DTRO 和STRO 两种反渗透膜在气田采出水深度处理中的性能对比

齐兆涛， 黄文升

（中石化石油工程设计有限公司， 山东 东营 257026）

气田采出水通常具有高盐、 高CODCr、 难降解的特点， 在采出水深度处理资源化工程中主要采用膜法减量化与热法提升回收率相结合的处理工艺［1］，即经过预处理的气田采出水先进行两级反渗透膜减量化处理， 浓缩液再用热法处理提高产水率。 目前国内外主流的高压反渗透膜有2 种， 碟管式高压反渗透膜（DTRO）和管网式高压反渗透膜（STRO）。

2 种高压反渗透膜多应用于垃圾渗透液的处理方面［2-3］， 本文主要以西南某气田采出水为研究对象， 分别进行2 种高压反渗透膜过滤试验， 通过对产水率、 运行压力、 膜通量、 脱盐率、 CODCr去除率等指标的研究， 探索2 种膜在气田采出水处理应用中的性能差异。

1 材料与方法

1.1 试验装置

试验采用双膜一体撬装试验装置， 装置设DTRO 及STRO 各1 支， 主要组成及流程见图1。预处理后的气田采出水经原水提升泵、 高压泵增压后进行DTRO／STRO 过滤， 另设循环泵1 台， 以提高膜表面错流速率。

图1 试验工艺流程Fig. 1 Process flow of the experiment

本试验DTRO 和STRO 单支膜过滤面积分别为9.4 m2及25 m2， 高压泵采用柱塞泵， 额定压力为6.0 MPa， 原水提升泵、 高压泵及循环泵均可通过变频器来调节运行参数。

1.2 试验原水

试验用水为经除硬、 生化处理后的气田采出水。 电导率为26 772 ～32 401 μS／cm， CODCr的质量浓度为134 ～235 mg／L。

1.3 试验方法

针对单支膜进行单级过滤试验， 试验分为短时运行与持续运行2 个试验内容。

短时运行试验： 关闭STRO 进水阀门， 开启DTRO 进水阀门， 依次开启原水提升泵、 高压泵、 循环泵开始试验。 选取3 种进水流量600、 800、 1 000 L／h 进行试验， 试验运行压力以5.5 MPa 为上限，以5 L／（m2·h）膜通量变量为递增梯度， 每种工况稳定运行2 h； 记录DTRO 进、 出水电导率及运行压力情况。 同样选取3 种进水流量1 000、 1 250、 1 500对STRO 进行试验， 试验运行压力以5.5 MPa 为上限， 不同膜通量下稳定运行2 h； 记录各工况下STRO 进、 出水电导率及运行压力情况。

持续运行试验： 通过短时运行试验得出2 种膜较佳运行参数， 在相同产水率及膜通量工况下持续运行12 d， 进一步考察DTRO 与STRO 运行的稳定性。

1.4 分析方法

脱盐率采用检测进、 出水电导率表征， 该气田采出水含盐以NaCl 为主， 含盐量（mg／L）与电导率（μS／cm）和 温 度（℃）之 间 的 关 系 参 考 文 献［4］；CODCr、 电导率均采用国家标准方法测定。

2 结果与讨论

2.1 短时运行试验

2.1.1 DTRO 试验情况

膜通量对DTRO 运行压力、 脱盐率及CODCr去除率的影响分别如图2 ～图4 所示。

图2 膜通量对DTRO 运行压力的影响Fig. 2 Effect of membrane flux on DTRO operating pressure

图3 膜通量对DTRO 脱盐率的影响Fig. 3 Effect of membrane flux on DTRO desalinization rate

图4 膜通量对DTRO 产水CODCr 去除率的影响Fig. 4 Effect of membrane flux on DTRO produced water CODCr removal rate

由图2 可见， 在5.5 MPa 上限运行压力下， 3种进水流量下DTRO 膜通量均可达到25 L／（m2·h）以上； 相同进水流量下， 运行压力随膜通量提高而上升。 分析其原因是产水率增加， 导致需要克服更高的膜渗透压， 运行压力随之上升［5］。

由图3 可见， 进水电导率约为30 000 μS／cm，DTRO 产水电导稳定在2 000 μS／cm 以下， 脱盐率在90% 以上。 膜通量在10 ～20 L／（m2·h）范围时，DTRO 产水脱盐率随膜通量的提高呈现出先高后低的趋势。 分析其原因在于， 膜通量升高使得驱动反渗透的净压力升高， 产水量加大， 同时盐透过量几乎不变， 增加的产水量稀释了透过膜的盐分， 降低了透盐率， 提高了脱盐率； 当膜通量超过一定值时， 过高的回收率加大了浓差极化， 使得盐透过量增加， 脱盐率降低［5-6］。 由此可见， 膜通量过小、过大都不利于脱盐率提高。

由图4 可见， 当进水CODCr的质量浓度为134 ～235 mg／L， 膜通量为10 ～20 L／（m2·h）时， CODCr去除率较高， 保持在75%以上。 DTRO 对CODCr去除率呈现出与脱盐率相似的结果， 随膜通量的提高呈先高后低的趋势［5，7］。

2.1.2 STRO 试验情况

膜通量对STRO 运行压力、 脱盐率及CODCr去除率的影响分别如图5 ～图7 所示。

图5 膜通量对STRO 运行压力的影响Fig. 5 Effect of membrane flux on STRO operating pressure

图6 膜通量对STRO 脱盐率的影响Fig. 6 Effect of membrane flux on STRO desalinization rate

图7 膜通量对STRO 产水CODCr 去除率的影响Fig. 7 Effect of membrane flux on STRO produced water CODCr removal rate

由图5 可见， 在5.5 MPa 上限运行压力条件下， STRO 膜通量较DTRO 有明显下降， 最高为15 L／（m2·h）； STRO 运行压力与膜通量的关系与DTRO有类似的趋势， 运行压力随产水率提高而上升。

由图6 可见， 进水电导率约为30 000 μS／cm，STRO 出水电导稳定在1 000 μS／cm 以下， 去除率在95% 以上。 同时， 膜通量在6 ～15 L／（m2·h）范围时， STRO 脱盐率随产水率的提高略微呈先高后低趋势， 但变化幅度不明显， 始终保持在98%左右。

由图7 可见， 进水CODCr的质量浓度在134 ～235 mg／L 范围时， 随着膜通量的提高， STRO 对CODCr去除率呈现与DTRO 类似结果， 随膜通量的提高呈先高后低的趋势［5，7］。

2.1.3 DTRO 与STRO 性能对比

试验用STRO 的膜面积约为DTRO 的2.5 倍，为了对比在相同膜通量、 相同产水率条件下， 2 种膜运行压力及脱盐率情况， 总结归纳上述试验数据中进水流量为1 500 L／h 时STRO 的运行参数， 以及进水流量为600 L／h 时DTRO 的运行参数， 并进行对比分析， 结果如表1 所示。

由表1 可见， 在相同膜通量、 近似相同产水率条件下， DTRO 的运行压力要低于STRO 约0.2 ～0.8 MPa， 而脱盐率方面STRO 较DTRO 高出3%～5%。

表1 同膜通量同产水率STRO／DTRO 运行参数Tab. 1 Operating parameters of STRO／DTRO under the same membrane flux and production rate condition

2 种高压反渗透膜性能出现差异， 主要原因在于膜组件的构造形式、 单支膜组件过滤面积及压力等级等方面［8-9］。 DTRO 较STRO 运行压力低， 得益于其独特的开放式大流道及180° 水流转向设计，其过滤运行中紊流状态保持膜表面的高速冲刷， 使得膜表面较清洁， 因此运行压力较低； 对于DTRO的脱盐率较STRO 低， 分析认为DTRO 的流道更长， 原料液在流道中流动且不断浓缩， 提高了流道沿程过滤料液的含盐量， 致使其出水电导率略高于STRO。

2.2 持续运行试验

根据上述试验结果可知， 当STRO 及DTRO 膜通量为10 ～15 L／（m2·h）时， 运行压力稳定且脱盐率及CODCr去除率均可维持在较高水平。 在相同膜通量、 相同产水率工艺参数的条件下， 模拟实际生产工况， 持续运行12 d 验证2 种膜的稳定性， 考察2 种膜运行压力及脱盐率的变化趋势， 工艺运行参数如表2 所示， 试验结果如图8 ～图10 所示。

表2 持续性试验DTRO／STRO 运行参数Tab. 2 Operating parameters of DTRO／STRO durative test

由图8 可见， DTRO、 STRO 均能稳定运行， 运行末期2 种膜压力较初始压力均上升约0.9 MPa； 试验期间DTRO 运行压力始终低于STRO 约1.0 MPa。

图8 STRO 与DTRO 持续性试验运行压力情况Fig. 8 Operating pressures of STRO and DTRO durative tests

由图9、 图10 可见， 2 种膜均维持较高的脱盐率及CODCr去除率， STRO 脱盐率较DTRO 高2%左右， STRO 对CODCr的去除率也总体高于DTRO。

图9 STRO 与DTRO 持续性试验脱盐率情况Fig. 9 Desalinization rate of STRO and DTRO durative tests

图10 STRO 与DTRO 持续性试验CODCr 去除情况Fig. 10 CODCr removal from STRO and DTRO durative tests

3 结论

（1） 采用DTRO、 STRO 两种反渗透膜处理气田高盐采出水， 两者均具有较高的脱盐率及CODCr去除率； 随产水率的提高， 运行压力均呈上升趋势，脱盐率及CODCr去除率呈先升后降趋势； 适当提高膜通量有利于提高膜的脱盐率及CODCr去除率。

（2） 在相同膜通量及产水率工况下， DTRO 的运行压力较STRO 低约1.0 MPa， STRO 脱盐率较DTRO 高约2%， STRO 对CODCr的去除率也总体高于DTRO。

（3） 2 种膜均可用于气田采出水处理工艺， 膜通量宜控制在10 ～15 L／（m2·h）范围内。