新型布水破板结过滤技术在三元污水处理中的应用

蒋鸿建

大庆油田有限责任公司第四采油厂

杏北油田经过了几个阶段的发展，已开始三次采油大面积的工业化开发，其中强碱三元复合驱开发对污水处理系统带来了较大的影响，处理污水中含有一定量聚合物、碱、表面活性剂，并且在驱油过程中携带出大量的泥沙与成垢离子，也导致了筛管结垢、堵塞，严重影响了过滤及滤料再生效果。针对上述问题，站库频繁开展清洗维修等工作，不仅站库维修维护成本居高不下，也影响了站库的运行效率。

因此杏北油田于2019 年4 月开始在三元-6 污水站开始应用新型布水破板结过滤罐，并持续对新型滤罐的应用效果进行跟踪。新型布水破板结过滤罐的应用有效解决了三元污水站过滤罐结垢、污染物淤积导致的过滤效果差，反冲洗憋压的问题，取得了良好的试验效果。

1 杏北油田建设现状

杏北油田自1966 年开发以来，逐步形成了水驱、聚驱、三元复合驱并存开发的局面。不同开发方式下，采出水性质也有所差异，因此杏北油田针对采出水水质特性及注水需求共建设5 类31 座污水站[1-5]，总设计能力为67.2×104m3/d（表1）。其中三元污水站沉降方式采用连续流/序批沉降的工艺，过滤方式采用石英砂磁铁矿+海绿石磁铁矿两级过滤的工艺[6-9]，站库参数如表2 所示。目前杏北油田两个正在开发的三元复合驱区块均处于注剂阶段，区域内含聚合物浓度已超过600 mg/L，采出水水质波动情况如图1、图2 所示。

图1 杏三、杏四区东部采出水水质Fig.1 Produced water quality in the east of Xing 3，Xing 4 District

图2 杏七区东部采出水水质Fig.2 Produced water quality in the east of Xing 7 District

表1 杏北油田含油污水处理站建设现状Tab.1 Construction status of oil-containing sewage treatment station in Xingbei Oilfield

表2 三元污水站工艺参数Tab.2 Process parameters of ASP flooding sewage station

2 存在的问题

2.1 反冲洗憋压严重

由于强碱对地层矿物的溶蚀作用，三元污水中硅含量持续上升，过滤罐上筛管结垢问题更加严重，筛管表面被致密白色垢质覆盖，主要以硅酸盐和碳酸盐为主，其分别占比43.6%和17.2%，垢质成分如表3、4 所示。滤罐结垢同时伴随着反冲洗压力上升，见剂高峰运行三3 个月后反冲洗压力就由0.1 MPa 上升至0.3 MPa，影响反冲洗效果。

表3 三元-6 污水站硅离子浓度跟踪Tab.3 Silicon ion concentration tracking of ASP Flooding-6 Sewage Station

表4 垢质成分Tab.4 Composition of scale

随着开发的不断深入，结垢速率也在不断加快，针对过滤罐筛管结垢问题，开展技术研究。研究结果表明，离线清垢技术通过人工拆卸方式清洗筛管，需停运11 d，清洗效果随着水质变化而变化；在线清垢技术通过药剂闷罐清洗筛管[10]，需停运1 d，清洗效果与离线效果基本持平。离线清垢和在线清垢技术可以有效缓解结垢问题，但平均有效期为6 个月，有效时间较短。

2.2 滤料再生不彻底

三元采出液性质复杂，含聚合物浓度、采出水黏度均较高（图3）。油和聚合物相互作用形成有机质胶团，这些有机质胶团在反冲洗过程中并不能有效排出罐体，淤积在滤料顶部（表5），导致上层滤料板结，严重影响了过滤罐的反冲洗效果（图4、图5）。

图3 三元-6 污水站污水黏度变化Fig.3 Variation of sewage viscosity in ASP Flooding-6 Sewage Station

表5 淤积物成分Tab.5 Composition of sediment

图4 滤料结块Fig.4 Agglomeration of filter material

图5 污染物淤积Fig.5 Deposition of pollutant

目前三元污水站在用过滤罐顶部为球形空间，上部筛管安装位置与罐顶之间有一定距离，在反冲洗过程中，反冲洗水从筛管位置快速通过，淤积物从上筛管筛丝孔隙通过的难度较大，无法有效排出，进而在罐顶处形成了死油区，对反冲洗效果产生一定影响（图6）。

图6 过滤罐内部结构Fig.6 Internal structure of filter tank

3 新型布水破板结过滤罐应用

由于原结构过滤罐的不适应性，2019 年4 月在三元-6 污水站应用了10 座新型布水破板结过滤罐（图7），试验效果较好（表6）。

表6 新过滤罐结构的作用与效果Tab.6 Function and effect of new filter tank structure

图7 三元-6 污水站新、旧过滤罐内部结构对比Fig.7 Comparison of internal structures of new and old filter tanks in ASP Flooding-6 Sewage Station

3.1 过滤罐运行效果提升明显

目前三元-6 污水站新型布水破板结过滤罐已连续运行超过800 d，期间原结构过滤罐由于运行过程中滤料污染、反冲洗憋压严重，已采取两次化学清洗，以保障正常运行；但新型过滤罐未进行过任何措施，目前反冲洗压力仍低于原结构过滤罐（表7）。

表7 新、旧过滤罐反冲洗压力、水量对比Tab.7 Comparison of backwashing pressure and water volume between the new and old filter tanks

由表7 可知，新型布水破板结过滤罐反冲洗压力上升较慢，憋压现象基本消除。采用相同的滤罐反冲洗参数，对新、旧过滤罐的反冲洗排水进行跟踪化验：每1 min 取样1 次，检测新、旧过滤罐排水含油浓度的变化，分析不同过滤罐结构对滤料污染物的脱除效果。结果表明，新型布水破板结过滤罐滤料再生效果优于原结构滤罐。经统计，新结构滤罐单座滤罐单次反洗除油率是原结构滤罐的1.7倍。对水质数据进行跟踪，绘制投产初期、投产800 d 后的除油率、除悬率对比图如图8～图11所示。

图8 投产初期除油率对比Fig.8 Comparison of oil removal rate at the initial stage of production

图9 投产初期除悬率对比Fig.9 Comparison of suspened solids removal rate at the initial stage of production

图10 投产800 天后除油率对比Fig.10 Comparison of oil removal rate after 800 days of production

图11 投产800 天后除悬率对比Fig.11 Comparison of suspened removal rate after 800 days of production

由图8～图11 可知，投产初期新型布水破板结过滤罐平均除油率高于原结构过滤罐20%，平均除悬率高于原结构过滤罐15%。投产800 d 后新型布水破板结过滤罐平均除油率仍高于原结构过滤罐15%，平均除悬率高于原结构过滤罐5%。

3.2 定期对滤罐进行开罐检查

于2020 年6 月、2021 年6 月分别对三元-6 污水站滤罐进行开罐检查，发现检查结果与运行效果跟踪情况一致，新结构滤罐滤料污染、结垢程度较轻，滤料未流失。

3.3 工艺参数优化

由于新型布水破板结过滤罐应用效果较好，为避免因频繁反洗影响滤料成床，开展延长反冲洗周期试验，延长反冲洗周期至48 h，反冲洗压力、水量，水质提升效果与反冲洗周期24 h 一致。延长反冲洗周期至72 h，运行参数及出水水质波动较大，反冲洗压力上升、水量下降，对油、悬浮物的去除率下降。因此最终确定新型布水破板结过滤罐最佳反冲洗周期为48 h 。将反冲洗间隔由24 h 延长至48 h 后，连续跟踪1 个月，过滤罐运行稳定。跟踪结果表明，将反冲洗周期延长后可使自耗水量降低50%，处理能力提高13%，起到了节水、提高处理能力的效果。

3.4 杏二十六三元污水站滤罐改造

针对杏七区东部进入见剂高峰期后，2020 年12 月，参照新型布水破板结过滤罐结构对杏二十六三元污水站4 座过滤罐进行维修改造，即取消上筛管，增设下部穿孔管（图12）。

图12 新、旧过滤罐内部结构对比Fig.12 Comparison of internal structures of new and old filter tanks

改造后的4 座滤罐平均反洗压力为0.05 MPa，压力平稳，上升幅度较小，反冲洗水量稳定。原结构滤罐平均反冲洗压力上升幅度较大，平均反冲洗压力达到0.13 MPa。改造后的4 座滤罐水质改善能力优于原结构滤罐，去除率较原结构滤罐提升5%以上（图13～图15）。

图13 2020 年12 月运行初期水质改善能力增强Fig.13 Water quality improvement capacity is enhanced at the initial stage of production (2020.12)

图14 2021 年8 月200 d 后水质改善能力仍优于原结构Fig.14 After 200 days，the water quality improvement capacity is still better than that of the original structure (2021.08)

图15 水质改善能力低于三元-6 污水站（见剂高峰期）Fig.15 Water quality improvement capacity is lower than that of ASP Flooding-6 Sewage Station (peak period of agent exposure)

2020 年4 月对杏二十六三元污水站过滤罐进行开罐检查，发现新结构滤罐未发生结垢、跑料现象，滤料上层存在污染物淤积情况，但污染程度均低于原结构滤罐。在2022 年老区改造项目中，规划对杏二十六三元污水站过滤罐全部按新型布水破板结结构进行改造，提高站库过滤效果。

3.5 三元污水站见剂高峰期水质达标难度大

对三元-6、二十六三元污水站运行情况进行跟踪，滤罐结构改造可有效解决三元污水站筛管结垢、滤料污染问题。但污水处理效果受多方面因素的影响，同时滤料种类及级配并未发生改变，因此仅对滤罐结构进行改造，不足以使见剂高峰期三元污水站水质达标。目前杏三、杏四区东部I 块已进入后续水驱、Ⅱ块正在注剂，三元-6 污水站滤后水平均含油浓度16.2 mg/L，含悬浮物浓度18.4 mg/L，杏七区东部正处于见剂高峰期，区域内杏二十六三元污水站滤后水平均含油浓度110.2 mg/L，含悬浮物浓度76.4 mg/L。

4 经济效益分析

（1）过滤罐单体设备投资大幅下降。新型布水破板结过滤罐单台建设成本较原结构滤罐降低35.5万元，采用新型布水破板结过滤罐可实现污水处理站建设投资降低11.9%。

（2）污水站处理能力较大提升。新型布水破板结过滤罐反冲洗周期可延长至48 h，以处理规模2.2×104m3/d 的杏北三元-6 污水站为例，反冲洗水量由5 800 m3/d 下降至2 900 m3/d，相当于增加站库处理能力2 900 m3/d。

（3）减少站库运行成本。对于见剂高峰期的三元污水站需每年对过滤罐进行滤料更换或滤料离线清洗，运行期间如过滤罐再次出现憋压现象，需额外进行在线清洗以保障站库平稳运行，因此站库维护成本较高，具体更换费用及相关措施情况如表8、表9 所示。

表8 三元污水站过滤罐维护费用明细Tab.8 Details of maintenance cost of filter tank in ASP flooding sewage station

表9 2020 年三元污水站过滤罐措施次数Tab.9 Numbers of filter tank taking measures of ASP flooding sewage station in 2020

经统计，三元-6 污水站10 座新型布水破板结过滤罐运行800 d 共节省维护费用377.8 万元，二十六三元污水站按新型布水破板结结构进行改造后年可节省维护费用537.6 万元。

5 结论

新型布水破板结过滤罐具有较强的耐污、耐垢能力，可有效解决三元污水站过滤罐结垢、污染物淤积导致的过滤效果差，反冲洗憋压问题，经过连续跟踪，新结构过滤罐在去除率、反冲洗参数、滤料再生效果上均优于原结构过滤罐。反冲洗周期可延长至48 h，可有效提高过滤罐运行时率，节省站内自耗水量。在投资效益、运行效果方面优势明显，具有较大的推广应用价值。但对现阶段运行情况进行分析，仅对滤罐结构进行改造，不足以使见剂高峰期三元污水站水质达标，仍需要对三元污水处理工艺进行持续攻关。