辽河油田稠油采出水外排处理技术应用

孙绳昆 孙晓明 郑丽华

1中油辽河工程有限公司

2大庆榆树林油田开发有限责任公司工程技术研究所

辽河油田是我国最大稠油生产基地，2019 年日产各类稠油采出水约10×104t，其中深度处理回用热采注汽锅炉约每日8×104t，由于注采不平衡尚有约每日2×104t外排水量[1]。

随着辽宁省污水综合排放标准2008 年版的颁布实施，辽河油田原有3座稠油采出水外排厂均需要提标改造。锦采外排厂2014 年建成投产，设计规模1.5×104t/d，处理工艺为“预处理+生化+臭氧催化氧化”，投产后由于臭氧布气管口处结垢堵塞严重，臭氧发生及布气系统无法正常运行，2016年将臭氧催化氧化工艺改造为臭氧氧化工艺，改造段规模0.8×104t/d，同时对臭氧发生气源及臭氧投加方式进行调整，实现了液氧直接发生臭氧简化工艺及臭氧水射器密闭投加，避免臭氧布气管口处结垢。曙光外排厂分两期建设，一期为预处理工艺段，设计规模2×104t/d，2013 年建成投产；二期在一期预处理工艺的基础上，增加两级AS+PACT（活性污泥+粉沫活性炭）生化工艺段，设计规模1×104t/d，2017 年建成投产。金海外排厂设计规模0.8×104t/d，处理工艺为“预处理+生化+颗粒活性炭吸附及再生”，预计2020年10月投产。

1 稠油采出水

1.1 水质特点

我国稠油按其50 ℃时的动力黏度和20 ℃时密度进行分类，分为普通稠油、特稠油和超稠油。按照稠油的分类，稠油采出水分为普通稠油采出水、特稠油采出水和超稠油采出水。不同种类稠油，其性质和开采阶段不同，对应不同开发方式。普通稠油一般采用蒸汽吞吐开采，特稠油和超稠油一般采用SAGD（Steam Assisted Gravity Drainage）或蒸汽驱开采。由于稠油种类和开采方式的不同，导致稠油采出水的性质也有较大变化，尤其是水温、COD组成和含量、石油类及悬浮物含量等指标差异较大。另外，稠油采出水中普遍含有大量原油生产过程中人为添加的各类措施用化学药剂[2]，这些化学药剂造成的原水水质波动、难生化，对处理工艺产生较大影响。

辽河油田稠油采出水的水质特点：

（1）油水密度差小。污水中原油密度大，相对密度992～995 g/cm3。

（2）黏滞性大。污水具有较大的黏滞性，原油中胶质和沥青质含量高达42%～48%，流动性差，污染程度高，特别在水温低时更显著。

（3）温度高。超稠油在地下开采、地面集输和脱水过程中，为降低原油黏度要保持高温，污水进处理站前水温度在50～80 ℃。

（4）乳化严重。由于超稠油所含胶质和沥青质是天然乳化剂，且原油在生产过程中经过泵多次离心剪切，污水乳化较严重。

（5）成分复杂和多变。通过原水成分检测分析，污水中除烷烃类、醇类、酮类物质外，还含有40 多种化学药剂成分。受上游生产影响，导致污水中所含污染成分具有随机性。

（6）可生化性差。通过原水除油后BOD、COD化验分析以及COD构成分析，生化进水B/C一般在0.1～0.2 左右[2]，可生化性差，营养成分缺乏[3]，不可生化成分部分来自于化学药剂。

（7）原水属于重碳酸氢钠型水，腐蚀性低，但宜结垢（钙镁垢和硅垢），对生化曝气系统具有不利影响。

表1 锦采外排厂设计进出水水质Tab.1 Design inflow and outflow water quality of Jincai Discharge Plant

表2 曙光外排厂设计进出水水质Tab.2 Design inflow and outflow water quality of Shuguang Discharge Plant

表3 金海外排厂设计进出水水质Tab.3 Design inflow and outflow water quality of Jinhai Discharge Plant

1.2 设计水质

锦采和金海外排厂原水属于普通稠油采出水，曙光外排厂原水属于超稠油采出水，3座外排厂设计出水指标均执行辽宁省《污水综合排放标准》（DB21/1627—2008）标准。设计水质见表1、表2和表3，其中进水石油类含量检测为油田注水用可见光分光光度法，出水石油类含量检测为红外分光光度法。

2 工艺流程

锦采外排厂2016年改造后流程见图1。上游气浮处理污水进入污水缓冲罐进行水量调节，经提升泵恒流量进入厌氧/好氧接触氧化池，出水进入二沉池，再经提升泵进入射流器，射流器负压区引入臭氧混合气，溶气水进入两级串联臭氧氧化反应罐最终出水。

金海外排厂处理工艺流程见图2。上游气浮处理污水进入接触氧化水解酸化罐，出水进入好氧生物接触氧化池，然后进入二沉池后经提升泵依此进入砂滤器、一级活性炭吸附塔、二级活性炭吸附塔、三级活性炭吸附塔和保安过滤器，最终出水。饱和活性炭通过水力输送从吸附塔转移至再生装置，再生后活性炭水力输送回吸附塔。

曙光外排厂处理工艺流程分物化处理和生化处理两段，如图3所示。物化处理段：上游曙五联来含油污水和其他废水进入调节水罐，均质均量后经提升泵进入除油罐，除油罐出水重力进入两级DAF（溶器）浮选机，浮选出水经提升泵依此进入核桃壳过滤器、空冷器和冷却塔，冷却塔出水经提升泵进入生化处理段。生化处理段：冷却塔来水进入搅拌配水池，均分成三股水进入三组一级好氧生化池和搅拌池，出水进入一级沉淀池，一级沉淀池上清液经提升泵进入一组二级好氧生化池和搅拌池，出水进入二级沉淀池，二级沉淀池上清液经提升泵进入砂滤器后最终出水。

3 主要构筑物和设备

3.1 锦采污水厂

图1 锦采外排厂处理工艺流程Fig.1 Process flow of Jincai Discharge Plant

图2 金海外排厂处理工艺流程Fig.2 Process flow of Jinhai Discharge Plant

图3 曙光外排厂处理工艺流程Fig.3 Process flow of Shuguang Discharge Plant

污水缓冲罐2座，利旧已建的2座1×104m3罐改造成污水缓冲罐。罐内顶部设中心布水管，底部设集水管，罐底设穿孔排泥管。生物接触氧化池1座，为水解酸化池和好氧池合建，池内水流为上下翻腾式。水解酸化池设计水力停留时间15 h，共设8 条廊道，每条廊道2 格，单格尺寸分别为20.8 m×7.0 m×6.0 m（H）和12.0 m×7.0 m×6.0 m（H），池内设悬挂式组合填料和潜水搅拌装置。好氧池设计水力停留时间19 h，共设8条廊道，每条廊道3 格，单格尺寸14.0 m×7.0 m×6.0 m（H），池内设悬挂式组合填料，池底设旋混曝气器。二沉池2 座，设周边传动刮吸泥机。臭氧氧化罐4 座串联，设计总接触氧化时间1.3 h。臭氧发生器装置1 套，其中管式臭氧发生器1 台，臭氧发生量30 kg/h，发生气源为液态氧；50 m3液氧储罐1 座，空温式气化器2台。

3.2 曙光污水厂（二期）

冷却塔3 座，单座处理量240 m3/h。生化池（AS+PACT）1座，一级为利旧改造，推流式，3条并联廊道，每条廊道体积为2 700 m3；二级为利旧改造，推流式，1 条廊道体积为2 700 m3；池内设粗孔曝气器和脱气搅拌器。沉淀池3座，一级辐流式，规格为Φ18 m×3.5 m，2 座利旧；二级辐流式，规格为Φ22 m×5 m，1 座。砂滤器8 座，单级压力式直径为3.4 m，利旧改造。炭泥脱水机3台，单台处理绝干泥量130 kg/h，机型为自动厢式隔膜压滤机。粉末活性炭储存及投加设备1套，炭仓规格为Φ4 m×8.8 m，1 座；粉末活性炭投加装置1套，最大出料量420 kg/h。

3.3 金海污水厂

生物接触氧化水解酸化罐1 座，规格为Ф23.7 m×12.5 m，利旧改造，上向流，内装悬挂式生物填料。生物接触氧化好氧池1 座，尺寸为55 m×10.75 m×6.7 m（H），2 组并联，池内装填组合填料，池底安装粗孔曝气器。二沉池2座，辐流式，中心进水周边出水，单座规格为Ф13 m×4.6 m。生化砂滤器6 座，直径为3.2 m，气水反洗。多级循环活性炭吸附塔12 座，4 列并联，每列3 座串联，单座直径为3.2 m，空塔流速12.4 m/s，吸附剂装填高度9 m。活性炭再生装置1套，再生规模5 t/d，炉型为多膛炉。

4 运行效果及分析

4.1 锦采外排厂

锦采外排厂自2016 年臭氧催化氧化系统改造后，整体处理工艺运行平稳正常，基本达到设计技术指标要求。以液氧为气源的管式臭氧发生器及臭氧水射器投加系统工艺简单、可靠适用。

目前，污水厂运行水量约8 000 t/d，污水站进水含油10 mg/L、悬浮物20～30 mg/L、COD 110～120 mg/L。生化处理后COD 80～85 mg/L，石油类小于3 mg/L。臭氧投加浓度53 mg/L，臭氧氧化出水COD 45～48 mg/L，达到辽宁省污水综合排放标准50 mg/L要求。吨水主要操作成本2.03元/t，其中电费1.0元/t，液氧费0.63元/t，生物营养剂费0.4元/t。

臭氧催化氧化系统无法正常运行的主要原因是臭氧催化氧化池底部臭氧布气装置上小孔堵塞，导致臭氧发生器背压升高，设备无法正常工作。根据现场取样分析，小孔处堵塞物主要是硅垢，极难去除。结垢主要原因是原水属于碳酸氢钠型，易结垢，且水中含硅量较高，以二氧化硅计达100～120 mg/L，臭氧在布气过程中，在直径1.0 mm 布气孔处流速和压力发生变化，导致水中硅含量过饱和析出。投产初期运行6个月左右，生化池内散流曝气器与空气管道连头处也发生结垢现象，导致曝气量减少。垢样形状为直径5 mm 左右球型颗粒，垢样分析成分主要为碳酸钙，经对曝气器连头处进行改进，结垢现象得到缓解，目前需要1～2 年清洗一次曝气器连头处。

4.2 曙光外排厂

曙光外排厂自2017 年二期投产运行以来，整体处理工艺基本达到设计指标要求。污水厂运行水量6 000～9 000 t/d，污水站进水含油1 000～2 000 mg/L、悬浮物5 000～8 000 mg/L、COD 5 000～8 000 mg/L。预处理出水含油10～15 mg/L、悬浮物20～30 mg/L，COD 650～700 mg/L。一级AS+PACT 生化出水COD 100～120 mg/L，二级AS+PACT 生化出水COD 20～40 mg/L，石油类小于2 mg/L，氨氮和总磷等其他指标均小于排放值。

主要运行成本：预处理段处理单位水量药剂和电费合计约3.4 元/m3，其中药剂费3.0 元/m3，电费0.36 元/m3。生化段活性炭、药剂和电费合计约7～8元/t，其中粉末活性炭投加量（出水CODcr控制在40～45 mg/L 条件下）500～600 mg/L，单位水量成本5.0～6.0 元/t（粉末活性炭价格按1 万元/t计）；药剂费（聚丙烯酰胺、液碱、生物营养剂等）1.5元/m3；电耗约0.7 kWh/t，电费约0.42元/kWh。

一级空冷器在运行过程中存在散热管内污堵现象，检修频繁。通过取样分析，堵塞物主要为黏稠化学药剂，主要成因为污水中溶解了各类化学药剂，水温降低后饱和析出。由于空冷器清堵操作较复杂，将冷却工艺全部改为冷却塔降温。

5 展望

AS+PACT 工艺具有可靠适用、抗冲击能力强等特点，特别适用于高浓度难降解污水的生物强化处理[4]，该工艺在污水生化系统提标改造以及难生化污水外排处理方面具有广阔应用前景[5]。目前，颗粒活性炭吸附处理各类污水及炭再生工艺和设备国内比较成熟，应用较多。AS+PACT 工艺产生的活性污泥粉末活性炭再生技术仍由少数国外公司掌握[6]，国内尚处于研究和试验阶段。当粉末活性炭投加量和成本较高时，配套实施粉末活性炭再生工艺十分必要，实施后约90%的粉末活性炭可再生回用[7-8]，可降低70%～80%活性炭成本。

6 结论

（1）当普通稠油采出水预处理到含油小于10 mg/L时，COD含量100～200 mg/L，采用A-O生物接触氧化处理工艺，出水COD含量为80～100 mg/L。如果外排COD指标为50 mg/L以下时，需要进一步深度处理，臭氧氧化和颗粒活性炭吸附工艺可以满足COD 深度处理达标需要。臭氧投加量、吸附参数及其对应的出水COD 含量应通过实验确定。活性炭吸附出水COD 含量比臭氧氧化出水更低，可以达到20～30 mg/L，该工艺对日后外排处理COD提标更具优势。

（2）当超稠油采出水预处理到含油小于10mg/L时，COD 含量600～700 mg/L，一般普通生化出水COD 含量150～250 mg/L。若要达标排放，COD 需要进一步深度处理。AS+PACT 工艺可以满足超稠油采出水深度处理COD达标需要。