油田采出水回用处理试验研究

Posted 2023-01-12 超滤

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采用“生物接触氧化-微滤-超滤-反渗透"作为油田采出水处理工艺，试验考察了处理工艺对降低污水石油类物质、TOC、浊度、脱盐率、粒径、悬浮物等指标的效果。结果表明，当HRT为6～8h时，生化出水石油类物质、TOC的质量浓度分别由处理前的5～15mg/L和45～55mg/L下降到处理后的0.6～0.8mg/L和18～20mg/L；生化出水再经微滤-超滤工艺处理后，出水石油类物质的质量浓度小于0.3mg/L，浊度小于0.15NTU，污染指数小于3.0，悬浮物粒径D50小于1.0μm，悬浮物的质量浓度小于1.0mg/L。超滤出水水质不仅达到SY/T5329-2012的A1级标准，而且达到反渗透进水要求；反渗透脱盐率98%以上，可满足SY/T0097-2000规定的给水水质条件。
我国稠油资源储量丰富，分布广泛，陆上稠油、沥青储量约占石油总储量的20%。稠油的主要开采方式90%以上为蒸汽吞吐或蒸汽驱，从而导致产生大量含油污水，同时也需要大量的淡水用于热采锅炉。近年来，国家加大了节能减排的力度，如何将油田采出水深度处理后回注或回用于热采锅炉是摆在各个油田面前亟待解决的难题。
采油污水深度处理的对象主要包括部分分散油和乳化油、无机盐以及大量有机物[2-3]。膜分离技术具有能耗低、对细菌等微生物截留效果好、结构简单、操作容易、占地面积小和易于扩大生产等优点，已经应用于油田采出水处理[4-8]。但若将膜直接应用于油田采出水处理，则存在膜通量降低、出水水质经常恶化、膜污染严重而清洗频繁等问题。因此，集成膜技术和其它技术，发挥各技术的优势，克服其局限性是当前处理油田含油废水的热点方法[10-13]。
本研究拟以某污水处理站外输污水为水源，采用生化-微滤-超滤-反渗透的集成工艺处理油田采出污水，同时解决低渗透、超低渗透和稠油热采锅炉用水的问题。
1.材料与方法
1.1试验原水
室内试验用水为某油田污水站外输污水，污水总盐度为21116mg/L，其余水质分析结果见表1。

1.2试验流程
设计生化、微滤和超滤最大处理量为3m3/h，淡水产量为0.5m3/h，产水率为40%。试验流程如图1所示。

工艺中主要处理单元的特点及作用如下：
(1)生物接触氧化：菌种来源及生物接触氧化培养方法见文献。采用2级处理，汽水体积比为10：1，HRT为6～8h，DO的质量浓度为2～3mg/L。
(2)微滤：试验采用新型无机炭膜，膜孔径为0.1μm，接触角为0.3°，在0.2MPa下微滤处理水体积流量为3m3/h。
(3)超滤：对比试验采用小型膜组件，操作压力0.15MPa，膜面积0.4m2。采用错流过滤，1个周期运行时间30min，反冲洗60s。现场试验超滤膜组件为LH3-0450-V，初始产水体积流量3m3/h。超滤试验所用的超滤膜截留相对分子质量均为50×103，主要用于去除细菌及大分子污染物等胶体物质。
(4)反渗透：反渗透膜采用SWC1-4040膜，采用1级2段工艺，最大进水浊度1.0NTU，最大进水污染指数(SDI)为5，最大进水压力8.27MPa。超滤膜组件选用PVC合金中空纤维超滤膜，操作压力0.08～0.16MPa，错流过滤，1个周期运行时间30min，反冲洗60s。超滤膜组件的截留相对分子质量为50×103。1.3分析仪器及方法
石油类含量测定根据GB/T16488-1996采用红外测油仪测定；浊度采用WGZ-2B浊度仪测定；TOC含量采用multiN/C3100TOC顶级总有机碳/总氮分析仪测定，SDI采用美国某公司产0.45μm滤膜测定。
2.结果与讨论
2.1生化系统的污染物去除效果
2.1.1除油
生化进水水质影响生化处理效果，试验用水为污水站核桃壳过滤出水，石油类的质量浓度在5～15mg/L内波动。生化系统启动阶段投加高效烃降解菌群SL-16，运行过程中按m(TOC)：m(N)：m(P)=100：5：1的比例投加营养物质，并控制生化池温度30～45℃，促进高温菌群的生长，保证降解效果。试验结果如表2所示。

由于进水水质、菌种和温度已确定，因此HRT成为主要决定因素。由表2可知，当HRT大于6h，生化出水的石油类的质量浓度可控制在1mg/L以下；HRT越长，生化出水的石油类含量越低，但运行费用高。综合比较确定生化处理的HRT宜为6～8h。
2.1.2除TOC
污水中Cl-的质量浓度高达12g/L以上，给COD的检测造成极大干扰(重铬酸钾法)，误差大，而且不能准确反映生化出水中对膜产生污染的有机污染物的含量。由于油田采出水生化处理出水中的有机污染物主要为石油类及微生物代谢产物等含碳有机物，因此，用TOC含量来表征对膜容易产生污染的污染物含量比COD更加合理。表3为生化工艺对TOC去除效果，试验污水中TOC的质量浓度在45～55mg/L，略有波动。

由表3可知，HRT大于6h时，生化出水中TOC的质量浓度低于20mg/L，污水中的有机污染物得到有效去除，为膜系统的稳定运行提供了保证。
2.2微滤-超滤组合工艺处理效果
2.2.1SDI
SDI用于检测水中胶体和悬浮物等微粒多少，是表征反渗透系统进水水质的重要指标。通常反渗透给水要求SDI小于3。图2为微滤-超滤组合工艺出水的SDI，超滤出水SDI平均为2.3，满足反渗透进水水质要求。

2.2.2浊度
超滤作为反渗透预处理，衡量超滤出水的一个重要指标是超滤出水的浊度。图3为微滤和超滤对浊度的去除效果，试验期间系统进水的浊度在7～12NTU波动。

由图3可知，经过微滤处理后浊度在1～3NTU。微滤的主要作用是去除对提供浊度的污染物，为超滤提供预处理。超滤进一步处理微滤出水，出水浊度小于0.15NTU，满足反渗透给水浊度小0.2NTU的要求。
2.2.3石油类物质
微滤-超滤膜组合工艺对石油类有进一步的去除效果，如图4所示，生化出水石油含量0.6～0.8mg/L。

由表4可知，超滤出水悬浮物的质量浓度小于1mg/L，粒径D50小于1μm，水质达到SY/T5329-2012规定的A1级标准。生化+微滤+超滤工艺可以用于低渗透和超低渗透油藏回注水处理。
2.2.5超滤膜的膜通量
膜通量是表征膜性能的主要参数。图5为采用微滤作为预处理对超滤膜通量J随时间变化规律的影响及周期反冲洗对超滤膜渗透通量的影响。

由图5可知，生化处理出水直接超滤，每个周期的膜通量下降40%左右，且水利反冲洗膜通量恢复效果差，膜通量不能完全恢复。生化水处理出水经微滤处理后再超滤，周期内膜通量下降幅度小于15%，并且水力反冲通量恢复效果明显改善，基本可以恢复膜通量。微滤过滤去除了大颗粒悬浮物及部分残余油，从而保障了超滤膜的长时间稳定运行。
2.3反渗透装置脱盐效果
污水的电导率γ在16～20mS/cm波动，平均为18.77mS/cm。电导率长期跟踪测试结果见图6。

由图6可知，产水的电导率波动较小，在0.20～0.35mS/cm，平均为0.285mS/cm。经过“生化-微滤-超滤"预处理后出水各项指标达到了反渗透进水要求，保障了反渗透的经济稳定运行，反渗透系统的脱盐率比较稳定，平均脱盐率为98.48%。
3.结论
采用“生化-微滤-超滤-反渗透"集成工艺实现油田采出水资源化处理，在技术上是可行的。反渗透脱盐率高达98%以上，可以满足SY/T0097-2000规定的给水水质条件要求，整套工艺可以用于稠油热采污水的回用处理。
生化出水石油类物质、TOC的质量浓度分别由处理前的5～15mg/L和45～55mg/L下降到处理后的0.3～0.8mg/L和18～20mg/L；生化出水再经“微滤-超滤"工艺处理后，石油类物质的质量浓度小于0.3mg/L，出水SDI小于3.0，浊度小于0.2NTU，达到反渗透进水要求。“生化-微滤-超滤"可以作为反渗透的预处理。
超滤出水水质达到SY/T5329-2012规定的A1级标准，“生化-微滤-超滤"工艺也可以用于低渗透油田和超低渗透油田回注水的处理。