油田污水生化处理技术研究进展

杜 伟，付美龙，张 蒙，周 璇，汪 溢

（长江大学 石油工程学院， 湖北 武汉 430100）

油田污水生化处理技术研究进展

杜 伟，付美龙，张 蒙，周 璇，汪 溢

（长江大学 石油工程学院， 湖北 武汉 430100）

随着油田采油形势的日益严峻，采油废水处理也面临诸多问题，污水排量大、水体质量波动大、大分子有机物浓度高、重金属类污染物含量高,传统物理化学方法难以应对，而生化法处理采油废水高效低耗，经济环保。介绍了几种常用的采油废水生物处理技术，包括活性污泥法、生物膜法、自然处理法及厌氧-好氧处理法，其中自然处理法包括人工湿地法和氧化塘法。对国内外学者的研究进行了简明归纳，并对油田污水处理技术未来的发展方向提出了建议。

采油废水；活性污泥法；生物膜法；自然处理法；厌氧-好氧处理法

目前，国内各油田的开发已经进入中后期，随着开发时间的进一步延长，原油含水率在不断上升，导致采油废水量也在不断增加。其中90%左右用于回注，剩余的需要外排[1]。即便如此，废水量依旧很大。据统计，某油田大约每天需外排20万m3的废水，这部分废水不仅有石油类的存在，还含有其他多种成分，如分散油及浮油、固体悬浮物，以及化学药剂等，它会对土壤和水体产生极大危害，可造成农田绝收、鱼虾死亡[2,3]，严重地影响了人们的正常生产和生活。不仅如此，有些含聚污水回注也会对地面工艺操作、油层和井筒产生不利影响[4,5]，使油田的生产操作无法顺利地进行。

1 油田污水生化处理技术的优势

近几十年来，随着三次采油在各油田上的推广，所产生的污水更加难处理[6]，常规的物理化学处理方法已无法满足生产的需求，生化处理技术也逐渐引入油田污水处理过程[7]。污水生化处理技术，是利用特殊细菌对污染物的降解功能，消除污染物产生的不利影响，可对部分原油进行回收，同时依靠细菌对原油的降解作用，从而降低污水含油量以及各种有机、无机污染物，使污水达到回注或环保外排标准[7]。

大量的文献资料表明[8]，在含油废水的一级处理中，更适合采用物理、化学等方法，所处理后的水质仍不达标，还需采用生化处理技术。它具有自然净化、水质稳定、无二次污染、处理效率高且成本低等显著特点。室内研究和现场试验结果表明，针对油田污水的特点，只要选用合适的微生物，都可以进行生化处理[1]。而一些采油污水由于其BOD5、COD 值严重偏高，不适宜微生物的生长繁殖，那么，在生物处理前需对污水进行预处理，以提高含油污水的可生化性，通常加入絮凝剂、诱导剂、营养物质等[9]。生化处理污水技术不仅降低了污水中各种污染物指标，而且对于后续精细处理工艺的应用做了很好的准备。

2 油田污水生化处理技术

2.1 活性污泥法

活性污泥法是先按照一定条件筛选出的具有针对性降解功能的细菌菌液，然后将其定比例地投入到生化池中，使混合液内这些具有特定功能的细菌处于最佳活性状态，最大程度地发挥细菌的生物酶对有机物代谢转化的功能，进而达到处理废水的目的。穆永亮[10]等以克拉玛依油田六九区的污水为研究对象，由于污水中聚合物含量约160 mg/L，COD含量约250 mg/L，BOD5含量约5 mg/L，石油类含量约26 mg/L，根据BOD5/COD可得，其比值为0.02，此结果表明污水难以进行生化处理，故实验中先进行了水解酸化，后采用活性污泥法，使污水达到了国家二级排放标准。李晖[11]对鄯善联合站污水处理情况进行了分析，采用先物化处理后生化处理工艺，先对来水投加烧碱、混凝剂和絮凝剂，进行预处理，以使铁浓度降低到满足生化处理的标准。采用活性污泥法，以芽孢杆菌和假单胞菌类为降解菌，溶解氧为2～4 mg/L，曝气量为12∶1，并对沉淀池底排泥管进行改造。结果，鄯善污水站水质各项指标均达到了Q/SY TH 0082—2014《油田注水水质规定》。严忠[12]等对于高含盐废水首先进行混凝沉淀处理，然后进行“水解酸化－好氧”处理，在水解酸化段采用悬浮活性污泥法，水解酸化菌群对混凝阶段处理的废水产生作用，将一些难降解大分子物质分解为易被生物降解的小分子物质，再进行后续的有氧生化处理。赵天亮[13]等人采用好氧活性污泥法对中原油田盐含量较高采油废水进行处理，数据表明,曝气时间、废水的质量分数以及氯含量三个变量,对驯化的活性污泥去除废水中的 CODCr都有一定程度的影响，而当驯化时间为 4～6天，含盐量为15%～45%时，活性污泥具有较高的生物活性，此时废水中CODCr去除率可达90%。马少华[14]采用活性污泥法对聚合物驱采油废水进行处理，研究发现，聚合物驱采油污水为总污水的15%～30%，曝气12 h时，污水中CODCr的去除率均在80%左右，且除油率均高于76%，但是活性污泥对污水中的HPAM的降解率不高，仅为40%。

2.2 生物膜法

生物膜法是利用生物膜的特殊功能，当废水和生物膜接触时，生物膜将会对废水中的污染物进行固化和分解，从而达到污水净化的目的。由于利用生物膜法进行污水处理，不需要设置二沉池和污泥回流环节，具有成本低、能耗少等优点[15]。因此它近几年在采油废水的降解方面得以广泛应用。生物膜法在污水处理中应用主要包括有生物滤池、生物流化床以及生物接触氧化。许谦[16]等人采用序批式生物膜法对某油田采油废水进行处理，作者先采用复合絮凝剂 FZ-308对采油废水中悬浮性污染物进行预处理，然后对普通活性污泥进行特殊培养驯化，则可得到可有效降解废水中COD的优势菌种，最后将培养的微生物用于采油废水中，同时加入微生物促生剂FYS-5，效果非常显著，不仅可以保证有毒有害的物质有效去除，而且还能提高处理效率，维系微生物良好的生长条件。当絮凝后的废水COD浓度控制在500 mg/L左右，并且保持进水容积负荷在0.5 kg COD/(m3·d)，经序批式生物膜法处理后，排出水中COD的浓度达到GB8978-1996《污水综合排放标准》的一级标准。张敏[17]等人采用改进型 A/O生物膜工艺，对河南油田某稠油联合站污水进行生化处理，在原有工艺基础之上增加了弹性填料和内循环曝气器。改进型工艺与现有工艺相比优势明显提高，不仅气水比降低、能耗降低，COD去除率增高，而且生物膜结垢减少，可以长期稳定运行。包木太[18]等人采用生物接触氧化法对胜坨油田污水进行降解，使用活性污泥挂膜法与优势菌种挂膜法相结合的方法来培养已活化的PM-1菌种，经生化处理后，聚合物的降解率为70%左右，原油去除率最高可达到 90%以上，悬浮物去除率为 80%以上，CODCr降低率为67%，BOD5降低了75%以上，水质平均腐蚀速率<0.076 mm/a，TGB、IB数量也大幅度减少,均达到回注水A级标准。王英敏[19]等人对双河联合站多余的不达标含油污水，采用生物膜水解酸化法与生物膜接触氧化法进行处理，最终实际运行结果表明,此污水处理工艺可有效去除污水中的硫化物、石油类、COD和挥发酚，其去除效率分别为99.7%、96.5%、75%和83.3%，对难降解污染物PAM也有一定的降解作用,其浓度明显下降，并且外排污泥量少，运行成本低。

2.3 自然处理法

自然处理法就是利用天然水体或土壤生态系统的净化作用降解污染物的技术[20]，应用较多的是人工湿地法与氧化塘法。

人工湿地系统是由水体、基质、植被、微生物等四个基本要素组成的一个完整生态系统。而湿地净化污水则是湿地中基质、植物和微生物通过一系列复杂的物理、化学、生物过程共同作用的结果。具体包括水体对污染物的稀释，基质对污水的蓄纳，植物的茎干根系可以最大限度地吸收污染物，同时为微生物的生长提供良好的环境，而微生物可以对污染物进行分解。祝威[21]等采用了水解酸化-好氧-人工湿地工艺与水解酸化-人工湿地（进水区曝气）工艺对胜利油田采油废水进行处理，先对采油废水进行隔油、混凝处理，再采用上述两种工艺，结果显示，两种工艺都能很好去除COD,水解酸化-好氧-人工湿地工艺对NH4+-N去除效果好,水解酸化-人工湿地（进水区曝气）工艺硝化及反硝化速率较好,TN去除率高，它们对生态毒性的削减也起了明显的作用，从之前的高毒程度降至低毒程度。杨旭[22]等采用表流人工湿地+聚砜（PSF）膜处理含油废水。研究显示，废水经过人工湿地系统后，含油量由0.007 8 mg/L降为0.003 5 mg/L，去除率为53.51%，COD含量由42.75 mg/L降为19.07 mg/L，去除率为55.82%，同时总氮、氨氮、总磷的平均去除率也分别高达49.70%、54.70%、61.67%。黄翔峰[23]等采用水解酸化/好氧/人工湿地和水解酸化/人工湿地两工艺对某一油田联合站出水进行处理。污水经过隔油和混凝预处理之后，分别进入两种工序，研究表明，前者对COD及NH4+-N的去除率均优于后者，对比可看出好氧段有利于人工湿地的硝化过程进行，水解酸化可提高废水的可生化性，同时该工艺可以有效降解废水中的苯环类有机污染物，然而对十六烷酸与癸烯的处理效果不佳。杨旭[24]等对大庆油田含油污水采用水平潜流人工湿地与超滤膜相结合的方式进行处理。污水依次经过人工湿地系统和浸没式中空纤维超滤膜，结果表明，当进水流量为1.2 m3/d，对VDF超滤膜施加0.2 MPa压力时，出水水质情况较好，其中总氮、COD、石油类、BOD5、NH4+-N的去除率均分别达到66.07%、82.98%、73.18%、55.99%、55.36%，效果明显好于仅采用人工湿地处理。

氧化塘是由水体、水生植物（主要是藻类）、微生物等三个基本要素组成的一个完整的生态系统。氧化塘法处理污水是指水体对污染物稀释，微生物将污染物分解为无机物(磷酸盐、铵盐等)为藻类提供营养，藻类通过光合作用为细菌提供O2，从而实现体系的稳定运行。氧化塘有三种，包括好氧塘、厌氧塘和兼性塘。师祥洪[25]把粉煤灰吸附与氧化塘相结合处理河首站采油废水，研究表明，粉煤灰可以很好地吸附石油类、COD、氨氮、挥发酚等污染物,再让污水通过氧化塘生化处理，效果非常显著,使现河首站废水完全实现达标排放。大港油田采用氧化塘法对油田污水进行降解，先使污水中浮油在隔油池中被除去，再通过曝气池生化反应区及沉淀池，最后依次通过兼性塘和好氧塘，运行实践表明，处理效果明显，污染物去除率逐年提高。其中的COD、石油类、SS去除率由2000年的43%、51%、-14%分别提高到2004年的77%、98%、26%。最明显的优势是投资少、运行费用低[26]。胜利油田桩西采油厂使用芦苇氧化塘对外排废水进行处理，取得了不错的效果，在原有处理工艺的基础上增加的降温曝气沟和氧化塘，使得废水中的COD、BOD、挥发酚、硫化物等主要污染物含量降到符合外排水质标准[27]。Shpiner[28]等通过改变生化条件，来观察氧化塘对污水的处理效果，研究表明，当HRT为6 d时，可有效去除进水中COD以及石油类，其去除率分别高达到85%、82%，并且随着HRT的时间延长去除率亦逐渐增高。

2.4 厌氧-好氧处理法

厌氧-好氧法首先使废水通过厌氧段，有机污染物被兼性厌氧菌以与专性厌氧菌降解，再通过好氧段中的好氧菌降低COD值，并进一步除去氮、磷。相比于单纯的好氧法和厌氧法，厌氧-好氧工艺运行稳定，污泥沉降效果好，可有效防止污泥膨胀，同时也可降低能耗，减少成本。杨永[29]等采用厌氧-好氧法对华北油田某污水处理站污水进行深步处理，以降低仅经过常规处理的污水中较高浓度的COD、氨氮、总氮和部分未处理的有机烃类的含量。经常规处理后的污水依次经过：提升泵、逆流冷却塔、升流式颗粒污泥厌氧反应池、一次沉淀池、分层陶粒填料好氧反应池、二次沉淀池、储水池、外排泵、经管道至指定排放处。研究表明，采用厌氧-好氧工艺，使采油废水出水 COD值降至 35～60 mg/L，去除率达到84.4%～90.8%，符合出水COD值标准。并且此方式既经济又环保。桑国良[30]等采用厌氧-好氧生物法处理高浓度 HPAM的油田污水，利用PAM-2和PAM-F1两株HPAM降解菌及活性污泥处理500 g·L-1HPAM的模拟污水，研究表明，当分别采用淀粉碘化镉法、总有机碳(TOC)、扫描电镜(SEM)及高效液相色谱(HPLC)等多种检测方法与手段时，均显示出，HPAM良好的降解效果。冀东油田采用厌氧-好氧生物法处理油田污水，使物化处理后的污水先后经过厌氧池和好氧池，有机物先被水解酸化菌和兼性厌氧菌水解、酸化为易降解的有机物，再被好氧菌分解为无机物、CO2和H2O。结果表明，先后建成的三座污水生化处理站均可使外排水质达标[31]。苏德林[32]等采用ABR—BAF工艺对江汉油田马-25污水处理站污水进行处理。结果显示:当废水流量为0.3 m3/h时,ABR反应器对石油类和COD的平均去除率分别为83.5%和40.8%,此时出水BOD5/COD值提高了24.8%。ABR不光去除了采油废水中的大量油,污水的可生化性也提高了。当进水流量为0.6 m/h，BAF可使COD和SS平均去除率分别达到 57.9%和 82.7%。对于整个工艺而言，石油类去除率为 96.1%～96.9%，COD去除率为58.2%～75.1%，BOD5去除率为80.0%～93.1%，SS去除率为80.7%～87.1%。折流板厌氧反应器—曝气生物滤池工艺对采油废水处理效果显著,水质达到二级排放标准。

3 结 语

相比于传统的物理法、化学法，生化法处理含油污水具有其得天独厚的优势，高效低耗，运行管理简单，总的来说就是经济环保。然而，随着油田采油形势的日益严峻，采油废水的处理也面临很多问题，主要包括污水排量大、水体污染物种类杂、大分子有机物浓度很高、BOD5含量过低、难以生化等。本文对近些年国内的采油废水生物处理技术进行总结和概括，笔者建议今后的研究应着眼于以下几个方面：着手解决活性污泥法污泥量大和工程量大的问题；增加生物膜耐抗性能；研究如何增大单位面积处理效率，从而解决人工湿地占地面积大的问题；研发培育耐冲击降解菌，提高其降解效率；有针对性选用组合方法综合处理废水，以提高污水净化率；吸纳前沿的科学技术，研究开发高效低耗的污水处理生物反应器。

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Research Progress of Biochemical Treatment Technology for Oilfield Wastewater

DU Wei,FU Mei-long,ZHANG Meng,ZHOU Xuan,WANG Yi

(Institute of Petroleum Engineering, Yangtze University, Hubei Wuhan 430100，China)

With the increasingly serious oil production situation, the wastewater treatment of oil extraction is facing many problems, such as large displacement of sewage, large fluctuation of water quality, high concentration of macromolecule organics, high content of heavy metal pollutants and so on. Biochemical treatment of oil production waste water is economic and environmental, and has high efficiency and low consumption. In this paper, several common bio-treatment technologies of oil-producing wastewater were introduced, including activated sludge process, biofilm process, natural treatment and anaerobic-aerobic treatment. The natural treatment includes artificial wetland and oxidation pond. The research on bio-treatment technologies of oil-producing wastewater at home and abroad was summarized, and the future development direction of oilfield wastewater treatment technology was put forward.

Oil production wastewater; Activated sludge method; Biofilm method; Natural treatment; Anaerobic-aerobic treatment

TE 991

A

1671-0460（2017）04-0673-04

2016-11-21

杜伟（1992-），男，湖北省枣阳市人，长江大学石油与天然气工程专业在读研究生，研究方向：油气田应用化学。E-mail：278943642@qq.com。

付美龙（1967-），男，教授，博士，研究方向：油田化学及提高采收率。E-mail：805817751@qq.com。