气浮+MBR法在低渗透油田采出水回注方面的应用及发展方向

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  摘 要:本文详细介绍了低渗透油田采出水的特点及对回注水的要求,简述了传统处理工艺存在的缺陷,阐述了气浮+MBR新工艺处理油田采出水的原理及特点。本文以延长油田青化砭采油厂丰富川集输站污水为工程实例,通过技术、经济、环境效益分析,证明了气浮+MBR工艺处理油田采出水的可性行。青化砭采油厂处理水量Q=1500t/d,设计进水水质:油≤100mg/l,水温≤55度,硫化物≤100mg/l,SS≤300mg/l,PH 6-9,矿化度≤30000mg/l,总铁≤1mg/l。工程于2011年5月投产后,系统出水水质:油≤1.0mg/l,SS≤1mg/l,硫化物≤1mg/l,粒径中值≤1μm,总铁≤0.5mg/l,各项水质指标均达到油田回注水A1标准(SY/T5329-94)。
  关键词:低渗透油田;高效气浮;微生物;膜处理
  一、引言
  随着我国经济的快速发展,需油量不断上升,国内大部分油田已陆续进入二次、三次开采高峰阶段,进入高产水、高回注水时期。我国低渗透油藏储量占60-70%【1】,采油主要以化学驱采、回注水驱采为主,能够提高油田采收率10-18%,例如三元复合驱采油能提高15-18%的油田采收率。采出液含水率在60-70%,有的油田甚至高达90%,经破乳、油水分离、电脱水、沉降后,出水含油量高,并大部分以乳化状态存在,具有较高的稳定性,并含有大量的表面活性剂、低共聚物、矿物胶体等溶解性物质,矿化度高,水质复杂、多变,较难处理,且水量较大【2-3】。若采用重力除油、气浮、絮凝沉降、过滤等传统工艺,具有处理效率较低、加药量大、絮凝沉降速度慢、过滤效果差、出水水质不稳定等特点,产水很难满足油田低渗透油田回注要求【4】。低渗透油藏的主要特点是地层渗透率低(<0.10μm2)、流体通过能力差、有效孔隙率低、孔道弯曲且孔喉小径小,储层对注入水的水质要求较高。在油田开采过程中,为保持地层压力,普遍采用注水工艺,而注水水质的优劣直接关系到石油的采收率,特别是低渗透油藏,对注水要求较高,注入的水与油层液体和储层配伍性良好,与尚未层水相混不产生沉淀;不应携带超标的悬浮物和油,以防堵塞注水井渗滤端面及渗流孔道;对地面注水设备及井下管柱腐蚀性小等要求。因此,选用经济、实用、高效、出水水质好、满足低渗透油田回注要求的水处理工艺,是延长油田开采时间、保证油田增产、符合环保要求的关键所在。
  二、工艺选择
  油田采出水传统处理工艺,一般均采用二段或三段式处理流程(重力沉降+过滤或重力沉降+气浮+过滤),此种工艺在处理过程需要加入破乳剂、混凝剂和杀菌剂,易产生大量的污泥造成二次污染,另外过滤器随着使用时间的增加,会出现滤料污染、板结和滤速降低、出水水质恶化的现象,而且不管是加大反冲洗强度、延长反冲洗时间和投加化学清洗剂等技术措施,还是不能从根本上解决反冲洗不彻底的问题。实际生产过滤中不得不经常更换滤料,给采油生产管理带来了不便。用超滤膜技术处理油田采出水是近几年研究的热点,它可有效去除水中SS、胶体、微生物等杂质,产水清澈透明,粒径中值小于0.5微米,浊度小于0.2NTU,用膜法深度处理油田采出水具有分离效率高、出水水质好、占地面积小、自动化程度高的特点【5-6】。将活性污泥法与超滤法相结合处理油田采出水技术(MBR)是一种新兴的水处理技术,公开报到的文献很少。
  针对油田采出水的特点,采用高效气浮+MBR(微生物反应池+管式膜组件)工艺对其进行处理,将高效气浮技术、微生物处理技术与膜处理机结合起来,提高污染物的去除率。一方面高效气浮可以有效去除来水中的SS、油及其它部分污染物,而常规气浮存在释放器容易堵塞、水温高时溶气效果差、运行费用高、处理效果差等问题[7-8];在微生物反应池中投加高效联合菌群,可以对采出水中易造成膜污染的油及有机物有效地进行生物降解,同时可以除硫化物、铁离子等物,从而减少了对膜的污染,膜运行周期因此可以大大延长,另一方面,膜可以将细菌、悬浮物完全截留,出水的细菌、SS几乎为零。通过膜截留后的污泥回流到反应池,提高反应活性污泥的浓度(污泥浓度可达8-12g/L),提高容积负荷,增加生化处理效率。
  三、工程实例
  1.设计基础
  (1)项目背景:延长油田青化砭采油厂属特低渗透油田,单井产量低,开采成本高。为了增加油的产量、提高开采率及符合国家环保要求,油田公司决定对油田采出水进行处理,出水达到A1标准后SY/T5329-94)进行回注。项目建设地点延长油田青化砭采油厂丰富川集输站,工程于2010年10月开始建设,2011年5月份开始投产。
  (2)系统设计处理水量:Q=1500m3/d,原水为除油沉降罐出水。
  (3)设计进、出水水质:
  设计进水水质:油≤100mg/l,水温≤55度,硫化物≤100mg/l,SS≤300mg/l,PH 6-9,矿化度≤30000mg/l-,总铁≤1mg/l。
  设计出水水质:油≤1.0mg/l,SS≤1mg/l,硫化物≤1mg/l,粒径中值≤1μm-,总铁≤0.5mg/l,SRB 0个/ml,TGB  (4)工艺流程及说明
  a、工艺流程:
  针对油田采出水水质水量不稳定、变化大和含油量高、水温高、矿化度高、化学成份复杂、出水要求高等特点,在现场中试的基础上采用高效气浮+MBR工艺,具体工艺流程详见图1。
  b、工艺说明:
  除油沉降罐出水进入高效气浮池,将90%以上的油及SS去除后进入中间水池缓存,而后用中间水泵提升至微生物反应池,如果温度超过35度时,应首先进入冷却塔,使污水温度降至35度以下。向微生物反应池内投加适量的专性联合菌群,该菌在高含盐量的油田采出水中具有很高的活性,通过自身的代谢活动能充分降解水中的有机物及油类污染物。微生物反应池出水经供水泵泵入超滤膜处理装置,进行固液分离,去除水中的SS、胶体、细菌及部分机污染物。膜产水进入出水箱,而后用出水泵提升高至回注水罐进行回注。   图1:工艺流程简图
  2.主要构筑物及设备规范
  (1)高效气浮:1套,不锈钢材质,外形尺寸:3.9x2.0x4.88m,HRT为10min。高效气浮装置为一体化设备,集反应器、箱体、溶气罐、溶气泵为一体,采用全封闭方式运行,全自动操作,并配有先进的管式混合反应器、无堵塞释放器、斜板分离系统,可高效去除水中油粒、SS,为后级水处理单元创造有利条件。
  (2)中间水池:1座,钢砼结构,外形尺寸:12x5.0x5.5m,HRT为4.5h。主要用于收集高效气浮的出水,并调节水质、水量。中间水池配有2台提升水泵,Q=70m3/h H=20m N=11KW,1用1备。
  (3)冷却塔:1台,FRP材质,圆形,处理水量Q=70m3/h。当中间水池内温度超过35度时,须经过冷却塔对其降温,以保证微生物的最佳生产环境。
  (4)微生物反应池:4座,钢砼结构,单池外形尺寸:12x4.5x5.5m,HRT为8h。4座微生物反应池串联运行,用于降解水中的有机物及油,运行初期,需定期向微生物反应池内投加油田采出水专用的联合菌群,同时投加与专性菌相匹配的专性营养剂和抗表面活性剂,以保持专性菌的优势和活性,油、有机物的去除率可达90%以上。微生物反应池配有:4套耐油防垢曝气器;3台风机,Q=15m3/min P=58.5Pa N=30KW,2用1备,变频控制。
  (5)膜处理装置:5套,单套处理能力为12.5m3/h。每套膜处理装置配有1台循环水泵(Q=200m3/h H=32m N=30KW)和一套膜组件(PVDF材质,进口管式膜,组件长度3.0m,外径8英寸)。对微生物反应池内污水进行高效固液分离,除去水中的SS、细菌、油类等污染物,生产出高质量的渗透水。膜处理装置配有:3台膜处理供水泵,Q=100m3/h H=15m N=11KW,2用1备,变频控制;膜清洗系统1套,用于对膜元件清水冲洗和化学清洗。
  (6)出水箱:1只,有效容积20m3,FRP材质,主要用于收集膜装置的产品水。出水箱配套膜出水泵2台,Q=70m3/h H=20m N=11KW,1用1备。
  3.工艺特点
  工艺关键技术在于高效气浮装置、微生物技术和膜处理装置技术。
  (1)高效气浮装置是在引进并吸收国内、外先进技术的基础上开发的新一代产品,集絮凝反应、溶气系统、上浮、斜板沉淀、排渣、排泥、导流稳水面系统于一体,采用全封闭全自动运行,设备高度集成,具有处理效率高、占地面积少、溶气效果好、出水水质好、全自动操作等特点,SS、油的去除率可达90%以上。
  (2)由于油田采出水的水质成份非常复杂、矿化度很高,一般细菌很难存活,投加油田专用的专性联合菌群却可以很好地存活,并在短时间内就能充分降解水中的油及有机污染物,油的去除率可达90%以上。这为后级膜处理装置的高效运行创造非常有利的条件,降低了膜的污染指数,从而延长膜元件的清洗周期和使用寿命。
  (3)膜处理装置的膜元件从国外进口,膜管采用世界先进的工艺制成,抗污染性能优越,膜通量大。
  (4)膜组件采用错流过滤原理,不易产生污染,浓水又重新回到微生物反应池,可有效增加活性污泥浓度,提高污泥龄,微生物反应池的容积负荷显著得到提高。
  (5)系统运行时,无需投加混凝剂、助凝剂剂,剩余污泥量小,无二次污染。
  (6)整套系统运行自动化程度高,可无人值守,全自动运行,故工人劳动强度很低。
  4.系统运行效果
  (1)系统建成后,于2011年5月进入调试,通过向微生物反应池内投加适量的专性联合菌群及营养剂,经过半个月的培养、训化,发现微生物反应池内的活性污泥浓度已达4g/l,此时系统进水量为设计水量的80%左右,而后开始满负荷运行。当调试进入25天时,经检测发现微生物反应池内活性污泥浓度已达7g/l,膜组件出水清澈透明,出水量为63m3/h,出水水质详见下表2。各项指标完全达到设计要求。
  (2)运行过程中,发现除油沉降罐出水水量、水质变化较大,含油量在50-150mg/l之间波动,但高效气浮装置出水油含量始终在10mg/l以下,为后级MBR处理系统的稳定、高效运行提供可靠保障。
  (3)系统刚投入运行时,发现膜通量下降很快,后经停机检查,发现膜端盖内有大量木屑、纤维堵住膜管,可能是由微生物反应池内杂物清除不彻底所致。清除膜端盖内杂物,并在膜供水泵出口增加一只自清洗过滤器,以拦截水中较大的SS。而后重新开机,发现膜通量恢复到刚开机水平,出水量恢复正常。随后经过多天的观察发现,膜装置运行平稳,出水各项指标均达到设计要求。
  (4)系统运行1年后,发现有1只气浮释放器运行效果欠佳,拆开后检查发现释放器内结了一层较厚的污垢,用盐酸浸泡清洗后释放器恢复正常。后对来水进行取样、分析,发现除油沉降罐出水不仅矿化度很高(近3万mg/L),而且硬度也很高(近2000mg/L)。
  5.环境、经济效益分析
  (1)系统投入运行后,年消减油污染物约43吨/年,年消减悬浮物SS约108吨/年,其它污染物的消减量也都非常显著,产生较明显的环境效益。
  (2)系统总装机容量约330KW,运行功率约200KW,电费约1.92元/吨水(电费按0.6元/度),膜清洗剂费用约0.02元/吨水,人工费约0.22元(定员4人,人均按2500元/月),废水处理成本约2.16元/吨水。
  (3)工程总投资约2500万元,本套装置年产优质水约54万m3/年,用于低渗透油田回注,可显著提高采油率,经济效益明显。
  四、结论
  (1)根据油田采出水的特点,选用气浮+MBR联合工艺比较实用,优于传统工艺,出水各项指标均能达到低渗透油田回注水A1标准要求。
  (2)由于系统来水水质、水量波动较大,若预处理装置运行效果不稳定,则会对后级微生物处理系统造成很大的冲击,实践证明高效气浮装置运行一直稳定(出水含油量始终<10mg/L),经受住了考验。建议大家最好先对来水水质、水量进行充分调节,而后再进行后续处理,这样系统运行可能会更加平稳。
  (3)通常情况下,油田采出水的矿化度、硬度都非常高,结垢、腐蚀倾向严重,设备、管道的选材和防腐显得非常重要,必要时应采取一定的措施对原水进行预软化或药剂阻垢处理。
  (4)采用微生物处理技术,具有处理成本低、对油及有机污染物降解彻底、不产生二次污染、出水水质好等特点,比物化法处理油田采出水更具发展前景。
  (5)外置式MBR反应器,膜处理装置具有膜通量大、不易堵塞、出水效果好、使用寿命长、检修方便等诸多优点,但能耗、价格相对较高。开发耐污染、大通量、低能耗、强度高、使用寿命长、价格低廉的内置式膜处理装置(平板膜或中空纤维膜)是今后发展研究的方向。
  参考文献:
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  作者简介:
  魏国栋(1980-),注册环保工程师,长期从事水处理设计工作。
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