超声波协同超滤技术处理油田污水的研究与应用
Study on the combined ultrasonic-ultrafiltration technology for treating oilfield wastewater and its application
收稿日期: 2020-03-9
基金资助: |
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Received: 2020-03-9
作者简介 About authors
罗辉辉(1982—),硕士,高工电话:13511764328,E-mail:
Jiangsu oilfield wastewater was treated by using home-made ultrasonic processing device. The laboratory dynamic tests showed that the oil removal rate reached 91.31% under the conditions of 100 W ultrasonic power, 25 kHz frequency, mixed flocculant of PAC and PAM[m(PAC):m(PAM)=30:1], and 50 min reaction time. Based on the above study, the combined ultrasonic-ultrafiltration technology was used to conduct the laboratory dynamic and field tests. The results showed that without adding flocculant, the treated sewage met the requirements of oilfield reinjection, and the removal rate of oil and suspended matter was above 95%.
Keywords:
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罗辉辉, 余龙, 翟娟, 郭楷.
Luo Huihui.
随着油田进入到开采的中后期,采出液中含水量逐年上升,给采出水处理带来很大的压力。为解决油田采出水的治理难题,国内外均开展了许多积极的研究,也取得了一定成效,但采出水处理后的达标回注率明显较低。加之低渗透油藏的大力开发以及相应注水水质的不断提高,油田采出水的达标回注问题已成为制约油田开发的“瓶颈”技术之一。
超声波处理污水是近几年发展起来的新型水处理技术〔3-4〕。采用超声波处理污水主要是利用空化作用、自由基作用以及超临界水氧化作用。当超声波强度大于液体本身空化阈值时,会发生空化作用〔5〕,液相中的微小气泡被激活,并由于声流作用凝聚成团,同时产生瞬时的高温、高压等一系列物理化学现象。水分子在高温、高压下,裂解产生·OH、HO2·、H·等氧化自由基,可促进有机物的降解和断链〔6〕。空化作用发生时,水分子属于超临界状态,超临界水具有良好的流动性和溶剂性,可以加速化学反应,促进有机物降解〔7〕。超声波技术具有处理效率高、无二次污染等优点,但关于其和超滤技术联用的研究较少。本研究以江苏油田试采一厂污水为处理对象,采用超声波协同超滤技术进行了室内试验和现场中试试验,考察了该组合技术的处理效果,优化了处理流程,并初步确定了江苏油田污水处理的主要流程及技术参数。
江苏油田试采一厂区块注入层平均空气渗透率为0.092~0.45 μm2,依据《碎屑岩油藏注水水质推荐指标及分析方法》(SY/T 5329—2012),污水处理后的注水水质指标:悬浮固体≤5 mg/L,含油质量浓度≤15 mg/L,SRB≤25 mL-1,IB≤n×103 mL-1,TGB≤n×103 mL-1,其中,1<n<10。
1 试验材料和方法
1.1 试验水样
室内试验水样取自江苏油田试采一厂,其水质:COD 284 mg/L,悬浮物490 mg/L,油质量浓度162.3 mg/L,pH=7.8。
1.2 试验装置
试验采用的反应体系如图 1所示。该体系包括进气装置、进水装置、超声波气震装置和板式无机膜过滤器。反应体系的核心部分为课题组研制的超声波气震装置,其整体结构为圆柱体,内有超声波除油室和沉淀室,除油室内置超声波发生器。含油污水及混凝剂经水泵进入超声波气震装置,超声波发生器采用压缩空气作动力。超声波装置出水进入板式无机膜过滤器进行进一步处理。
图1
1.3 超声波气震装置工作原理
原水经提升泵进入超声波气震装置,足够强度的超声波通过液体,当声波负压半周期的声压幅值超过液体内部静压强时,存在于液体中的微小气泡(空试核)就会迅速增大。在相继而来的声波正压相中气泡又绝热压缩而崩灭,在崩灭瞬间产生极短暂的强压力脉冲,气泡周围微小空间形成局部热点,其温度高达5 000 K,压力达50.5 MPa。在此过程中,发生了空化作用,液相中的微小气泡被激活,由于声流作用凝聚成团,并且此时水分子属于超临界状态,在高温、高压下,裂解产生·OH、HO2·、H·等氧化自由基,促进油类有机物的降解。之后,该热点随之冷却,其中的油粒开始与介质一起振动,但由于大小不同的油粒具有不同的振动速度,油粒将相互碰撞、黏合,体积和质量均增大。由于油粒变大已不能随超声振动,只能作无规则的运动,继续碰撞、黏合、变大,最后上浮,形成浮油,加以去除。
1.4 试验方法及分析方法
(1)超声波室内试验。采用动态试验,在室温(20 ℃)状态下,开启超声波气震装置。废水、混凝剂与空气分别通过水泵和空压机持续加入。试验设计进水量为0.4 m3/h。每隔一定时间在超声波装置出水口处取样,测定溶液中的含油量。分别对超声功率、超声频率、溶液pH、混凝剂的种类等影响因素进行研究,从而确定最佳试验条件。
(2)超声波-超滤室内试验。在最佳操作条件下,根据是否投加混凝剂,采用超声波-超滤组合工艺进行2组动态试验。试验设计进水量为0.4 m3/h。反应一段时间后,分别在超声波装置出水口、板式无机膜过滤器出水口取样,测定相应的含油量、COD及SS。
(3)超声波-超滤现场中试试验。在最佳操作条件下,采用超声波-超滤组合工艺处理污水。试验设计进水量为3 m3/h。反应一段时间后,在设备进、出水处取样,测定相应的含油量、SS、SRB、TGB等。
混凝剂采用自制的质量分数为5%的PAC溶液和质量分数为0.2%的PAM溶液。
含油量、SS、SRB、TGB等的测定参照《碎屑岩油藏注水水质推荐指标及分析方法》(SY/T 5329—2012)进行。COD采用《水质化学需氧量的测定重铬酸盐法》(HJ 828—2017)测定。pH采用《水质pH的测定玻璃电极法》(GB 6920—1986)测定。
2 结果与讨论
2.1 超声波室内动态试验
2.1.1 超声功率对除油效果的影响
不投加混凝剂,在超声频率为25 kHz的条件下,考察超声功率对除油效果的影响,结果如图 2所示。
图2
2.1.2 超声频率对除油效果的影响
不投加混凝剂,在超声功率为100 W的条件下,考察超声频率对除油效果的影响,结果如图 3所示。
图3
超声频率的大小与有机物的结构、性质和降解时间等均有关,会直接影响处理效果。目前普遍认为,HO·产生量会随着超声波频率的变化而变化〔9〕。在一定范围内,随着超声频率的增加,HO·的数量会增加。但频率过高,声周期就会变小,空化作用导致气泡破灭时产生的温度会降低,不利于HO·和H·的生成。因此,工业上选取的超声频率一般在60 kHz以下。
2.1.3 pH对除油效果的影响
不投加混凝剂,在超声功率为100 W,超声频率为25 kHz的条件下,考察pH对除油效果的影响,结果见图 4。
图4
另外,从图 4还可以看出,随着时间的增加,除油率呈逐步上升的趋势,在反应50 min时,达到一个峰值。再进一步增加反应时间,除油率上升缓慢。确定最佳反应时间为50 min。
2.1.4 混凝剂对除油效果的影响
在超声功率为100 W,超声频率为25 kHz,分别加入PAC溶液(500 mg/L)、PAM溶液(20 mg/L)及两者的混合溶液(5.5 mL/L,PAC与PAM质量比为30:1)的条件下,考察混凝剂对除油效果的影响,结果如图 5所示。
图5
由图 5可以看出,分别投加PAC和PAM,除油效果增加不显著,反应50 min后,除油率仅提升了1%~2%。但是投加两者混合药剂后,除油率明显增加,反应50 min后,除油率从86.75%提升到91.31%,含油质量浓度降至14.1 mg/L,达到了回注要求。分析其原因,主要是由于PAC和PAM的协同作用,使油颗粒的小絮体通过高分子长链连接成大絮体,通过大絮体沉降过程中的卷扫作用,携带出更多的污染物,从而提高了除油效果。确定投加PAC和PAM的混合溶液〔m(PAC):m(PAM)=30:1〕。
2.2 超声波-超滤室内动态试验
表1
超声波-超滤室内动态试验水质检测结果(未投加混凝剂)
检测项目 | COD | SS | 含油质量浓度 |
原水 | 284 | 490 | 162.3 |
超声波装置出水 | 110 | 370 | 21.5 |
板式膜过滤器出水 | 108 | 4.5 | 9.4 |
表2
超声波-超滤室内动态试验水质检测结果(投加混凝剂)
检测项目 | COD | SS | 含油质量浓度 |
原水 | 284 | 490 | 162.3 |
超声波装置出水 | 187.6 | 453 | 14.1 |
板式膜过滤器出水 | 152 | 6.2 | 8.2 |
由表 1可知,在未投加混凝剂的条件下,含油污水经过超声波气震处理以及板式无机膜过滤后,油去除率达94.2%,SS去除率为99.1%,COD去除率为62%,处理出水达到了油田回注水水质要求。投加混凝剂后,对比表 1数据,虽然超声波装置出水含油量有所下降,但是COD和SS反而升高。原因可能是投加混凝剂后,虽然增加了液体颗粒的凝聚性,但水中形成的絮凝体体积很大,不利于上浮去除,部分絮凝体沉降到反应装置底部,造成超声波装置出水浑浊、水质变差。虽然后续的板式膜过滤器对水中的悬浮物有显著的处理效果,但出水仍不能满足回注水质要求。油田污水处理是一个连续的动态的过程,根据动态试验结果,综合考虑操作、成本等因素,确定不再投加混凝剂。
2.3 超声波-超滤现场中试试验
2.3.1 中试场地
综合考虑,选择江苏油田试采一厂作业污水回收站作为中试试验场地。该站主要对洗井车反洗污水和车拉区块作业、大修污水进行处理,以达到回注要求。该站处理的污水水质情况复杂,水质水量波动较大。
2.3.2 结果分析
在最佳操作条件下,开启整套试验装置,不再投加混凝剂,直接采用超声波-超滤组合工艺处理污水。试验设计进水量为3 m3/h。现场中试试验结果如表 3所示。
表3 现场中试试验水质检测结果
监测项目 | 悬浮物/(mg·L-1) | 含油质量浓度/(mg·L-1) | SRB/mL-1 | TGB/mL-1 | IB/mL-1 | |
出水执行标准 | ≤5 | ≤15 | ≤25 | n×103 | n×103 | |
4月9日 | 原水 | 62.96 | 8.19 | 7 000 | 7 000 | 2 500 |
超声波装置出水 | 55.29 | 0 | 6 000 | 2 500 | 600 | |
板式膜过滤器出水 | 1.7 | 0 | 25 | 2 500 | 600 | |
4月10日 | 原水 | 25.8 | 12.88 | 2 500 | 600 | 2 500 |
超声波装置出水 | 45.91 | 0 | 2 000 | 2 500 | 600 | |
板式膜过滤器出水 | 1.2 | 0 | 22 | 60 | 6 | |
4月15日 | 原水 | 33 | 30.66 | 11 000 | 11 000 | 11 000 |
超声波装置出水 | 10 | 4.9 | 600 | 600 | 60 | |
板式膜过滤器出水 | 1.5 | 0 | 0 | 13 | 2 500 | |
4月17日 | 原水 | 55.56 | 2 510.5 | 11 000 | 250 | 11 000 |
超声波装置出水 | 9.47 | 8.1 | 7 000 | 600 | 250 | |
板式膜过滤器出水 | 1.7 | 1.52 | 25 | 60 | 500 | |
4月19日 | 原水 | 8.4 | 35.81 | 11 000 | 11 000 | 7 000 |
超声波装置出水 | 23.72 | 15.64 | 8 000 | 11 000 | 7 000 | |
板式膜过滤器出水 | 1.9 | 0 | 20 | 7 000 | 7 000 | |
4月22日 | 原水 | 56.77 | 502.79 | 11 000 | 7 000 | 11 000 |
超声波装置出水 | 6.88 | 0 | 6 000 | 7 000 | 2 500 | |
板式膜过滤器出水 | 2.0 | 0 | 25 | 600 | 2.5 | |
4月24日 | 原水 | 92 | 122.47 | 11 000 | 11 000 | 11 000 |
超声波装置出水 | 5.06 | 1.77 | 7 000 | 11 000 | 60 | |
板式膜过滤器出水 | 2.5 | 7.56 | 22 | 60 | 6 | |
4月26日 | 原水 | 22.78 | 35.62 | 7 000 | 25 | 250 |
超声波装置出水 | 7.06 | 2.88 | 3 000 | 11 000 | 250 | |
板式膜过滤器出水 | 1.5 | 1.58 | 25 | 25 | 60 |
注:1 < n < 10
由表 3可知,对于水质恶劣的作业废水,经超声波-超滤组合工艺处理后,出水含油量、悬浮物、各种菌群等指标均能达到回注水的要求,证明超声波气震除油技术对油田采出水有很好的预处理效果。与现有传统技术相比,超声波-超滤组合工艺具有除油效果好、无需投加药剂、运行费用低等众多显著的优越性,具备了进一步扩大应用的条件。
针对目前含油污水处理工艺存在的不足,按照技术先进、经济实用的方针,并结合室内试验、现场中试试验结果以及江苏油田的现状,建议江苏油田含油污水处理采用如下工艺:
图6
原水经过调储罐初步沉降后,由提升泵提升至超声波气震装置,在进水的同时开启空压机进行气振。气体进入气震装置产生一定的振荡频率,在空化作用、自由基作用以及超临界水氧化作用下,促进油类有机物的降解。之后,将污水中的小颗粒溶解油振荡成大颗粒的油珠,并上浮至水的表面,通过超声波气震装置的排油口排入储油罐中。然后通过水泵将水引入无机膜过滤装置降解一部分的COD以及SS,之后输送至回注水系统。经过试验研究和调试,确定超声波-超滤组合工艺处理油田污水的主要参数如下:处理量(24 h运行)360 m3/d,设备总占地面积52 m2,运行费用1.84元/m3,总造价87.89万元。
3 结论
采用自制的超声波处理装置对油田污水进行处理,通过室内试验确定了最佳操作条件:超声功率100 W,超声频率25 kHz,投加PAC与PAM的混合混凝剂(PAC与PAM质量比为30:1),反应时间50 min,在此条件下,除油率可达到91.31%。
在最佳操作条件下,采用超声波-超滤膜组合工艺进行了室内动态试验和现场中试试验,结果表明,在不投加混凝剂的条件下,处理后污水可以达到油田回注要求。
与现有传统技术相比,超声波协同超滤技术具有除油效果好、无需投加药剂、运行费用低、基建投资少、不存在二次污染等众多显著的优越性,具有进一步工业化的前景。
参考文献
油田采出水处理新技术与新工艺
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Acoustic cavitation and its chemical consequences
[J]. ,
超声技术在废水处理中的应用与研究进展
[J]. ,DOI:10.3969/j.issn.1001-4160.2005.01.016 [本文引用: 1]
Use of high power ultrasound for the destruction of aromatic compounds in aqueous solution
[J]. ,
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