李 松

（中國(guó)石油冀東油田公司 油氣集輸公司，河北 唐山063200）①

金屬膜分離技術(shù)是目前用于城市污水和工業(yè)廢水深度處理的一項(xiàng)新型實(shí)用技術(shù)。由鈦、鎳、不銹鋼等金屬材質(zhì)制造的金屬膜具有機(jī)械強(qiáng)度高、無(wú)相變操作、低耗高效的特點(diǎn)，由于其處理裝置占用空間小，特別適用于老廠技術(shù)改造升級(jí)［1－5］。冀東油田高尚堡聯(lián)合站主要擔(dān)負(fù)高尚堡采油作業(yè)區(qū)的污水處理任務(wù)，鑒于該地區(qū)油層特性，對(duì)注水水質(zhì)要求較高，需達(dá)到SY5329—1994標(biāo)準(zhǔn)A2級(jí)水質(zhì)［6］。但是，由于采出水成分復(fù)雜，原有2段式污水處理工藝已無(wú)法保證回注水的懸浮物質(zhì)量濃度、粒徑中值指標(biāo)持續(xù)達(dá)標(biāo)。在對(duì)多種深度過(guò)濾技術(shù)的過(guò)濾效果、加工精度、再生性能和適應(yīng)性進(jìn)行綜合對(duì)比的基礎(chǔ)上，選用了金屬膜過(guò)濾裝置，以金剛砂等多種濾料過(guò)濾裝置作為預(yù)處理，通過(guò)精細(xì)過(guò)濾手段去除大顆粒懸浮物，取得了較好的應(yīng)用效果［7］。

1 污水水質(zhì)特征及處理現(xiàn)狀

1.1 進(jìn)水水質(zhì)

冀東油田高尚堡聯(lián)合站污水來(lái)源主要為高尚堡采油作業(yè)區(qū)的采出水，其主要水質(zhì)特征是：①溫度較高；②水質(zhì)變化大，污水含油濃度、懸浮物含量、聚合物含量以及油水乳化程度等均有可能在短時(shí)期內(nèi)出現(xiàn)較大的變化；③油和懸浮物含量較高；④成分復(fù)雜，含有石油類(lèi)物質(zhì)、地層黏土顆粒、溶解性礦物質(zhì)、細(xì)菌和油田采油助劑等［8－11］。

1.2 處理工藝

原有的污水處理工藝流程如圖1所示，由高尚堡采油作業(yè)區(qū)采出液脫出的含油污水依次經(jīng)過(guò)一級(jí)、二級(jí)混凝沉降處理后，再經(jīng)核桃殼和纖維球過(guò)濾罐兩級(jí)過(guò)濾處理，最終輸送至各注水站進(jìn)行回注。

圖1 原回注污水處理工藝流程

1.3 存在問(wèn)題

高尚堡聯(lián)合站原注水處理工藝主要存在2個(gè)問(wèn)題：

1） 水處理總量無(wú)法滿足高尚堡采油作業(yè)區(qū)所需注水量。

2） 對(duì)小粒徑懸浮物的攔截和吸附能力有限，回注水懸浮物和粒徑中值指標(biāo)合格率較低。

高尚堡聯(lián)合站原注水處理工藝回注水懸浮物監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)如圖2，回注水粒徑中值檢測(cè)數(shù)據(jù)如圖3。由圖2～3可知，在該監(jiān)測(cè)時(shí)間段內(nèi)，回注水中平均懸浮物質(zhì)量濃度為8.3mg／L，平均粒徑中值為5.43 μm?？梢?jiàn)，原有注水處理工藝已不能適應(yīng)進(jìn)水水質(zhì)變化和出水指標(biāo)要求，必須進(jìn)行技術(shù)改造，需采用精細(xì)過(guò)濾技術(shù)進(jìn)行深度處理。

圖2 2010年原注水處理工藝回注水懸浮物監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)

圖3 2010年原注水處理工藝回注水粒徑中值監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)

2 技術(shù)原理及工藝設(shè)計(jì)

2.1 技術(shù)原理［12］

膜分離是借助于膜，在某種推動(dòng)力的作用下，利用流體中各組分對(duì)膜的滲透速率的差別而實(shí)現(xiàn)組分分離的過(guò)程。膜分離過(guò)程有截留率和膜通量2個(gè)重要的過(guò)程參數(shù)。

1） 截留率 表示膜阻止料液中某組分通過(guò)或截留其中某一組分的能力。計(jì)算式：

式中：R為截留率，%；Cp為透過(guò)液濃度；C為進(jìn)料液濃度（Cp和C可用任何濃度單位表示，但二者應(yīng)相同）。

2） 膜通量 表示單位面積膜的過(guò)濾速率，是以膜分離過(guò)程中單位時(shí)間內(nèi)通過(guò)單位膜面積的濾過(guò)液體積來(lái)表示。其計(jì)算公式為：

式中：J1為膜通量，L／（m2·h）；V 為取樣體積，L；t為取樣時(shí)間，h；A為膜有效面積，m2。

3） 滲透通量及污染阻力

式中：J2為滲透通量 m3／（m2·h）；△p為膜壓差，Pa；u為油田污水粘度，Pa·s；Rt為過(guò)濾總阻力；Rm為膜自身阻力；Rp為濃差極化阻力（可用水沖洗除去）；Re為顆粒等在膜表面吸附及沉淀形成的濾餅阻力（物理方法清除）；Ri為膜孔堵塞阻力（化學(xué)方法清洗）。

2.3 擴(kuò)建污水金屬膜處理工藝

2.3.1 工藝流程

擴(kuò)建后高尚堡聯(lián)合站污水處理工藝如圖4所示。金屬膜過(guò)濾裝置增設(shè)于高尚堡聯(lián)合站污水處理系統(tǒng)，設(shè)計(jì)處理規(guī)模為6 000m3／d，主要處理工藝為：將纖維球過(guò)濾罐出水提升泵依次輸送至金剛砂過(guò)濾器和鈦金屬膜過(guò)濾器進(jìn)行逐級(jí)過(guò)濾處理，再通過(guò)外輸泵輸送至高尚堡作業(yè)區(qū)各注水站進(jìn)行回注。

圖4 擴(kuò)建后高尚堡聯(lián)合站污水處理工藝流程

2.3.2 主要部件

金剛砂復(fù)合過(guò)濾器內(nèi)部結(jié)構(gòu)如圖5所示。金剛砂過(guò)濾器作為膜過(guò)濾的預(yù)處理裝置，復(fù)合濾料在過(guò)濾器內(nèi)部形成梯度分布的濾床，來(lái)水通過(guò)分配器進(jìn)入過(guò)濾器內(nèi)，流經(jīng)吸附性較強(qiáng)的多孔濾層后，被集液濾芯截留，逐級(jí)除去水中的油份和機(jī)械雜質(zhì)。

圖5 金剛砂復(fù)合過(guò)濾器內(nèi)部結(jié)構(gòu)示意

鈦金屬膜過(guò)濾器內(nèi)部結(jié)構(gòu)如圖6所示，進(jìn)水經(jīng)分配器進(jìn)入過(guò)濾器內(nèi)，流經(jīng)金屬膜濾芯進(jìn)行微孔過(guò)濾后，被集液濾芯截留，進(jìn)一步除去小顆粒懸浮物。

圖6 鈦金屬膜過(guò)濾器內(nèi)部結(jié)構(gòu)示意

金剛砂和鈦金屬膜過(guò)濾裝置主要技術(shù)指標(biāo)如表1所示。

表1 金屬膜過(guò)濾器技術(shù)指標(biāo)

3 應(yīng)用效果分析

從現(xiàn)場(chǎng)運(yùn)行統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)和注水水質(zhì)監(jiān)測(cè)指標(biāo)來(lái)看，鈦金屬膜過(guò)濾裝置的適應(yīng)性較好，實(shí)際處理量和出水指標(biāo)達(dá)到工程設(shè)計(jì)要求和行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)，處理成本相比原工藝也有所降低。

3.1 運(yùn)行效果

3.1.1 處理量

高尚堡聯(lián)合站金屬膜過(guò)濾裝置實(shí)際處理水量如圖7所示。金屬膜過(guò)濾裝置實(shí)際日均處理水量約為4 800m3／d，最高處理量可達(dá)到5 500m3／d，可完全滿足高尚堡地區(qū)注水量以及高尚堡聯(lián)合站過(guò)濾裝置濾料反沖洗的需要，達(dá)到了設(shè)計(jì)指標(biāo)和預(yù)期效果。

圖7 金屬膜過(guò)濾裝置實(shí)際處理水量

3.1.2 主要水質(zhì)指標(biāo)

1） 懸浮物去除效果 金剛砂和金屬膜過(guò)濾裝置出水懸浮物含量監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)如圖8所示。在進(jìn)水水質(zhì)指標(biāo)滿足系統(tǒng)要求時(shí)，金剛砂過(guò)濾器出水平均懸浮物質(zhì)量濃度為0.808 9mg／L，鈦金屬膜過(guò)濾器出水平均懸浮物質(zhì)量濃度為0.792 9mg／L。

圖8 2011年金剛砂和金屬膜過(guò)濾出水懸浮物濃度

2） 回注水處理效果 增設(shè)金屬膜過(guò)濾裝置后回注水中懸浮物監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)如圖9，回注水中粒徑值監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)如圖10。如圖9～10所示，回注水平均懸浮物質(zhì)量濃度為1.39mg／L，回注水懸浮固體粒徑中值平均為0.79μm。

圖9 增設(shè)金屬膜過(guò)濾裝置后回注水中懸浮物監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)

圖10 增設(shè)金屬膜過(guò)濾裝置后回注水中粒徑中值監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)

3.2 效益分析

3.2.1 環(huán)境效益

由于不合格回注水注入地層后會(huì)造成地層孔隙堵塞、降低注水效率、增加注水能耗，并導(dǎo)致油井產(chǎn)能降低、產(chǎn)液量下降快。高尚堡聯(lián)合站通過(guò)鈦金屬膜精細(xì)過(guò)濾處理后的回注水可顯著提高懸浮物和粒徑中值指標(biāo)合格率，有效降低了不合格回注水對(duì)地層的不良影響。

3.2.2 經(jīng)濟(jì)效益

在原處理工藝中，需要通過(guò)提高污水加藥濃度、增加濾料更換次數(shù)或進(jìn)行過(guò)濾罐結(jié)構(gòu)改造等措施來(lái)達(dá)到提高回注水質(zhì)的目的，造成污水處理費(fèi)用偏高。金屬膜處理裝置投用后，降低了前端處理的運(yùn)行維護(hù)費(fèi)用。相比于改造前，每年可減少水處理藥劑和過(guò)濾罐濾料更換等費(fèi)用約￥58.4萬(wàn)元。

4 結(jié)論

1） 鈦金屬膜分離技術(shù)在冀東油田高尚堡聯(lián)合站的成功應(yīng)用，解決了回注水懸浮物難以達(dá)標(biāo)的問(wèn)題，在油田生產(chǎn)和新技術(shù)引進(jìn)方面都具有一定積極意義。鈦金屬膜過(guò)濾裝置日均處理水量可滿足現(xiàn)階段高尚堡作業(yè)區(qū)回注水需求量，且在進(jìn)水水質(zhì)達(dá)到設(shè)計(jì)要求的條件下運(yùn)行效果較好。處理后回注水平均懸浮物質(zhì)量濃度1.39mg／L，平均粒徑中值0.79 μm，適用于油田回注污水的深度處理。

2） 建議在今后的研究中，把膜污染控制以及膜清洗方法作為研究重點(diǎn)，以保證金屬膜的過(guò)濾通量，使其在油田污水處理中發(fā)揮更大的優(yōu)勢(shì)。

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