稠油采出水综合降硬除硅试验研究

江兴家 鲍静 胡小园 谭舒婷 王争光 商振新 杨洪 顾法生

1中国石油新疆油田公司重油开发公司

2中国石油渤海钻探工程有限公司油气合作开发公司

某油田锅炉给水处理工艺分布模式为“集中净化+分站树脂软化[1]”，一直以来，污水在“地面－地层－地面－地层”这种循环往复生产过程中，污水的硬度、含硅量逐年增加（图1、图2）。表1 为该站目前来水的部分水质数据。

图1 稠油采出水硬度变化Fig.1 Hardness variation of heavy oil produced water

图2 稠油采出水二氧化硅含量变化Fig.2 Silica content variation in heavy oil produced water

表1 污水处理站预处理后净化水水质Tab.1 Quality of purified water after pretreatment in the sewage treatment station

树脂软化器更适合于低硬度深度除硬[2]，在现有的高硬度条件下，软化器再生频繁，树脂再生平均间隔8.5 h，反冲洗耗水达耗水总量的20%，蒸汽用水软化成本高达3.5元/t。即便如此仍时有漏硬现象发生。同时，受硬垢及硅垢的共同作用，还产生了软化器表面板结、锅炉结垢、井下管柱结垢等问题，严重影响注、采时率与油田经济效益[3]。

本研究以“化学絮凝沉降[4]+制硅吸附+混凝吸附”这一技术思路为方向，通过实验室研究确定了整体工艺、药剂初选、反应装置结构；通过现场试验，完善了关键药剂配比、污泥用量、各种药剂投加顺序，确定了加药点[5]，并对调质反应器的结构进一步改造完善，最终实现了调质反应器在确保各项指标达标的条件下稳定运行。

1 室内实验

实验仪器：气相色谱-质谱联用仪、运动黏度测定仪、全量程界面张力测量仪、显微（细胞）电泳仪、混凝试验搅拌仪、电子天平、污泥脱水装置、紫外可见光分光光度计等。

实验水质：含硅质量浓度135～235 mg/L、总硬度200～225 mg/L、pH=8。

实验室研究成果如下：

（1）在未投加吸附剂条件下，针对不同水质条件，在表2所示的加药量范围内均能满足预定出水水质指标，即：含硬≤80 mg/L，含硅≤60 mg/L，硅去除率≥60%，硬度去除率≥65%。

表2 实验室筛选降硬除硅药剂体系Tab.2 Screening of hardness reduction and silicon removal agent system in laboratory

（2）针对原水水质不同，室内实验药剂消耗量为理论加药量的120%～150%。

（3）投入制硅吸附剂后，硅、硬去除率约提高10%～15%。

2 现场试验

2.1 综合调质反应器结构及工作原理

综合调质反应器由第一反应吸附室、第二反应吸附室、混凝沉降区、净水区、搅拌提升泵、强制循环泵、刮泥机等组成[6]（图3）。其原理是充分利用硅的吸附特性，利用制硅吸附剂重复在一、二级反应吸附室循环，原水在两级反应室中与药剂、吸附剂等完成充分混合与反应，即可通过吸附剂吸附水中的硅、硬度，又能使吸附剂中夹带的有效药剂成分得以充分反应。反应后的水进入混凝吸附区完成化学絮凝沉降，使水体得以快速澄清，最终完成“制硅吸附”+“混凝吸附”的污水通过净水区后达标排出。

图3 综合调质反应器内部构造图Fig.3 Internal structure diagram of comprehensive conditioning reactor

2.2 中试结果与分析

现场中试装置为10 m3/h 橇装化装置，整橇占地2.5 m×6 m×7 m，污水在系统中停留时间为1.5 h。

中试主要包含以下几部分内容：除硅剂投加量与去除率试验[7]；除硬剂复配加药试验[8]；内、外循环吸附试验；悬浮物去除效果试验；混凝吸附层厚度控制试验。

2.2.1 除硅剂最佳加药量测定

控制水体pH 值在9.5～10.2 的条件下，开启内循环，1#除硅剂试验加药质量浓度分别为0.1～0.5 g/L，每次加药质量浓度增加0.1 g/L，出水二氧化硅含量变化关系如图4所示。

图4 除硅剂试验水质变化关系Fig.4 Variation relationship of water quality in the silicon removal agent test

试验结果表明：1#除硅剂（有效成分30%）加药量的增加使硅去除率增加，在满足出水降硬除硅指标要求情况下，1#除硅剂最佳加药质量浓度为0.36 mg/L。

2.2.2 除硬剂复配试验

控制pH值在9.5～10.2之间[9]，开启反应器内循环条件下，1#除硬剂[10]（有效成分90%）试验加药质量浓度为0～0.5 g/L，每次加药质量浓度增加0.1 g/L；2#除硬剂[10]（有效成分98%）试验加药质量浓度为0.5～0 g/L，每次加药质量浓度减少0.1 g/L。出水水质变化关系如图5所示。

图5 除硬剂复配试验水质变化关系Fig.5 Variation relationship of water quality in the hardness removal agent compound test

试验结果表明：硬度去除率随1#除硬剂药量的增加而升高，加药质量浓度超过0.4 g/L即会导致硬度反向升高；在满足出水降硬除硅指标要求情况下，1#除硬剂最佳加药质量浓度为0.32 g/L，2#除硬剂最佳加药质量浓度0.18 g/L。

2.2.3 循环吸附试验

控制加药量在表3所示的条件下，现场进行了了反应器单独开启内外循环、单独开启外循环及内外循环均开的试验。同时，在定量内循环的条件下，进一步做了总循环量与降硬除硅效果的试验。单循环水质变化关系如图6、图7所示。

图6 内外循环吸附试验含硅量变化关系Fig.6 Variation relationship of silicon content in the internal and external circulation adsorption test

图7 内外循环吸附试验硬度变化关系Fig.7 Variation relationship of hardness in the internal and external circulation adsorption test

表3 循环吸附试验中基本药剂体系Tab.3 Basic reagent system in the cyclic adsorption test

试验结果表明：在同等加药量条件下，内循环吸附开启比关闭状态下硅、硬度去除率提高5%～10%，内外循环吸附开启比关闭状态下硅、硬度去除率提高15%～20%，此效果得益于综合调质反应器可设置为内循环吸附（低浓度）、外循环吸附（高浓度），完成“制硅吸附”，通过内外循环充分利用体系内的吸附剂，提高反应区域内吸附剂的浓度，增加接触概率和吸附表面积，使硅和硬度得到进一步去除。

通过调节装置外循环的循环量，循环吸附比和吸附剂浓度与出水水质变化关系如图8所示。

图8 循环吸附量试验水质变化关系Fig.8 Variation relationship of water quality in the cyclic adsorption capacity test

2.2.4 悬浮物去除效率

在加药浓度如表3的条件下，通过调节进水悬浮物的含量，对出水悬浮物含量进行研究。试验表明，进水悬浮物在一定范围内的变化对出水基本没有影响，经过1 h的系统内沉降，出水浮物浓度均可控制在质量浓度15 mg/L之内。试验结果如图9所示。

图9 悬浮物试验水质变化关系Fig.9 Variation relationship of water quality in the suspended solids test

2.2.5 混凝层厚控制效果

试验混凝吸附层厚度分别控制在0.2、0.4、0.6、0.8、1.0、1.2、1.4、1.6 m，出水水质随混凝吸附层厚度变化如图10所示。

图10 混凝吸附层试验水质变化关系Fig.10 Variation relationship of water quality in the coagulation adsorption layer test

试验结果表明，通过两级吸附后并经混凝吸附层吸附完成的出水水质硬度和硅去除率均有提高，硅含浓度从90 mg/L降至80 mg/L，硬度含量从56 mg/L降低至48 mg/L。随着混凝吸附层厚度的不断增加，硅含量从80 mg/L 降至28 mg/L，硬度含量从48 mg/L降至23 mg/L。

2.2.6 污泥成分分析

取沉降后的污泥进行污泥成分分析，成分分析结果见表4。

表4 污泥成分分析Tab.4 Analysis of sludge composition

综合调质反应器污泥主要为加药、除硬、除硅产生的污泥，每吨水绝干污泥产量0.812 kg。装置产生的物化污泥接入污水处理站原有污泥处理系统进行后续处理。

2.2.7 处理成本分析

处理成本分析如表5 所示。从表5 可以看出：最优效果药剂体系成本比实验室药剂体系成本降低了近60%，最经济药剂体系成本比最优效果药剂体系成本降低了近35%，这得益于综合调质反应器实现了内外强制循环吸附和混凝吸附层吸附，即“制硅吸附”+“混凝吸附”技术创新。

表5 药剂匹配体系成本分析Tab.5 Cost analysis of reagent matching system

3 结论

“化学絮凝沉降+制硅吸附+混凝吸附”适用于高温含硅、含硬废水，降硬、除硅、除悬浮物效果良好，出水水质稳定；利用反应器强制内外循环吸附的特点，吸附剂循环吸附利用，体系内硅、硬去除率提高，并减少加药量15%～20%，降低药剂运行成本及能耗；循环吸附比的增加可使出水硬度及硅去除率提升明显，循环吸附比在200%以上时，装置出水硬度及硅去除率趋于平缓；悬浮物处理可在本装置中一并进行，出水水质受进水悬浮物影响较小，进水悬浮物质量浓度为80 mg/L 时，1.5 h 沉降后浓度≤15 mg/L；混凝吸附层厚度应控制在1 200 mm 左右，厚度不够不易起到吸附的效果，厚度太高易导致混凝吸附层表面絮体随上升水流带入出水槽，影响出水水质；综合调质反应器剩余污泥成分多为硅酸钙、硅酸镁及残余药剂，属于物化污泥，接入污水处理站原有污泥处理系统进行后续处理，装置在进水含油浓度≤2 mg/L 时，污泥中含油浓度≤2%（质量分数）。

在现场水质条件及出水要求下，采用最佳经济药剂体系，吨水处理药剂成本1.79元，吨水电费成本0.36元，达标吨水处理费用2.15元，适用于工业化应用。针对不同的水型应调整综合调质药剂体系，以实现最经济、最高效的运行工况。