生化破乳+火山岩曝气生物过滤技术在特低渗透油田污水处理中的应用

韩国勇（大庆油田有限责任公司第七采油厂）

生化破乳+火山岩曝气生物过滤技术在特低渗透油田污水处理中的应用

韩国勇（大庆油田有限责任公司第七采油厂）

特低渗透油田由于孔隙小、喉道细，对注入水质要求非常高，采用常规含油污水深度处理工艺达到“5.1.1”出水水质困难，不利于节能环保。生化破乳+火山岩曝气生物过滤技术保证了回注污水的有效利用和工程运行的安全可靠，该工艺结构紧凑，降低了运行成本。年节约地下清水15.6×104m3，节约用电量97×104kWh。

特低渗透油田 油田采出液 火山岩 破乳 过滤

随着油田开发的不断扩大，采出液含水率逐年上升。开采过程中产生的采出废液量也大幅增加[1]。采出液中由于含有大量的有机物，又有适宜微生物生存的环境，因此还会繁殖大量的细菌，直接注入地下对环境造成严重污染危害[2]。为了有效利用油田采出液，对该废液进行处理回注是既经济又实用的办法，然而要确保油田的高效注采开发，又要对水中的含油、悬浮固体等多项指标进行严格控制，防止其对地层产生伤害[3]。

葡四联地区扶余油层属特低渗透油层，采用溶气气浮+生化除油+曝气生物过滤+高分子烧结滤芯过滤工艺处理油田采出液，该处理装置设计能力为500 m3/d。葡四联原水来自于葡三联含油污水处理站，处理后水质达到石油行业要求的“5.1.1”标准，节约地下水资源的同时，保证了污水的有效回注，降低了工程造价及运行成本。

1 工艺流程

采出液经污水缓冲罐首先进入气浮装置，通过高速涡旋加速气液混合液体，在液体内部形成高压，将较大粒径的气泡压缩后形成微纳米气泡，其粒径在20～30 μm之间。在微纳米气泡的作用下分离回收大部分原油[4]；气浮装置出水进入生化反应装置，充分破乳回收乳化油并降解污水中的有机污染物，其出水经火山岩曝气生物过滤装置进一步截留过滤去除水中悬浮物，最后再经精细过滤装置处理后达到“5.1.1”标准后外输。

气浮装置以及生化破乳装置回收污油进入污油储罐，然后通过污油泵回收至集输系统；气浮单元、生化破乳单元、生物曝气滤池单元排出污泥以及回收水池排污汇入储泥罐后，经污泥泵进入污水池，再由翻斗车将含油污泥拉运至处理站。工艺流程见图1。

图1 工艺流程

2 主要工艺设备

采出液处理工艺主要处理装置有气浮装置、生化破乳装置、火山岩曝气生物过滤装置、精细过滤装置等（图2）。

图2 工艺立体示意图

2.1 气浮除油装置

通过高速涡旋加速气液混合液体，在液体内部形成高压，将较大粒径的气泡压缩后形成微纳米气泡，其粒径在20～30 μm之间。微纳米气泡具有非常高的能量，在射入水中之后能对水产生局部电离作用，稳定后部分气泡周围包围着一层正负离子，从而使气泡具有带电功能。而且非常小的尺寸使得微纳米气泡具有较高的表面能量，从而对其他物体具有较强的表面吸附作用。这两方面的特点使微纳米气泡能够吸附微小的油滴，逐渐聚合成为较大的油滴并快速上升到水面，完成油水分离作用。

2.2 生化破乳装置

生化破乳装置以组合填料作为生物膜载体，利用高效微生物菌群达到分离、回收污水中乳化油的目的。本工艺采用的微生物菌株可以利用水体中微量的无机盐类和有机污染物作为营养进行生命代谢活动，无需额外添加营养。在25～40℃下可以保持旺盛的代谢活动，具有宽泛的耐受性（pH 6.0～10.5）。

2.3 曝气生物过滤装置

曝气生物过滤装置（BAF）采用火山岩填料，料层厚度为2 m，微生物附着于多孔结构的火山岩表面，构成微生物膜（图3）。

图3 曝气生物滤池结构示意图

曝气生物过滤装置运行工艺：来水由滤料上层进入曝气生物滤池，在滤池底部进行曝气，气水两相逆流。在反应器中，有机物被微生物氧化分解，固体悬浮物则被微生物膜截留过滤。随着过滤的进行，由于火山岩表面附着的微生物上升，截留的悬浮物不断增加，在开始阶段压差逐渐升高；当固体物质积累达到一定程度，堵塞滤层的上表面，并且阻止气泡的释放，将会导致压差达到设计值[5]，此时应立即进行反冲洗再生，恢复处理能力。

火山岩生物滤料各项性能测试平均参数见表1。

表1 火山岩滤料性质

2.4 精细过滤装置

精细过滤装置的滤芯采用高分子烧结材料，过滤精度为0.2 μm，可以截留绝大部分颗粒物、胶体颗粒及微生物体，进而保证出水能够满足“含油量小于或等于5 mg/L，悬浮固体含量小于或等于1 mg/L，粒径中值小于或等于1 μm”的要求。

过滤装置由3个滤筒组成，每个滤筒内装有40支滤芯，共计120支滤芯。壳体进口采用切面进入的方式，避免物料直接冲击滤芯，大的颗粒也会因旋转而掉入罐底，有效提高了滤芯的使用寿命。正常过滤时，3个滤筒联合过滤。装置结构见图4。

在正常状态下，物料经过滤器入口进入，从下而上通过过滤组件，由滤芯的外表面将原料中的颗粒杂物阻隔，干净液体由内排出；过滤元件表面滤饼逐渐堆积，造成进出口两端压差增大；当压差达到预定值时，差压变送器输出差压信号，启动PLC控制箱里的可编程控制器，3台过滤器逐台开始清洗（2台进行过滤，1台进行反洗），反冲洗采用气水联合反冲洗，水洗8 s 1次+气洗8 s 2次。

图4 精细过滤结构示意图

3 核心技术原理

3.1 生物破乳

针对含油污水的特点，通过筛选、配伍的方式培养适应污水水质的高效微生物破乳菌群，采用组合填料作为生物膜载体。接种微生物破乳菌，接种的微生物可利用水中无机盐和有机酸等作为营养进行新陈代谢，在组合填料表面形成生物膜（图5）。

生物破乳菌及其表面的生物大分子与疏水的乳化剂形成络合物，破坏乳状液中的水包油结构，微生物菌株利用水体中微量的无机盐类和有机污染物作为营养进行生命代谢活动，无需添加其他药剂。该段一次性投加液体菌剂3.6 t。

图5 生物破乳菌的筛选及电镜照片

通过透射电镜观察可以发现，生物破乳剂产生菌的胞外分泌物主要为多糖和e-DNA等生物大分子，生物破乳剂携带的正电荷中和了油滴表面的负电荷，使油滴间电荷斥力减弱[6]，同时经吸附架桥作用聚集在一起，乳化油滴得以聚集并长大（图6）。

图6 生物破乳剂产生菌及胞外分泌物透射电镜观察

将获得的菌株接种到乳化油污水中，产生的生物破乳剂能够破坏乳状液中的水包油结构，使其破乳。破乳后的原油与水相分离，并聚集成大液滴后上浮至液面。由于微生物破乳菌的使用，避免了传统生物工艺对原油过度消耗的现象，这不仅大大增加了原油的回收率，而且提高了水质和经济效益。现场运行结果表明，出水水质达到“5.1.1”标准。

3.2 生物过滤技术

来水由滤料上层进入曝气生物滤池，与滤池底部的曝气形成气水两相逆流。利用微生物附着于多孔结构的火山岩表面，构成微生物膜。有机物被微生物氧化分解，固体悬浮物则被微生物膜截留过滤。该段一次性投加液体菌剂1.6 t。

4 设计参数

原水含油量100～300 mg/L，悬浮固体含量30～270 mg/L；来水温度33℃；设计流量 22 m3/h；33℃时空气溶量1.154 g/L；33℃时溶解系数约为0.015 8；空气裕量系数1.2；溶气压力3.9×105Pa；大气压力1.013×105Pa。

根据公式计算出回流量为5.3，回流比为25%。

式中：

Va——空气溶量，g/L；

Kt——溶解系数，20℃时，Kt=0.024；

η——溶气效率 （取η=1）；

P——溶气压力，Pa；

Po——大气压力，Pa；

Qr——溶气水量，m3/h；

QS——为水中悬浮物含量，mg/L；

Q——污水量，m3/h。

气固比的确定采用经验法，as的典型经验选取范围在0.005～0.06之间。综合考虑来水中的含油量和悬浮物含量，根据检测结果取as=0.04。

生化破乳：生化系统气水比为5∶1，有效停留时间4 h。

曝气生物滤池：采取25 min气洗+2 min气水联合反洗+3 min水洗反冲洗方式，根据液位自动反冲洗，正常运行气水比为5∶1，滤速3～5 m/h。

精细过滤精度为0.2 μm，根据压差自动反冲洗，反冲洗方式为8 s水洗1次+8 s气洗2次。

5 现场运行效果

现场数据表明，溶气气浮+生化除油+曝气生物过滤+高分子烧结滤芯过滤工艺具有较好的处理含油污水的效果。

进水含油量最高值为325.8 mg/L，最低值为295.7 mg/L，平均含油量为310.7 mg/L。精细过滤后出水含油量最高值为4.8 mg/L，最低值为4.6 mg/L，平均含油量为4.7 mg/L，含油量平均去除率为98.48%（表2）。

进水悬浮固体含量最高值为292.2 mg/L，最低值为259.5 mg/L，平均悬浮固体含量为275.8 mg/L。精细过滤后出水悬浮固体含量最高值为0.97 mg/L，最低值为0.68 mg/L，平均悬浮固体含量为0.82 mg/L，悬浮固体含量平均去除率为99.7%（表3）。

工艺投产运行后，水质指标达到“5.1.1”石油行业标准要求，解决了剩余污水无法回注的难题，年节约地下清水15.6×104m3，节约用电量97×104kWh。

表2 含油污水经处理设备各阶段含油量变化情况

表3 含油污水经处理设备各阶段悬浮固体含量变化情况

6 运行成本

运行成本主要包括固定资产折旧费、系统运行药剂投加费、维护费用以及运行电费。

固定资产折旧费：污水处理站运转时间一般为20年，其年折旧费用不计利率变化约为39.9万元。

药剂费：本工艺不需投加任何药剂，因此不计药剂费用。

维护费：由于本工艺微生物不需维护，维护费主要考虑滤芯更换费用。高分子烧结滤芯使用寿命约为3年，共120支滤芯，单价120元，因此维修费用每年0.48万元。

运行电费：包括升压水泵用电费用，加药装置、反冲洗和生活用电费用。

年总费用为66.98万元，全成本为3.67元/m3；年运行费用为26.6万元，运行成本为1.46元/m3。

相比清水价格为5.9元/m3、膜处理运行成本约2.5元/m3，生化处理工艺的运行成本是清水膜处理工艺的58.4%，全成本是清水价格的53.2%，具有较好的应用前景。

7 结束语

工程实践证明，采用溶气气浮+生化除油+曝气生物过滤+高分子烧结滤芯过滤工艺处理油田采出液简单有效。该工艺结构紧凑，运行费用低，处理效果稳定，对其他类似油田采出液处理工程具有一定的借鉴作用。

[1]高峰.油田采油废水雾化处理方法的研究[D].重庆:重庆大学,2010.

[2] Yoshihiro Suzuki，Toshiroh Maruyama.Removal of emulsified oilfrom water by coagulation and foam separation[J].Separation Science and Technology，2005，40(16):3407-3418.

[3]梁进峰,屈策计,李婷婷,等.吴起油田采出水处理技术研究[J].中国石油和化工标准与质量,2013(3):1673-4076.

[4]刘季霖.纳米气泡发生装置研究[D].杭州:浙江大学机械电子工程学院,2012.

[5]张薇,史开武,孔惠.曝气生物滤池(BAF)的发展与现状[J].北京石油化工学院学报,2005(3):24-30.

[6]侯宁.生物破乳剂产生菌的特性及破乳效能研究[D].哈尔滨：哈尔滨工业大学环境工程学院,2009.

10.3969/j.issn.2095-1493.2015.004.009

2015-01-30）

韩国勇，工程师。2008年毕业于东北石油大学（油气储运工程专业），从事注水管理工作，E-mail：meteor.hgy@163.com，地址：黑龙江省大庆市第七采油厂油田管理部，163517。