新疆克拉玛依油田百重7井区稠油污水处理工艺技术①



新疆克拉玛依油田百重7井区稠油污水处理工艺技术①

唐 丽

新疆克拉玛依职业技术学院石油化学工程系

摘要针对百重7井区稠油污水处理站处理的采出污水具有含油量高、乳化程度高、悬浮物含量高、温度高、污水处理难度大等特点，从工艺流程的选择入手，结合污水水质特点及配套药剂的应用，通过室内实验对适合百重7井区稠油污水的处理工艺流程进行了筛选，最终确定水处理设计工艺为重力除油-混凝沉降-过滤三段式工艺流程。在工艺设计过程中，采用了水位调节器调节出水、微涡旋混合反应、小间距斜板分离、等摩阻穿空管等新工艺。完善了混凝沉降罐的工艺设计，有效地提高了含油污水的净化效率，研发出了国内先进的“稠油污水微涡旋处理技术”，使处理后的净化水达到了注水及回用注汽锅炉水质标准。

关键词污水特点处理工艺筛选优化设计应用效果

根据百重7井区稠油污水的水质特点，结合水处理药剂，对国内稠油污水常用的处理工艺进行了对比研究，并对可能实现的工艺流程进行了室内模拟实验。通过对不同工艺流程的水处理效果进行比较，找出适合百重7井区稠油污水处理的工艺流程，并对整个污水处理的工艺设计进行优化，实现了自动加药，对液位、压力、流量、温度的在线检测。保证了污水处理药剂充分发挥药效，水质净化达标，并形成了成熟的“稠油污水微涡旋处理技术”。

1水处理工艺的室内研究

针对百重7井区稠油污水的特点:①油、悬浮物含量波动大；②含油乳化程度高，且稠油与水的密度差小；③悬浮物分散程度高、波动范围大；④水温高(65～75 ℃),利用水处理药剂筛选结果，首先对国内稠油污水处理常用的反相破乳-混凝沉降工艺、气浮选-混凝沉降工艺以及组合工艺进行了对比研究。

1.1　混凝沉降模拟实验

在室内筛选药剂的基础上，进行了混凝沉降室内模拟实验。实验结果见表1。

表1 混凝沉降模拟实验结果Table1 Resultsofcoagulatingsedimentationsimulationexperiment测试项目处理工艺来水混凝沉降后实验结果实验现象ρ(油)/(mg·L-1)134115除油率/%98.5ρ(悬浮物)/(mg·L-1)727除悬浮物率/%90.3絮体大,上浮水面,水色清 注:1.实验用净水剂为KL-401,加药量100mg/L;2.助凝剂为KW-01,加药量150mg/L;3.实验用水为百重7井区稠油污水处理站含油污水,未投加反相破乳剂。

从表1结果可知，所选净水剂除油及除悬浮物效果好，但由于来水含油高，混凝沉降后絮体上浮水面。

1.2　反相破乳除油-混凝沉降模拟实验[1]

表2 反相破乳除油-混凝沉降模拟实验结果Table2 Resultsofinversedemulsificationdeoil-coagulatingsedimentationsimulationexperiment测试项目处理工艺来水反相破乳剂除油后混凝沉降后实验结果实验现象ρ(油)/(mg·L-1)13411362除油率/%89.999.9ρ(悬浮物)/(mg·L-1)72146除悬浮物率/%80.691.7絮体大,沉降快,水色清 注:1.反相破乳剂为现场使用药剂,加药量20mg/L;2.实验用净水剂为KL-401,加药量50mg/L;3.助凝剂为KW-01,加药量150mg/L;4.实验用水为百重7井区稠油污水处理站含油污水,未投加反相破乳剂。

从表2结果可知，来水经反相破乳剂除油后，除油率接近100%；混凝沉降时絮体不再上浮；处理后污水油、悬浮物含量均很低，完全满足过滤系统进水要求。

1.3 气浮选除油-混凝沉降模拟实验

气浮就是在含油污水中通入空气(或天然气)或设法使水中产生气体，有时还需加入浮选剂和混凝剂，使污水颗粒为0.25～25 μm的乳化油和水中悬浮物黏附在气泡上，随气泡一起上浮到水面并加以回收，从而达到含油污水除油除悬浮物的目的。

表3 气浮选除油-混凝沉降模拟实验结果Table3 Resultsofairflotationforoilremoval-coagulatingsedimentationexperiment测试项目处理工艺来水气浮选除油后混凝沉降后实验结果实验现象ρ(油)/(mg·L-1)13411938除油率/%85.599.4ρ(悬浮物)/(mg·L-1)72249除悬浮物率/%66.787.5絮体大,沉降快,水色清注:1.浮选剂为F-3,加药量40mg/L;2.实验用净水剂为KL-401,加药量40mg/L;3.助凝剂为KW-01,加药量150mg/L;4.实验用水为百重7井区稠油污水处理站含油污水,未投加反相破乳剂。

从表3结果可知，F-3加药量40 mg/L，气浮选可将水样中大部分油除去，混凝沉降后水质也较好。

1.4　反相破乳除油-气浮选除油-混凝沉降模拟实验

表4 反相破乳剂除油-气浮选除油-混凝沉降模拟实验结果Table4 Resultsofinversedemulsification-airfloatationforoilremoval-coagulatingsedimentationsimulationexperiment测试项目处理工艺来水反相破乳除油后气浮选除油后混凝沉降后实验结果实验现象ρ(油)/(mg·L-1)13411364检测不出除油率/%89.999.7ρ(悬浮物)/(mg·L-1)7214245.5除悬浮物率/%80.666.792.4絮体大,沉降快,水色清 注:1.反相破乳剂为现场使用药剂,加药量20mg/L;2.浮选剂为F-3,加药量20mg/L;3.实验用净水剂为KL-401,加药量50mg/L;4.助凝剂为KW-01,加药量150mg/L;5.实验用水为百重7井区稠油污水处理站含油污水,未投加反相破乳剂;6.表中含油检测不出是指用红外分光光度计法测定值为0。

从表4可以看出，百重7井区稠油污水经过反相破乳剂除油、气浮选、混凝沉降流程后，水质较好。

1.5　工艺流程的确定

对比上述4种水处理工艺流程，可以看出：各种处理工艺都各有优缺点。从处理效果看，反相破乳除油-气浮选除油-混凝沉降工艺处理效果最佳，但其处理设备多，工艺流程长，投加药剂种类多，运行成本高，工艺管理难度大，并不是最佳的工艺方案。对比反相破乳除油与气浮选除油工艺，二者处理能力相当。但前者反相破乳除油部分已在百重7井区稠油处理站完成。因此，只需要增加混凝沉降-过滤系统，无需增加额外的诸如浮选机等处理设备。故无论从设备运行操作还是工艺管理的角度来说，都具有明显的优势。

所以，百重7井区稠油污水处理工艺设计采用反相破乳除油-混凝沉降工艺流程，实际设计为来水-反相破乳除油-混凝沉降-过滤工艺，辅以相应配套的药剂，就可以满足水处理工作的要求。

2稠油污水处理工艺的选择

2.1　国内稠油污水处理工艺简介

目前，国内外油田采出水处理方法较多，但稠油污水处理最常用的流程为重力除油罐→浮选→缓冲罐→增压泵→过滤→出水。近几年，又新采用一种接受罐→提升泵→反应罐→斜板沉降罐→缓冲罐→增压泵→过滤→出水的工艺流程。

2.2　稠油污水处理工艺的优化设计

2.2.1主污水处理工艺优化

室内处理工艺研究结果表明，虽然浮选及混凝沉降都能达到注水水质要求，浮选对去除乳化油的能力比其他流程要好，效果显著，除油效率高，特别适合稠油和油水比重差小的污水，但维修管理麻烦。

研究发现，百重7井区稠油污水中的乳化油一般为O/W乳状液，乳状液粒表面一般带负电，其ζ电位为-30～60 mV，油珠外存在着一个双电层。所以，只要破坏了油珠外的双电层，就能使油珠凝聚。再加上百重7井区污水温度较高，根据范特苛夫(VantHoof)规则，百重7井区污水的反应速度要比其他区快4倍以上。所以，最终百重7井区稠油污水主工艺确定为混凝沉降工艺。

2.2.2次污水处理工艺优化

(1) 预处理。根据百重7井区稠油污水的污水含油乳化程度高的特点及室内处理工艺研究结果，需加反相破乳剂以除去污水中细小的油滴。工艺设计首先在百重7井区稠油污水泵站设置了破乳剂投加点，利用10 km输水管道进行管道破乳。另外，考虑到油、悬浮物含量变化范围较大，设重力除油灌对污水进行预处理，保证进下段的污水ρ(油)≤300 mg/L、ρ(悬浮物)≤300 mg/L。

(2) 混凝、反应、沉淀。 “惯性效应”理论从亚微观流体动力学角度指出，若水中颗粒尺度非常小，比重又与水相近，其在水流中的跟随性较好[2]。如果这些颗粒随水流同步运动，就不会发生碰撞。而在旋涡水体中，颗粒所受水的剪切力与流动空间尺度成反比，与流动速度成正比。因此,根据这一理论，只要控制水流的特征速度及流动空间特征尺寸就能使油田采出水的悬浮物颗粒及油珠产生有效碰撞。所以，在百重7井区稠油污水的旋流反应筒中设置了网格，产生系列尺度不同的涡流，大涡流中包含着许多小涡流的复合涡流。利用柯尔莫洛夫微尺度产生小涡流，避免能量浪费，使油田采出水中的悬浮物颗粒及油珠产生有效碰撞。

同时，在设计百重7井区稠油污水斜板沉降时，将斜板斜角改为70°，这样有利于污泥沉降与水流成为同向流，有利于污泥沉降，使污泥不会堵塞斜管。斜板的间距设计为30 mm，利于油珠上浮至斜板而去除，形成稠油污水处理的小间距斜板分离技术。

综上所述，应用混凝动力学理论[3]，将含过滤装置整改后的油污水处理混凝、反应、沉淀三段过程设置在一套处理设备内，从而产生了采用微涡旋反应、小间距斜板分离、等面积收配、水等摩阻排泥、水位调节等多种新技术的混凝反应沉降罐。

从现场监测结果来看，即使在ρ(油)远大于300 mg/L，ρ(悬浮物)远大于300 mg/L的进水水质要求的情况下，在净水药剂及混凝沉降罐的作用下，出水的水质均能保证ρ(油)在10 mg/L以下，ρ(悬浮物)在20 mg/L以下，完全达到设计要求。

(3) 过滤和污泥处理。目前,国内油田采用的压力过滤器按滤料和水流形式的不同分为5类,即：石英砂过滤器、核桃壳过滤器、双层滤料过滤器、纤维球过滤器、双向流过滤器。各种过滤器都有其不同的优缺点。所以,百重7井区稠油污水处理后ρ(悬浮物)要求达到5 mg/L，要求很高，因而处理过滤选择了两级过滤，即:第一级过滤为核桃壳过滤，第二级过滤为双层滤料过滤。

含油污泥的主要成分是悬浮物、污油和混凝剂。由于油田采出水产出的污泥含油较高，一般在10%～30%，这样的污泥不易脱水。目前，有4种污泥脱水机，即：板框压滤机、螺旋压榨机、高速离心机及带式压滤机，只有板框压滤机在油田应用。所以，最终确定污泥处理工艺为浓缩→板框压滤机→干泥。目前，百重7井区污水处理后的污泥也基本是排放的,板框压滤机属于停用状态。

(4) 药剂投加控制。由于油田含油污水水量、水质波动大，处理后的出水水质要求严格，约为mg/L级。因此，采用自动加药控制系统。自动加药控制系统是通过污水来液量信号与加药泵流量设定值进行对比，自动调节加药泵变频器的输出，调整药剂的投加量，这样不仅便于管理，而且还能控制药效(见图1)。

3稠油污水处理现场实验

3.1　稠油污水处理化学药剂投加方案

百重7井区稠油污水处理系统共设有7个加药点，可以投加7种化学药剂，其具体的投加点、投加量见表5。

表5 百重7井区稠油污水化学处理剂投加方案Table5 ChemicaldosingprogramforheavyoilwastewatertreatmentinBaizhong7wellblock水处理剂种类水处理剂型号加药量/(mg·L-1)加药点耐温净水剂助凝剂缓蚀剂杀菌剂KL-401KW-01KL-308KL-2045015080100(每周投加一次)重力罐出水沉降罐进水缓冲罐进水缓冲罐进水

3.2　重力除油罐运行效果监测

图2、图3记录的是现场实验期间重力除油罐进出口以天为单位的油、悬浮物含量变化情况。

从图2、图3可以看出，为期32天的监测过程中，重力除油罐进口油、悬浮物含量超标情况各有5天、8天，平均约每天发生一次；而经重力沉降后，出水油、悬浮物含量超标的仅有2天、3天，而且均发生在油、悬浮物含量严重超出进水设计要求的情况下。

从以上的监测情况可以看出，在百重7井区稠油处理站来水水质满足污水处理系统进水要求的情况下，重力除油罐的运行状况完全可以满足设计要求。

3.3　混凝沉降罐系统运行效果监测

结合除油-混凝沉降-过滤的三段处理工艺，在污水处理系统混凝沉降罐的进口设计了3个加药点，投加净水剂、助凝剂。在现场实验中，严格按室内筛选结果投加药剂。 图4、图5记录的是污水处理系统处于正常运行状态下监测到的41组数据中，混凝沉降罐进出口油、悬浮物含量的监测结果。

从图4、图5可以直观地看出，无论混凝沉降罐进口油、悬浮物含量如何波动，混凝沉降罐出口水质始终保持平稳状态，没有出现大的波动，油、悬浮物含量始终符合设计要求，说明目前使用的耐温净水剂KL-401与混凝工艺结合良好，净水效果极佳，且不受来水波动的影响。

总体说来，稠油污水处理系统混凝沉降系统在配套净水药剂协同作用下，运行效果完全可以达到设计要求。

3.4　过滤系统运行效果监测

百重7井区稠油污水处理系统设计的是两级过滤，其中粗滤采用核桃壳过滤，主要作用是除油；精致过滤采用石英砂、无烟煤双滤料过滤器，主要作用是去悬浮物。由于来水含油很低，已经达到注水指标<30 mg/L的要求。因此，污水含油不存在问题，除少数反常点外，ρ(油)基本保持在0～2 mg/L的极低范围内。虽然,大部分时间精滤出口ρ(悬浮物)可以达到<5 mg/L的注水指标要求，但过滤效果时好时坏，有时水质比过滤器进口还差。 所以，对过滤装置进行了整改。表6列出的是百生7井区污水处理站的稠油污水在正常处理情况下精细过滤器出口含油污水注水指标监测结果。

表6 精细过滤器出口注水指标监测结果Table6 Monitoringresultsofthecontrolledindicesforwaterinjectionattheoutletofthefinefilter监测项目监测结果指标要求ρ(油)/(mg·L-1)ρ(悬浮物)/(mg·L-1)ρ(溶解氧)/(mg·L-1)ρ(硫化物)/(mg·L-1)ρ(总铁)/(mg·L-1)TGB/(个·mL-1)SRB/(个·mL-1)平均腐蚀率/(mm·a-1)ρ(侵蚀性CO2)/(mg·L-1)0~101~300~50~0.20~600~0.60.00780<30<5<0.3<5<0.4<1000<100.0<0.1<10

从表6数据可知，处理后的百重7井区稠油污水各项指标均达到了克拉玛依注水指标的要求。

3.5　细菌、腐蚀、硫化物含量及铁含量的控制

在混凝沉降罐出口每周一次，每次100 mg/L冲击式投加杀菌剂，可以防止细菌在污水处理系统内滋生，避免引起细菌含量递增及细菌腐蚀等不良后果。在加药点投加KL-0308缓蚀剂80 mg/L后，污水的腐蚀率监测结果为0.007 9 mm/a，远低于注水指标≤0.076 mm/a的要求，能够满足注水要求。在净水药剂、两级过滤的作用下，到精滤出口，ρ(总铁)均保持在0～0.2 mg/L，已经达到<0.4 mg/L注水指标要求，无需作进一步处理。

4结 论

通过室内实验，结合污水水质特点及配套药剂的开发研究，选用了重力除油-混凝沉降-过滤三段式工艺流程。优化了百重7井区稠油污水处理站具体的主工艺和次工艺，即：重力除油罐采用水位调节器调节出水，以适应水量的变化；混凝斜板沉降罐采用了微涡旋混合反应、小间距斜板分离、等摩阻穿孔管排泥等新技术；污水来液量与加药泵联动，实现了自动加药，对液位、压力、流量、温度的在线检测。这些新技术可使污水处理药剂充分发挥药效，现场水处理效果良好，并形成了成熟的“稠油污水微涡旋处理技术”。

参 考 文 献

[1] 屈撑囤, 王新强. Ky-3型聚合物与聚合氯化铝复配处理采油污水研究[J]. 油田化学. 2000, 17(4): 324-326.

[2] 陆柱, 郑士忠, 钱滇子. 油田水处理技术[M]. 北京: 石油工业出版社, 1992: 138.

[3] 徐伟东, 韩志霞. 中原油田油气水系统的腐蚀与防护[J]. 油气田地面工程. 1997, 16(3): 40-42.

Heavy oil wastewater treatment technology in Baizhong 7 well block of

Xinjiang Karamay Oilfield

Tang Li

(DepartmentofPetrochemicalEngineering,KaramayVocationalandTechnicalCollege,

Karamay834000,China)

Abstract:The influent at heavy oil wastewater treatment station in Baizhong 7 well block was known with high oil content, high emulsification degree, high TSS, high temperature, and therefore increasing difficulties for treatment. Combining the wastewater characteristics and application of the water treatment chemicals, this study screened the treatment processes in laboratory tests and finally identified the process as follow: gravity driven oil-water separation/coagulating sedimentation/filtration. During the process design, novel techniques such as water-level regulator to adjust the effluent water, micro-vortex mixer, small-spaced inclined plate separator, and constant-friction perforated pipe were applied to improve the coagulating sedimentation tank design and enhance the purification efficiency. In this study, domestic advanced technology, namely “micro-vortex based heavy oil wastewater treatment technology ” were developed to ensure the treated wastewater meeting the injection and boiler make-up requirement.

Key words:wastewater characteristics, process selection, optimization design, application effect

收稿日期：2015-01-25；编辑：钟国利

中图分类号：TE992.2

文献标志码：A

DOI:10.3969/j.issn.1007-3426.2016.01.023

作者简介：①唐丽(1965-),女，上海嘉定人，克拉玛依职业技术学院副教授，化学工程硕士，主要从事油田应用化学和钻井液研究。E-mail：tl19901024@163.com