氣浮-動態膜耦合強化技術處理海上稠油污水試驗研究

張瑋， 張樹友， 羅林軍， 折利軍， 邱棟峰， 馬驥， 劉宗園， 胡凱

（1.中海石油（中國）有限公司天津分公司， 天津 300459； 2.中海油天津化工研究設計院有限公司， 天津 300131；3.中國石油長慶油田分公司第一采油廠， 陜西 延安 716000）

中國海上稠油資源豐富， 渤海已探明原油地質儲量45 億m3， 其中62% 為稠油［1］。 稠油開采通常會產生由原油、 砂和水組成的采出液［2］， 經分離出的含油污水常稱為稠油污水［3－4］。 稠油污水水質復雜［5］， 在海上處理難度極大［6］， 而基于環保法和經濟性要求， 需要對稠油污水處理達到回注或熱采鍋爐給水要求。

渤海某海上采油平臺對稠油污水采用斜板除油、 氣浮、 核桃殼過濾器及超聲過濾器進行綜合處理， 產水經緩沖罐進入后續精細過濾［7］。 現有的稠油污水預處理工藝存在流程長［8］、 設備維護強度高、 占地面積大、 產水水質不穩定等問題， 對后續精細處理設備造成嚴重沖擊。 氣?。瓌討B膜耦合強化技術將氣浮工藝［9］與新型動態膜過濾技術［10］耦合， 能顯著提高含油污水的處理效率， 工藝流程短， 產水水質穩定。 本研究設計并建造處理量為5 m3／h 的氣?。瓌討B膜稠油污水處理裝置， 對熱采平臺產生的稠油污水進行預處理； 考察來水油含量和懸浮物含量對氣?。瓌討B膜耦合裝置運行效果的影響； 利用氣浮出水考察動態膜抗污染性能； 并進行氣?。瓌討B膜耦合裝置長周期運行穩定性的研究。

1 材料與方法

1.1 試驗裝置

處理量為5 m3／h 的氣?。瓌討B膜耦合裝置示意如圖1 所示。

圖1 氣浮-動態膜耦合裝置示意Fig. 1 air floatation-dynamic membrane coupling device

本試驗裝置采用氣?。瓌討B膜耦合強化處理工藝， 海工標準撬裝結構形式（CCS 認證）， 主要包括供料泵系統、 水處理系統、 清洗系統及自動化控制系統， 其中水處理系統包含氣浮、 動態膜及相關泵閥儀表等設備。 來水由供料泵增壓后進入氣浮設備， 然后通過工藝計算與動態膜耦合， 動態膜選用孔徑20 μm 的金屬網作為基膜， 粒徑25 μm 的高嶺土作為涂膜材料， 過濾前經過預涂形成表面具有親水特性的動態膜。 在循環泵作用下， 含油污水在動態膜表面功能層的親水疏油特性及膜孔篩分作用下去除水中大量油及懸浮物。 該裝置滿足高濃度稠油油田平臺所有試驗條件及試驗內容要求。

1.2 試驗用水

試驗用水為旅大油田32－2 平臺三相分離器產出的高濃度稠油污水， 氣?。瓌討B膜耦合裝置進水水質及設計出水水質如表1 所示。

1.3 試驗方法

（1） 氣?。瓌討B膜耦合裝置對稠油污水水質適應性研究。 利用氣浮-動態膜耦合裝置進行稠油污水處理試驗， 考察進水中油及懸浮物含量對裝置運行效果的影響。 氣浮運行壓力為0.1 MPa， 藥劑使用量為0.015 m3／h， 進氣量為0.13 m3／h， 動態膜產水量為5 m3／h， 錯流流速為3 m／s， 運行壓力為0.15 MPa， 跨膜壓差為0.03 MPa， 對來水進行間隔取樣， 然后測定該時間段內來水及產水中油及懸浮物含量。 每個時間段取樣3 次， 結果取平均值。

表1 氣浮-動態膜耦合裝置進水及設計出水水質Tab. 1 Influent and design effluent water quality of air flotation-dynaimic membrane coupling device

（2） 動態膜抗污染試驗。 將動態膜裝置在0.15 MPa 下運行， 測試膜對純水的通量（Jwi）； 然后將系統接入污水（氣浮出水）進行測試， 分別取不同時間點測試膜的通量變化， 膜對污水的通量記錄為J0。將裝置接入純水， 記錄此時純水通量為Jm。 最后用高壓純水反沖洗， 再生后膜的純水通量為Jww。 整個滲透測試按照上述步驟進行3 次循環測試。 根據水通量的變化可以計算出每次循環后膜對純水的恢復率（FRR）， FRR ＝Jww／Jwi×100%。

1.4 分析方法

油濃度采用wilks INFRACAL 2 TRANS－SP 便攜式紅外水中油分析儀檢測， 懸浮物粒度采用Mastersizer 3000 激光衍射粒度分析儀檢測， 懸浮物濃度采用國家標準方法檢測［11］。

2 結果與討論

2.1 來水水質對運行效果的影響

在操作壓力為0.15 MPa， 處理量為5 m3／h， 來水經氣浮處理后直接進入動態膜過濾的工藝裝置，考察來水水質對裝置運行效果的影響， 結果如圖2所示。

從圖2 可以看到， 來水的油和懸浮物含量波動較大， 產水的油和懸浮物含量也隨之波動， 分析原因是在產水量固定的情況下， 稠油污水在氣浮設備中的處理時間是一定的［12］， 當水中油和懸浮物含量增加時， 氣浮產水的油和懸浮物含量會相應增加，從而導致動態膜處理壓力增大， 系統整體產水水質隨之波動。 該裝置對油的截留率大于93.8%， 懸浮物截留率大于90.5%， 出水油的質量濃度始終保持在20 mg／L 以下， 懸浮物的質量濃度小于15 mg／L。 由此可以看出， 來水水質波動對裝置的運行效果影響不大。

圖2 來水水質對裝置運行情況的影響Fig. 2 Influence of influent water quality on device operation

2.2 動態膜抗污染性能

膜的抗污染性能也是表征其性能的一個重要指標［13］， 利用氣浮出水（ρ（油）=50 mg／L， ρ（懸浮物）=30 mg／L）， 在氣浮產水量為5 m3／h， 操作壓力為0.15 MPa， 膜面流速為3 m／s 的運行條件下， 采用動態抗污染試驗方法［14］， 考察膜的抗污染能力， 結果如圖3 所示。

從圖3 可以看出， 膜的初始純水通量為340 L／（m2·h）， 油水分離時， 通量由初始230 L／（m2·h）下降至139 L／（m2·h）， 原因是油污及懸浮物在膜表面附著導致膜孔被堵塞、 通量下降， 平均通量為142 L／（m2·h）。 通過0.2 MPa 高壓反沖洗后， 再次測試膜的純水通量及油水分離狀態下的通量， 膜清洗周期為100 h。 在3 個清洗周期后， 平均通量為138 L／（m2·h）， 通量恢復率可以達到92.3%， 說明動態膜具有良好抗污染性能。

2.3 運行穩定性研究

圖3 動態膜的再生性能及通量恢復率Fig. 3 regeneration performance and flux reversion rate

室溫下， 在操作壓力為0.15 MPa， 膜面流速為3 m／s 運行條件下， 氣浮-動態膜耦合裝置連續運行6 個月， 考察該裝置處理海上平臺稠油污水長時間運行的穩定性情況， 產水量和產水水質變化如圖4 所示。

圖4 裝置運行6 個月的產水量及產水水質Fig. 4 Produced water quantity and quality of device after 6 months of operation

從圖4 可以看出， 裝置產水量可以穩定在5.0 m3／h 以上， 沒有出現產水量衰減的現象， 同時油和懸浮物的平均質量濃度分別為19.7 和13.6 mg／L， 滿足精細過濾進水水質要求。

裝置連續運行6 個月后原水與產水對比情況如圖5 所示。

圖5 原水與產水對比Fig. 5 Comparison between raw water and produced water

3 結論

采用自行設計與建造的氣?。瓌討B膜耦合裝置對熱采平臺稠油污水進行預處理。 在保持進水油的質量濃度低于695 mg／L， 懸浮物的質量濃度低于90 mg／L 情況下， 產水油的質量濃度低于20 mg／L，懸浮物的質量濃度低于15 mg／L。 動態膜表現出良好的抗污染性能， 在3 個清洗周期后， 平均通量為138 L／（m2·h）， 通量恢復率達到92.3%， 該耦合裝置長時間運行后其產水量及產水水質保持穩定。