低壓穩(wěn)流過濾器的研制及在油田污水處理中的應用

我國油田大部分已進入三次開采期,采出原油的含水率已達70% ~80%,有的油田甚至高達90%,同時聚驅(qū)采油技術的發(fā)展導致采油出水水質(zhì)發(fā)生了明顯變化，,加大了油田污水處理的難度。
　　過濾工藝作為油田污水處理的主要工藝從20世紀40年始在油田得到了廣泛應用。過濾主要用以去除污水中粒徑較小的油滴和懸浮物,所用的過濾器主要有石英砂和核桃殼過濾器。石英砂濾料粒徑小,主要用于懸浮物的去除;核桃殼濾料具有親油疏水的性能主要用于油的去除。對處理水驅(qū)污水具有良好的效果,但隨著聚驅(qū)采油的發(fā)展,污水水質(zhì)發(fā)生了明顯的變化,嚴重影響了過濾器過濾性能,過濾出水難以達標。

1、過濾器運轉(zhuǎn)中的主要問題
　　隨著油田聚驅(qū)采油技術的發(fā)展,水驅(qū)和聚驅(qū)采油污水中聚合物的含量增加。例如某水驅(qū)油井抽樣化驗結(jié)果,聚合物平均濃度由2001年42 mg/L升高到2004年150 mg/L。而聚驅(qū)采油污水中聚合物濃度更高,采油污水水質(zhì)的變化,嚴重影響了過濾器的性能,導致過濾器在過濾過程中出現(xiàn)了一系列問題。
　1.1　過濾性能不穩(wěn)定
　　自2000年以后,大慶油田污水處理站過濾器就出現(xiàn)了水質(zhì)不達標的情況,核桃殼過濾器出水油不達標,石英砂過濾器出水懸浮物去除率下降,且有著逐年加劇的趨勢。
　1.2　反沖洗憋壓
　　在反沖洗過程中,隨著反沖洗的進行,反沖洗壓力迅速升高,核桃殼過濾器反沖洗壓力可達到0.3MPa,石英砂過濾器可達到0.45 MPa。過高的壓力極易損壞過濾器內(nèi)部原件。
　1.3　跑料問題
　　過濾器反沖洗過程中跑料嚴重,據(jù)大慶油田現(xiàn)場統(tǒng)計,大部分濾罐每年需要補充原濾料的1/3,增加了運行成本。
　　造成這些問題的根本原因是由于采油污水中聚合物濃度的增加,導致水體粘度增大。雜質(zhì)與濾料的結(jié)合力增大,現(xiàn)有反沖洗系統(tǒng)無法有效去除粘附在濾料表層的濾料。長此以往,大量粘附在濾料表層的油導致濾料密度減小,反沖洗過程中,濾料膨化嚴重,堵塞布水篩管,致使過濾器憋壓,跑料,反沖洗效果差,最終導致過濾器出水難以達標。
　　為了解決過濾器反沖洗過程中存在的問題,在充分研究現(xiàn)有過濾器基礎上,開發(fā)了適合處理含聚廢水的過濾器。
2、低壓穩(wěn)流過濾器的研制
　　為了解決過濾器存在的問題,通過對核桃殼和石英砂過濾器內(nèi)部結(jié)構(gòu)的改造,開發(fā)了低壓反沖洗過濾器,低壓穩(wěn)流核桃殼過濾器結(jié)構(gòu)見圖1,低壓穩(wěn)流石英砂過濾器見圖2。
　　低壓穩(wěn)流過濾器有效解決了反沖洗憋壓、跑料、濾料清洗不徹底的問題,其反沖洗效能可參考文獻,因此顯著提高了過濾效果。

3、低壓穩(wěn)流過濾器處理效果
　　為了進一步探討低壓穩(wěn)流過濾器的過濾效果,選取大慶油田某污水處理站進行了現(xiàn)場試驗,對低壓穩(wěn)流過濾器出水的懸浮物和油的濃度進行了監(jiān)測,研究了低壓穩(wěn)流過濾器的過濾效能?！　?/p>

　3. 1　一級低壓穩(wěn)流核桃殼過濾器的過濾效果
　　由圖3可知,原核桃殼過濾器出水油平均含量達到32. 3 mg/L,平均去除率在45. 3%。低壓穩(wěn)流核桃殼過濾器出水油平均含量13. 4 mg/L,平均去除率78. 1%。出水含油量達到中高滲透油層回注水標準,且去除率與原過濾器相比提高了33%。經(jīng)過3個月時間的運轉(zhuǎn),出水效果并未出現(xiàn)惡化。

　　由圖4可知,新型的低壓穩(wěn)流核桃殼過濾器懸浮物的去除率提高不明顯。出水懸浮物濃度在20.5 mg/L,去除率平均為55%。與原過濾器相比懸浮物的去除率提高不到20%。這主要是由于核桃殼濾料表面粗糙,具有巨大的比表面積,油污由于其疏水性,在濾料表面的物理吸附或粘附作用下易于附著于濾料顆粒的表面。而對于懸浮顆粒,只有相對密度較大的顆粒,通過沉降作用才能附著在濾料表面。對于微小的顆粒,由于核桃殼過濾器濾料間孔隙率較大,很難通過其截流下來,所以核桃殼過濾器對懸浮物去除效果不佳。目前核桃殼過濾器主要用于含油污水中油的去處。
　　從以上試驗結(jié)果可見,經(jīng)過一級低壓穩(wěn)流核桃殼過濾器處理后污水中的懸浮物和油均有一定的去除,尤其是油,去除效率達到80%左右。出水可達到中高滲透層油田回注水標準。但無法達到油田低滲透油層回注水的標準,尤其是懸浮物明顯超標。而目前油田大部分采油區(qū)屬于中低滲透油層,為了使回注處理污水達到低滲透油層回注標準,需采用二級過濾工藝。
　3. 2　二級低壓穩(wěn)流石英砂過濾器的過濾效果核桃殼過濾器的作用主要是去除污水中的油,對水中懸浮物的去除效果并不明顯,而石英砂過濾在去除懸浮物方面有著獨特的優(yōu)點。這是因為重質(zhì)濾料石英砂過濾器,具有較強的強力截留、重力沉降和接觸絮凝作用,大量的懸浮物被石英砂過濾器去除。因此污水經(jīng)一級低壓穩(wěn)流核桃殼過濾器過濾后,進入二級低壓穩(wěn)流石英砂過濾器以進一步去除污水中含有的懸浮物。在一級全部應用低壓穩(wěn)流核桃殼過濾器基礎上,對已應用低壓穩(wěn)流石英砂過濾器的系統(tǒng)過濾效果進行了研究。
　　由圖5可知,由于原水經(jīng)一級低壓穩(wěn)流核桃殼過濾器處理,進入二級過濾器的污水中油濃度已經(jīng)很低。但是低壓穩(wěn)流石英砂過濾器油去除率平均仍達到了75%,出水油濃度在5mg/L以下;而原石英砂過濾器油去除率平均僅為25%,主要是因為石英砂過濾器屬淺床過濾器,依靠濾料和在濾料床層上部形成的濾餅層來截留污水中的懸浮物和膠體。隨著聚合物驅(qū)油技術的推廣,石英砂在處理聚驅(qū)污水或其他含聚污水時,水中殘留的聚合物在濾床上層形成粘附于濾料上的膠凍狀濾餅,在正常反沖洗條件下,不能有效地將膠凍狀濾餅破碎并沖洗出去。濾料清洗不干凈的問題,導致過濾效果差,出水難以達標。

　　由圖6可知,低壓穩(wěn)流石英砂過濾器懸浮物具有良好的去除效果,出水懸浮物濃度平均為9. 8 mg/L,與普通石英砂過濾器相比去除率平均提高了20%,達到了80%以上。且長時間運轉(zhuǎn)一直比較穩(wěn)定。主要在于低壓穩(wěn)流過濾器有效地改善了過濾器反沖洗效果,濾料再生徹底,因此效果良好。

4、微絮凝過濾研究
　　采用低壓反沖洗過濾器改善濾后水水質(zhì),但由于多次回注以及聚驅(qū)采油技術發(fā)展,導致懸浮物粒徑越來越小,出水懸浮物濃度亦有超標。為了解決這一問題,采用了微絮凝-過濾工藝。
　　所謂微絮凝過濾是通過在過濾罐前加入一定濃度的微絮凝劑,絮凝劑在管道水流的作用下,迅速與含油污水中的聚合物、懸浮顆粒和油混合,通過吸附、橋連和網(wǎng)鋪等作用發(fā)生凝聚,生成微絮體。
　　微絮體在經(jīng)過彎頭、布水圓筒和篩管時,在渦流、旋轉(zhuǎn)和碰撞的作用下,微絮體能聚結(jié)成相對較大的絮體,而這些絮體經(jīng)過篩管進入罐體中時,過水面積加大,相對流動速度減小,形成一個類沉降過程,在碰到濾料時,被截留在濾層中。隨著過濾的進行,截留在濾層的泥逐漸增多,一定時間后形成了覆蓋整個濾料的污泥層。由于污泥具有更小的孔隙,截流能力顯著提高,其界面靠物理吸附和電化學特性及范德華力的作用,將懸浮膠體顆粒、油等雜質(zhì)全部或部分攔截在此層,使出水水質(zhì)達到深度處理的水平。同時也相對增厚了濾料層,使其過濾效率要遠遠高于常規(guī)的石英砂過濾。在反沖洗時,泥層通過反沖洗能夠排出到罐外,并不影響反沖洗效果。
　　在現(xiàn)場通過在濾前管道增加微絮凝加藥系統(tǒng)。在保持原有濾速前提下,對濾后總出水含油和懸浮物的量進行了監(jiān)測,效果如圖7和圖8所示?！　?/p>

　　從圖中可見,出水中油平均含量達到1 mg/L,最低至0。去除率平均為99%。而原有濾罐出水平均油含量為6 mg/L,去除率89%。出水懸浮物平均在3 mg/L以下,去除率在95%以上。出水效果較以前工藝均有明顯提高。濾后出水油和懸浮物的濃度達到了油田低滲透油層回注水標準,甚至達到特低油層回注水標準,通過二級過濾即可達到原有過濾深度污水處理的標準,從而節(jié)省投資,具有顯著的經(jīng)濟效益。

5、結(jié)　論
　　研究了低壓反沖洗過濾器過濾效果,在此基礎上研究了微絮凝二級過濾工藝處理效果。
　　(1)低壓反沖洗過濾器有效解決過濾器存在的問題,提高了過濾精度,改造后核桃殼過濾器出水油平均含量13. 4 mg/L,平均去除率為78. 1%;出水懸浮物平均含量20. 5mg/L,平均去除率為55%。改造后石英砂過濾器出水油平均含量5mg/L以下,平均去除率達到75%以上;出水懸浮物平均含量為9.8 mg/L,去除率達到80%以上。
　　(2)微絮凝-懸浮污泥過濾提高了過濾效果,其出水油濃度平均達到1 mg/L,懸浮物平均濃度達到3 mg/L。主要原因在于高效的絮凝劑能夠快速生成絮體,達到微絮凝效果,在濾料表層形成活性污泥層,提高了過濾精度。
　　(3)應用微絮凝-懸浮污泥二級過濾工藝即可達到原有過濾深度處理的標準,因而具有顯著的經(jīng)濟效益。