气浮-动态膜耦合强化技术处理海上稠油污水试验研究

张玮， 张树友， 罗林军， 折利军， 邱栋峰， 马骥， 刘宗园， 胡凯

（1.中海石油（中国）有限公司天津分公司， 天津 300459； 2.中海油天津化工研究设计院有限公司， 天津 300131；3.中国石油长庆油田分公司第一采油厂， 陕西 延安 716000）

中国海上稠油资源丰富， 渤海已探明原油地质储量45 亿m3， 其中62% 为稠油［1］。 稠油开采通常会产生由原油、 砂和水组成的采出液［2］， 经分离出的含油污水常称为稠油污水［3－4］。 稠油污水水质复杂［5］， 在海上处理难度极大［6］， 而基于环保法和经济性要求， 需要对稠油污水处理达到回注或热采锅炉给水要求。

渤海某海上采油平台对稠油污水采用斜板除油、 气浮、 核桃壳过滤器及超声过滤器进行综合处理， 产水经缓冲罐进入后续精细过滤［7］。 现有的稠油污水预处理工艺存在流程长［8］、 设备维护强度高、 占地面积大、 产水水质不稳定等问题， 对后续精细处理设备造成严重冲击。 气浮－动态膜耦合强化技术将气浮工艺［9］与新型动态膜过滤技术［10］耦合， 能显著提高含油污水的处理效率， 工艺流程短， 产水水质稳定。 本研究设计并建造处理量为5 m3／h 的气浮－动态膜稠油污水处理装置， 对热采平台产生的稠油污水进行预处理； 考察来水油含量和悬浮物含量对气浮－动态膜耦合装置运行效果的影响； 利用气浮出水考察动态膜抗污染性能； 并进行气浮－动态膜耦合装置长周期运行稳定性的研究。

1 材料与方法

1.1 试验装置

处理量为5 m3／h 的气浮－动态膜耦合装置示意如图1 所示。

图1 气浮-动态膜耦合装置示意Fig. 1 air floatation-dynamic membrane coupling device

本试验装置采用气浮－动态膜耦合强化处理工艺， 海工标准撬装结构形式（CCS 认证）， 主要包括供料泵系统、 水处理系统、 清洗系统及自动化控制系统， 其中水处理系统包含气浮、 动态膜及相关泵阀仪表等设备。 来水由供料泵增压后进入气浮设备， 然后通过工艺计算与动态膜耦合， 动态膜选用孔径20 μm 的金属网作为基膜， 粒径25 μm 的高岭土作为涂膜材料， 过滤前经过预涂形成表面具有亲水特性的动态膜。 在循环泵作用下， 含油污水在动态膜表面功能层的亲水疏油特性及膜孔筛分作用下去除水中大量油及悬浮物。 该装置满足高浓度稠油油田平台所有试验条件及试验内容要求。

1.2 试验用水

试验用水为旅大油田32－2 平台三相分离器产出的高浓度稠油污水， 气浮－动态膜耦合装置进水水质及设计出水水质如表1 所示。

1.3 试验方法

（1） 气浮－动态膜耦合装置对稠油污水水质适应性研究。 利用气浮-动态膜耦合装置进行稠油污水处理试验， 考察进水中油及悬浮物含量对装置运行效果的影响。 气浮运行压力为0.1 MPa， 药剂使用量为0.015 m3／h， 进气量为0.13 m3／h， 动态膜产水量为5 m3／h， 错流流速为3 m／s， 运行压力为0.15 MPa， 跨膜压差为0.03 MPa， 对来水进行间隔取样， 然后测定该时间段内来水及产水中油及悬浮物含量。 每个时间段取样3 次， 结果取平均值。

表1 气浮-动态膜耦合装置进水及设计出水水质Tab. 1 Influent and design effluent water quality of air flotation-dynaimic membrane coupling device

（2） 动态膜抗污染试验。 将动态膜装置在0.15 MPa 下运行， 测试膜对纯水的通量（Jwi）； 然后将系统接入污水（气浮出水）进行测试， 分别取不同时间点测试膜的通量变化， 膜对污水的通量记录为J0。将装置接入纯水， 记录此时纯水通量为Jm。 最后用高压纯水反冲洗， 再生后膜的纯水通量为Jww。 整个渗透测试按照上述步骤进行3 次循环测试。 根据水通量的变化可以计算出每次循环后膜对纯水的恢复率（FRR）， FRR ＝Jww／Jwi×100%。

1.4 分析方法

油浓度采用wilks INFRACAL 2 TRANS－SP 便携式红外水中油分析仪检测， 悬浮物粒度采用Mastersizer 3000 激光衍射粒度分析仪检测， 悬浮物浓度采用国家标准方法检测［11］。

2 结果与讨论

2.1 来水水质对运行效果的影响

在操作压力为0.15 MPa， 处理量为5 m3／h， 来水经气浮处理后直接进入动态膜过滤的工艺装置，考察来水水质对装置运行效果的影响， 结果如图2所示。

从图2 可以看到， 来水的油和悬浮物含量波动较大， 产水的油和悬浮物含量也随之波动， 分析原因是在产水量固定的情况下， 稠油污水在气浮设备中的处理时间是一定的［12］， 当水中油和悬浮物含量增加时， 气浮产水的油和悬浮物含量会相应增加，从而导致动态膜处理压力增大， 系统整体产水水质随之波动。 该装置对油的截留率大于93.8%， 悬浮物截留率大于90.5%， 出水油的质量浓度始终保持在20 mg／L 以下， 悬浮物的质量浓度小于15 mg／L。 由此可以看出， 来水水质波动对装置的运行效果影响不大。

图2 来水水质对装置运行情况的影响Fig. 2 Influence of influent water quality on device operation

2.2 动态膜抗污染性能

膜的抗污染性能也是表征其性能的一个重要指标［13］， 利用气浮出水（ρ（油）=50 mg／L， ρ（悬浮物）=30 mg／L）， 在气浮产水量为5 m3／h， 操作压力为0.15 MPa， 膜面流速为3 m／s 的运行条件下， 采用动态抗污染试验方法［14］， 考察膜的抗污染能力， 结果如图3 所示。

从图3 可以看出， 膜的初始纯水通量为340 L／（m2·h）， 油水分离时， 通量由初始230 L／（m2·h）下降至139 L／（m2·h）， 原因是油污及悬浮物在膜表面附着导致膜孔被堵塞、 通量下降， 平均通量为142 L／（m2·h）。 通过0.2 MPa 高压反冲洗后， 再次测试膜的纯水通量及油水分离状态下的通量， 膜清洗周期为100 h。 在3 个清洗周期后， 平均通量为138 L／（m2·h）， 通量恢复率可以达到92.3%， 说明动态膜具有良好抗污染性能。

2.3 运行稳定性研究

图3 动态膜的再生性能及通量恢复率Fig. 3 regeneration performance and flux reversion rate

室温下， 在操作压力为0.15 MPa， 膜面流速为3 m／s 运行条件下， 气浮-动态膜耦合装置连续运行6 个月， 考察该装置处理海上平台稠油污水长时间运行的稳定性情况， 产水量和产水水质变化如图4 所示。

图4 装置运行6 个月的产水量及产水水质Fig. 4 Produced water quantity and quality of device after 6 months of operation

从图4 可以看出， 装置产水量可以稳定在5.0 m3／h 以上， 没有出现产水量衰减的现象， 同时油和悬浮物的平均质量浓度分别为19.7 和13.6 mg／L， 满足精细过滤进水水质要求。

装置连续运行6 个月后原水与产水对比情况如图5 所示。

图5 原水与产水对比Fig. 5 Comparison between raw water and produced water

3 结论

采用自行设计与建造的气浮－动态膜耦合装置对热采平台稠油污水进行预处理。 在保持进水油的质量浓度低于695 mg／L， 悬浮物的质量浓度低于90 mg／L 情况下， 产水油的质量浓度低于20 mg／L，悬浮物的质量浓度低于15 mg／L。 动态膜表现出良好的抗污染性能， 在3 个清洗周期后， 平均通量为138 L／（m2·h）， 通量恢复率达到92.3%， 该耦合装置长时间运行后其产水量及产水水质保持稳定。