齊兆濤， 黃文升

（中石化石油工程設(shè)計有限公司， 山東 東營 257026）

氣田采出水通常具有高鹽、 高CODCr、 難降解的特點(diǎn)， 在采出水深度處理資源化工程中主要采用膜法減量化與熱法提升回收率相結(jié)合的處理工藝［1］，即經(jīng)過預(yù)處理的氣田采出水先進(jìn)行兩級反滲透膜減量化處理， 濃縮液再用熱法處理提高產(chǎn)水率。 目前國內(nèi)外主流的高壓反滲透膜有2 種， 碟管式高壓反滲透膜（DTRO）和管網(wǎng)式高壓反滲透膜（STRO）。

2 種高壓反滲透膜多應(yīng)用于垃圾滲透液的處理方面［2-3］， 本文主要以西南某氣田采出水為研究對象， 分別進(jìn)行2 種高壓反滲透膜過濾試驗(yàn)， 通過對產(chǎn)水率、 運(yùn)行壓力、 膜通量、 脫鹽率、 CODCr去除率等指標(biāo)的研究， 探索2 種膜在氣田采出水處理應(yīng)用中的性能差異。

1 材料與方法

1.1 試驗(yàn)裝置

試驗(yàn)采用雙膜一體撬裝試驗(yàn)裝置， 裝置設(shè)DTRO 及STRO 各1 支， 主要組成及流程見圖1。預(yù)處理后的氣田采出水經(jīng)原水提升泵、 高壓泵增壓后進(jìn)行DTRO／STRO 過濾， 另設(shè)循環(huán)泵1 臺， 以提高膜表面錯流速率。

圖1 試驗(yàn)工藝流程Fig. 1 Process flow of the experiment

本試驗(yàn)DTRO 和STRO 單支膜過濾面積分別為9.4 m2及25 m2， 高壓泵采用柱塞泵， 額定壓力為6.0 MPa， 原水提升泵、 高壓泵及循環(huán)泵均可通過變頻器來調(diào)節(jié)運(yùn)行參數(shù)。

1.2 試驗(yàn)原水

試驗(yàn)用水為經(jīng)除硬、 生化處理后的氣田采出水。 電導(dǎo)率為26 772 ～32 401 μS／cm， CODCr的質(zhì)量濃度為134 ～235 mg／L。

1.3 試驗(yàn)方法

針對單支膜進(jìn)行單級過濾試驗(yàn)， 試驗(yàn)分為短時運(yùn)行與持續(xù)運(yùn)行2 個試驗(yàn)內(nèi)容。

短時運(yùn)行試驗(yàn)： 關(guān)閉STRO 進(jìn)水閥門， 開啟DTRO 進(jìn)水閥門， 依次開啟原水提升泵、 高壓泵、 循環(huán)泵開始試驗(yàn)。 選取3 種進(jìn)水流量600、 800、 1 000 L／h 進(jìn)行試驗(yàn)， 試驗(yàn)運(yùn)行壓力以5.5 MPa 為上限，以5 L／（m2·h）膜通量變量為遞增梯度， 每種工況穩(wěn)定運(yùn)行2 h； 記錄DTRO 進(jìn)、 出水電導(dǎo)率及運(yùn)行壓力情況。 同樣選取3 種進(jìn)水流量1 000、 1 250、 1 500對STRO 進(jìn)行試驗(yàn)， 試驗(yàn)運(yùn)行壓力以5.5 MPa 為上限， 不同膜通量下穩(wěn)定運(yùn)行2 h； 記錄各工況下STRO 進(jìn)、 出水電導(dǎo)率及運(yùn)行壓力情況。

持續(xù)運(yùn)行試驗(yàn)： 通過短時運(yùn)行試驗(yàn)得出2 種膜較佳運(yùn)行參數(shù)， 在相同產(chǎn)水率及膜通量工況下持續(xù)運(yùn)行12 d， 進(jìn)一步考察DTRO 與STRO 運(yùn)行的穩(wěn)定性。

1.4 分析方法

脫鹽率采用檢測進(jìn)、 出水電導(dǎo)率表征， 該氣田采出水含鹽以NaCl 為主， 含鹽量（mg／L）與電導(dǎo)率（μS／cm）和 溫 度（℃）之 間 的 關(guān) 系 參 考 文 獻(xiàn)［4］；CODCr、 電導(dǎo)率均采用國家標(biāo)準(zhǔn)方法測定。

2 結(jié)果與討論

2.1 短時運(yùn)行試驗(yàn)

2.1.1 DTRO 試驗(yàn)情況

膜通量對DTRO 運(yùn)行壓力、 脫鹽率及CODCr去除率的影響分別如圖2 ～圖4 所示。

圖2 膜通量對DTRO 運(yùn)行壓力的影響Fig. 2 Effect of membrane flux on DTRO operating pressure

圖3 膜通量對DTRO 脫鹽率的影響Fig. 3 Effect of membrane flux on DTRO desalinization rate

圖4 膜通量對DTRO 產(chǎn)水CODCr 去除率的影響Fig. 4 Effect of membrane flux on DTRO produced water CODCr removal rate

由圖2 可見， 在5.5 MPa 上限運(yùn)行壓力下， 3種進(jìn)水流量下DTRO 膜通量均可達(dá)到25 L／（m2·h）以上； 相同進(jìn)水流量下， 運(yùn)行壓力隨膜通量提高而上升。 分析其原因是產(chǎn)水率增加， 導(dǎo)致需要克服更高的膜滲透壓， 運(yùn)行壓力隨之上升［5］。

由圖3 可見， 進(jìn)水電導(dǎo)率約為30 000 μS／cm，DTRO 產(chǎn)水電導(dǎo)穩(wěn)定在2 000 μS／cm 以下， 脫鹽率在90% 以上。 膜通量在10 ～20 L／（m2·h）范圍時，DTRO 產(chǎn)水脫鹽率隨膜通量的提高呈現(xiàn)出先高后低的趨勢。 分析其原因在于， 膜通量升高使得驅(qū)動反滲透的凈壓力升高， 產(chǎn)水量加大， 同時鹽透過量幾乎不變， 增加的產(chǎn)水量稀釋了透過膜的鹽分， 降低了透鹽率， 提高了脫鹽率； 當(dāng)膜通量超過一定值時， 過高的回收率加大了濃差極化， 使得鹽透過量增加， 脫鹽率降低［5-6］。 由此可見， 膜通量過小、過大都不利于脫鹽率提高。

由圖4 可見， 當(dāng)進(jìn)水CODCr的質(zhì)量濃度為134 ～235 mg／L， 膜通量為10 ～20 L／（m2·h）時， CODCr去除率較高， 保持在75%以上。 DTRO 對CODCr去除率呈現(xiàn)出與脫鹽率相似的結(jié)果， 隨膜通量的提高呈先高后低的趨勢［5，7］。

2.1.2 STRO 試驗(yàn)情況

膜通量對STRO 運(yùn)行壓力、 脫鹽率及CODCr去除率的影響分別如圖5 ～圖7 所示。

圖5 膜通量對STRO 運(yùn)行壓力的影響Fig. 5 Effect of membrane flux on STRO operating pressure

圖6 膜通量對STRO 脫鹽率的影響Fig. 6 Effect of membrane flux on STRO desalinization rate

圖7 膜通量對STRO 產(chǎn)水CODCr 去除率的影響Fig. 7 Effect of membrane flux on STRO produced water CODCr removal rate

由圖5 可見， 在5.5 MPa 上限運(yùn)行壓力條件下， STRO 膜通量較DTRO 有明顯下降， 最高為15 L／（m2·h）； STRO 運(yùn)行壓力與膜通量的關(guān)系與DTRO有類似的趨勢， 運(yùn)行壓力隨產(chǎn)水率提高而上升。

由圖6 可見， 進(jìn)水電導(dǎo)率約為30 000 μS／cm，STRO 出水電導(dǎo)穩(wěn)定在1 000 μS／cm 以下， 去除率在95% 以上。 同時， 膜通量在6 ～15 L／（m2·h）范圍時， STRO 脫鹽率隨產(chǎn)水率的提高略微呈先高后低趨勢， 但變化幅度不明顯， 始終保持在98%左右。

由圖7 可見， 進(jìn)水CODCr的質(zhì)量濃度在134 ～235 mg／L 范圍時， 隨著膜通量的提高， STRO 對CODCr去除率呈現(xiàn)與DTRO 類似結(jié)果， 隨膜通量的提高呈先高后低的趨勢［5，7］。

2.1.3 DTRO 與STRO 性能對比

試驗(yàn)用STRO 的膜面積約為DTRO 的2.5 倍，為了對比在相同膜通量、 相同產(chǎn)水率條件下， 2 種膜運(yùn)行壓力及脫鹽率情況， 總結(jié)歸納上述試驗(yàn)數(shù)據(jù)中進(jìn)水流量為1 500 L／h 時STRO 的運(yùn)行參數(shù)， 以及進(jìn)水流量為600 L／h 時DTRO 的運(yùn)行參數(shù)， 并進(jìn)行對比分析， 結(jié)果如表1 所示。

由表1 可見， 在相同膜通量、 近似相同產(chǎn)水率條件下， DTRO 的運(yùn)行壓力要低于STRO 約0.2 ～0.8 MPa， 而脫鹽率方面STRO 較DTRO 高出3%～5%。

表1 同膜通量同產(chǎn)水率STRO／DTRO 運(yùn)行參數(shù)Tab. 1 Operating parameters of STRO／DTRO under the same membrane flux and production rate condition

2 種高壓反滲透膜性能出現(xiàn)差異， 主要原因在于膜組件的構(gòu)造形式、 單支膜組件過濾面積及壓力等級等方面［8-9］。 DTRO 較STRO 運(yùn)行壓力低， 得益于其獨(dú)特的開放式大流道及180° 水流轉(zhuǎn)向設(shè)計，其過濾運(yùn)行中紊流狀態(tài)保持膜表面的高速沖刷， 使得膜表面較清潔， 因此運(yùn)行壓力較低； 對于DTRO的脫鹽率較STRO 低， 分析認(rèn)為DTRO 的流道更長， 原料液在流道中流動且不斷濃縮， 提高了流道沿程過濾料液的含鹽量， 致使其出水電導(dǎo)率略高于STRO。

2.2 持續(xù)運(yùn)行試驗(yàn)

根據(jù)上述試驗(yàn)結(jié)果可知， 當(dāng)STRO 及DTRO 膜通量為10 ～15 L／（m2·h）時， 運(yùn)行壓力穩(wěn)定且脫鹽率及CODCr去除率均可維持在較高水平。 在相同膜通量、 相同產(chǎn)水率工藝參數(shù)的條件下， 模擬實(shí)際生產(chǎn)工況， 持續(xù)運(yùn)行12 d 驗(yàn)證2 種膜的穩(wěn)定性， 考察2 種膜運(yùn)行壓力及脫鹽率的變化趨勢， 工藝運(yùn)行參數(shù)如表2 所示， 試驗(yàn)結(jié)果如圖8 ～圖10 所示。

表2 持續(xù)性試驗(yàn)DTRO／STRO 運(yùn)行參數(shù)Tab. 2 Operating parameters of DTRO／STRO durative test

由圖8 可見， DTRO、 STRO 均能穩(wěn)定運(yùn)行， 運(yùn)行末期2 種膜壓力較初始壓力均上升約0.9 MPa； 試驗(yàn)期間DTRO 運(yùn)行壓力始終低于STRO 約1.0 MPa。

圖8 STRO 與DTRO 持續(xù)性試驗(yàn)運(yùn)行壓力情況Fig. 8 Operating pressures of STRO and DTRO durative tests

由圖9、 圖10 可見， 2 種膜均維持較高的脫鹽率及CODCr去除率， STRO 脫鹽率較DTRO 高2%左右， STRO 對CODCr的去除率也總體高于DTRO。

圖9 STRO 與DTRO 持續(xù)性試驗(yàn)脫鹽率情況Fig. 9 Desalinization rate of STRO and DTRO durative tests

圖10 STRO 與DTRO 持續(xù)性試驗(yàn)CODCr 去除情況Fig. 10 CODCr removal from STRO and DTRO durative tests

3 結(jié)論

（1） 采用DTRO、 STRO 兩種反滲透膜處理氣田高鹽采出水， 兩者均具有較高的脫鹽率及CODCr去除率； 隨產(chǎn)水率的提高， 運(yùn)行壓力均呈上升趨勢，脫鹽率及CODCr去除率呈先升后降趨勢； 適當(dāng)提高膜通量有利于提高膜的脫鹽率及CODCr去除率。

（2） 在相同膜通量及產(chǎn)水率工況下， DTRO 的運(yùn)行壓力較STRO 低約1.0 MPa， STRO 脫鹽率較DTRO 高約2%， STRO 對CODCr的去除率也總體高于DTRO。

（3） 2 種膜均可用于氣田采出水處理工藝， 膜通量宜控制在10 ～15 L／（m2·h）范圍內(nèi)。