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油田污水生化处理技术

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油田 污水 生化 处理 技术
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油田污水生化处理技术陈 勇 徐鹏谭云贤徐闯 高光军(胜利油田采油研究院)油田通过注水,可补充地层能量,有利于提高采收率和采油速度,作为源头的注水水质是注水开发的基础和前提。人们充分认识到水质对注水开发的重要性,根据不同渗透率油藏提出了不同的注水水质要求(碎屑岩油藏注水水质推荐直指标及分析方法,8329—1994)。但是随着油田开发进入高含水期后,造成大量的产出水需要处理,注水水质差,油藏无法有效注水,造成地层能量损失,另外由于结垢、腐蚀、堵塞等问题带来系列油藏开发矛盾。油田污水处理工艺是伴随油田注水开发而建立的,根据当时技术条件和水质特点相应建立了物理化学为主的处理工艺。伴随油田开发历程,产出污水水质复杂程度加剧,处理难度增大,污水处理工艺不适应性逐渐显现,处理后注入水水质不能完全适应油藏要求,造成对油藏长期的伤害。污水生化处理技术由于其处理成本低、处理污染物彻底等优点,在生活污水和其他工业废水处理领域已大规模应用,对于处理油田污水也开展了研究。油田污水处理技术的核心是应用成熟有效的技术和经济的处理成本达到最佳的处理效果,保证油田经济有效的注水开发。根据胜利油田前期研究和实践表明,生化处理技术能有效去除污水含油(尤其是低含量的溶解油)和其他有机污染物,彻底杀灭硫酸盐还原菌(降低腐蚀速率,明显改善水质,同时可保证精细过滤器良好的进水条件,保障精细过滤性能,延长使用寿命。出污水量越来越大,仅胜利油田每天产生污水高达70.4 x 104矗,年累计污水可贮满3个十三陵水库。伴随巨大的产出污水量,油田相应建立了庞大的污水处理系统。目前普遍采用的油田污水处理流程主要包括除油和过滤两部分工艺,按照除油工艺又分为重力、压力、气浮、水质改性、旋流等五种工艺流程,油田典型的处理工艺流程示意图见图l。研究分析表明,目前现有流程除设备老化损坏、系统配套 图1典型油田污水物理化学处理流程示意图完善等方面的问题外,工艺技术本身存在以下几个方面的问题。1.1油田污水除油工艺效果不能保证目前普遍采用的混凝重力沉降工艺,除油效率低,仅为80%。对于压力除油工艺,由361国■≥列汀/L|部构件坍塌的问题,工艺运行效果差。水力旋流工艺由于油水密度差、高度乳化油、溶解油等问题,分离效果不能保证。油田污水除油不彻底,造成过滤器进水条件差,对过滤器尤其是对精细过滤器污染、堵塞、腐蚀严重,造成过滤性能降低,甚至失效。1.2杀菌工艺效果较差油田目前主要采用投加杀菌剂进行杀菌,由于杀菌剂在选型,杀菌剂质量,杀菌剂用量等方面存在问题,加之细菌对杀菌剂产生抗药性,另外杀菌剂难以达到细菌膜内部,整体杀菌效果不理想,细菌滋生,造成设备、流程腐蚀严重,运行故障率高。污水系统中有害的成处理后污水在输送到注水井的沿程进一步污染,使水质进一步恶化,注水水质无法满足油藏注水要求。例如对胜利油田某污水站外输污水到注水井井口的各个阶段分析表明,沿程成悬浮物、腐蚀速率等指标进一步升高,见表l。表1胜利油田某污水处理流程到注水井水质变化取样地点测试项目站内来水 污水站外输 注木站米水 注水站外输 井口来承%/L) 鹌.9 9.7 76.2 79.5 84.1个/2.5 .0×.5×∞2.5细菌/(个/2 5 0 5×103 2.5×103 6 0 Ⅱ∥a) 0.循9 0.151 O.427 0.235 O,179啦s/() 2 0 2 7 45 船 451.3污水水质改性处理工艺效果较好,但后续处理问题严重水质改性技术在重力沉降技术的基础上,通过调整加大采出水的用水中的钙、镁离子使混凝产生的絮团更大、更密实,加快污水的沉降分离。该工艺处理后污水含油量较低,水中产生污泥量非常大。目前,水质改性污泥解决的途径是注人油藏进行调剖,但污泥消化量有限,大量污泥目前还没有找到切实可行的处置方法,长期露天堆放是一个严重的环保问题。由于水质改性工艺向水体中引入了大量的钙离子,注入地层后仍存在地层内沉淀、结垢等问题。1.4现有工艺流程无法解决含聚污水处理问题聚合物采油,作为三次采油技术在大庆、胜利油田广泛使用。聚合物驱的实施过程中,采出液中由于聚合物含量的增加,水质发生了很大变化,污水黏度增加,油水混相严重,油水分离的速度慢。现有的除油、混凝装置、化学药剂根本无法实现有效处理。大庆油田聚合物采出水无法消化,大部分污水外排,但外排水质很难达到国家规定的环保标准。胜利油田含聚污水主要用于回注或回灌(向废弃高渗油藏内无效注水),污水水质严重超标,有的污水站外输污水含油量高达2000嘴/I.以上。以孤岛采油厂孤六联为例,污水见聚前含油量55Ⅱ,见聚后含油量高达2000.左右,按照污水水量17203一/天回注或回灌到高渗地层内的原油高达30成原油资源的巨大浪费。2污水生化处理技术发展现状 .微生物是大自然的清洁工,数百万年的进化使他们具备了对千变万化的自然和人造环境的强大的适应能力。微生物几乎能够降解全部现有的化合物,只要满足特定的环境和营养条362件,微生物群就能彻底清除污染,修复被破坏了的生态平衡。无论是污水、固体废弃物(包括剩余污泥和垃圾)还是有毒有害物质的排放物,目前都有相应的微生物产品进行处理。.’污水的生化处理技术已有100多年的历史。长期以来,污水生化处理技术以其特有的技术、经济和环境优势,一直是水处理的主要技术,在城市污水和工业废水的处理、深度处理和再利用等各个方面发挥着越来越重要的作用。随着微生物学中各个分支学科相互渗透,尤其是分子生物学、分子遗传学的发展,促进了微生物应用技术的进步,促进了污水生化处理技术的进步。目前国内外成熟应用的污水生化处理技术主要有活性污泥法、生物膜法、稳定塘(氧化塘)法及厌氧生物处理等技术,研究和应用最为广泛的主要是生物膜法污水处理技术利油田采油废水达标排放处理”研究攻关,针对孤岛油田外排污水(孤五注)开展了生化处理技术研究,经过生化处理菌种筛选和工艺优化,通过室内室内、现场试验,确定生化处理工业化参数,于2001年完成原有流程的改造,处理能力为15000m3/d,处理后水质各项指标均达到国家规定的二级排放标准,解决了污水中由于含有三次采油残留聚合物等化学药剂难以处理的难题。随后开展了纯化油田(低渗透油田)回注污水生化处理技术研究,目前已完成现场试验,现场试验处理后污水含油量小于5“∥L,够为精细过滤器提供良好的进水条件,提高精细过滤效率和效果。其间,完成大庆油田一厂、二厂高含聚污水(聚合物含量高达300n∥生化处理实验,筛选的菌种能高效降解污水中聚合物和原油,室内实验处理后污水综合水质达到外排标准。3.1油田污水生化处理技术原理油田污水生化处理采用生物膜法(直接接触氧化法),利用生态系统食物链及能量金字塔原理,针对油田污水特点,通过筛选特殊的高效菌种,能够利用污水的原油及其他有机污染物进行生长代谢,并在激活剂及其他辅助系统的条件下加快微生物的生长、繁殖和代谢,使原油等有机污染物在微生物作用下转化为二氧化碳和水等无毒无害的物质。污染有机物在被降解过程中将能量传递给细菌,细菌又作为原生物动物的食物将能量传递给原生动物,从而大幅度降低污水污染物,使污水水质达标。3.2孤岛油田外排污水生化处理技术 ’1999年针对孤岛油田外排污水开展生化处理技术研究,通过对孤岛油田外排污水水质生物、化学性质分析,污水含油和且污水中含有一定浓度的聚合物,处理难度较大。针对孤岛油田污水水质复杂特点,筛选降解聚合物菌种解决聚合物影响问题,筛选高效降解原油菌种解决污水含油量,通过生化处理工艺降低污水的过配伍组合实验确定生化处理菌种组合配方的基础上,开展室内处理实验,确定初步生化处理工艺,并进一步通过现场静态和动态实验,优化了生化处理工艺;开展现场中试进一步研究工业化应用条件和参数,现场中试设计能力200一撕一/d,经过7个月的连续运行,处理后污水水质稳定达到国家规定的二级排放标准;于2001年完成污水站的改造并投人工业化应用。孤岛油田外排污水生化处理工艺流程示意图见图2。^¨隔油 茎沉淀 收油]丌~ 气浮车图2孤岛油田外排污水生化处理流程示意图363现场工艺流程没计规模15000m3/d,实际处理能力12000一15000m3/d,系统处理效果稳定,处理后污水含油量稳定在5.0以内,化学需氧量(定在120吲到国家规定的二级排放标准要求,工业化处理成本仅为0.438元/且除悬浮物含量指标外,其他指标均达到注水标准的利油田监测部门对孤岛油田污水生化处理流程连续进行监测结果见表2、表3。表2孤岛污承入口水质监测数据监测项目 最大值 最小值 平均值 标准偏差温度/℃ 46 5 42 45.1 1.4.82 7 50 7.6l 0 09N∥(%/L) 1202 1184 1194.5 5 6K/(38 3斟 粥.5 1.5c∥(酬1粘 160 175 7 8_k/(酬63 54 59.5 3.OⅣ(%/L) 0胡 O 30 0.52 0 12酬0 17 O.16 0.16 0 00%/L) .啦 0.02 0.00№/(q/L) 0.06 .03 0.01血,(。峙,L) 0.04 0 03 0.03 0∞%,L) 0.05 0叶 0.鹏 0.00z∥(酬O.∞ 0 0.02 0 0耐L) 0.09 0 04 0.07 0.位A&/(Ⅱ∥L) D ND}k/(m∥L) D 叫L) 9.56 9.16 9.38 0.15F’/(%,L) D (r。s/L) 3090 2628 2啪.7 156.1斑一/() 3.5l 4 06 3.71 0 19q/L) 0.33 0.鹞 O.52 0.18。嗨/L) 5.0 4.0 4.3 0.4乎一/(%/L) O.16 0.12 0.14 0.0I%,L) 7.孵 5.50 7,∞ 0辨1m§,L) 0 073 0.嘶 0.018 0.019总碱度/(12,49 11.53 11.99 0 26悬浮物/(q/L) 131.2 92.S 105 8 13.0%/L) 432.碍 170.29 285 49 72躬油含量/() 0 25,93 81.43 柏.771。喈,L) 研.40 19.60 趋.帅 2.帅挥发酚/(Ⅱ学,L) 0 32 0 20 0 26 0.矾表3孤岛污水生化处理系统出口水质监测数据监测项目 最大值 最小值 平均值 标准偏差温度/℃ 24 28 26.4 1.47舯 8 54 8.13 0.21q/L) 1200 1192 1197.3 2 8K/(%/L) 338 335 336 8 I.1耐L) 192 187 1鼯8 1.9%/L) 63 59 61.3 1 2蜡/L) 0.90 0.4l 0 64 O.15q/L) O.16 0.15 O 16 O.%/L) 0.位 0.02 0.位 O.∞) 0.舛 0.02 0.03 O.0l&/(%/L) 0.甜 0.02 0∞ 0.%/L) 0.仿 O.04 0.04 0∞q,L) 0.位 0..0l 0.0q,L) 0.∞ 0 03 O.05 O.0l^∥(q,L) ND m (叫L) “∥L) 9 38 9 66 9.5l 0 (q/L) (“弩凡) 3350 娴 3091.8 239.9&‘/(q/L) 3.1 3.5l 3.32 0 12I'/(蚓L) O 27 O,卯 O.38 O 10%/L) 7.0 5 0 5.67 0.74铲一/() 0.2l O.15 O.18 O 02q/L) 8.髭 5.32 7德 1.1)O.07I 0 022 0.038 O.015总碱度/(Ⅱ13.00 12.46 12.岛 0.17悬浮物/(q/L) 70.0 25.2 46 O 16 9。唔/L) 160.∞ ".97 109.鸺 27.91油含量/(1喏,L) 5朗 1.05 3.孵 l,辑%/L)。 13.∞ 8.30 10.髓 2啤挥发酚/(D 纯化低渗透油田回注污水生化处理试验研究2004~2005年针对纯化油田回注污水开展了生化处理技术研究,现场试验生化处理后出水含油量彻底降解,悬浮物含量大幅度下降,.3.1纯化油田回注污水处理概况纯化油田自1965年开发,1钾7年开始回注水,1991年开始回注污水,由于回注污水水质不合格,给油田造成了大量的危害:注水井注水压力升高(由91年的19a),虽然分别已于1997年,2001年先后两次对回注水系统进行整体改造。回注水水质也有不同程度的改善,但由于多方面的原因,回注污水水质仍不尽人意,水质达标率仅为60.1%。目前纯化油田回注污水经过二次沉降、二次过滤,中间配合投加“三防”药剂,处理后污水水质主要控制指标如含油量、悬浮固体含量、硫酸盐还原菌含量等仍无法达到回注要求;同时回注水从处理站至注水站、配水间、井口,二次污染严重,水质沿流程逐渐恶化,腐蚀、结垢较为严重,细菌滋生。3653.3.2生化处理技术路线针对油田回注污水存在的含油量、悬浮物含量、硫酸盐还原菌超标得主要问题,技术路叵巫圈区虱屋萄蟊弦r————————]豳豳回图3油田污水生化处理技术路线示意图生化处理技术路线示意图见图3。线是在原有污水处理流程加入生物处理法单元.替代目前的物理和化学法除油单元。利用生物接触氧化法,加人选择性的菌种,通过烃类降解菌种对原油的降解作用解决污水含油;通过生化过程生物竞争、营养抑制、氧气抑制作用,彻底杀灭硫酸盐还原菌;生化过程加入的氧气通过水体中残留的好氧微生物进一步消耗,达到生物法除氧的目的;生物对有机悬浮物的降解作用,使悬浮物含量有一定程度降低,通过配套应用精细过滤单元使污水悬浮物和粒径中值达到回注要求。3.3.3 油田回注污水生化处理现场试验针对纯化油田水质筛选了高效除油菌种,通过室内处理实验、生化处理工艺与精细过滤器配伍等研究,确定了现场试验工艺,并同步研究了完成了现场试验。现场试验位于纯化油田某注水站,注水站污水来自纯化首站二次沉降和粗过滤处理后的污水,污水矿化度23103-r·g/L,水质各项指标见表4。表4注水站污水水质分析结果悬浮固体含量/(噶/L) 古油量/(’嘴,L) 邬个/腐蚀率/()醅 一 柏 45∞ O.洲(1)现场试验生化工艺流程及参数现场试验为生物接触氧化工艺配套膜过滤(截流相对分子量60000)工艺,工艺流程图见图4。现场试验主要参数:溶解氧3t∥化停留时间8h;处理温度37℃±5℃;处理量0.45矗/d。 …(2)生化处理系统启动 。图4现场试验工艺流程示意图现场试验首先经过进行生物挂膜,3明填料上生物膜逐渐成熟,生化池烃类氧化菌大量生长繁殖并趋于稳定,试验过程中生化池烃类氧化菌含量稳定在105—1一个/毫升,进而开展污水处理试验,153)现场试验处理效果生化系统稳定后,全面开展现场试验,试验过程对进水、出水及生化单元等不同处理阶段水质进行含油量、浮固体含量、腐蚀率、类氧化菌含量等监测。监测琢水水样 ·生化池水样 处理后术样 结果表明,现场试验处理后污水整体水质达到图5现场试验污水处理照片 场试验污水处理效果见图5。366①污水含油量去除效果污水经过生化处理后,舍油量被有效去除,污水含油量稳定在2叫近于污水生物接触氧化过程中,烃类氧化菌和其他好氧异养菌的生长和代谢,消耗了水体中硫酸盐还原菌赖以生存所必需的营养元素,使硫酸盐还原菌的新陈代谢无法进行。加之生化处理过程氧气对硫酸盐还原菌彻底杀灭。试验过程中流程进水波动程度较大,但生化池出水理系统出水场效果见图7。图6现场试验生化池除油救果③现场试验污水腐蚀速率大幅度降低生化处理后污水腐蚀速率较原水大幅度降低蚀速率变化见图8。时问/场试验腐④悬浮物去除效果现场试验中,生化处理后污永悬浮物含量有一定程度降低,经过膜过滤后污水悬浮物含量稳定达到1以内,粒径中值小于1pⅢ茸 3 4 6时啊/8现场试验处理后污水腐蚀速率变化 图9现场试验悬浮物去除效果(4)生物除氧工艺1在生物接触氧化过程中,烃类氧化菌和其他好氧异养菌得到优势生长。这些好氧菌随同污水进人密闭的生物除氧器,仍然利用污水中残存的营养生长代谢,同时消耗污水中的溶解氧,将污水的溶氧量降到微量或形成还原性环境。采用生物除氧,减少了化学除氧剂的使用,同时减少了一步控制了硫酸盐还原菌的生长底物,在后续输送过程367隰^索膏;)/嘲舡枉躇增錾蓐中,使管道中附着的硫酸盐还原苗因缺乏生长底物而消亡。现场试验中,生化处理后污水进入密闭容器,停留时间为2。4水溶解氧量达到小于0.05吲5)精细膜过滤水通量变化试验在工作压力o.12始每1n,测试过滤器水通量,作为对比过滤原水,试验结果见图11。1 1l 21 3l 4l 5l 6l 7l 8l 9l 10l 111 121 13l 141 152000图10生化池出水过滤器水通量变化l 3 5 7 9“13 15 17 19 21 23 25 27 29 3来水进行膜过滤,膜原油污染物堵塞严重,过滤器很快丧失过滤性能。油田采用的的一些先进的精细过滤装置无法正常运行,或运行一段时间后过滤性能很快丧失,主要原因也是进水水质含油量去除不彻底。(6)现场试验处理后污水原水,分别接种5%的究过生化处理后污水经过1个月后仍检测不到活的去除其经过15中加人的铁钉明显腐蚀,产生大量的黑色明生化处理后污水中7)回注污水生化处理+精细过滤成本分析针对低渗透油田回注污水要求,依据生化处理现场试验结果,回注污水精细处理流程设计为隔油沉降、生化处理、精细过滤等单元组成。按照处理能力300m3/d,污水经处理后达到要指标含油量小于5,浮物含量小于l ,平368枷啪珈黜咖枷枷粕{暑o(13\删圈聱(【山)\埘孵篷均腐蚀率
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