井 鵬，李曉巖，司傳海，閆駿，尚光旭

（1.中國環(huán)境保護產業(yè)協(xié)會，北京 100037；2.北京機電院高技術股份有限公司，北京 100027）

油田污水膜法處理工藝優(yōu)化及膜污染分析

井 鵬1，李曉巖2，司傳海1，閆駿1，尚光旭1

（1.中國環(huán)境保護產業(yè)協(xié)會，北京 100037；2.北京機電院高技術股份有限公司，北京 100027）

利用掃描電鏡、原子力顯微鏡、能譜分析等對油田采出水膜污染的機理進行研究，確定了污水中的有機污染物是導致膜污染的主要因素。通過優(yōu)化預處理，控制膜污染，形成以生物接觸氧化為核心的預處理與膜過濾相集成的油田污水資源化處理工藝?，F(xiàn)場試驗結果表明：預處理后污水COD67.3～92.6mg/L，濁度＜0.5NTU，懸浮物＜1.0mg/L，含油＜1.0mg/L，保障了膜過濾系統(tǒng)的穩(wěn)定運行。膜過濾產水達到油田鍋爐用水和配制聚合物用水標準。

油田污水；膜過濾；生物接觸氧化；膜污染；回用

油田生產開發(fā)過程中會產生大量污水，大部分作為生產用水回注地層用于驅油，但仍有大量污水未被利用而剩余。以勝利油田為例，每年約有5073.5×104m3剩余污水。隨著國家逐步縮減甚至禁止污水排放，剩余污水的有效處置就成為了制約油田持續(xù)發(fā)展的難題。另一方面，油田稠油注汽開采、三次采油配制聚合物等過程又需耗用大量的淡水資源，如勝利油田每年的淡水消耗量約為1400×104m3。

反滲透技術因其技術、操作運行成熟度、能耗、投資等方面的優(yōu)勢，在海水淡化、工業(yè)廢水回用等領域得到了成功應用[1-2]。國內外學者和研究機構對膜處理油田污水的回用技術進行了研究，但因采油污水含有大量乳化油、溶解油、有機物及懸浮物，導致膜污染嚴重、運行不穩(wěn)定，成本也較高，因而限制了該技術的推廣應用[3-4]。本文在對膜污染機理進行研究的基礎上，提出了有效的膜污染控制及預防技術，形成油田污水資源化利用的處理工藝，實現(xiàn)污水的循環(huán)利用。

1 油田污水水質分析

試驗用水為勝利油田某集輸站的外輸污水，水溫60℃～65℃，污水水質分析見表1。從表1可看出：該水礦化度高，含石油類、微生物等污染物，含油及生產過程加入了化學劑等，導致COD較高。

表1 試驗用水水質分析

2 膜污染分析

2.1 掃描電鏡（SEM）分析

對污染前后的膜表面進行掃描電鏡觀察（見圖1）。從圖1中可看出，新膜表面光滑平整，膜孔清晰可見，污染后的膜表面覆蓋著一層較厚的污染物，這可能是污水中的有機物、無機垢、細菌等吸附在膜面形成的污染層。

圖1 膜污染前后掃描電鏡分析

2.2 原子力顯微鏡（AFM）分析

對膜絲內表面進行AFM掃描分析（如圖2）發(fā)現(xiàn)：膜表面的粗糙度由15.67升高到51.45，說明膜表面受到一定的污染。膜被污染后，膜分離層表面附著的一層污染物污堵了部分膜孔。

圖2 膜污染前后AFM分析

2.3 X射線能譜（EDS）分析

取膜表面污染物進行X射線能譜（EDS）分析，確定污染物的元素及含量（如表2）。從表2可看出：污染物質的元素主要有C、O、Al、Si、Na、Ca等，其中又以C、O的含量為最高，因此可推斷主要的污染物是有機物，同時膜表面和膜孔內還存在Fe、Si、Na、Ca等化合物形成的硬垢。無機污染物雖然量少，但也有學者認為，膜表面的Ca通過架橋作用，將有機污染物緊密結合，增加了有機污染物的密實程度[5]。

表2 膜污染物EDS能譜分析

2.4 膜面微生物污染分析

油田污水中普遍滋生有大量微生物，微生物在膜面的截留、繁殖會導致膜的微生物污染。用去離子水將污染后膜片上的微生物洗脫，測得其含量達1.1×109CFU/m2。污水中的有機物在膜表面被吸附，為微生物的生長繁殖提供了營養(yǎng)，微生物的菌體及其代謝產物均會堵塞膜孔，導致膜污染。

3 油田污水膜法處理工藝優(yōu)化

3.1 膜污染控制

控制膜污染的主要措施有：1）對膜材料進行改性：改變膜材料表面的物理化學性質，增大膜的親水性，提高膜的光滑度。2）有效的預處理：預處理是控制膜污染的有效措施，主要通過改變污染物在膜表面的沉積性、去除可生物降解的有機物、改變污染物粒徑分布等抑制膜污染。3）膜運行方式及清洗方式優(yōu)化：通過優(yōu)化膜的運行方式及定期進行膜清洗，也可以控制膜污染[6]。

3.2 膜法處理工藝優(yōu)化

通過對膜污染物的分析，發(fā)現(xiàn)有機物是造成膜污染的重要因素，在進行大量實驗基礎上確定了圖3所示的處理工藝。氣浮預生化可去除污水中大部分的懸浮有機物，生物接觸氧化則依靠生物膜上的高效降解菌群實現(xiàn)對油、可生物降解有機物的去除，抑制膜表面微生物污染。絮凝沉淀則通過加入絮凝劑使生化出水中的膠體和殘余難以生物降解的有機物生成絮體，再經過濾裝置的截留作用，去除細菌、膠體等污染物，為雙膜處理提供最大限度的保護。

圖3 油田污水膜法處理工藝流程

4 工藝運行效果

利用確定的工藝流程，建立了300m3/d規(guī)模的現(xiàn)場試驗流程。

4.1 預處理對污染物的去除效果

污水預處理前后的污染物分析見表3。預處理過程通過生化、絮凝、沉淀、過濾等技術實現(xiàn)了對油、有機物等膜污染物的有效去除取，保障了膜過濾的穩(wěn)定運行。

表3 預處理前后水質分析

4.2 SDI的控制

SDI指污染密度指數(shù)，在RO系統(tǒng)中，SDI是用來衡量反滲透進水的一個重要指標。RO系統(tǒng)進水要求SDI15＜5，推薦值SDI15＜4。RO進水SDI15越小說明進水對RO膜的污染程度越小。圖4給出了實驗期間預處理出水SDI15的變化曲線。SDI15平均值為2.2，說明預處理對污染物有很好的去除效果，產水可完全滿足RO對進水的要求，保證RO系統(tǒng)的穩(wěn)定運行。

4.3 膜的穩(wěn)定運行

反滲透進水壓力和膜通量變化情況見圖5。由圖5可見，反滲透進水壓力在1.5M～1.7MPa之間波動，運行穩(wěn)定，且穩(wěn)定運行一個月無需進行化學清洗，這是因為預處理去除了污水中導致膜污堵的污染物，保障了膜過濾系統(tǒng)的長期穩(wěn)定運行。

4.4 工藝產水水質分析

圖4 超濾產水SDI變化

圖5 膜通量與過濾壓力變化

表4 系統(tǒng)出水水質

集成工藝出水水質分析見表4。從檢測結果可看出，出水水質完全滿足了注汽鍋爐給水標準。利用出水代替清水配制5000mg/L的聚合物溶液，測定其黏度，并與現(xiàn)場聚驅所用清水的配聚效果相比較，結果發(fā)現(xiàn)：用處理后的產出水配制相同濃度的聚合物黏度為3300～3650mPa·s，而目前聚驅現(xiàn)場用黃河水配制的聚合物黏度為2474～2540mPa.s。說明油田污水經該工藝處理后完全可替代清水用于注汽鍋爐給水和配制聚合物用水。

5 結論

采用SEM、EDS等方法對油田污水膜法深度處理中的膜污染物成分進行分析。結果表明，油田采出水中含有的有機類物質是主要污染物，同時還存在Fe、Si、Na、Ca等化合物在膜表面和膜孔內形成的硬垢。

將生化處理為核心的預處理工藝與雙膜過濾集成，形成了油田污水資源化循環(huán)利用處理工藝。預處理去除了油田污水中大部分的污染物，保障了雙膜系統(tǒng)的穩(wěn)定運行，集成工藝產水可替代清水，用于稠油熱采注汽鍋爐給水和配制聚合物用水，為油田剩余污水的資源化利用開辟了新途徑。

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Membrane Process of Treatment Technology Optimization and Membrane Pollution Analysis of Oil Field Sewage

JING Peng1, LI Xiao-yan2, SI Chuan-hai1, YAN Jun1, SHANG Guang-xu1
(1.China Association of Environmental Protection Industry, Beijing 100037; 2. BMEI Co., Ltd, Beijing 100027, China)

By using the scan electric mirror, atomic force microscope and energy spectrum analysis to pick out mechanism of water membrane pollution in oil field and carry out research, and to confirm that the organic pollutants in sewage bring on the main factor of membrane pollution. Based on the optimization of pre-treatment and control of membrane pollution, the pre-treatment which takes the bio-contact oxidation as a core and water resource treatment technology of the oil field sewage composited by membrane filtration are formed. The locale test result shows: COD67.3＜92.6mg/L＜degree of turbidity＜0.5 NTU＜suspended matter＜1.0mg/L and oil-content＜1.0mg/L of sewage after pre-treatment ensure the stable operation of the membrane filtering system. The water of the membrane filtering meets the water supply standard in the boiler water of oil field and the assemble water.

oil field sewage; membrane filtering; bio-contact oxidation; membrane pollution; reuse

X703

A

1006-5377（2014）11-0038-04