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大庆油田污水处理系统中悬浮固体去除工艺研究

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大庆油田 污水处理 系统 悬浮固体 去除 工艺 研究
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工程硕士学位论文 大庆油田污水处理系统中悬浮固体 去除工艺研究 N F N 何玉辉 2009 年 6 月 国内图书分类号: 学校代码: 10213 国际图书分类号: 密级:公开 工程硕士学位论文 大庆油田污水处理系统中悬浮固体 去除工艺研究 硕士研究生 : 何玉辉 导 师 : 姜安玺教授 申请学位 : 工程硕士 学科: 环境科学与工程 所 在 单 位 : 大庆油田工程有限公司 答 辩 日 期 : 2009 年 7 月 授予学位单位 : 哈尔滨工业大学 .: s N F N 2009 尔滨工业大学工程硕士学位论文 摘要 我国大部分油田已经进入了三次开采期,采出原油的含水率已达 70%以上,有的油田甚至高达 90%。本文对大庆油田含油污水处理站悬浮固体情况进行了跟踪调查,结果显示 水驱常规污水站达标率为 水驱深度处理站达标率为 聚驱污水处理站达标率为 大庆油田含油污水处理站悬浮固体达标率较差。 针对悬浮固体处理后达标率较差的问题,提出了油田现场提高处理悬浮固体去除率对策,在现有沉降 +过滤工艺基础上,通过设备改造提高悬浮固体的去除效果。沉降阶段采用气浮沉降技术,利用微小 气泡提供的浮力提高驱油效果;过滤阶段通过新型过滤器的开发,同时投加 絮凝药剂,利用微絮凝 —过滤工艺提高悬浮固体的处理效果,以上技 术在油田污水处理中应用均取得了较好的效果。 上述技术虽然在一定程度上提高了出水水质,但并未从根本上解决悬浮固体不达标问题。因为油田现有沉降设备部分不带排泥 设备或排泥设备运转失效,导致悬浮固体下沉后不能及时排出,长时间易导 致悬浮固体在系统内产生恶性循环。本文分析了沉降罐静压和负压排泥设施 对于沉降罐污泥排出情况,负压排泥器能够将沉降罐底部沉泥排出,二次混 凝沉降罐的排泥去除率超过 80%的排泥时间为 25次自然沉降罐的排泥去除率超过 90%的排泥时间为 20静压穿孔管能够将沉降罐底部沉泥迅速排出,除率达到 80%。静压穿孔管排泥和负压排泥器排泥相比具有投资少、操作简单、排泥效果好、节省运行费用和不附加动 力等特点。因此建议采用静压排泥设施提高 悬浮固体达标率。 关键词 :采油污水;悬浮固体;排泥;沉降罐 - I - 哈尔滨工业大学工程硕士学位论文 t of 0%,0%. In by it to so So in by to of by on by to of It of or to in a of so in a of 0% of 50% of 0it as of to of - 哈尔滨工业大学工程硕士学位论文 目录 摘要 ...................................................................................................................... I ..............................................................................................................录 ................................................................................................................... 1 章 绪论 ........................................................................................................究背景 ................................................................................................... 我国水资源现状 ................................................................................ 我国工业废水污染概况 .....................................................................田污水处理的研究概况 ........................................................................ 油田污水的产生、特点 ..................................................................... 油田污水处理出路 .............................................................................内外相关技术现状及发展趋势 ............................................................庆油田污水处理回注应用 .................................................................... 大庆油田污水处理回注现状 ............................................................. 回注指标 ............................................................................................ 回注处理技术措施 .............................................................................目来源、研究目的和意义 .................................................................... 项目来源 ............................................................................................ 研究目的和意义 ................................................................................ 主要研究内容 .................................................................................. 2 章 试验及分析方法 ..................................................................................浮固体测定方法 ................................................................................. 哈尔滨工业大学工程硕士学位论文 浮固体含量的测定 ....................................................................... 悬浮固体粒径中值的测定 ............................................................... 悬浮固体组成成分的测定 ...............................................................化物测定方法 .....................................................................................他分析方法 ......................................................................................... 油的测定 .......................................................................................... 细菌类测定 ...................................................................................... 3 章 大庆油田污水站出水悬浮固体调查 ...................................................庆油田含油污水处理站 悬浮固体含量情况调查 .............................. 大庆油田含油污水处理站工艺 ....................................................... 大庆油田各污水处理站出水 水质中悬浮固体含量分析 ................庆油田含油污水中悬浮固体的特性 .................................................. 含油污水的水质特性 ....................................................................... 悬浮固体的成分 ..............................................................................浮固体超标原因分析 .........................................................................章小结 ................................................................................................. 4 章 悬浮固体去除工艺优化 ......................................................................降段悬浮固体处理工艺 ...................................................................... 沉降工艺处理悬浮固体存在问题分析 ........................................... 沉降罐加气浮装置去除悬浮固体 ...................................................滤段悬浮固体处理工艺 ..................................................................... 改变滤料层去除悬浮固体 ............................................................... 改变滤料级配去除悬浮固体 ........................................................... 应用聚四氟乙烯膜过滤器去除悬浮固体 ....................................... 哈尔滨工业大学工程硕士学位论文 - V - 加化学药剂去除悬浮固体 ..................................................................章小结 ................................................................................................. 5 章 排泥方式对悬浮固体去除效果影响 ...................................................压排泥器现场排泥效果研究 .............................................................. 负压排泥器排泥原理 ....................................................................... 负压排泥器排泥工艺 ....................................................................... 新一联静沉试验和特性研究 ........................................................... 新一联负压排泥器排泥试验 ...........................................................压排泥器排泥效果研究 ...................................................................... 静压穿孔管排泥原理 ....................................................................... 静压穿孔管排泥工艺 ....................................................................... 南八联静沉试验和特性研究 ........................................................... 静压穿孔管排泥试验 .......................................................................种排泥方式的对比 ............................................................................. 工程投资对比 .................................................................................. 运行费用对比 ..................................................................................章小结 ................................................................................................. 论 .................................................................................................................考文献 ............................................................................................................读硕士学位期间发表的学术论文 .................................................................尔滨工业大学硕士学位论文原创性声明 .....................................................谢 ...................................................................................................................人简历 ............................................................................................................尔滨工业大学工程硕士学位论文 第1章 绪论 究背景 国水资源现状 水是人类及一切生物赖以生存的不可缺少的重要物质,也是工农业生产、经济发展和环境改善不可代替的极为宝贵 的自然资源,同土地、能源等构成人类经济与社会发展的基本条件。目前世界 上许多地方的淡水资源的利用都不是可持续的,国民经济的发展和人类生活水平的提高无疑将受水资源状态的制约。长期以来,水资源的不合理开发利用 所造成的严重的水资源短缺和区域性的生态环境灾害受到国际水资源与环境领 域的广泛关注。现代水资源开发利用已从传统的仅对水资源的影响评价与无序 开发,转变为更加重视水资源量与质的综合评价、合理开发与利用;更加注重 节水技术的开发与应用;更加关注水资源的天然循环与社会循环之间的协调; 更加注重节水技术的开发与应用;更加强调污水再生回用技术、污水水源的水 质回复技术的应用与推广;实现水资源的有效保护。 从总量上看,我国淡水资源相对比较丰富,属于丰水国家;但我国人口基数和耕地面积基数大,人均和每公顷平均 经济量相对要小的多,我国已处于严重的缺水边缘。我国水资源特征主要表现 为时空变化极大,分布极不均匀。在空间上表现为: (1) 降水、河流分布的不均匀性 我国河流的主要径流量分布在东南和中南地区,与降水量的分布具有高度一致性。 (2) 地下水资源分布的不均匀性 我国是一个地域辽阔、地形复杂、多山分布的国家,山区(包括山地、高原和丘陵)约占全国面积的 69% ,平原和盆地约占 31% 。地形特点是西高东低, 定向山脉纵横交织。我国地下水资源量总的分布特点是南方高于北方,地下水 资源的丰富程度由东南向西北逐渐减1哈尔滨工业大学工程硕士学位论文 少,另外,由于我国各地之间社会经济发 达程度不一,各地人口密集程度、耕地发展情况均不相同,是不同地区人均、 单位耕地面积所占有的地下水资源量具有较大的差别。 我国水资源不仅在地域上分布很不均匀,而且在时间分配上也很不均匀,无论年际或年内分配都是如此。我国大部 分地区受季风影响明显,降水年内分配不均,年际变化大。我国最大年降水量 与最小年降水量之间相差悬殊。我国南部地区最大年降水量一般是最小年降水量的 2~4 倍,北部地区则达 3~6 倍。降水量的年内分配也很不均匀。我国 长江以南地区由南往北雨季为 3 月~6 月至 4 月~7 月,降水量占全年的 50%~60%。长江以北地区雨季为 6 月~9月,降水量占全年的 70%~80%。正是由于水资源在地域上和时间上分配不均,造成有些地方或某一时间内水资源丰 富,而另一些地方或时间内水资源贫乏。因此,在水资源开发利用、管理与规 划中,水资源的时空再分配将成为克服我国水资源分布不均、灾害频繁状况, 实现水资源最大限度有效利用的关键内容之一。 国工业废水污染概况 我国污水排放总量中工业污水占 40%以上,由于工业废水水量大、污染物浓度高、处理程度低,使工业废水成为我 国水资源污染的主要原因之一。近年来,其中化工、印染、焦化、炼化、制革 等工业迅猛发展,不仅消耗大量的淡水资源,而且产生了大量高浓度、有毒、有害且难生物降解的有机物工业废水,其所造成的水污染最为严重。近 10 年来,虽然我国污水的处理率在不断提高,但工业废水的年排放量仍在大幅度增加。2008 吨,吨,虽然比 2007 年有所下降,但污染问题依然严重。全国工业废水排放达标率为 其中,重点企业工业废水排放达标率为 非重点企业工业废水排放达标率为 但这个数据中还有大量的小企业没有统计进去,实际的污染情况 比数字表明的要严重的多[1]。此外,由于我国目前工业污水出水标准控制 较低,且仍有大量不法企业偷排未处理或未达标废水,使大量有毒有害的物质 随废水排放进入自然水体中,带来了2哈尔滨工业大学工程硕士学位论文 十分严峻的环境问题,全国众多江、河、湖泊等的地表水源面临严重污染威胁。地表水源中的有毒有害物质不断积累 ,水质恶化,有的甚至渗入地下水,污染地下水资源,最后直接和间接地严重危害人民的身体健康。 水质污染是我国现在面临的主要问题之一,而含油废水和污泥的治理问题一直是困扰油田和其他石化企业的难题。石油是人类生产、生活重要的必需品,人类社会不可缺少的宝贵资源,有工 业血液之称。石油工业及石油化工工业是现代能源和国民经济的重要组成部分 ,自中华人民共和国成立以来,石油工业自年产 12 万吨原油的产量,发展到年产上亿吨。仅据 1991 年对 223 家石油加工企业统计, 废水排放量就达到 08t/a[2,3]。据文献[4]报道,仅中原油田含油污水总量就为 12×104m3/d。随之而来,石油类对环境的污染也日趋严重。因此世界上很多国家都对排放废水的 含油浓度作了规定和限制。我国规定含油废水中含油量最高允许排放浓度为 10,国外一些国家则限制在 5~20 范围内[5~8]。 因此,针对我国水资源短缺和水资源污染严重等问题,目前技术上的办法就是提高水处理技术,强化水处理工艺, 降低水处理成本,这就需要对造成水体污染的工业废水进行进一步的研究及处 理工艺的推广应用;要针对不同的工业废水的水质特性进行研究和处理,使其 最终能够达标排放并增加中水回用的使用率,充分、合理、有效的利用宝贵的 水资源,实现水资源的可持续发展战略[9 油田污水处理的研究概况 我国油田分布广阔,遍及全国大部分地区。其中大部分油田已进入石油开采的中后期,采出原油的含水率逐年增加,许多油田已达 70%以上,有的油田甚至高达 90%,导致油水分离后产生大量的油田污水[13]。油田污水如果未经处理而直接排放,不仅会造成土壤、水源的污染,有时甚至会引起污油着火事故,威胁人民的生命安全,造成国家的经 济损失。解决这一问题的最有效办法是将油田污水处理后回注地层。但随着三 次采油技术的推广应用,油田污水越来越复杂,处理难度越来越大。因此,开 发出适合我国油田实际情况、高效经3哈尔滨工业大学工程硕士学位论文 济的油田污水处理及回用技术,达到节能 降耗、保护环境、重复利用水资源的目的,成为油田水处理站建立和改进所面临的重要课题[14 油田污水的产生、特点 油田污水的产生 油田污水是在油田开发过程中产生的,广 义上的油田污水主要有四个来源:油田采出水、含盐量较高的原油用清水洗盐 后污水、洗井污水以及三采污水。我国各油田基本都采用注水或高压蒸汽开发 方式,即注入高压水或蒸汽保持油层压力,驱动原油从油井开采出来。经过一 段时间注水后,注入水或者冷却的水蒸气将伴随原油被开采出来,即油田采出水[16]。随着油田原油含水率的不断上升,油田采出水成为油田污水的主要来源[17因此,狭义的油田污水主要指油田采出水。 油田污水的特点 油田污水成分复杂,是一种含有固体杂质、液体杂质、溶解气体和溶解盐类等较为复杂的多相体系。由于原油产地的 地质条件、注水的性质以及原油集输和初加工的整个工艺不尽相同,油田污水 的性质也是千差万别。污水中杂质种类及性质和原油地质条件、注入水性质和原油集输条件等因素有关。 一般来说油田污水中含有原油、各种盐类、有机物、无机物及微生物等。污水含油约 1000~2000,高的可达 5000以上,存在的形式依油的颗粒大小而分为浮油、分散油、乳化油和溶 解油;污水中含盐约几千到几万甚至十几万 ,其无机盐离子主要有 K+、 水中含有的有机物,主要有脂肪烃、芳香烃、酚类、有机硫化物、脂肪酸、表面活性剂、聚合物等 ;无机物主要有溶解 土颗粒、粉砂和细砂等,主要以悬浮物形 式存在于污水中;油田污水中的微生物主要有硫酸盐还原菌、腐生菌和铁细菌等[20~25]。油田污水除了含有天然的杂质以外还含有一些用来改变污水性质的化 学添加剂,以及注入地层的酸类、除氧剂、润滑剂、杀菌剂、防垢剂和驱替剂等。 4哈尔滨工业大学工程硕士学位论文 油田污水处理出路 油田污水是油气田开发过程中产生,特别是伴随着原油的开采,地层压力逐渐降低,为了保持地层压力需向地层中 注入一定量的水或者蒸汽。在我国石油的二次开采中,注水开发是主要的开发方式[26, 27]。伴随着油田注水开发生产的进行,出现了两大问题,一是注入水 的水源问题;二是注入水和油田采出水的处理及排放问题。注水开发初期的注 水水源是通过开采浅层地下水或地表水来解决的,但大量开采浅层地下水会引 起局部地层水位下降,而地表水资源又很有限。因此,采油污水处理后用于油 田回注水为各大油田所采用。经处理达标后的污水用于油田回注具有下面的优点[28~30]: (1)回注油田采出水,地层吸水量大 由于采出水水温高( 40~70℃) ,于地层温度接近,注 水层段的吸水量也会增大,有利于驱油。 (2)有利于提高驱油效率 由于采出水中含有多种环烷酸和一定浓度的表面活性剂,降低了水的界面张力,增强了洗油能力;其次由于采出水粘度高,比重大,降低了油水粘度比。基于以上两种原因,向油层回注采出水,其采收效率比回注淡水提高5~8%。 (3)高矿化度,可提高水的渗透率 油层中的粘土遇到清水后会产生膨胀,降低油层的吸水能力。注入高矿化度的油田采出水会抑制低渗透率油层粘土 颗粒膨胀,有利于低渗透油层提高吸水指数。 (4)油田采出水回注,可提高环境效益 按照有关标准规定,石油工业污水的最高允许排放量不得超过总量的10%。油田采出水经处理达标后,回驻地下驱油 ,不仅可以避免地表水的污染,节约大量淡水,还对石油开采具有很好的环境效益和社会效益。 但是如果污水未达到回注水的要求(主要是含油量、悬浮物超标) ,仍然回注到地下,这将导致堵塞地层出油通道 ,降低注水效率和石油开采量;因此污水处理是否达标将直接影响注水采油的效率[31~33]。 5哈尔滨工业大学工程硕士学位论文 另外,随着原油含水量的逐渐上升,油田采出水水量越来越大,由于注水井的布局及注入量的不均衡,一部分油田 污水不能够做为回注水使用,因此将采出水经过处理后作为高压注汽锅炉用水 、农田灌溉、聚合物配注以及其他生产、生活领域[34]。另外受现有技术设备处理的局限等,需直接排到环境中去。因此,必须考虑污水的达标排放问题。如 果这些污水不经处理或处理后未达标而排放,将会造成环境污染、破坏水体、 土壤,影响生态平衡,造成重大的经济损失[35, 36]。因此,油田污水的处理回用对于保护、节约水资源,保护生态平衡,促进经济可持续发展,具有重大的意义。 内外相关技术现状及发展趋势 目前,国内还没有科研机构对油田开发全过程中投加的化学助剂对水处理系统的影响进行全面的研究工作。在对含 油污水中悬浮固体颗粒变小和难聚并的原因还没有彻底搞清,含油污水中悬浮 固体处理的工艺为:沉降分离、过滤分离,但沉降分离的去除率为 30~40%左右,过滤分离的去除率为 50%左右,投加的药剂主要为絮凝剂[37~41]。国内正在开展研究一种高效的“效水处理装置”和“高效纤维过滤技术” “低压膜处理技术”等 ,这些技术均具有截留悬浮固体能力强等特点[41~49]。国外在油田上应用比较成功的技术是微过滤等[50~61],该设备具有体积小、过滤精度高,可自动反冲洗等特点。 目前国内陆上油田在用的除油设备绝大多数为重力式沉降罐,当含油污水在沉降罐中进行油水分离的同时,污水中的大部分悬浮杂质也在沉降罐中沉积,经过一段时间的运行后,沉降罐底部 会形成厚厚的污泥层。此部分污泥如果不及时排出系统,将导致污泥在系统内 恶性循环
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