唐坤利 唐曉梅 鮑靜 韓繼博 刁兆軍

1.中國(guó)石油新疆油田分公司準(zhǔn)東采油廠 2.中國(guó)石油長(zhǎng)慶油田分公司采氣一廠

在油氣開(kāi)采中，油田污水的處理一直伴隨油氣生產(chǎn)[1-10]。準(zhǔn)東采油廠彩南作業(yè)區(qū)建有油氣水處理、注水及供熱系統(tǒng)等綜合站庫(kù)一座。污水處理系統(tǒng)投產(chǎn)后，系統(tǒng)中產(chǎn)生大量浮渣并在系統(tǒng)中循環(huán)，導(dǎo)致污水處理水質(zhì)不達(dá)標(biāo)和原油系統(tǒng)處理困難，外交原油含水不達(dá)標(biāo)。通過(guò)分析污水處理系統(tǒng)浮渣成分和產(chǎn)生的機(jī)理，開(kāi)展浮渣控制和水質(zhì)穩(wěn)定技術(shù)研究，實(shí)現(xiàn)污水處理站水質(zhì)達(dá)標(biāo)和原油系統(tǒng)正常平穩(wěn)運(yùn)行。

1 系統(tǒng)現(xiàn)狀及存在問(wèn)題

1.1 系統(tǒng)現(xiàn)狀

彩南污水處理系統(tǒng)采用重力除油、旋流自氣浮反應(yīng)、兩級(jí)過(guò)濾、電解鹽殺菌處理工藝，出站水質(zhì)ρ(油)≤5 mg/L、ρ(懸浮物)≤3 mg/L。污泥處理采用沉降分離，離心脫水技術(shù)。設(shè)計(jì)處理能力為15 000 m3/d，實(shí)際處理量為7500～8500 m3/d，工藝流程見(jiàn)圖1。

1.2 存在問(wèn)題

1.2.1污水系統(tǒng)回收水影響污水處理出站水質(zhì)

由污水處理節(jié)點(diǎn)圖可見(jiàn)(見(jiàn)圖2)，原油系統(tǒng)來(lái)水達(dá)標(biāo)，但因300 m3污水回收池回收水油含量、懸浮物含量嚴(yán)重超標(biāo)，從而使下游系統(tǒng)各節(jié)點(diǎn)均不達(dá)標(biāo)，最終導(dǎo)致彩南污水水質(zhì)不達(dá)標(biāo)。

1.2.2高油含量浮渣影響濃縮池沉降效果和回收水水質(zhì)

因原油與污水系統(tǒng)排污共用400 m3污泥濃縮池，從池內(nèi)分層取樣分析數(shù)據(jù)可以看出(見(jiàn)表1)，池頂樣品油含量、懸浮物含量大，油水界面分層不明顯，至池底3.5 m處水含量才有所提高。因池內(nèi)沉降效果不好，影響了污水回收水水質(zhì)。

1.2.3離心機(jī)工作效率低下

離心機(jī)進(jìn)液w(油)為15%～35%，遠(yuǎn)超出機(jī)組設(shè)計(jì)w(油)小于8%的進(jìn)料要求。導(dǎo)致污泥密度低，離心分離效果差，實(shí)際出泥量?jī)H達(dá)30%～40%，遠(yuǎn)低于設(shè)計(jì)出泥量80%。未脫除部分則由脫除水?dāng)y帶至污水回收池，進(jìn)而影響污水回收水水質(zhì)。

表1 污泥濃縮池分層取樣的組成分析Table 1 Physical property of the stratified samples in sludge thickening tank取樣位置組成,w/%油水懸浮物污泥池液面49.717.333.0污泥池液下0.5 m44.230.725.2污泥池液下1.0 m34.744.720.6污泥池液下1.5 m30.940.428.7污泥池液下2.0 m28.949.122.0污泥池液下2.5 m18.568.712.8污泥池液下3.0 m14.379.86.0污泥池液下3.5 m0.696.43.0

通過(guò)系統(tǒng)分析，發(fā)現(xiàn)油田注入水水質(zhì)不達(dá)標(biāo)的主要原因是由于浮渣無(wú)法有效去除而導(dǎo)致處理后的水無(wú)法達(dá)到回注要求。為提升污水處理效果，可從提升浮渣處理效果著手研究。

2 浮渣成因及控制技術(shù)研究

2.1 浮渣成因

2.1.1浮渣構(gòu)成及特點(diǎn)

分析沉降罐和反應(yīng)罐浮渣的XRD圖譜(見(jiàn)圖3)，發(fā)現(xiàn)圖譜中出現(xiàn)大包峰，說(shuō)明浮渣顆粒以不定型狀態(tài)存在，顆粒多孔、質(zhì)輕、松軟，吸附性較強(qiáng)，易于懸浮于液體表面。進(jìn)一步分析不同部位浮渣金屬氧化物組成(見(jiàn)表2)，確定浮渣主要無(wú)機(jī)成分為Al2O3，其主要來(lái)源為凈水藥劑。分析不同部位浮渣Zeta電位，均較低(見(jiàn)表3)，說(shuō)明浮渣凝聚性好，體系穩(wěn)定，通過(guò)沉降不易分離。

表2 不同部位浮渣金屬氧化物組成分析結(jié)果Table 2 Analysis results of scum metal oxide composition in different parts不同部位浮渣金屬氧化物, w/%Al2O3CaOMgO3000 m3溢流口浮渣58.241.80.0反應(yīng)器出口浮渣94.84.50.7400 m3污泥濃縮池上部浮渣96.23.40.4

表3 不同部位浮渣物性分析結(jié)果Table 3 Physical analysis results of scum in different parts不同部位浮渣物性pH值Zeta電位/mV平均粒徑/μmw(油)/%w(水)/%w(渣)/%3000 m3溢流口浮渣7.1-5.865.8412.356.731.0500 m3毛油罐出口浮渣7.5-3.271.8924.543.232.3400 m3污泥濃縮池上部浮渣7.3-5.366.8967.824.47.8

2.1.2浮渣形成的水質(zhì)特點(diǎn)

通過(guò)表4污水處理站調(diào)儲(chǔ)罐出口含油污水常規(guī)水質(zhì)分析可以得到，浮渣形成的水質(zhì)有以下特點(diǎn)：

(1) 高堿度：水中含有大量的HCO3-離子，在中性或弱酸性環(huán)境下(藥劑混凝反應(yīng)過(guò)程中)，水中易產(chǎn)生游離CO2，并從水中溢出，影響絮體的沉降速度。

表4 污水處理站調(diào)儲(chǔ)罐出口含油污水常規(guī)水質(zhì)分析Table 4 Analysis of conventional water quality of oily sewage at storage tank outlet of sewage treatment station檢測(cè)參數(shù)樣品1(取樣時(shí)間2017-03-31)樣品2(取樣時(shí)間2017-06-15)ρ(Na++K+)/(mg·L-1)2 938.203 458.90ρ(Mg2+)/(mg·L-1)7.509.56ρ(Ca2+)/(mg·L-1)61.8569.35ρ(Cl-)/(mg·L-1)3 881.564 739.91ρ(SO2-4)/(mg·L-1)242.5098.60ρ(CO2-3)/(mg·L-1)0.000.00ρ(HCO-3)/(mg·L-1)1 031.771 084.70pH值7.497.38礦化度/(mg·L-1)8 163.398 918.67水型NaHCO3NaHCO3ρ(硫化物)/(mg·L-1)10～1213ρ(總鐵)/(mg·L-1)<0.3<0.3ρ(侵蝕性CO2)/(mg·L-1)3.65.0～8.0

(2) 含有較高的硫化物：水中硫化物在凈水過(guò)程中，若得不到有效去除，影響注水沿程水質(zhì)穩(wěn)定性，特別是水中懸浮物含量和粒徑中值會(huì)出現(xiàn)上升的趨勢(shì)。

2.2 浮渣控制技術(shù)

2.2.1控制pH值

控制pH值減少CO2的溢出，從而控制絮體上浮，提升絮體的去除效果。彩南集中處理站污水系統(tǒng)來(lái)液具有較高堿度，在中性或酸性條件下，水中易產(chǎn)生游離CO2。根據(jù)這個(gè)特點(diǎn)，對(duì)彩南污水系統(tǒng)來(lái)水進(jìn)行pH值調(diào)節(jié)，在原有藥劑基礎(chǔ)上增加pH值調(diào)節(jié)劑，同時(shí)兼顧控制pH值增加可能導(dǎo)致的系統(tǒng)結(jié)垢。由試驗(yàn)結(jié)果可以看出(見(jiàn)圖4)，針對(duì)水中溶解氣不確定的情況，增加30～50 mg/L的pH值調(diào)節(jié)劑后，可改善混凝凈化過(guò)程絮體的下沉效果。水中Ca2+含量變化不大(見(jiàn)表5)，可避免污水處理和注水系統(tǒng)的結(jié)垢現(xiàn)象發(fā)生。雖然污水中的浮渣開(kāi)始下沉，但絮體松散，需要對(duì)其凈水藥劑進(jìn)行優(yōu)化。

表5 增加pH值調(diào)節(jié)劑前后水質(zhì)穩(wěn)定性評(píng)價(jià)結(jié)果(取樣時(shí)間2017-06-15)Table 5 Stability analysis of the water quality before and after adding pH conditioner(Sampling time:2017-06-15)樣品名稱恒溫時(shí)間水質(zhì)pH值ρ(CO2- 3)/ (mg·L-1)ρ(HCO-3 )/(mg·L-1)ρ(Ca2+)/(mg·L-1)ρ(Mg2+)/(mg·L-1)調(diào)儲(chǔ)罐出口凈化水1①凈化水2②0 h7.380.001 084.7069.359.567.470.001 055.7058.749.117.580.001 044.1059.8910.91調(diào)儲(chǔ)罐出口凈化水1①凈化水2②24 h7.390.001 079.5568.999.377.450.001 056.2360.119.097.590.001 043.5858.929.98 注:1.試驗(yàn)溫度:25～30 ℃。①投加pH值調(diào)節(jié)劑30 mg/L;②投加pH值調(diào)節(jié)劑50 mg/L。

2.2.2優(yōu)化凈水藥劑

根據(jù)彩南污水處理站污水物性、浮渣的特性對(duì)現(xiàn)場(chǎng)的凈水藥劑體系進(jìn)行進(jìn)一步篩選。彩南污水具有高含硫化物的特點(diǎn)，在藥劑中添加除硫劑，除去污水中的硫離子，增強(qiáng)凈化水的穩(wěn)定性；彩南浮渣的表面電荷較低，聚凝性好，使用含有陽(yáng)離子的凈水劑進(jìn)行電荷的吸附，以破壞浮渣的聚凝性；為鞏固浮渣下沉的效果，使用絮凝劑，增強(qiáng)絮凝凈化能力。通過(guò)篩選后，確定凈水藥劑體系主要由除硫劑、凈水劑、絮凝劑3種組成。通過(guò)室內(nèi)評(píng)價(jià)(見(jiàn)表6)，可以看出優(yōu)化凈水藥劑體系后，形成的絮體密實(shí)，均快速下沉，水色透亮(見(jiàn)圖5)。二價(jià)硫由7～8 mg/L下降至1 mg/L以下，除硫率達(dá)95%以上。

表6 現(xiàn)場(chǎng)藥劑體系評(píng)價(jià)效果Table 6 Evaluation of on-site chemical dosage system時(shí)間凈水劑加藥量/(mg·L-1)水色絮體狀況描述2017-05-22現(xiàn)場(chǎng)藥劑100清較大、松軟,有小絮,上浮較快優(yōu)化藥劑1100清較大、較實(shí),有小絮,下沉?xí)r間86 s,下沉3 min后上浮2017-06-16現(xiàn)場(chǎng)藥劑100清較大、松軟、有小絮,有下沉趨勢(shì)、上浮較快優(yōu)化藥劑2100清絮體較大、小絮較少,有下沉趨勢(shì)、上浮慢優(yōu)化藥劑2200清絮體大、小絮較少,有下沉趨勢(shì)、上浮慢 注:1. 試驗(yàn)中助凝劑為現(xiàn)場(chǎng)藥劑,加藥量為6 mg/L;2. 水樣為調(diào)儲(chǔ)罐出水,ρ(懸浮物)為300～350 mg/L、ρ(含油)為70～80 mg/L,水樣發(fā)黑; 3. 試驗(yàn)場(chǎng)所為調(diào)儲(chǔ)罐操作間。

2.2.3優(yōu)化排污系統(tǒng)

2.2.3.1 油氣系統(tǒng)分開(kāi)排污

聯(lián)合站建有天然氣脫硫裝置1套，脫硫裝置排污與原油系統(tǒng)排污合并進(jìn)入400 m3污泥濃縮池。天然氣脫硫裝置排污和脫硫塔蒸煮過(guò)程均攜帶大量高硫化物和含氣污水，含氣污水的進(jìn)入會(huì)破壞污泥濃縮池沉降形成的泥層、水層和過(guò)渡帶，導(dǎo)致濃縮池沉降效果變差。同時(shí)，高硫化物污水進(jìn)入污水處理系統(tǒng)，易造成注水沿程管線二次污染，影響注水沿程水質(zhì)穩(wěn)定。故將油水系統(tǒng)與氣系統(tǒng)分開(kāi)排污，改善沉降效果，切斷高硫化物來(lái)源，提高污水系統(tǒng)出口水質(zhì)穩(wěn)定性。

2.2.3.2 原油、污水系統(tǒng)分開(kāi)排污

將原油系統(tǒng)的排污與污水系統(tǒng)的排污分開(kāi)(見(jiàn)圖6、圖7)。改造后，污水系統(tǒng)排污進(jìn)入2#400 m3污泥濃縮池，原油系統(tǒng)排污進(jìn)入1#400 m3污泥濃縮池，各自沉降。確保污水排污系統(tǒng)的懸浮物在沉降過(guò)程中與原油系統(tǒng)高油含量排污接觸而導(dǎo)致其密度下降，懸浮物上浮，進(jìn)而形成浮渣或者形成密度偏低的高油含量污泥，徹底切斷高含油浮渣產(chǎn)生途徑，提高離心機(jī)出泥率，確保污水系統(tǒng)進(jìn)口水質(zhì)的穩(wěn)定。

2.2.4優(yōu)化離心機(jī)參數(shù)

2.2.4.1 差速調(diào)整

差速是離心機(jī)轉(zhuǎn)鼓轉(zhuǎn)速與螺旋轉(zhuǎn)速之差，即兩者之間相對(duì)轉(zhuǎn)速差。增大或減小差速，污泥在轉(zhuǎn)鼓內(nèi)的停留時(shí)間也將發(fā)生改變，對(duì)離心機(jī)的出泥含水和脫出水質(zhì)量產(chǎn)生直接影響。提高差速有利于提高排泥能力，但脫水時(shí)間短，出泥含水率大。因此，合理的差速控制是確保脫出水質(zhì)量和脫出泥量的重要參數(shù)。根據(jù)污泥濃縮池污泥油含量高、脫出水固含量高的特點(diǎn)，適當(dāng)提高差速(見(jiàn)表7)，減小固體顆粒向清液方向的滲透速度，減小脫出水的固含量，可提高污泥回收率。

2.2.4.2 轉(zhuǎn)鼓內(nèi)液位高度調(diào)整

調(diào)整液位調(diào)節(jié)板來(lái)調(diào)節(jié)轉(zhuǎn)鼓內(nèi)液位高度而改變分離效果。調(diào)節(jié)板的液位半徑R越小，液相越趨向清，固相越趨向濕；反之，液相趨向渾濁，固相趨向于干。根據(jù)污泥濃縮池污泥油含量高，脫除水固含量高的特點(diǎn)，適當(dāng)?shù)販p小轉(zhuǎn)鼓內(nèi)液位高度(見(jiàn)表7)，控制脫出水水質(zhì)質(zhì)量，減小脫出水中的固含量，穩(wěn)定回收水水質(zhì)。

表7 離心機(jī)參數(shù)優(yōu)化統(tǒng)計(jì)表Table 7 Parameter optimization statistics of centrifuge時(shí)間優(yōu)化前優(yōu)化后備注差速調(diào)整/(r·min-1)2017-09-2010121#污泥濃縮池供料轉(zhuǎn)鼓高度調(diào)整/cm2017-09-2053廠家調(diào)整

3 現(xiàn)場(chǎng)應(yīng)用

2017年6月完成藥劑的室內(nèi)優(yōu)化評(píng)價(jià)和排污系統(tǒng)改造，7月開(kāi)始藥劑中試和優(yōu)化后的排污系統(tǒng)運(yùn)行，同期開(kāi)展污泥離心機(jī)的參數(shù)優(yōu)化，應(yīng)用效果顯著。

3.1 出站水質(zhì)

從污水處理各節(jié)點(diǎn)圖可以看出(見(jiàn)圖8)，隨著300 m3污水回收池回收水油含量、懸浮物含量的有效控制，各節(jié)點(diǎn)水質(zhì)均達(dá)標(biāo)。綜合達(dá)標(biāo)率從37.8%提升到100%(見(jiàn)圖9)。

3.2 離心機(jī)運(yùn)行狀態(tài)

離心機(jī)進(jìn)口w(油)由46.6%下降到2.3%，出泥率從30%～40%上升到了90%，離心機(jī)效率整體提高。脫出水ρ(油)由8208 mg/L下降到63 mg/L，ρ(懸浮物)由503 mg/L下降到203 mg/L(見(jiàn)圖10)，回收水水質(zhì)得到有效控制。

4 結(jié)論

(1) 將常規(guī)分析手段和深度分析手段有機(jī)結(jié)合，明確了彩南油田污水浮渣主體由凈水藥劑配方組成，來(lái)水的高堿度導(dǎo)致浮渣形成并上浮，高硫化物導(dǎo)致處理后水質(zhì)不穩(wěn)定。

(2) 在不改變現(xiàn)場(chǎng)主體工藝的基礎(chǔ)上，根據(jù)系統(tǒng)來(lái)液水質(zhì)特點(diǎn)，通過(guò)藥劑配方體系優(yōu)化，研制開(kāi)發(fā)出兼脫硫、凈水為一體的凈水藥劑體系。

(3) 油氣水系統(tǒng)排污分開(kāi)，穩(wěn)定污水回收水水質(zhì)，提高污泥離心機(jī)脫泥率，減少浮渣系統(tǒng)循環(huán)量。

(4) 以水質(zhì)穩(wěn)定為核心，圍繞主體工藝，提出源頭治理、點(diǎn)面結(jié)合的工作思路，開(kāi)展水質(zhì)穩(wěn)定技術(shù)應(yīng)用及工藝調(diào)整，為井口水質(zhì)達(dá)標(biāo)奠定堅(jiān)實(shí)基礎(chǔ)。