油田污水處理站浮渣控制技術(shù)研究與應(yīng)用

唐坤利 唐曉梅 鮑靜 韓繼博 刁兆軍

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

在油氣開采中，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)。通過分析污水處理系統(tǒng)浮渣成分和產(chǎn)生的機(jī)理，開展浮渣控制和水質(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，工藝流程見圖1。

1.2 存在問題

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(見圖2)，原油系統(tǒng)來水達(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)際出泥量僅達(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法有效去除而導(dǎo)致處理后的水無法達(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(見圖3)，發(fā)現(xiàn)圖譜中出現(xiàn)大包峰，說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(見表2)，確定浮渣主要無機(jī)成分為Al2O3，其主要來源為凈水藥劑。分析不同部位浮渣Zeta電位，均較低(見表3)，說明浮渣凝聚性好，體系穩(wěn)定，通過沉降不易分離。

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。

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)，對彩南污水系統(tǒng)來水進(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(見圖4)，針對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，可改善混凝凈化過程絮體的下沉效果。水中Ca2+含量變化不大(見表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始下沉，但絮體松散，需要對其凈水藥劑進(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、浮渣的特性對現(xiàn)場的凈水藥劑體系進(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。通過室內(nèi)評價(jià)(見表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)場藥劑體系評價(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)場藥劑100清較大、松軟、有小絮,有下沉趨勢、上浮較快優(yōu)化藥劑2100清絮體較大、小絮較少,有下沉趨勢、上浮慢優(yōu)化藥劑2200清絮體大、小絮較少,有下沉趨勢、上浮慢 注:1. 試驗(yàn)中助凝劑為現(xiàn)場藥劑,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)分開排污，改善沉降效果，切斷高硫化物來源，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)分開排污

將原油系統(tǒng)的排污與污水系統(tǒng)的排污分開(見圖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)場應(yīng)用

2017年6月完成藥劑的室內(nèi)優(yōu)化評價(jià)和排污系統(tǒng)改造，7月開始藥劑中試和優(yōu)化后的排污系統(tǒng)運(yùn)行，同期開展污泥離心機(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)場主體工藝的基礎(chǔ)上，根據(jù)系統(tǒng)來液水質(zhì)特點(diǎn)，通過藥劑配方體系優(yōu)化，研制開發(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，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)。