic diagram of data analysis before and after aeration under different gas-water ratios

2.4 溶氧值提高后對(duì)管道等地面設(shè)施的影響

在A和B兩座注入站開(kāi)展了氣水比1∶1～8∶1條件下的腐蝕速率監(jiān)測(cè)，通過(guò)數(shù)據(jù)分析可知，總體上隨著氣水比提高，溶氧值隨著升高，腐蝕速率變大。當(dāng)氣水比高于5∶1 以后，腐蝕速率增速明顯加快；氣水比小于6∶1 時(shí)，可以滿足腐蝕速率小于等于0.076 mm/a的標(biāo)準(zhǔn)要求（表4）。

表4 不同氣水比下腐蝕速率對(duì)比Tab.4 Comparison of corrosion rates under different gas-water ratios

綜合之前試驗(yàn)數(shù)據(jù)分析，當(dāng)溶液內(nèi)氧溶量大于5 mg/L時(shí)即可滿足曝氧要求，因此設(shè)定盤(pán)式曝氧工藝氣水比為5∶1 進(jìn)行曝氧，可以滿足使用需要。此時(shí)溶液內(nèi)Fe2+可以完全去除，硫酸鹽還原菌群數(shù)量降低，溶液黏度增加80%左右，現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際使用效果較好。

3 兩種曝氧工藝對(duì)比分析

（1）在相同氣水比的情況下盤(pán)式曝氧設(shè)備造價(jià)及能耗更低。A配注站原采用射流曝氧，曝氧泵為3臺(tái)（22 kW），運(yùn)二備一，采用盤(pán)式曝氧后，使用鼓風(fēng)機(jī)替換曝氧泵，運(yùn)行功率為15 kW，減少運(yùn)行功率29 kW；B 配注站原曝氧泵功率為15 kW，采用盤(pán)式曝氧后，運(yùn)行功率為4 kW，降低運(yùn)行功率11 kW。兩座站降低運(yùn)行功率40 kW，降幅67.8%，年節(jié)電35×104kWh，節(jié)約電費(fèi)22.3 萬(wàn)元?，F(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)所用鼓風(fēng)機(jī)價(jià)格為原有注入泵的三分之一。新建曝氧站采用盤(pán)式曝氧工藝工程投資為226.5 萬(wàn)元，采用射流曝氧工藝工程投資為298.5 萬(wàn)元，采用盤(pán)式曝氧工藝比射流曝氧工藝工程投資降低72萬(wàn)元。

（2）在相同氣水比的情況下盤(pán)式工藝曝氧值更高。在相同氣水比的情況下在盤(pán)式曝氧器氧傳遞效率高，對(duì)水中溶氧量提升幅度大。經(jīng)現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)，使用供氣增壓設(shè)備后，出水溶氧量由1.5 mg/L提高到6.6 mg/L，配制聚合物黏度平均提高7.6%。按照A配注站年用干粉300 t、B 配注站年用干粉240 t 計(jì)算，年可節(jié)約干粉用量41t，年節(jié)約費(fèi)用135.3萬(wàn)元。

（3）射流曝氧設(shè)備故障率高，運(yùn)行時(shí)率低，維修周期長(zhǎng)。射流曝氧設(shè)備故障主要有三種：①由于維護(hù)保養(yǎng)不及時(shí)，導(dǎo)致壓縮機(jī)磨損過(guò)大，故障停機(jī)，占總故障的60%；②進(jìn)口的氣動(dòng)加壓設(shè)備故障，由于設(shè)備內(nèi)部比較精密，國(guó)內(nèi)不能修理，出現(xiàn)故障只能運(yùn)至國(guó)外，維修周期達(dá)到60 天，占故障停運(yùn)行天數(shù)的30%；③氣動(dòng)管線內(nèi)部凝水，冬季間歇運(yùn)行時(shí)出現(xiàn)凍堵，占故障停運(yùn)行天數(shù)的10%。而盤(pán)式曝氧使用的鼓風(fēng)機(jī)、盤(pán)式保養(yǎng)器等設(shè)備均為國(guó)內(nèi)生產(chǎn)，容易更換和維修。

（4）射流曝氧技術(shù)實(shí)際應(yīng)用有不足。射流曝氧設(shè)備使用時(shí)存在不足，污水經(jīng)過(guò)射流器后，含氧質(zhì)量濃度可達(dá)5 mg/L左右，但經(jīng)過(guò)儲(chǔ)水罐緩存后，外輸時(shí)含氧量急劇下降，再通過(guò)長(zhǎng)距離運(yùn)輸達(dá)到下游站時(shí)，含氧濃度穩(wěn)定在1.5 mg/L左右，且輸送距離越長(zhǎng)，污水中含氧量越低[11]。污水處理量波動(dòng)較大時(shí)，會(huì)造成水射器過(guò)水流量偏離正常工作條件，達(dá)不到曝氣要求，因此需要根據(jù)實(shí)際情況進(jìn)行適當(dāng)?shù)纳淞髌饕?guī)格組合，在不同生產(chǎn)條件下及時(shí)調(diào)整，才可確保污水處理的效果，而且在生產(chǎn)運(yùn)行中必須保證射流器的入口壓力及額定排量等符合工藝要求[12]，不利于標(biāo)準(zhǔn)化設(shè)計(jì)；另外，根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)數(shù)據(jù)測(cè)試的結(jié)果，將污水在射流器后接相同口徑（或小口徑）的管線進(jìn)緩沖罐方式，由于進(jìn)入擴(kuò)散段的氣液混合體系流動(dòng)受到限制，混合效果受到影響，反應(yīng)速度慢，處理效果不穩(wěn)定。

4 結(jié)論

盤(pán)式曝氧技術(shù)在A及B配注站應(yīng)用取得了較好效果，該技術(shù)具有非常好的推廣應(yīng)用前景。尤其是部分配注站采用射流曝氧工藝后不能滿足黏度指標(biāo)時(shí)，可以采用盤(pán)式曝氧工藝技術(shù)，且該技術(shù)在節(jié)能以及節(jié)約藥劑用量上均有優(yōu)勢(shì)。

（1）溶液中溶氧量增大可以增加水解聚丙烯酰胺溶液黏度值，在大于5 mg/L 后，黏度值雖然變大，但上升速率明顯變緩。因此從節(jié)能角度考慮，設(shè)定溶液中曝氧量達(dá)到5 mg/L為最經(jīng)濟(jì)曝氧量。

（2）選擇不同氣水比進(jìn)行曝氧試驗(yàn)，當(dāng)氣水比大于5∶1以后，溶液中檢測(cè)不到Fe2+。

（3）通過(guò)分析不同氣水比下曝氧前后的HPAM溶液，發(fā)現(xiàn)曝氧后溶氧量明顯升高，且隨著氣水比升高，溶氧量隨之增大，當(dāng)氣水比為5∶1 以上時(shí)，溶氧量達(dá)到5 mg/L以上。

（4）隨著溶液中氧含量增高，輸送管道的腐蝕速率也不斷增加，并且在氣水比高于5∶1 以后，腐蝕速率增速加快。

綜合實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)，可以確定盤(pán)式曝氧工藝現(xiàn)場(chǎng)應(yīng)用相關(guān)參數(shù)。當(dāng)氣壓比設(shè)定為5∶1 時(shí)滿足實(shí)際生產(chǎn)需求。盤(pán)式曝氧工藝未來(lái)還應(yīng)完善相應(yīng)的測(cè)量?jī)x表與控制系統(tǒng)，將裝置主要環(huán)節(jié)的壓力、水流量和吸氣量等參數(shù)在值班室主控設(shè)備上直接顯示、自動(dòng)調(diào)節(jié)，方便生產(chǎn)管理[10]。