王興旺，魏蓓，葉霖，紀(jì)麗麗，魏立新

科學(xué)研究

聚驅(qū)采油污水絮凝-氣浮處理現(xiàn)場試驗

王興旺1，魏蓓1，葉霖2，紀(jì)麗麗2，魏立新2

（1. 中國石化石油勘探開發(fā)研究院，北京 102206； 2. 東北石油大學(xué)教育部提高采收率重點實驗室，大慶 163318）

為了保證聚驅(qū)采油污水的處理效果，開展氣浮模擬實驗，并進行絮凝劑和浮選劑種類、濃度的評價優(yōu)選，然后開展現(xiàn)場試驗。結(jié)果表明，相同時間內(nèi)氣浮處理可以將除油率和懸浮物去除率分別提高22.04%~29.50%和4.90%~10.75%。高分子絮凝劑的絮凝效果好于低分子絮凝劑，有機絮凝劑的絮凝效果好于無機絮凝劑，實驗優(yōu)選出質(zhì)量濃度為20 mg·L-1的PAFC和10 mg·L-1的APAM作為絮凝劑，具有極性-非極性分子結(jié)構(gòu)的浮選劑FJ，其質(zhì)量濃度為30 mg·L-1。結(jié)合現(xiàn)場氣浮工藝參數(shù)和篩選出的藥劑及用量，除油率和懸浮物去除率分別提高至68.14%、36.85%。

聚驅(qū)采油污水；氣浮工藝；藥劑篩選；試驗研究

全國范圍內(nèi)多數(shù)大型油田采用聚合物驅(qū)油技術(shù)作為三次采油的關(guān)鍵技術(shù)，在提高采收率的同時，產(chǎn)生的含聚污水量不斷增加。與普通水驅(qū)油田產(chǎn)生的污水相比，含聚合物的污水具有水相黏度高，油水乳化作用更嚴(yán)重，對油滴和懸浮物的上浮、沉淀抵抗阻力大等特點，造成常規(guī)的油田污水“兩級沉降+一級過濾”[1]處理工藝中重要設(shè)備沉降罐在處理過程中的效果變差，影響后續(xù)過濾過程的處理效果，導(dǎo)致注水水質(zhì)達不到標(biāo)準(zhǔn)。氣浮技術(shù)是將大量高度分散的氣泡傳遞到水中以黏附雜質(zhì)并隨氣泡漂浮到表面，完成水-雜質(zhì)分離的凈水方法，廣泛應(yīng)用在造紙業(yè)、生活污水處理和采礦工程中。根據(jù)產(chǎn)生氣泡的方法不同，氣浮工藝主要分為吸氣氣浮、渦凹氣浮、溶氣氣浮、電解氣浮等[2-6]。其中溶氣氣浮具有工藝穩(wěn)定、效果好、易于管理等優(yōu)點，在油田水驅(qū)采油污水處理中取得了較好的應(yīng)用[7-8]。但是，聚驅(qū)采油污水的水質(zhì)發(fā)生了比較大的變化，處理效果有待于實踐檢驗。因此，在室內(nèi)進行模擬氣浮實驗，考察氣浮工藝對聚驅(qū)采油污水的處理效果，進行相應(yīng)的絮凝劑、浮選劑篩選，通過現(xiàn)場試驗考察藥劑實用性。

1 氣浮-沉降模擬實驗

1.1 實驗原理及裝置

溶氣氣浮依據(jù)不同壓力下氣泡在水中的溶解度不同的原理產(chǎn)生氣泡。在較高壓力下，氣體溶于水，形成過飽和溶解狀態(tài)；驟然減壓至常壓下，氣體從水中解析釋放，產(chǎn)生微細氣泡，釋放到水中，發(fā)揮氣浮的凈水作用。圖1所示為自行組裝的氣浮實驗?zāi)M裝置示意圖，具體實驗過程如下：空壓機連接盛裝實驗用水的溶氣罐（有攪拌），壓縮并排放空氣，形成氣液的混合，將其通過管道通入水質(zhì)沉降罐中，由于突然的減壓作用，氣水混合液經(jīng)過罐內(nèi)的微細孔膜釋放其中的過飽和空氣，在水中吹氣并產(chǎn)生大量微小氣泡，在氣泡逸散上浮的過程中，與油滴碰撞、黏附，大大降低了二者整體的密度，加快油滴上浮，促進與其他油滴、懸浮雜質(zhì)碰撞和聚結(jié)，從而實現(xiàn)微小氣泡黏附、攜帶細小油滴和懸浮物到水面以凈化水質(zhì)的目的，上浮到水面的油滴和懸浮雜質(zhì)形成的浮渣定期排出。利用玻璃沉降柱開展靜態(tài)沉降實驗作為對照，分別從中下部相同縱向位置取樣，考察氣浮處理效果。

圖1 氣浮-沉降模擬實驗裝置示意圖

1.2 實驗結(jié)果及分析

實驗原水為聚驅(qū)污水站總來水，其中含聚質(zhì)量濃度511.7 mg·L-1，含油質(zhì)量濃度237.3 mg·L-1，懸浮物質(zhì)量濃度179.5 mg·L-1，在剪切乳化罐內(nèi)保持乳化狀態(tài)。氣源壓力0.8 MPa，減壓閥調(diào)整后降低為0.45 MPa。流量1 L·min-1，氣泡直徑50 μm，實驗溫度35 ℃。具體實驗結(jié)果如表1所示。

表1 氣浮-沉降與靜態(tài)沉降的處理效果對比

分析靜態(tài)沉降和模擬氣浮-沉降這兩種實驗對含聚污水的處理效果，對比可知氣浮-沉降顯著改善了油水分離過程的流場，提高了處理效果。油滴的表面具有疏水性，被上浮的氣泡碰撞黏附帶到液面，使一部分本來被水相裹挾的油滴隨著氣泡上浮而被去除。相同處理時間內(nèi)的除油率和懸浮物去除率分別提高22.04%~29.50%和4.90%~10.75%。因此，在污水站的沉降罐內(nèi)進行工藝改造，增加氣浮選設(shè)施可以提高含聚污水處理效果。

2 絮凝劑、浮選劑評價優(yōu)選

2.1 作用原理及評價優(yōu)選原則

1）絮凝劑

聚并作用是絮凝過程的理論基礎(chǔ)，絮凝劑促進帶有正（負）電性的基團和水中帶有負（正）電性顆?；ハ嗫拷瑢⑦@部分分離困難的顆粒電勢降低，削弱穩(wěn)定性，并利用藥劑的聚并特性使這些顆粒靠近、集中，有利于通過重力沉降或其他化學(xué)方法將其從水中徹底分離出來。含聚污水中乳化油滴量大且難以分離，絮凝劑壓縮油滴的雙電層，破壞了界面上的乳化油膜，使其脫穩(wěn)變得不穩(wěn)定，從而使油和水分離[2, 10]。并且還可以對污水中其他有機或無機雜質(zhì)進行絮凝作用，共同產(chǎn)生沉淀，從而促進水中油滴、懸浮物等雜質(zhì)的聚集、上?。ǔ两担┧俣萚10, 13]。有機陽離子高分子絮凝劑不適合處理含聚污水，因為它會和污水中的陰離子型聚合物電中和。一方面，所需的藥劑投加量將顯著增加；另一方面，它會產(chǎn)生黏彈性膠狀物，他具有很強的黏性附著力，在后續(xù)過濾工藝中會與濾料粘合，在反沖洗時也難以將濾料表面的膠狀物沖洗、剝離掉，隨著生產(chǎn)周期的持續(xù)進行，膠狀物在過濾罐表層濾料中不斷存積，會降低過濾性能，造成過濾罐憋壓堵塞，影響污水處理站的正常生產(chǎn)。

2）浮選劑

污水中，油滴屬于疏水性顆粒，比重小于水，因此特別適合于氣浮法進行分離。此外，污水中還存在不易被氣泡黏附的親水性顆粒，加入浮選類藥劑可以對其改性。親水性物質(zhì)選擇性吸附浮選劑的極性基團，并將非極性基團朝向水中，因此雜質(zhì)的表面由親水性表面轉(zhuǎn)化為疏水性表面并與氣泡附著，隨著密度較輕的氣泡共同上浮到液位表面[11-14]。另外，浮選劑的添加不僅在氣浮工藝中將絮粒的潤濕性改變，而且促進穩(wěn)定、微小氣泡的形成，輔助更多的絮粒雜質(zhì)被氣泡黏附分離。但是出于同樣的原因，含聚污水處理中也不適合選用陽離子型浮選劑，而兼具絮凝、反相破乳、降低表面張力的陰離子或非離子型浮選劑則是含聚污水氣浮處理工藝的首選，能夠提高浮選油滴的去除率和懸浮物的去除率。

2.2 藥劑評價優(yōu)選結(jié)果

以除油率為主要評價指標(biāo)，開展不同類型、劑量的含聚污水處理用絮凝劑和浮選劑效果評價[15-16]。選擇的待評估藥劑是低分子無機絮凝劑AlCl3和FeCl3；高分子無機絮凝劑聚合氯化鋁鐵（PAFC）;有機絮凝劑陰離子聚丙烯酰胺（APAM）。浮選劑：陰離子型高分子聚合物FY-FE，極性-非極性高分子聚合物FJ。實驗結(jié)果如表2所示。

從原水的處理結(jié)果可以看出，在其他氣浮-沉降條件相同的情況下，高分子絮凝劑的絮凝效果要優(yōu)于低分子絮凝劑，有機絮凝劑好于無機絮凝劑，20 mg·L-1聚合氯化鋁鐵（0.05元/方水）和10 mg·L-1陰離子聚丙烯酰胺（0.07元/方水）的除油率超過60％。當(dāng)氣浮處理加入浮選劑時，具有極性-非極性分子結(jié)構(gòu)的浮選劑FJ在相同的劑量下的浮選、除油效果更好，30 mg·L-1（0.30元/方水）時除油率為60.6%[13]。關(guān)于陰離子聚丙烯酰胺絮凝劑，其分子鏈中含有一些極性基團，可以吸附懸浮在水中的油滴和顆粒，在架橋作用下成為較大的絮凝物，從而加速油滴、顆粒在水中的上升（沉降）。加快澄清凈化污水的效果非常明顯，能夠有利于后續(xù)過濾等工藝的處理效果。關(guān)于浮選劑，具有極性-非極性分子結(jié)構(gòu)的高分子聚合物含有親水和疏水基團，可以增強乳化油表面的疏水性，提升氣泡和油滴之間的附著力，使油滴黏附在多種尺寸的氣泡上，與氣泡一起漂浮到水面。

表2 絮凝劑、浮選劑室內(nèi)評價優(yōu)選實驗結(jié)果

3 氣浮現(xiàn)場試驗

在某油田含聚污水站內(nèi)開展現(xiàn)場試驗，考察氣浮運行參數(shù)下室內(nèi)篩選出的藥劑在現(xiàn)場的適用性。沉降罐工藝簡單、經(jīng)濟、處理量大、抗水質(zhì)波動能力強，是污水處理工藝的首道工序，在其中增加氣浮選設(shè)施可以為氣泡攜帶油滴上浮提供更大的分離高度，也可以使油滴-氣泡黏附體在低雷諾數(shù)下更好的上浮，充分發(fā)揮氣浮工藝的處理優(yōu)勢。如圖2和圖3所示，4圈等距布置的環(huán)狀氣浮溶氣水釋放管線距離收油槽3.0 m，72個釋放頭分布在其上。氣浮運行參數(shù)為壓力0.45 MPa，回流比30%，氣泡釋放頭產(chǎn)生的氣泡直徑約為60 μm。

圖2 氣浮工藝示意圖

藥劑只有充分分散，才能增加與油滴、懸浮顆粒的接觸、碰撞的概率，促使顆粒脫穩(wěn)。藥劑與含聚污水的混合過程大約在10~30 s之內(nèi)完成，混合需要攪拌動力，采用管道式水力攪拌，在回流水進入氣浮裝置前作為浮選劑加藥點，絮凝劑在沉降罐進水管上投加，使含聚污水在進入沉降罐前就產(chǎn)生細小絮體，但還未達到自然沉降的粒度，然后利用沉降罐的大容積為細小絮體提供停留時間和適當(dāng)?shù)臄嚢鑿姸?，使其碰撞長大，有利于上浮到水面。沉降罐收油方式為連續(xù)收油，處理量為11 000 m3·d-1，沉降罐入口的原水含油、懸浮物和含聚質(zhì)量濃度分別為416.9、153.5和537.1 mg·L-1。藥劑投加1 h后，連續(xù)取樣測試出口水質(zhì)10 h。

圖3 溶氣裝置圖

氣體通過溶氣裝置后，在浮選劑的作用下，形成的氣泡分散系具有較強的疏水性，作為載體，這些細小且均勻的氣泡會黏附并去除油滴和懸浮物。由圖4和圖5可知，在氣浮的作用下，除油率和懸浮物去除率分別為52.98%、25.62%，說明氣浮工藝對于油滴的黏附效果好于懸浮物。當(dāng)絮凝劑和浮選劑投加后，二者的去除率達到了68.14%、36.85%。藥劑的投加，顯著提高了處理效果，同時也可以看出，并非所有的懸浮物都能受到藥劑的影響加強絮凝效果、改變表面的疏水性，因此，加藥后懸浮物去除率的提高程度較除油率相對較小。

圖4 氣浮對油滴的處理效果

圖5 氣浮對懸浮物的處理效果

加藥絮凝工藝充分借助了沉降罐容積大、抗水質(zhì)波動大、沉降時間長的優(yōu)點，大大提高了一次沉降罐的除油率和懸浮物去除率，一次沉降罐處理效果的提高，減輕了后續(xù)二次沉降罐和過濾罐的處理壓力，實現(xiàn)了整個含聚污水處理工藝的提效，含油量和懸浮物質(zhì)量濃度在濾后都小于5 mg·L-1，水質(zhì)達標(biāo)。

4 結(jié) 論

1）分析室內(nèi)氣浮-沉降模擬實驗與靜態(tài)沉降實驗對含聚污水的處理效果表明，氣浮-沉降明顯提高了含聚污水的處理效果。在相同處理時間內(nèi)，除油率和懸浮物去除率分別提高22.04%~29.50%和4.90%~10.75%。

2）可以改造沉降罐，在其中增加氣浮選設(shè)施以改善含聚污水處理效果。進一步開展藥劑篩選實驗表明，高分子絮凝劑的絮凝效果優(yōu)于低分子絮凝劑，有機絮凝劑的絮凝效果優(yōu)于無機絮凝劑?；跉飧?沉降模擬實驗及裝置，優(yōu)選得到20 mg·L-1的聚合氯化鋁鐵和10 mg·L-1的陰離子聚丙烯酰胺作為絮凝劑，以及質(zhì)量濃度為30 mg·L-1的含有極性-非極性分子結(jié)構(gòu)的浮選劑FJ。

3）結(jié)合現(xiàn)場氣浮工藝參數(shù)、配合實驗室篩選出的藥劑，除油率和懸浮物去除率分別為68.14%、36.85%，減輕了后續(xù)二次沉降罐和過濾罐的處理壓力，過濾后的注水水質(zhì)達標(biāo)。

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Field test on Treatment of Polymer Flooding Produced Water by Flocculation-Air Flotation Process

1,1,2,2,2

（1. Sinopec Petroleum Exploration and Production Research Institute, Beijing 100083, China;2. Key Laboratory of Enhanced Oil Recovery (Ministry of Education), Northeast Petroleum University, Daqing Heilongjiang 163318, China）

In order to guarantee the treatment effect of polymer flooding produced water, flocculation-air flotation indoor experiments were carried out in the laboratory, and different flocculants and flotation agents were evaluated and tested. And then field test was carried out. The results showed that,in the same treatment time, air flotation treatment could increase the oil removal rate and the suspended solid removal rate by 22.04%~29.50% and 4.90%~10.75%,respectively. For flocculation effect, using high molecular flocculant was better than that of low molecular flocculant, in the meanwhile the organic flocculant exhibited better flocculation effect than the inorganic flocculant. Based on the indoor evaluation experiments, 20 mg·L-1polymeric aluminum ferric chloride (PAFC) and 10 mg·L-1anionic polyacrylamide (APAM) were selected as the optimum flocculants, and the flotation agent FJ with polar-nonpolar molecular structure showed the best results at the mass concentration of 30 mg·L-1. Combined with the air flotation process parameters and the agents and dosage selected in the laboratory, the oil removal rate and the suspended solid removal rate reached 68.14% and 36.85%, respectively.

Polymer flooding produced water; Air-flotation technology; Agents screening; Experimental research

國家自然科學(xué)基金（項目編號：51674086，52074090）。

2021-01-21

王興旺（1990-），男，工程師，博士，主要從事油田采出水處理方面的研究。E-mail：xingwang.syky@sinopec.com。

TE992

A

1004-0935（2021）04-0427-05