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特低渗透油层含油污水处理工艺新技术 聂春红 1， 2 王宝辉 1 1． 东北石油大学化学化工学院，黑龙江 大庆 163318;2． 绥化学院食品与制药工程学院， 黑龙江 绥化 152061 摘要 针对大庆油田低渗透油层水处理工艺存在的问题， 设计了金刚砂过滤工艺。进行过滤效果及现场应用稳定性试 验， 通过工艺的调整及参数的优化， 使其出水指标稳定， 确定其最佳滤速、 反洗再生、 级配等运行工艺参数。并对其技 术、 经济性评价分析， 确定为适合油田的精细过滤技术。 关键词 油田; 低渗透; 含油污水 NEW OILY WASTE WATER TREATMENT PROCESS IN THE LOW- PERMEABILITY OIL FIELDS Nie Chunhong1， 2Wang Baohui1 1． Northeast Petroleum University，Daqing 163318，China; 2． School of Food and Pharmaceutical Engineering，Suihua College，Suihua 152061 AbstractCarborundum-filtration process has been devised to solve the problems resulted from wastewater treatment process of low permeability reservoirs in Daqing Oil Field． Experiments of its stability，filter effects and on-site application have been done． Effluent indices have been stable as a result of process adjustment，optimization of parameters and the best filtration rate，the operation parameters of backwash，regeneration and gradation have been determined． After analysis of its process technology and economic uation，carborundum-filtration process has been determined to be fine filtration technology for oil fields． Keywordsoil field;low permeability;oily waste water 油田污水主要含油田采出水、 钻井污水及其他类 型的含油污水。常用的采油污水处理方法为物理法、 化学法和生化法 3 类， 其中的膜分离法、 磁吸附分离 法和高级氧化法是目前研究及应用的热点 ［1］。大庆 油 田 低 渗 透 油 层 渗 透 率 20 10 － 3 ～ 100 10 － 3 μm 2 水处理工艺使用的终端保障技术基本上采 用纤维滤芯、 小颗粒多层砂滤 0. 25 ～ 0. 5 mm 等， 属 于精微滤范畴， 出水水质达低渗透油层回注水标准指 标 SY/T 532994中华人民共和国石油天然气行业 标准 技术成熟。但对于特低渗透油层 低于 20 10 － 3 μm 2 要 求 含 油 量 ≤5 mg/L、 悬 浮 物 固 体 含 量 ≤1 mg/L、 悬浮物粒径中值≤1 μm 。目前油田在精滤 后均采用了分离精度高的超滤膜技术 ［2- 3］， 该技术在水 质过滤性能方面可达特低渗透油层回注水标准指标， 但在设备运行成本、 降低管理难度等方面仍存在问题。 金刚砂精细过滤工艺可提高性价比， 在技术经济上、 生 产管理上均适合油田的水质高精度处理技术。 1金刚砂过滤器结构 1. 1细小颗粒滤料成分 优选结果 金刚砂滤料 d 0. 10 ～ 0. 20 mm， 磁铁 矿或石英砂 d 0. 25 ～ 0. 50 mm。 1. 2过滤器结构配置 金刚砂过滤器采用细小混合滤料作为滤层， 滤料 比表面积大、 孔隙小及优选合适的滤层厚度保证过滤 精度高。但细小滤料的恢复能力与滤层的稳定性标 志着过滤器能否长期稳定运行， 为此， 针对细小滤料 的反洗再生难及易于流失等问题， 滤罐采用双路反 洗、 消能板、 立体网格搅拌器等配置保证其长期运行 稳定。滤罐结构见图 1。 各组成部分技术特点 1 双路反洗技术。常规过滤器的反洗水均由过 滤进水筛管排出， 由于单一出路， 容易被杂质堵塞， 并 且在反洗强度大时， 滤料容易流失。金刚砂滤罐反洗 时， 采用 2 条反洗出水回路并结合变频反洗， 过程主 8 环境工程 2011 年 12 月第 29 卷第 6 期 图 1金刚砂过滤器结构示意 要分为排污、 分离再生、 冲洗等 3 个步骤， 主要是随着 反洗强度与时间的不同， 出水管路发生变化。分别 为 一是短时间小强度结合搅拌器使滤层表层杂质破 碎分离， 采用排污管排污; 二是长时间中强度结合搅 拌器使杂质与滤料彻底分离， 采用进水筛管排污; 三 是短时间大强度冲洗残余杂质， 采用排污管与进水筛 管同时排污。 2 消能板技术。消能板安装在筛管下方， 搅拌 器的上方， 由几层倒三角的结构组成。主要作用为 将搅拌器搅拌过程中传递给滤料的能量， 控制在筛管 的下方， 并且对杂质与滤料黏合在一起形成的颗粒状 杂质， 进行有效阻挡， 减少滤料流失的可能性。 3 立体网格搅拌技术。由于细小滤料与杂质不 易分离， 配备了带有网格状不锈钢丝和钢柱组成的立 体搅拌器。主要作用是 不锈钢丝在旋转过程中与每 个滤料颗粒多次接触摩擦， 使滤料与杂质充分分离， 滤料再生彻底; 另外， 搅拌器下面的钢柱深入滤料表 层， 破坏结块的滤料， 反洗时不会整体上移， 避免滤料 流失及筛管损坏。 2金刚砂过滤器运行参数的选择 2. 1现场小试 金刚砂过滤器进水为锰砂滤罐出水， 处理量为 1. 5 m3/h。滤层厚度660 mm， 滤料规格为金刚砂粒 径 0. 1 ～ 0. 2 mm、 石英砂粒径 0. 1 ～ 0. 25 mm。 2. 1. 1不同滤速的过滤效果 不同滤速过滤效果见表 1。 2. 1. 2反冲洗再生效果 试验的反冲洗水为常温水。在试验期间， 采用变 强度反洗， 反洗周期24 h， 反洗时间25 min， 每次反洗 分为排污、 分离再生、 冲洗等 3 个步骤。第一阶段 滤 表 1不同滤速的过滤效果 滤速 / mh － 1 进水出水 ρ SS/ mgL － 1 粒径中 值 /μm 含铁量 / mgL － 1 ρ SS/ mgL － 1 粒径中 值 /μm 含铁量 / mgL － 1 5. 7 ～ 6. 33. 12. 10. 91. 71. 20. 3 3. 5 ～ 4. 03. 61. 51. 00. 80. 90. 1 速 为 5. 7 ～ 6. 3 m/h试 验 的 反 洗 排 污 强 度 为 5. 2 L/ m2s ， 分 离 再 生 为 9. 8 L/ s m2 、 冲 洗 为 14. 5 L/ s m2 ， 每次反洗后， 试验期间过滤时水头损 失基本保持在1 m， 较为稳定。在第二阶段 滤速为 3. 5 ～ 4. 0 m/h 调整了滤料级配后， 在保持第一阶段 其他反洗参数不变的情况下， 为了保证滤料膨胀高 度， 相应调整了反洗强度， 提高了2 L/ m2s ， 每次 反洗后， 过滤时水头损失基本在1. 5 m， 较为稳定。过 滤器运行参数见表 2。 表 2过滤器运行参数 反洗水量 / m3h － 1 反洗强度 / Lm － 2s－ 1 反洗时间 / min 膨胀高度 / mm 膨胀率 / 反洗周 期 /h 水头损 失 /m 3. 2 ～ 4. 55. 2 ～ 7. 2523235. 1 6. 1 ～ 7. 49. 8 ～ 11. 81548673. 6241. 0 ～ 1. 5 9. 1 ～ 10. 314. 5 ～ 16. 5563896. 6 2. 2现场中试 水质处理工艺流程为 地下水曝气除铁磁加 载磁分离金刚砂过滤出水。要求磁过滤装置出 水悬 浮 物 固 体 含 量 ≤3. 0 mg/L、 悬 浮 物 粒 径 中 值 ≤2. 0 μm。金 刚 砂 过 滤 器 规 格 为 1 500 mm 4 720 mm， 滤层厚度为1 400 mm， 其中过滤层金刚砂 粒径为 0. 1 ～ 0. 2 mm， 填装高度1 150 mm; 垫层磁铁 矿粒径为0. 25 ～ 0. 5 mm， 填装高度250 mm。 2. 2. 1滤速验证 滤速 4. 0 m/h 流量 7. 1 ～ 3. 4 m3/h 时， 过滤后 水质达注入水 SY/T 532994 的指标; 滤速5. 0 m/h 流 量 8. 8 ～ 2. 9 m3/h时， 悬 浮 物 含 量 没 有 达 到 ≤1 mg/L的指标， 但是接近指标， 粒径中值达标。不 同滤速的过滤效果见表 3。 表 3不同滤速的过滤效果 滤速 / mh － 1 进水出水 ρ SS/ mgL － 1 粒径中 值 /μm 含铁量 / mgL － 1 ρ SS/ mgL － 1 粒径中 值 /μm 含铁量 / mgL － 1 4. 02. 852. 10. 430. 580. 590. 11 5. 03. 01. 51. 01. 060. 720. 1 表 4 为不同滤速条件下， 过滤时间与进水流量、 进水压力的变化情况。滤速4. 0 m/h时在 1 ～ 10 h 内 随着时间的延长， 流量和压力变化幅度小， 变化趋 9 环境工程 2011 年 12 月第 29 卷第 6 期 势平稳， 过滤器平稳运行。过滤到12 h后 压力突然 增大， 然后保持不变; 过滤流量有较大幅度下降， 之后 下降幅度逐渐加大， 此时滤罐应进行反洗， 否则过滤 效率过低。 滤速 5. 0 m/h 流量 8. 8 ～ 2. 9 m3/h 时， 在 1 ～ 8 h内随着时间的延长流量和压力变化幅度小， 变化 趋势平稳， 过滤器平稳运行。过滤到10 h后， 与上述 滤速4 m/h的情况相似， 表明滤罐应进行反洗。 2. 2. 2反洗强度及时间确定 分 3 个 阶 段 进 行 第 1 阶 段 反 洗 强 度 为 4 ～ 7 L/ s m2 ， 反洗时间分别为 1. 0， 1. 5， 2. 0 min; 第 2 阶段反洗强度为 8 ～ 14 L/ s m2 ， 反洗时间分别为 4. 0， 5. 0，6. 0 min;第 3 阶 段 反 洗 强 度 为 5 ～ 7 L/ s m2 ， 反洗时间分别为 4. 0， 4. 5， 5. 0 min。通过 试验确定最佳反洗强度和最佳反洗时间， 具体情况见 表 5。 表 4不同滤速下过滤时间与进水流量、 进水压力变化 过滤时 间 /h 滤速为 4. 0 m/h滤速为 5. 0 m/h 进水流量 / m3h － 1 进水压力 / MPa 进水流量 / m3h － 1 进水压力 / MPa 17. 100. 308. 800. 35 27. 000. 358. 600. 36 46. 900. 358. 500. 37 66. 700. 367. 800. 40 86. 200. 377. 600. 40 105. 800. 386. 200. 50 125. 600. 505. 400. 50 164. 900. 504. 200. 50 203. 800. 503. 000. 50 243. 400. 502. 900. 50 表 5反洗强度、 时间及反洗效果 第一阶段第二阶段第三阶段 时间 / min 反洗强度 / L m － 2s－ 1 反洗水悬浮物 / mg L － 1 时间 / min 反洗强度 / L m － 2s－ 1 反洗水悬浮物 / mg L － 1 时间 / min 反洗强度 / L m － 2s－ 1 反洗水悬浮物 / mg L － 1 1434. 24818. 8455. 2 532. 11017. 663. 4 626. 81214. 273. 6 725. 51414. 44. 553. 8 1. 5432. 15816. 862. 4 530. 91015. 472. 4 622. 41211. 2552. 8 722. 81411. 462. 4 2430. 66813. 672. 4 528. 51012. 4 622. 41211. 4 722. 61411. 2 第 1 阶段反洗强度为 6 L/ m2s 时效果最好， 反洗 时 间 为 1. 5 min。第 2 阶 段 反 洗 强 度 为 12 L/ m2s 时效果最好， 反洗最佳时间为5 min。第 3 阶段反洗强度和第 1 阶段相同， 均为6 L/ m2s 时效 果最好， 反洗时间为4. 5 min。 从 3 组 试 验 最 后 确 定， 双 路 反 洗 共 需 时 间 为 20 min。 3参数确定 通过 现 场 小 试 和 中 试 确 定 运 行 参 数滤 速 ≤4. 0 m/h; 反洗强度为 6 ～ 12 L/ m2s ; 反洗周期 12 h; 反洗时间 20 min; 滤料级配 金刚砂1 150 mm 0. 1 ～ 0. 2 mm ; 磁铁矿 250mm 0. 25 ～ 0. 5 mm ; 填 装高度1 400 mm。 4水质验证 在采用最佳参数条件下， 检测进出水中各项指 标， 具体情况见表 6。 表 6过滤器进出水水质 时间 / d 进水含 铁量 / mg L － 1 出水含 铁量 / mg L － 1 进水 ρ SS / mg L － 1 出水 ρ SS / mg L － 1 出水粒径 中值 /μm 10. 400. 183. 10. 40. 7 20. 440. 262. 90. 80. 6 30. 450. 322. 70. 60. 8 40. 470. 363. 20. 30. 9 50. 410. 223. 30. 70. 6 60. 390. 282. 80. 30. 7 70. 360. 101. 90. 30. 7 80. 430. 402. 70. 50. 8 100. 470. 313. 20. 60. 6 过滤器进水悬浮物含量平均为2. 87 mg/L、 含铁 量平均为0. 42 mg/L的情况下， 过滤后水质 悬浮物含 01 环境工程 2011 年 12 月第 29 卷第 6 期 量平均为0. 50 mg/L， 粒径中值平均为0. 71 μm、 含铁 量平均为0. 27 mg/L， 达 SY/T 532994 指标。 5冲击试验 改变磁分离装置的加药浓度， 降低出水水质进行 冲击性试验， 保持运行参数不变， 检测进出水中的各 项指标， 具体结果见表 7。 表 7过滤器水质变化情况 进水 ρ SS mg L － 1 出水 ρ SS / mg L － 1 出水粒径中 值 /μm 5. 001. 201. 10 5. 301. 100. 95 4. 500. 951. 00 4. 700. 901. 00 4. 800. 980. 97 5. 201. 101. 20 当过滤器进水悬浮物含量平均为4. 92 mg/L时， 过 滤后水质为 悬浮物含量平均为1. 04 mg/L、 粒径中值 平均为1. 03 μm， 接近 SY/T 532994 的注入水指标。 6结论 金刚砂过滤器在滤速 4. 0 m/h、 流量7. 1 m3/h运 行时 当进水ρ SS 约为5 mg/L时， 出水ρ SS 平均为 1 mg/L左右; 当进水 ρ SS 平均为3 mg/L时， 出水 ρ SS 平均含量在0. 5 mg/L左右; 随进水ρ SS 增高， 出 水 ρ SS也 随 着 增 高。 当 进 水 水 质 ρ SS ≤3 mg/L、 粒径中值≤2 μm时过滤效率为 83 ; 当进 水水质 ρ SS ≤5 mg/L时， 过滤效率为 79 。总之， 金刚砂过滤器结构相对简单， 易于管理维护， 适合在 外围油田小区块高精度水质处理中应用。 参考文献 ［1］张文． 油田污水处理技术现状及发展趋势［J］． 油气地质与采 收率， 2010， 17 2 108- 110． ［2］孙天淦． 聚四氟乙烯膜过滤装置处理油田污水现场试验［J］． 中国石油大学胜利学院学报， 2006， 20 4 7- 8． ［3］镇祥华，于水利，庞焕岩， 等． 超滤膜处理油田采出水用于回 注的试验研究［J］． 环境污染与防治， 2006， 28 5 329- 333． 作者通信处聂春红152061黑龙江省绥化学院食品与制药工程 学院 电话 0455 8301261 E- mailchunhongnie 126． com 2011 － 04 － 21 櫅櫅櫅櫅櫅櫅櫅櫅櫅櫅櫅櫅櫅櫅櫅櫅櫅櫅櫅櫅櫅櫅櫅櫅櫅櫅櫅櫅櫅櫅櫅櫅櫅櫅櫅櫅櫅櫅櫅櫅櫅櫅櫅櫅櫅櫅櫅櫅櫅櫅 收稿 上接第 7 页 规定。且除总氮外的其他指标均达到一级 A 标准。 虽然出水中的营养盐氮磷含量相对于进水已经有了 本质上的削减， 但是难以成为藻类生长的限制因素。 因此， 再生水景观利用需要水质维护措施。 2 本试验选用常用水质净化、 维护措施中有代 表性的两种设施， 分别为人工湿地、 水力曝气溶氧过 滤设 备 人 工 心 脏 。试 验 结 果 表 明 人 工 湿 地 对 COD、 TN、 NH3-N、 STP、 叶绿素的去除率分别为 17 、 19 、 64 、 21 和 91 。人工湿地既可以去除水质 中的营养盐， 又通过过滤截留作用， 去除水中的叶绿 素， 也就是能大量削减水体中的藻数量， 因此抑制藻 类大量繁殖， 并且运行简便、 维护少， 适合于景观水的 日常维护。人工心脏对 COD、 TN、 NH3-N、 STP 和叶绿 素去除率分别为 6 、 1 ， 6 ， 0 和 61 ， 基本只起 到了过滤的作用， 但由于该设备具有方便添加化学药 剂的特点， 适合于水华爆发的应急处理。 3 建议再生水景观利用的过程中多利用人工湿 地这类的模拟自然生态的处理系统， 这样既可以充分 利用湿地维护少、 效果好的特点维护景观水体水质， 又能为动植物提供生长栖息的环境。在藻类生长难 以控制的情况下， 再使用化学药剂除藻。 参考文献 ［1］Reed，Sherwood C，Ronald W Crites，et al． Natural systems for wastemanagementandtreatment ［M］．NewYork Lewis Publishers，1995． ［2］Gamini H． Freshwater algal blooms and their Control;Comparison of theeuropeanandaustralianexperience ［J］．Journalof Environmental Management，1997，51217- 227． ［3］汤显强， 黄岁樑． 人工湿地去污机理及其国内外应用现状［J］． 水处理技术， 2007， 33 2 9 － 13． ［4］卢少勇， 金相灿， 余刚． 人工湿地的氮去除机理［J］． 生态学报， 2006， 26 8 2670 － 2677． ［5］张巍， 赵军， 郎咸明， 等． 人工湿地系统微生物去除污染物的研 究进展［J］． 环境工程学报， 2010 4 721 － 728． ［6］李涛， 周律． 湿地植物对污水中氮、 磷去除效果的试验研究 ［J］． 环境工程， 2009， 27 4 25- 28． 作者通信处赵珊100124北京市朝阳区高碑店村甲 1 号北京 城市排水集团有限责任公司研发中心 电话 010 51352882 E- mailzhaoshan bdc． cn 2011 － 04 － 21 收稿 11 环境工程 2011 年 12 月第 29 卷第 6 期