海上聚驱油田含聚污水动态膜过滤处理技术研究

肖宗伟，陈华兴

（1.中海石油乌干达有限公司，北京100027；2.中海石油（中国）有限公司天津分公司，天津300452）

海上聚驱油田含聚污水动态膜过滤处理技术研究

肖宗伟1，陈华兴2

（1.中海石油乌干达有限公司，北京100027；2.中海石油（中国）有限公司天津分公司，天津300452）

海上平台现有含聚污水处理工艺存在处理成本高、难度大、处理效能逐步降低等问题。研究开发了一套动态膜过滤工艺技术，通过水质、过滤周期的变化研究筑膜剂种类、筑膜剂浓度、来水水质对含聚污水处理效果的影响。研究结果表明，动态膜过滤技术的处理效果明显优于常规的核桃壳和纤维束过滤技术，过滤效果稳定，油、悬浮物、浊度的去除率均在90%以上。处理后的水质符合油田注水控制标准，来水水质越好，过滤周期越长。处理前后聚合物的浓度基本不变，未改变来水性质，能够适应海上聚驱油田含聚污水的处理。

动态膜过滤；聚驱油田；含聚污水；水处理

自2003年渤海油田注聚先导性试验成功以来，多个油田逐步扩大注聚规模，取得了明显效果。伴随而来的是各井口平台聚合物返出情况越来越严重，形成大量非常难处理的含聚污水。由于海上平台空间及承载有限，含聚污水达标处理成本高、难度大，多数现有的处理设备不适应，处理效能逐步降低〔1〕。当生产污水含有一定浓度的产出聚合物后，核桃壳过滤器、双滤料过滤器、纤维球过滤器等常用过滤器出现极大不适应。滤料表面因黏附有大量聚合物凝胶、原油和悬浮固体而结块，造成过滤压差增大，反洗周期缩短，反冲洗过程中滤料表面污染物的清除效果差，滤料污染速率加快，最终导致出水水质恶化。以核桃壳过滤器为例，渤海3个注聚油田聚合物返出前，核桃壳过滤器的除油率在85%左右，达到设备设计要求，反洗频率为1～2次/d，核桃壳滤料更换周期为1.5 a/次〔2〕。聚合物返出后，核桃壳过滤器的除油率不到70%，反洗频率为3～6次/d，滤料更换周期为3～6个月/次，处理成本明显增加。

对于含聚污水处理的新方法此前开展了大量研究〔3-8〕，但仍无突破性的可工业化应用的含聚污水处理工艺。动态膜过滤技术因过滤精度高、制备过程简单、膜原料丰富等优点在废水处理行业应用广泛，相关报道也较多〔9〕。然而动态膜过滤技术在油田生产污水中的应用报道较少。笔者首次将动态膜过滤技术应用至海上油田含聚污水的处理，探究该技术处理含聚污水的效果及其影响因素，以期为海上聚驱油田含聚污水处理提供一定参考。

1　试验部分

1.1动态膜超精过滤设备工作原理

为解决海上聚驱油田含聚污水处理难的问题，根据膜过滤原理研究动态膜超精过滤工艺技术，处理能力8 m3/h，设计将含油120～200 mg/L、悬浮物30～50 mg/L的含聚污水处理至油＜10 mg/L、悬浮物＜5 mg/L。

试验样机由过滤主机单元、筑膜剂加药系统、进出水缓冲罐、密封装置、液压系统、工作泵、管路、阀门、电气控制系统等组成，结构简图如图1所示。筑膜剂由几种不同粒度的硅藻土、珍珠岩及纤维粉配制而成，根据3种物质的不同配比制成ZM1～ZM7 共7种筑膜剂用于试验。

图1　动态膜试验样机结构简图

动态膜试验样机采用预涂→过滤→充满→干燥→排渣的周期循环工作模式：

动态膜过滤系统使用的是纯物理方法，不添加任何化学药剂，不改变水体性质，废渣饼以干燥形式直接排出系统外，无需反冲洗，节约大量滤后水，避免二次污染，科学简便。

1.2试验流程

现场试验在某处理厂进行。来自海上的含聚原油首先经过该处理厂的一级沉降罐、二级沉降罐作沉降处理，产生的含油污水进入调储罐、斜管除油罐、气浮罐、沉降罐、缓冲罐、双滤料过滤器处理至合格。动态膜过滤设备选择调储罐出口或入口含聚污水为试验对象，处理后的水排放至污水池，试验过程产生的泥饼排放至工业垃圾箱。

1.3试验条件

试验过程中流量恒定在2.2 m3/h，预涂膜厚度统一为1.5 mm，最大过滤压差设定为0.4 MPa，当过滤压差达到设定压差时，设备自动切换为干燥排渣状态，1个过滤周期结束。

试验样机进出口水样的浊度、悬浮物、含油率均采用现取现测的模式。浊度采用Turb 430T便携式浊度仪测定；悬浮物参照SY/T 5329—2012推荐的膜滤法测定；含油率参照Q/HS 2042—2008推荐的红外分析法，采用CH型红外分析仪测定。聚合物浓度采用淀粉-碘化镉方法测定。

2　试验结果

2.1过滤工艺对过滤效果的影响

我国大陆海岸线蜿蜒深远，18000公里的长度成为粤港澳大湾区得天独厚的地理优势，渤海湾、胶州湾、杭州湾、珠三角湾等湾区星落其上，也让粤港澳大湾区的发展有了重要的前期经济积淀。占据九市二区，在惠州、深圳、香港、东莞、广州、肇庆、佛山、江门、中山、珠海、澳门围绕下的粤港澳大湾区，不同区域内，不同生产要素的优势互补，可以为粤港澳大湾区乃至整个泛珠三角区域提供广阔的经济腹地，同时也将为泛珠区域合作注入新的发展动力。作为“一带一路”桥头堡，粤港澳大湾区得天独厚。

（1）纤维束过滤试验。根据现场所用纤维球过滤器的处理量、滤料体积、滤速等比例缩小，制成小型试验样机，其中纤维束总质量4.9 kg，纤维束压紧高度为245 mm，流量为560 L/h，滤速为7.93 m/h，前15 min试验水为调储罐入口含聚污水，之后切换为调储罐出口含聚污水，纤维束对含聚污水的过滤效果见表1。

表1　纤维束处理含聚污水的过滤效果

由表1可知，含聚污水经纤维束过滤处理75 min后，除油率约为56.1%，浊度去除率约为58.2%。但过滤压差上升速度较快，过滤时间短，说明纤维束极易被含聚污水中的聚合物、悬浮杂质和油等污染，反洗时纤维束不易被清洗。

（2）核桃壳过滤试验。核桃壳取自海上注聚油田核桃壳过滤器备用滤料，滤柱通径200 mm，滤柱高1 000 mm，用调储罐出口含聚污水进行过滤试验，流量为160 L/h，滤速为5.1 m/h，试验周期为7 h。试验结果显示核桃壳滤料基本能将浊度为400 NTU的含聚污水处理至210 NTU左右，浊度去除率为47.5%。

（3）动态膜过滤试验。选择ZM1为试验筑膜剂，筑膜剂投加量为400 mg/L，来水为调储罐出口含聚污水，试验结果如图2所示。

图2　动态膜过滤含聚污水的效果

过滤期间过滤压差一直呈上升趋势，前4 h内过滤压差上升较平缓，过滤至8.5 h后，过滤压差上涨速度较快，此时膜已基本被污染。从过滤效果来看，不管是在低过滤压差还是高过滤压差条件下，动态膜均能将浊度在44～114 NTU的含聚污水处理至5 NTU以下，浊度去除率在83%～97%，过滤精度远高于常规的纤维束和核桃壳过滤工艺。

2.2筑膜剂种类对过滤效果的影响

选择硅藻土、珍珠岩及纤维粉按不同比例配制了7种筑膜剂。其中，硅藻土（IMERYS公司）呈白色粉末状，以SiO2为主，渗透率3 500 mD，质轻、多孔，吸水性和渗透性强。珍珠岩（IMERYS公司）主要成分为 SiO2，经膨胀成为一种轻质、多功能新型材料，具有珍珠裂隙结构，具有表观密度轻、化学稳定性好、使用温度范围广等特点。纤维粉（J. RETTENMAIER&SÖHNE公司）是将高强高模碳纤维长丝经特殊技术表面处理、研磨、烘干后获得的等长圆柱形微粒，呈灰黑色，具有比表面积大、低密度、高强度、耐高温、抗化学腐蚀、吸附能力强等特性。

对配制好的7种筑膜剂ZM1～ZM7进行对比试验，筑膜剂投加量为400 mg/L，来水为调储罐出口含聚污水，进出口水质及过滤周期见表2。

表2　不同类型筑膜剂处理含聚污水效果对比

从出口水质来看，7种筑膜剂均能将入口浊度在37～114 NTU的含聚污水处理至浊度为6 NTU以下，浊度去除率基本在86.7%以上；对于入口浊度在114～926.6 NTU的含聚污水，处理后污水浊度也在16 NTU左右，浊度去除率高达95%以上，处理后的水样清澈，说明硅藻土、珍珠岩及纤维粉按不同比例配制而成的筑膜剂处理含聚污水的精度能够满足要求。

从过滤周期来看，ZM1、ZM2、ZM6这3种筑膜剂单次过滤时间能维持10 h以上，其余筑膜剂过滤周期相对较短。结合出口水质及过滤周期综合考虑，筑膜剂ZM1、ZM2、ZM6的效果最好。

2.3筑膜剂投加量对过滤效果的影响

选取处理效果较好的ZM2、ZM6筑膜剂，考察不同投加量下（200～1 000 mg/L）对含聚污水的处理效果，结果见表3。

从表3中进出口水质变化判断，对于来水浊度在48.3～697.1 NTU之间的含聚污水，不同投加量下的ZM2和ZM6均能将其处理至18 NTU以下，最低可处理至4 NTU以下，且筑膜剂投加量越大，浊度去除率越大，过滤精度越高，但过滤周期越短。从过滤周期判断，ZM2和ZM6的最佳投加质量浓度为400 mg/L，投加量过低或过高均会缩短过滤周期，且ZM2筑膜剂的效果优于ZM6。

表3　不同筑膜剂投加量下的含聚污水处理效果

3　现场应用案例

根据以上研究，现场选择投加量为400 mg/L的筑膜剂ZM2进行调储罐出口水和调储罐入口水的过滤效果对比试验，结果见表4。

表4　动态膜对含聚污水的处理效果

由表4可知，选择调储罐出口水进行过滤时，经动态膜过滤后聚合物基本不变，含油稳定在4 mg/L，悬浮物为4.3～4.7 mg/L，浊度在3.1～3.9 NTU之间。除油率在92.4%～93.5%之间，悬浮物去除率在90%～91.8%之间，浊度去除率在92.6%～94.6%，过滤周期在10～11.5 h。选择调储罐入口水进行过滤时，过滤后水样的聚合物基本不变，除油率在98.5%～99.1%，悬浮物去除率在 95.3%～97.8%，浊度去除率在95.7%～96.9%，过滤周期在1.5～4 h。相比调储罐出口含聚污水，调储罐入口水的油、悬浮物的过滤精度有所提高，但过滤周期却大幅缩短。说明在含聚污水来水水质较好和水质条件恶劣的情况下，动态膜过滤效果均非常稳定，来水水质越好，过滤周期越长。当水质条件极其恶劣时，动态膜过滤技术的处理效果明显优于常规过滤技术。

4　结论

（1）核桃壳过滤器等常规过滤工艺处理海上聚驱油田含聚污水时出现滤料污染速率加快、出水水质恶化等一系列问题，已无法适应含聚污水的处理要求。动态膜过滤技术处理含聚污水的过滤精度远高于常规的纤维束和核桃壳过滤工艺，油、悬浮物、浊度去除率均在90%以上，处理前后聚合物浓度基本不变，油与悬浮物浓度明显低于油田注水控制标准值，能够适应海上聚驱油田含聚污水的处理。

（2）动态膜过滤技术工艺流程简单，采用纯物理法处理，不改变含聚污水的性质，过滤精度高且无二次污染，具有较高的推广应用价值。

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Experimental research on polymer-containing wastewater treatment by dynamic membrane filtration technology in an offshore polymer flooding oilfield

Xiao Zongwei1，Chen Huaxing2
（1.CNOOC Uganda Co.，Ltd.，Beijing 100027，China；2.Tianjin Branch，CNOOC（Chinese）Co.，Ltd.，Tianjin 300452，China）

Problems，including high cost，great difficulty and gradually reduced treatment effect，exist in present polymer-containing wastewater treatment process in offshore platforms.A set of dynamic membrane filtration process has been developed.The influences of the types and concentrations of membrane-building agent and influent water quality on polymer-containing wastewater treatment effect are studied through water quality and filtration cycle changes.The research results show that the treatment effect of dynamic membrane filtration technology is obviously better than that of conventional walnut shell and fiber bundle filtration techniques.The filtration effect is stable.The removing rates of oil，suspended substances and turbidity are all above 90%.After the treatment，the water quality complies with the control standard of oilfield flooding.The better the influent water quality，the longer the filtration cycle.Basically，the polymer concentrations before and after the treatment do not have any changes and the influent nature has not been changed either，being able to adapt the treatment of polymer-containing wastewater in offshore polymer flooding oilfield.

dynamic membrane filtration；polymer flooding oilfield；polymer-contained wastewater；water treatment

TE991

A

1005-829X（2016）08-0089-04

肖宗伟（1965—），高级工程师。E-mail：782611012@qq. com。

2016-07-21（修改稿）