韓國(guó)勇（大慶油田有限責(zé)任公司第七采油廠）

生化破乳+火山巖曝氣生物過濾技術(shù)在特低滲透油田污水處理中的應(yīng)用

韓國(guó)勇（大慶油田有限責(zé)任公司第七采油廠）

特低滲透油田由于孔隙小、喉道細(xì)，對(duì)注入水質(zhì)要求非常高，采用常規(guī)含油污水深度處理工藝達(dá)到“5.1.1”出水水質(zhì)困難，不利于節(jié)能環(huán)保。生化破乳+火山巖曝氣生物過濾技術(shù)保證了回注污水的有效利用和工程運(yùn)行的安全可靠，該工藝結(jié)構(gòu)緊湊，降低了運(yùn)行成本。年節(jié)約地下清水15.6×104m3，節(jié)約用電量97×104kWh。

特低滲透油田 油田采出液 火山巖 破乳 過濾

隨著油田開發(fā)的不斷擴(kuò)大，采出液含水率逐年上升。開采過程中產(chǎn)生的采出廢液量也大幅增加[1]。采出液中由于含有大量的有機(jī)物，又有適宜微生物生存的環(huán)境，因此還會(huì)繁殖大量的細(xì)菌，直接注入地下對(duì)環(huán)境造成嚴(yán)重污染危害[2]。為了有效利用油田采出液，對(duì)該廢液進(jìn)行處理回注是既經(jīng)濟(jì)又實(shí)用的辦法，然而要確保油田的高效注采開發(fā)，又要對(duì)水中的含油、懸浮固體等多項(xiàng)指標(biāo)進(jìn)行嚴(yán)格控制，防止其對(duì)地層產(chǎn)生傷害[3]。

葡四聯(lián)地區(qū)扶余油層屬特低滲透油層，采用溶氣氣浮+生化除油+曝氣生物過濾+高分子燒結(jié)濾芯過濾工藝處理油田采出液，該處理裝置設(shè)計(jì)能力為500 m3/d。葡四聯(lián)原水來自于葡三聯(lián)含油污水處理站，處理后水質(zhì)達(dá)到石油行業(yè)要求的“5.1.1”標(biāo)準(zhǔn)，節(jié)約地下水資源的同時(shí)，保證了污水的有效回注，降低了工程造價(jià)及運(yùn)行成本。

1 工藝流程

采出液經(jīng)污水緩沖罐首先進(jìn)入氣浮裝置，通過高速渦旋加速氣液混合液體，在液體內(nèi)部形成高壓，將較大粒徑的氣泡壓縮后形成微納米氣泡，其粒徑在20～30 μm之間。在微納米氣泡的作用下分離回收大部分原油[4]；氣浮裝置出水進(jìn)入生化反應(yīng)裝置，充分破乳回收乳化油并降解污水中的有機(jī)污染物，其出水經(jīng)火山巖曝氣生物過濾裝置進(jìn)一步截留過濾去除水中懸浮物，最后再經(jīng)精細(xì)過濾裝置處理后達(dá)到“5.1.1”標(biāo)準(zhǔn)后外輸。

氣浮裝置以及生化破乳裝置回收污油進(jìn)入污油儲(chǔ)罐，然后通過污油泵回收至集輸系統(tǒng)；氣浮單元、生化破乳單元、生物曝氣濾池單元排出污泥以及回收水池排污匯入儲(chǔ)泥罐后，經(jīng)污泥泵進(jìn)入污水池，再由翻斗車將含油污泥拉運(yùn)至處理站。工藝流程見圖1。

圖1 工藝流程

2 主要工藝設(shè)備

采出液處理工藝主要處理裝置有氣浮裝置、生化破乳裝置、火山巖曝氣生物過濾裝置、精細(xì)過濾裝置等（圖2）。

圖2 工藝立體示意圖

2.1 氣浮除油裝置

通過高速渦旋加速氣液混合液體，在液體內(nèi)部形成高壓，將較大粒徑的氣泡壓縮后形成微納米氣泡，其粒徑在20～30 μm之間。微納米氣泡具有非常高的能量，在射入水中之后能對(duì)水產(chǎn)生局部電離作用，穩(wěn)定后部分氣泡周圍包圍著一層正負(fù)離子，從而使氣泡具有帶電功能。而且非常小的尺寸使得微納米氣泡具有較高的表面能量，從而對(duì)其他物體具有較強(qiáng)的表面吸附作用。這兩方面的特點(diǎn)使微納米氣泡能夠吸附微小的油滴，逐漸聚合成為較大的油滴并快速上升到水面，完成油水分離作用。

2.2 生化破乳裝置

生化破乳裝置以組合填料作為生物膜載體，利用高效微生物菌群達(dá)到分離、回收污水中乳化油的目的。本工藝采用的微生物菌株可以利用水體中微量的無機(jī)鹽類和有機(jī)污染物作為營(yíng)養(yǎng)進(jìn)行生命代謝活動(dòng)，無需額外添加營(yíng)養(yǎng)。在25～40℃下可以保持旺盛的代謝活動(dòng)，具有寬泛的耐受性（pH 6.0～10.5）。

2.3 曝氣生物過濾裝置

曝氣生物過濾裝置（BAF）采用火山巖填料，料層厚度為2 m，微生物附著于多孔結(jié)構(gòu)的火山巖表面，構(gòu)成微生物膜（圖3）。

圖3 曝氣生物濾池結(jié)構(gòu)示意圖

曝氣生物過濾裝置運(yùn)行工藝：來水由濾料上層進(jìn)入曝氣生物濾池，在濾池底部進(jìn)行曝氣，氣水兩相逆流。在反應(yīng)器中，有機(jī)物被微生物氧化分解，固體懸浮物則被微生物膜截留過濾。隨著過濾的進(jìn)行，由于火山巖表面附著的微生物上升，截留的懸浮物不斷增加，在開始階段壓差逐漸升高；當(dāng)固體物質(zhì)積累達(dá)到一定程度，堵塞濾層的上表面，并且阻止氣泡的釋放，將會(huì)導(dǎo)致壓差達(dá)到設(shè)計(jì)值[5]，此時(shí)應(yīng)立即進(jìn)行反沖洗再生，恢復(fù)處理能力。

火山巖生物濾料各項(xiàng)性能測(cè)試平均參數(shù)見表1。

表1 火山巖濾料性質(zhì)

2.4 精細(xì)過濾裝置

精細(xì)過濾裝置的濾芯采用高分子燒結(jié)材料，過濾精度為0.2 μm，可以截留絕大部分顆粒物、膠體顆粒及微生物體，進(jìn)而保證出水能夠滿足“含油量小于或等于5 mg/L，懸浮固體含量小于或等于1 mg/L，粒徑中值小于或等于1 μm”的要求。

過濾裝置由3個(gè)濾筒組成，每個(gè)濾筒內(nèi)裝有40支濾芯，共計(jì)120支濾芯。殼體進(jìn)口采用切面進(jìn)入的方式，避免物料直接沖擊濾芯，大的顆粒也會(huì)因旋轉(zhuǎn)而掉入罐底，有效提高了濾芯的使用壽命。正常過濾時(shí)，3個(gè)濾筒聯(lián)合過濾。裝置結(jié)構(gòu)見圖4。

在正常狀態(tài)下，物料經(jīng)過濾器入口進(jìn)入，從下而上通過過濾組件，由濾芯的外表面將原料中的顆粒雜物阻隔，干凈液體由內(nèi)排出；過濾元件表面濾餅逐漸堆積，造成進(jìn)出口兩端壓差增大；當(dāng)壓差達(dá)到預(yù)定值時(shí)，差壓變送器輸出差壓信號(hào)，啟動(dòng)PLC控制箱里的可編程控制器，3臺(tái)過濾器逐臺(tái)開始清洗（2臺(tái)進(jìn)行過濾，1臺(tái)進(jìn)行反洗），反沖洗采用氣水聯(lián)合反沖洗，水洗8 s 1次+氣洗8 s 2次。

圖4 精細(xì)過濾結(jié)構(gòu)示意圖

3 核心技術(shù)原理

3.1 生物破乳

針對(duì)含油污水的特點(diǎn)，通過篩選、配伍的方式培養(yǎng)適應(yīng)污水水質(zhì)的高效微生物破乳菌群，采用組合填料作為生物膜載體。接種微生物破乳菌，接種的微生物可利用水中無機(jī)鹽和有機(jī)酸等作為營(yíng)養(yǎng)進(jìn)行新陳代謝，在組合填料表面形成生物膜（圖5）。

生物破乳菌及其表面的生物大分子與疏水的乳化劑形成絡(luò)合物，破壞乳狀液中的水包油結(jié)構(gòu)，微生物菌株利用水體中微量的無機(jī)鹽類和有機(jī)污染物作為營(yíng)養(yǎng)進(jìn)行生命代謝活動(dòng)，無需添加其他藥劑。該段一次性投加液體菌劑3.6 t。

圖5 生物破乳菌的篩選及電鏡照片

通過透射電鏡觀察可以發(fā)現(xiàn)，生物破乳劑產(chǎn)生菌的胞外分泌物主要為多糖和e-DNA等生物大分子，生物破乳劑攜帶的正電荷中和了油滴表面的負(fù)電荷，使油滴間電荷斥力減弱[6]，同時(shí)經(jīng)吸附架橋作用聚集在一起，乳化油滴得以聚集并長(zhǎng)大（圖6）。

圖6 生物破乳劑產(chǎn)生菌及胞外分泌物透射電鏡觀察

將獲得的菌株接種到乳化油污水中，產(chǎn)生的生物破乳劑能夠破壞乳狀液中的水包油結(jié)構(gòu)，使其破乳。破乳后的原油與水相分離，并聚集成大液滴后上浮至液面。由于微生物破乳菌的使用，避免了傳統(tǒng)生物工藝對(duì)原油過度消耗的現(xiàn)象，這不僅大大增加了原油的回收率，而且提高了水質(zhì)和經(jīng)濟(jì)效益?，F(xiàn)場(chǎng)運(yùn)行結(jié)果表明，出水水質(zhì)達(dá)到“5.1.1”標(biāo)準(zhǔn)。

3.2 生物過濾技術(shù)

來水由濾料上層進(jìn)入曝氣生物濾池，與濾池底部的曝氣形成氣水兩相逆流。利用微生物附著于多孔結(jié)構(gòu)的火山巖表面，構(gòu)成微生物膜。有機(jī)物被微生物氧化分解，固體懸浮物則被微生物膜截留過濾。該段一次性投加液體菌劑1.6 t。

4 設(shè)計(jì)參數(shù)

原水含油量100～300 mg/L，懸浮固體含量30～270 mg/L；來水溫度33℃；設(shè)計(jì)流量 22 m3/h；33℃時(shí)空氣溶量1.154 g/L；33℃時(shí)溶解系數(shù)約為0.015 8；空氣裕量系數(shù)1.2；溶氣壓力3.9×105Pa；大氣壓力1.013×105Pa。

根據(jù)公式計(jì)算出回流量為5.3，回流比為25%。

式中：

Va——空氣溶量，g/L；

Kt——溶解系數(shù)，20℃時(shí)，Kt=0.024；

η——溶氣效率 （取η=1）；

P——溶氣壓力，Pa；

Po——大氣壓力，Pa；

Qr——溶氣水量，m3/h；

QS——為水中懸浮物含量，mg/L；

Q——污水量，m3/h。

氣固比的確定采用經(jīng)驗(yàn)法，as的典型經(jīng)驗(yàn)選取范圍在0.005～0.06之間。綜合考慮來水中的含油量和懸浮物含量，根據(jù)檢測(cè)結(jié)果取as=0.04。

生化破乳：生化系統(tǒng)氣水比為5∶1，有效停留時(shí)間4 h。

曝氣生物濾池：采取25 min氣洗+2 min氣水聯(lián)合反洗+3 min水洗反沖洗方式，根據(jù)液位自動(dòng)反沖洗，正常運(yùn)行氣水比為5∶1，濾速3～5 m/h。

精細(xì)過濾精度為0.2 μm，根據(jù)壓差自動(dòng)反沖洗，反沖洗方式為8 s水洗1次+8 s氣洗2次。

5 現(xiàn)場(chǎng)運(yùn)行效果

現(xiàn)場(chǎng)數(shù)據(jù)表明，溶氣氣浮+生化除油+曝氣生物過濾+高分子燒結(jié)濾芯過濾工藝具有較好的處理含油污水的效果。

進(jìn)水含油量最高值為325.8 mg/L，最低值為295.7 mg/L，平均含油量為310.7 mg/L。精細(xì)過濾后出水含油量最高值為4.8 mg/L，最低值為4.6 mg/L，平均含油量為4.7 mg/L，含油量平均去除率為98.48%（表2）。

進(jìn)水懸浮固體含量最高值為292.2 mg/L，最低值為259.5 mg/L，平均懸浮固體含量為275.8 mg/L。精細(xì)過濾后出水懸浮固體含量最高值為0.97 mg/L，最低值為0.68 mg/L，平均懸浮固體含量為0.82 mg/L，懸浮固體含量平均去除率為99.7%（表3）。

工藝投產(chǎn)運(yùn)行后，水質(zhì)指標(biāo)達(dá)到“5.1.1”石油行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)要求，解決了剩余污水無法回注的難題，年節(jié)約地下清水15.6×104m3，節(jié)約用電量97×104kWh。

表2 含油污水經(jīng)處理設(shè)備各階段含油量變化情況

表3 含油污水經(jīng)處理設(shè)備各階段懸浮固體含量變化情況

6 運(yùn)行成本

運(yùn)行成本主要包括固定資產(chǎn)折舊費(fèi)、系統(tǒng)運(yùn)行藥劑投加費(fèi)、維護(hù)費(fèi)用以及運(yùn)行電費(fèi)。

固定資產(chǎn)折舊費(fèi)：污水處理站運(yùn)轉(zhuǎn)時(shí)間一般為20年，其年折舊費(fèi)用不計(jì)利率變化約為39.9萬元。

藥劑費(fèi)：本工藝不需投加任何藥劑，因此不計(jì)藥劑費(fèi)用。

維護(hù)費(fèi)：由于本工藝微生物不需維護(hù)，維護(hù)費(fèi)主要考慮濾芯更換費(fèi)用。高分子燒結(jié)濾芯使用壽命約為3年，共120支濾芯，單價(jià)120元，因此維修費(fèi)用每年0.48萬元。

運(yùn)行電費(fèi)：包括升壓水泵用電費(fèi)用，加藥裝置、反沖洗和生活用電費(fèi)用。

年總費(fèi)用為66.98萬元，全成本為3.67元/m3；年運(yùn)行費(fèi)用為26.6萬元，運(yùn)行成本為1.46元/m3。

相比清水價(jià)格為5.9元/m3、膜處理運(yùn)行成本約2.5元/m3，生化處理工藝的運(yùn)行成本是清水膜處理工藝的58.4%，全成本是清水價(jià)格的53.2%，具有較好的應(yīng)用前景。

7 結(jié)束語(yǔ)

工程實(shí)踐證明，采用溶氣氣浮+生化除油+曝氣生物過濾+高分子燒結(jié)濾芯過濾工藝處理油田采出液簡(jiǎn)單有效。該工藝結(jié)構(gòu)緊湊，運(yùn)行費(fèi)用低，處理效果穩(wěn)定，對(duì)其他類似油田采出液處理工程具有一定的借鑒作用。

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10.3969/j.issn.2095-1493.2015.004.009

2015-01-30）

韓國(guó)勇，工程師。2008年畢業(yè)于東北石油大學(xué)（油氣儲(chǔ)運(yùn)工程專業(yè)），從事注水管理工作，E-mail：meteor.hgy@163.com，地址：黑龍江省大慶市第七采油廠油田管理部，163517。