聚驱污水室内沉降处理效果实验研究

张继红，刘冠男，陈喜玲，李哲锋

（1.东北石油大学 提高采收率国家重点实验室，黑龙江 大庆163318；2.中国石油辽河油田勘探开发研究院，辽宁 盘锦124010；3.中国石油大庆油田 水务公司，黑龙江 大庆163712）

目前，FB油田DP-4区块已经进入高含水阶段，水驱开发效果逐渐变差，必须找到适合该油田的驱替方式才能有效提高原油采收率，采用聚合物驱油能够很好地解决这一难题。但在聚驱采出液中含有大量的油、悬浮物颗粒及聚合物[1-3]，如果不能有效处理，聚驱污水中的含油量及悬浮物含量会严重超标导致其无法进行污水回注，水资源大量浪费且容易造成环境污染。本文通过室内沉降实验，针对不同含聚合物浓度的聚驱污水明确了合理的沉降时间及沉降温度，聚驱污水沉降效果[4-6]达到最大化，使DP-4区块的聚驱污水能够更好地得到处理与再利用[7-10]，对自然环境保护和油田污水资源合理利用有着重要的实际意义。

1 实验部分

1.1 试剂及仪器

D8污水处理站的聚驱污水（矿化度为4.7g·L-1,pH值为8.2）；质量分数为93%的淀粉碘化镉（CP江苏普乐司生物科技有限公司）；分子量为294.1846的K2Cr2O7（基准试剂 南充市高坪区格林实验室耗材经销中心）；蒸馏水（实验室自制）。

简易沉降装置（图1）；HX-T-60型恒温箱（东莞昊盺仪器设备有限公司）；PT300型均化仪（北京卓川电子科技有限公司）；756PC型紫外可见分光光度计（上海菁华集团公司）；恒温水浴（自制）；Winner2000型激光粒度分析仪（济南微纳颗粒仪器股份有限公司）；400mL具塞刻度比色管；HM-KJ3型微孔薄膜过滤实验仪（北京麦科仪科技有限公司）；电子天平（梅特勒-托利多公司产品，型号为ME-T3）；500mL锥形分液漏斗。

图1 室内简易沉降装置图Fig.1 Indoor simple settlement device drawing

1.2 实验方法与步骤

（1）沉降时间与沉降温度对聚驱污水沉降效果的影响 将取自D8污水处理站的含聚合物浓度为200mg·L-1的聚驱污水，倒入置于恒温箱中的简易沉降装置中。目前，FB油田处理聚驱污水时，总沉降时间一般不超过15h，沉降温度不超过40℃，所以本次实验将沉降时间设为8、9、10、11、12、13、14，15h，沉降温度分别设为32、35、38℃，进行正交实验。在实验设计的不同时间点进行取样，分别测二次沉降后聚驱污水中的含油量4次，测沉降后聚驱污水中的悬浮物含量5次并取平均值。通过比较不同沉降时间，沉降温度下聚驱污水含油量及悬浮物含量测量结果，分析沉降时间，沉降温度对聚驱污水沉降效果的影响。

（2）聚合物浓度对聚驱污水沉降效果的影响 将上述实验所用污水加入相对分子质量为1700万的聚合物，将其分别配制成含聚合物浓度为250、300、350、400、450mg·L-1的聚驱污水，将配置好的污水放入简易沉降装置中，在温度为38℃的条件下进行室内沉降实验，设计沉降时间分别为6、7、8、9、10和11h，在实验设计的不同沉降时间处进行取样，分别测出在不同沉降时间条件下沉降后的不同含聚浓度的聚驱污水中含油量与粘度，将测量结果进行对比分析，从而研究聚合物浓度对聚驱污水沉降效果的影响。

（3）絮凝剂浓度对聚驱污水沉降效果的影响 在上述实验的基础上分别加入浓度为60、120、180和240mg·L-1的絮凝剂，进行室内沉降实验，分析不同浓度的絮凝剂对不同含聚浓度的聚驱污水含油量的影响效果，确定其所需加入絮凝剂的最佳浓度。

2 结果与讨论

2.1 沉降时间与沉降温度对聚驱污水沉降效果的影响

在不同沉降时间及沉降温度下，聚驱污水经过室内沉降实验后其含油量及悬浮物含量的变化规律见图2。

图2 不同沉降时间与温度下聚驱污水含油量与悬浮物含量变化规律图Fig.2 Variation of oil content and suspended solids content in polymer flooding wastewater under different settling time and temperature

由图2可知，在整个沉降实验过程中，不同沉降温度下的聚驱污水随着沉降时间的增加其沉降后含油量及悬浮物含量逐渐下降：当沉降时间为8~10h时，含油量及悬浮物含量曲线有明显的下降趋势，曲线变化陡峭；当沉降时间为10~12h时，含油量与悬浮物含量仍然下降但下降幅度较小；当沉降时间为12~15h时，含油量与悬浮物含量无明显变化，曲线均趋于平缓。从结果上看，沉降时间的增加对聚驱污水的沉降效果有促进作用，但超过12h后，沉降效果不明显，因此，沉降时间应＜12h。考虑到该油田对污水回注有一定标准即含油量≤100mg·L-1，悬浮物含量≤50mg·L-1，应进一步对实验结果进行分析。

当沉降时间相同时，随着沉降温度的增加聚驱污水中含油量与悬浮物含量的值均逐渐下降。这是由于聚驱污水中残留的聚丙烯酰胺的性能受温度影响，其分解在污水中，随着沉降温度的升高，油水混合物稳定性降低，悬浮物颗粒沉降速度增加，因此，污水中含油量及悬浮物含量减少。当沉降时间超过11h时，在所有沉降温度下，沉降后聚驱污水中悬浮物含量均能达到污水回注标准；当沉降温度为32℃时，测量聚驱污水经过11h沉降后的含油量没有达到污水回注标准；当沉降温度为35和38℃时，测量其含油量分别为95.72和80.72mg·L-1，均达到污水回注标准。

为了更好的研究沉降时间与沉降温度对聚驱污水沉降效果的影响，结合上述实验数据，通过计算得出不同沉降时间下聚驱污水中油滴去除率和悬浮物去除率，其结果见图3。

图3 不同沉降时间与温度下聚驱污水油滴去除率及悬浮物去除率变化规律图Fig.3 Oil drop removal rate and suspended solids removal rate of polymer flooding wastewater under different settling time and temperature

由图3可知，随着沉降温度的增加，不同沉降时间下的污水中油滴与悬浮物去除率均有所增加。当沉降时间为8~11h时，油滴与悬浮物的去除效果逐渐增加。当沉降时间为11~15h时，油滴与悬浮物曲线变化逐渐趋近于平稳。当沉降时间为11h，沉降温度为32，35，38℃时，其对应的油滴去除率分别为79.89%，83.93%，88.18%；悬浮物去除率分别为32.87%，34.75%，36.26%；去除效果显著，但继续增加沉降时间，沉降效果变化不大。结合上述实验结果分析及油田实际经济效益等因素可得出结论：该区块聚驱污水在进行沉降处理时，总沉降时间应为11h，沉降温度应保持在35~38℃之间。

2.2 聚合物浓度对聚驱污水沉降效果的影响

为了研究不同含聚合物浓度的聚驱污水的沉降效果，本次实验配制了5种不同含聚浓度的聚驱污水进行室内沉降实验后，测得其粘度值的变化规律见表1。

表1 不同含聚浓度的聚驱污水沉降后的粘度值Tab.1 Viscosity of polymer flooding wastewater with different polymer concentration after sedimentation

由表1可知，当沉降时间相同时，聚驱污水中聚合物浓度越大，其经过室内沉降实验后所测出的粘度值也越大。当聚驱污水中聚合物浓度相同时，随着沉降时间的逐渐增加，沉降后聚驱污水的粘度值逐渐减小。通过对比发现，相邻沉降时间和聚合物浓度下的聚驱污水的粘度值差别不大，这是由于在沉降过程中，聚合物受到剪切作用的影响，其粘弹性逐渐降低。

由上述实验可知，聚驱污水的含油量与悬浮物含量有着相似的变化规律，因此，在后续实验中只考虑含油量的影响。

图4 为在不同沉降时间下，不同含聚浓度的聚驱污水经过室内沉降实验后其含油量的变化规律。

图4 不同含聚浓度的聚驱污水在不同沉降时间下含油量与悬浮物含量变化规律图Fig.4 Variation of oil content and suspended solids content of polymer flooding wastewater with different polymer concentration at different settling time

由图4可知，不同含聚浓度的聚驱污水经过沉降后其含油量的变化有着相似的规律，即聚驱污水中聚合物浓度越大，沉降后聚驱污水中的含油量及悬浮物含量越多，这说明聚合物浓度增加并不利于去除聚驱污水中的油和悬浮物，沉降实验达不到理想效果。

当含聚浓度为250mg·L-1，沉降时间为8~11h时，含油量大幅度下降，当沉降时间为11~14h时，含油量曲线趋于平稳。沉降时间为11h时，测得聚驱污水中含油量为100.97mg·L-1，此时含油量稍高于污水回注标准。当含聚浓度为300mg·L-1，沉降时间为12h时，测得含油量为85.63mg·L-1，这说明沉降时间12h后，含油量均可达到回注标准。当含聚浓度为350、400和450mg·L-1时，在实验设计的沉降时间范围内含油量均无法达到污水回注标准。因此，针对含聚合物浓度较高的聚驱污水，为了提高沉降效果，应进一步优化实验方案。

2.3 絮凝剂浓度对聚驱污水沉降效果的影响

根据上述实验结果分析可知，当聚驱污水中含聚合物浓度较高时，沉降效果并不理想，因此需要加入一定浓度的絮凝剂改善沉降效果。

由表2可知，随着絮凝剂浓度的增加，相同含聚浓度的聚驱污水含油量逐渐下降，说明絮凝剂可以改善聚驱污水的沉降效果。当絮凝剂浓度为60mg·L-1时，含聚浓度为250mg·L-1的聚驱污水含油量达到污水回注标准，但含聚浓度大于250mg·L-1的聚驱污水含油量均无法达到标准。当絮凝剂浓度为120mg·L-1时，含聚浓度为300mg·L-1的聚驱污水含油量达到污水回注标准，但含聚浓度大于300mg·L-1的聚驱污水含油量无法达到标准。当絮凝剂浓度为180mg·L-1时，含聚浓度为350和400mg·L-1的聚驱污水含油量达到污水回注标准，但含聚浓度450mg·L-1的聚驱污水含油量仍无法达到标准。当絮凝剂浓度为240mg·L-1时，实验设计的所有含聚浓度的污水含油量可达标。由此可知，当聚驱污水含聚浓度较高时，需要加大絮凝剂浓度才能达到理想的沉降效果。

表2 不同絮凝剂含量下不同含聚浓度聚驱污水沉降11h后的含油量Tab.2 Oil content of polymer flooding wastewater with different concentration and different flocculant content after settling for 11h

3 结论

通过沉降时间、沉降温度、聚合物浓度和絮凝剂浓度对聚驱污水沉降效果影响实验并对比实验结果可以得出以下结论：

（1）随着沉降时间和温度的增加，沉降后聚驱污水中的含油量及悬浮物含量均下降，聚驱污水沉降效果比较明显，但当沉降时间达到11h后，含油量及悬浮物含量均无明显变化，对聚驱污水沉降效果影响不大，因此，总沉降时间应为11h，沉降温度应保持在35~38℃范围之间。

（2）随着聚驱污水中含聚合物浓度越大，沉降后聚驱污水中的粘度、含油量及悬浮物含量均有所上升，但为了使沉降效果更好，应加入适量浓度的絮凝剂。当聚合物浓度为200~250mg·L-1时，絮凝剂浓度应为60mg·L-1；当聚合物浓度为250~300mg·L-1时，絮凝剂浓度应为120mg·L-1；当聚合物浓度为300~400mg·L-1时，絮凝剂浓度应为180mg·L-1；当聚合物浓度为400~450mg·L-1时，絮凝剂浓度应为240mg·L-1。