快离子催化杀菌技术在南堡油田采出水处理中的应用

赵金龙，范志勇，王 宇

中国石油冀东油田公司，河北唐山 063200

南堡油田1 号人工岛水处理站2009 年投入使用，设计能力9 600 m³/d，目前处理水量8 000 m³/d。三相分离出的水经水处理站处理后，为1 号人工岛、2 号人工岛及3 号人工岛注水井提供水源，处理后的水质应达到B1 级（含油量≤8 mg/L、悬浮固体含量≤3 mg/L、悬浮物颗粒直径中值≤2 μm、SRB菌含量≤25个/mL、铁细菌与腐生菌含量均≤n×103个/mL，其中1≤n≤10）。注水中若存在超量的SRB 细菌、铁细菌将会造成管道穿孔，需采取杀菌工艺对采出水中SRB细菌等进行处理以满足注水要求。该站原采用紫外线灯照射物理灭菌方法，由于紫外线只能使SRB等细菌暂时性休克，加之污水中含油、聚合物等影响光照，导致杀菌效果差。后采用投加杀菌剂的方式进行杀菌，但运行中存在管道腐蚀、细菌抗药性增加、人力成本高、加药费用高以及杀菌效果差的问题。2018 年杀菌剂投加量34.9 t，质量浓度为13.8 mg/L，全年费用43.5万元。2020年1月，杀菌剂投加量达到100 mg/L，仍未能杀死采出水中的各类细菌，随着加药时间的增加，细菌抗药性增加，水质不稳定，外加杀菌剂不能满足B1级水质的要求。为满足生产中对于注水水质的要求，需对杀菌技术进行改进。

1 南堡油田采出水处理系统工艺流程

南堡油田1 号人工岛水处理站主要生产工艺流程见图1。1 号、2 号、3 号人工岛的采出液经过三相分离器分离出的水经管道进入1 座5 000 m3接收水罐进行缓冲、沉降、除油，出水进入2台并联使用的高效溶气浮选机，进行二级除油和进一步去除悬浮物，靠重力流入缓冲水池。出水经升压泵提升后进入一级双滤料过滤装置，一级过滤后的出水直接进入二级悬挂纤维束过滤装置，二级过滤后的出水进入改造后的三级双滤料过滤装置达到B1 水质标准，经过综合杀菌装置或投加杀菌剂后进入5 000 m3净化水罐，出水经外输泵分别输至1号、2号、3号人工岛注水站，回注油层[1]。

图1 水处理系统工艺流程

2 杀菌技术优选

油田回注污水采用的灭菌方法很多，大体可分为三种。一是物理方法，如紫外线灭菌；二是化学方法（投加化学药剂），如甲醛灭菌法、苯及季铵盐类灭菌法等；三是电化学灭菌法，如电解盐电化学法等[2−3]。这些方法都有一定的灭菌效果，但不能保证回注水水质达到无菌或细菌不超标；同时也存在共性问题，如运行费用高、工艺流程复杂、可操作性差、不同程度地对管道造成腐蚀和对水质及周边生态环境造成影响。通过现场调研了解到快离子高级催化杀菌技术，将其与当前三种常用杀菌工艺的适用范围、优缺点、安全环保性、经济性进行对比[4]（见表1），从表1 可以看出，快离子高级催化杀菌技术优势明显，因此引进此工艺方法及装置进行油田回注水杀菌处理。

表1 灭菌方法对比

3 快离子催化杀菌技术在南堡油田应用

3.1 快离子催化杀菌装置工艺原理

快离子催化杀菌技术是一种无药剂除硫灭菌技术，其除硫灭菌机理[5]就是其充分利用油田含油污水中存在的物质（矿化度），当含油污水进入快离子催化反应器中，在电场力的作用下快速建立离子电流场，从而产生高能的离子电流，促进水中离子做加速迁移运动，在此迁移过程中发生一系列的电化学反应，产生高浓度的活性基氧化性新物质，如OH、O、ClO2、H2O2、HClO、O3、ClO、Cl2等。将这些新生的高浓度活性基氧化性（除硫灭菌）新物质与原污水混合，可快速除去水中H2S、杀灭SRB 等细菌并能在水中持续作用。杀菌装置原理如图2所示。

图2 杀菌装置原理

3.2 现场工艺流程

南堡油田1 号人工岛水处理站新建快离子高级催化杀菌装置2 台，单台处理能力5 000 m3/d。快离子高级催化杀菌装置[6]主要工艺流程：外输水主管道上分出支管取水进入橇装内增压泵6，升压后进入快离子反应器8，进行电化学高级氧化反应，反应器输出含高浓度氧化剂杀菌物质（HClO），进入外输水主管道上与原污水快速混合，杀灭污水中SRB 等细菌，杀菌后的水通过排气口4，除去水中剩余的小气泡后，通过外输水泵5增压后输送至1号、2号、3号人工岛注水站，回注油层。同时反应器另一路输出气水混合物，通过排气管道至外输水罐的入口与来水混合，继续反应生成少量的HClO、H2O 和N2等物质。具体工艺流程如图3 所示，内部工艺如图4所示。

图3 杀菌装置工艺流程

图4 快离子杀菌处理装置内部工艺

3.3 应用效果

3.3.1 水质菌类指标情况

南堡油田1 号人工岛水处理站杀菌装置2020年10 月底投用，经过取样化验，化验结果表明1号岛、2 号岛、3 号岛注水井井口水质菌类指标均达到B1级。具体情况如表2所示。

表2 1号、2号、3号岛注水井井口水质化验结果

3.3.2 杀菌物质对外输水管道腐蚀速率检测

南堡油田1 号人工岛水处理站于2020 年10 月20 日在站内外输水泵出口汇管设置了腐蚀挂片装置，随后对由杀菌装置制取活性基氧化性（杀菌）物质对外输管道的腐蚀速率进行了验证试验，腐蚀挂片试验周期30 d、60 d，腐蚀速率见表3。从表3可以看出，快离子高级催化杀菌装置产出的活性基氧化性（杀菌）物质对下游设备和管道的设计腐蚀速率为0.026mm/a（<0.076 mm/a），满足规范要求。

表3 腐蚀挂片试验数据

3.3.3 经济效益分析

南堡油田1号人工岛水处理站处理量8 000 m3/d，杀菌剂加量为800 kg，杀菌剂单价为12 000 元/t，加药费用为9 600元，单方水处理费用为1.2元/m3。

南堡油田1 号人工岛电解杀菌装置投用后运行电流5 000 A，电压8 V，电费单价0.8元/（kW·h），每天耗电费用为(5 000 A×8 V)/1 000×0.8×24=768元，单方处理成本为768元/8 000 m3≈0.1元/m3。

南堡油田1 号人工岛水处理站杀菌装置安装工程费用93 万元，设备购置费400 万元，杀菌剂年减少费用为（1.2−0.1）元/m3×8 000 m3×365 d=321.2 万元，投资回收期为（400+93）万元/321.2=1.5 a。

4 结束语

快离子高级催化杀菌装置在南堡1 号人工岛水处理站回注水系统成功应用，实现了冀东油田外输回注水至井口“零”细菌含量的注水水质指标。快离子高级催化杀菌装置运行费用低、自控程度高、对环境无污染，同时工艺简单，装置整体集成使其移动安装更简便。杀菌装置投产后，南堡油田1号人工岛灭菌成本由1.2元/m3降为0.1元/m3，降本显著。电解杀菌技术在石油天然气行业废水处理领域极具推广意义，为南堡油田回注水系统杀菌技术推广奠定了理论和技术基础。