复合微生物反应器处理抗盐聚合物采出水适应性研究

徐忠凯 李艳 冯夕桐

1大庆油田设计院有限公司

2大庆油田有限责任公司第六采油厂

3大庆油田有限责任公司第一采油厂

随着油田的进一步深度开发，聚驱开发技术不断改变[1]。目前，大庆油田主力油层的聚驱开采已结束，开采方向逐渐转向二、三类油层[2-3]。由于二、三类油层渗透率相对较低，高相对分子质量的聚合物开采效果较差，要求驱油用聚合物具有较低的相对分子质量和较高的采出水体系黏度[4]。抗盐聚合物同时兼具这两种特性，对二、三类油层具有较高的适应性，可有效提高聚合物驱油的采收率[5]。常用的抗盐聚合物有疏水缔合聚合物、两性聚合物、疏水聚合物、交联聚合物和多元组合聚合物[6]。

相对于水驱，聚合物驱采出水由于油水乳化严重，形成稳定的胶体体系，沉降分离性能变差导致处理难度增加[7]。相较于聚合物驱采出水，抗盐聚合物驱采出水中的油珠以更小的形态稳定地存在于水体中，稳定性增强，沉降特性变差，进而增大了采出水的乳化程度，破乳和聚结变得更加困难，使油水分离的难度加大。另外，抗盐聚合物采出水中的含油量和悬浮固体含量均高于现有的聚合物驱采出水，采用现有的聚合物驱采出水处理工艺处理抗盐聚合物采出水后不能够达到回注水水质控制指标要求，出现处理难度增大、处理费用增高等问题。

因此，针对目前抗盐聚合物采出水处理难度大、处理成本高等问题，需要开发出适用于抗盐聚合物采出水处理的工艺技术，提高处理效果，从而解决制约抗盐聚合物规模化应用的难题。

该试验采用“厌氧+缺氧+好氧”串联的复合微生物反应器是基于硫循环、硫代谢的电子传递、污染物有机碳源和氮源梯度利用的生物处理技术，是将厌氧生物反应、缺氧厌氧生物反应、好氧生物反应联合应用的处理技术，采用投加电子受体方式提高硫酸盐还原菌、硝化细菌、反硝化细菌等微生物对污染物的降解效能。该反应器目前在烟气脱硫废水、高聚污水、聚表剂污水、油田压裂返排液、三元采出水[8]等污水处理中取得了很好的效果。

为考察处理高效稳定、操作简单的抗盐聚合物采出水生物处理技术，对复合微生物反应器在抗盐聚合物采出水中的处理效能进行室内研究，主要研究污水中含油量、悬浮固体含量、聚合物含量、黏度、COD（化学需氧量）去除效果。

1 试验材料及方法

1.1 复合微生物反应器装置及技术参数

复合微生物反应器装置如图1所示。装置材质为有机玻璃，其分为厌氧工艺段、缺氧工艺段、好氧工艺段及生物出水缓冲区，每个工艺段体积约为4.5 L，加上出水沉降区整个装置体积约为40 L，各个工艺段内生物填料为PVC，尺寸为2 cm×2 cm×2 cm 正方体，填充率为50%～70%，每个工艺段进水方向为下进上出。

图1 抗盐聚合物复合微生物反应器处理装置Fig.1 Treatment device of salt-resistant polymer composite microbial reactor

根据硫循环理论，分别向该反应器进水中投加硫酸盐、硝酸盐、磷酸盐等电子受体及营养盐（投加电子受体比例按BOD∶SO32-∶N∶P=200∶100∶5∶1 进行投加），促进反应器内微生物生长代谢，好氧出水回流到缺氧一段进水，回流比为1∶1，水力停留时间(HRT)设置为20 h、16 h、12 h 三个梯度，整个试验周期为79 d，取样周期为2 d，监测反应器出水含油量、悬浮固体含量、聚合物含量、黏度、COD。

1.2 原水水质

试验污水为大庆油田第一采油厂某抗盐聚合物污水处理站原水，试验污水详细参数如表1所示。

表1 试验污水参数Tab.1 Parameters of test sewage

1.3 分析检测方法及标准

试验过程中采取的分析检测方法及标准见表2。

表2 分析检测标准Tab.2 Analysis and testing standards

2 复合微生物反应器处理效果

2.1 采出水含油去除效能分析

在整个试验周期内反应器进水水质波动较大，含油浓度范围200～1 200 mg/L（图2）。由图2 可知，该反应器在水力停留时间为20 h、16 h、12 h下均能有效去除污水中含油，且整体去除率均在93%以上。由表3可知，在不同水力停留时间下各工艺段平均去除率及总平均去除率均表现出随水力停留时间减少而降低。以好氧工艺段为例，当水力停留时间为20 h 时，好氧段平均含油去除率为42.73%，但当水力停留时间为12 h时，平均含油去除率下降为29.08%，含油去除率下降了13.65%。此外，当水力停留时间为20 h、16 h、12 h 时，最终出水平均含油浓度均小于20 mg/L，但当水力停留时间为12 h 时，处理过程中曾存在出水含油浓度高于20 mg/L的情况，呈现不稳定性。

表3 不同水力停留时间下复合微生物反应器各工艺段含油量平均值及去除率变化Tab.3 Changes of average oil content and removal rate in each process section of composite microbial reactor under different HRT

图2 不同水力停留时间下复合微生物反应器各工艺段含油量变化情况Fig.2 Changes of oil content in each process section of composite microbial reactor under different HRT

2.2 采出水悬浮固体去除效能分析

试验周期内反应器进水悬浮固体浓度为85～380 mg/L（图3），该反应器在水力停留时间为20 h、16 h、12 h下均能有效去除污水中的悬浮固体。由表4可知，当水力停留时间为20 h和16 h时，整体去除率均能达到90%以上，且最终出水悬浮固体浓度平均值满足小于20 mg/L 的条件。此外，由图3可知，当水力停留时间为16 h 时，虽然最终出水悬浮固体浓度平均值为13.08 mg/L，但仍存在大于20 mg/L 的情况，如未来在应用过程中考虑到处理时间和处理稳定性时，该反应器在水力停留时间为16 h情况下，为保证出水悬浮固体浓度稳定地小于20 mg/L，需在生物处理后端加上深度处理装置，如压力过滤系统等作为达标保障工艺。

表4 不同水力停留时间下各工艺段悬浮固体含量平均值及去除率变化Tab.4 Changes of average suspended solids content and removal rate in each process section under different HRT

图3 不同水力停留时间下复合微生物反应器各工艺段悬浮固体变化情况Fig.3 Changes of suspended solids in each process section of composite microbial reactor under different HRT

2.3 采出水聚合物去除效能分析

整个试验周期内进水聚合物浓度为400～550 mg/L（图4），经过生物处理后污水中聚合物含量下降，但去除效果不如含油量和悬浮固体。由于聚合物为高分子有机物，微生物不能直接利用高分子有机物质，只能在厌氧段对聚合物分子进行水解酸化，降低聚合物分子稳定性，使其部分降解产生少量有机小分子等，便于微生物生长利用。由表5可知，该反应器在不同水力停留时间下聚合物去除均以厌氧工艺段为主，且随着水力停留时间的增加，厌氧工艺段对污水中聚合物分子降解效果增加，当HRT=12 h时，厌氧段去除率仅为7.19%，但当HRT=20 h时，厌氧段去除率升高到10.59%。由此可知，在生物处理含聚合物污水过程中，污水中聚合物分子降解主要来自厌氧工艺段的水解酸化过程。

表5 不同水力停留时间下各工艺段聚合物含量平均值及去除率变化Tab.5 Changes of average polymer content and removal rate in each process section under different HRT

图4 不同水力停留时间下复合微生物反应器各工艺段聚合物含量变化情况Fig.4 Changes of polymer content in each process section of composite microbial reactor under different HRT

2.4 采出水黏度降低效能分析

整个试验周期内进水黏度变化相对稳定，进水黏度在0.750 0～0.920 0 mPa·s 之间。因污水黏度主要来自聚合物，由前所述，该套装置对聚合物降解效率较低，在不同水力停留时间下该反应器对污水黏度去除效果一般（图5）。由表6可知，在水力停留时间为20 h、16 h、12 h 时，污水中黏度降低率分别为5.36%、3.54%、3.04%，总体表现为随着水力停留时间增加，黏度降低率升高。

图5 不同水力停留时间下复合微生物反应器各工艺段污水黏度变化情况Fig.5 Changes of sewage viscosity in each process section of composite microbial reactor under different HRT

表6 不同水力停留时间下各工艺段黏度平均值及去除率变化Tab.6 Changes of viscosity average value and removal rate in each process section under different HRT

2.5 采出水COD处理效能分析

整个试验周期内进水COD在900～1 800 mg/L之间（图6），该反应器在不同水力停留时间下对污水中COD去除表现出显著差异性。由表7可知，当水力停留时间为20 h 时，最终出水COD 平均值为506.68 mg/L，平均除率为60.65%。但当水力停留时间为12 h 时，最终出水COD 平均值达到719.06 mg/L，且数据波动较大，平均去除率下降到42.51%。此外，结合试验周期内含油量、悬浮固体含量、聚合物含量变化情况，表明该反应器主要去除的有机污染物为含油量、悬浮固体及少量聚合物分子。

图6 不同水力停留时间下复合微生物反应器各工艺段污水COD变化情况Fig.6 Changes of COD in wastewater from different process stages of composite microbial reactor under different HRT

表7 不同水力停留时间下各工艺段COD平均值及去除率变化Tab.7 Changes of COD average value and removal rate in each process section under different HRT

3 结论

（1）复合微生物反应器处理抗盐聚合物采出水试验表明：“厌氧+缺氧+好氧”串联的复合微生物反应器能够有效去除抗盐聚合物采出水中含油、悬浮固体等污染物。在不同水力停留时间下（20 h、16 h、12 h），最终出水含油浓度均小于20 mg/L，但当水力停留时间小于16 h，出水悬浮固体波动较大，需要加入后续保障工艺以实现悬浮固体稳定达标处理。此外，试验发现随着生物反应器水力停留时间减少，导致污染物去除效果下降。因此，未来工业应用过程中应在处理条件允许情况下，尽可能延长污水在微生物单元的水力停留时间。

（2）试验可知，厌氧段对污染物去除率较高，且抗冲击效果较强，这是由于厌氧段内发生水解酸化反应，为缺氧和好氧段提供了稳定的生化反应基础，通过缺氧和好氧段发生的梯度降解和深度处理，实现了复合微生物反应器中污染物进一步降解。

（3）复合微生物反应器具有操作简单、运行稳定、无二次污染的优点，因此该技术在抗盐聚合物采出水大规模工业处理过程中具有独特优势和应用潜力。