目前，我国已投产运行的大型高含硫气田主要位于四川省^〔1〕，例如元坝气田、普光气田和罗家寨气田等。高含硫气田生产过程中会产生高含硫气田采出水。为保证气田生产的正常运行，必须对气田采出水进行处理。气田采出水处理后的出路主要有3个：一是资源化回用；二是外排；三是回注。以上3种处理方式都需要对高含硫气田采出水进行脱硫处理。对于污水中硫化物的去除方法主要分为物理法、化学法、生化法和综合处理法^〔2〕。目前，针对高含硫气田采出水脱硫主要采用化学法和物理法。其中，化学法主要包括氧化法、沉淀法、絮凝法。但在实际应用过程中，采用化学法除硫会产生大量含硫污泥，以元坝气田大坪污水处理站为例，2016年污泥量为653.49 t，平均吨水产泥量约为0.022 6 t^〔3〕。物理法主要采用气提工艺，通过气提的方式去除水中硫化物，可减少后续工艺消耗的药剂量以及污泥产量^〔4〕。

为降低后续脱硫剂投加量，减少药剂费用及污泥量，根据调研国外含硫气田采出水脱硫工艺情况，普光气田和元坝气田均采用了“正压气提+密闭氧化除硫+混凝沉降+过滤”的处理工艺^〔5〕。该工艺能够有效将水中硫化物降至≤10 mg/L。以元坝气田YB29污水处理站为例，该工艺在运行过程中主要存在以下问题：

（1）正压气提脱硫效果差，对水中硫化物去除率低。该站正压气提工艺对硫化物的去除率只有44.17%~50.20%，正压气提出水硫化物平均为1 100 mg/L，而设计要求正压气提出水硫化物≤300 mg/L。

（2）脱硫剂投加量大，吨水药剂成本高。由于该站正压气提出水硫化物浓度高，造成后续脱硫剂及净水剂药剂用量大，从而最终影响到整个预处理系统处理成本。根据2019年现场实际运行统计，目前该污水处理站脱硫处理吨水成本为128.52元，其中药剂费用占比最高，达到51%。药剂费中脱硫剂费用最高，其吨水费用为45.92元。结合正压气提的运行情况，造成脱硫药剂费用高的主要原因是正压气提塔脱硫效率低。

根据气提塔工作的原理对气提效率低的原因进行分析。根据亨利定律^〔6〕，稀溶液中溶质气体的摩尔分率与该气体溶质在气相中的气相分压成正比。气提的工作原理是根据亨利定律，破坏稀溶液的溶解平衡，使溶解在稀溶液中的气相溶质挥发出来，被气体气带走的过程^〔7〕。可见，影响气提塔运行的主要因素是气相分压，实际运行中主要表现为气液比和塔内压力。另外，水中硫化物存在形式也是影响气提塔工作效率的重要因素。水中硫化氢在不同pH条件下有不同的存在形式。要保证气提的处理效果，水中硫化物必须保证以分子态形式存在，即控制pH≤5.5。

通过以上分析可以得出，影响气提塔运行效率的3要素是：pH、气液比、塔内压力。目前，元坝气田YB29污水站控制正压气提运行压力在0.4~0.5 MPa，气水比为15:1（设计为8∶1~10∶1），进入正压气提塔的气田采出水pH在6~7之间（设计要求pH在4~ 5）。根据正压气提的运行参数分析，初步得出造成正压气提去除效果低的原因主要是进水pH过高。现场将正压气提塔进水pH调整为4~5，运行结果表明，气提塔对采出水中硫化物的去除效率提高，硫化物去除率为68.34%~84.40%，但气提塔出水硫化物含量不稳定，不能稳定达到≤300 mg/L。

研究表明，通过调整pH单个影响因子无法实现正压气提对采出水中硫化物的有效去除。因此，考虑采用降低气提运行压力，同时调整进水pH的方式开展研究，即采用负压气提的工艺进行中试试验。负压气提工艺流程见图 1。

根据中试试验流程，对已建正压气提塔进行工艺改造，变为负压气提。该装置处理量为8 m³/h。

控制进水pH为4~5，气提塔工作压力为正压，按照气水比分别为5∶1、8∶1、10∶1和13∶1开展试验研究，结果见图 2。

通过实验数据可以看出，随着气水比的增加，硫化物去除率增大。但气水比为10∶1和13∶1时，硫化物去除率的差别不大。为节省气提气用量，降低处理费用，气水比采用10∶1。

控制进水pH为4~5，气水比为10∶1，按塔内工作压力分别为-10~-15、-15~-20、-20~-30、-30~-35 kPa开展试验研究，结果见图 3。

通过实验数据可以看出，降低气提塔塔内工作压力，能够有效提高硫化物去除率。当气提塔工作压力为-20~-30 kPa时，硫化物去除率达到99%以上；进一步将塔内工作压力降低至-30~-35 kPa时，硫化物去除率变化不大。为增加实际操作的弹性范围，确定塔内工作压力为-20~-35 kPa。

在处理量为8 m³/h，进水pH为4~5，气水比为10∶1，塔内工作压力为-20~-35 kPa的条件下开展负压气提运行稳定性中试试验，结果见表 1。

中试试验结果表明，按照试验确定的负压气提工作参数运行，可以大幅度提高气提工艺对气田采出水中硫化物的去除率，负压气提对水中硫化物的去除率达到99%，出水硫化物≤20 mg/L。

根据负压气提中试试验结果，对YB29污水处理站正压气提塔进行改造，由正压气提改为负压气提。运行参数：处理量15 m³/h，气水比10∶1，pH 4~5，负压值-20~-35 kPa。负压气提工程处理效果见表 2。

由表 2可知，负压气提装置出水硫化物＜10 mg/L。但个别运行数据硫化物去除率低，只有70.21%~ 77.16%，主要原因是进水pH高，均大于6。因此，在实际运行过程中，必须严格控制进水pH在4~5。

YB29污水处理站负压气提改造完成投运后，由于出水硫化物≤10 mg/L，无需再投加除硫剂，大幅度降低了药剂费用，同时也大幅度降低了污泥量。根据负压气提运行效果对负压气提进行成本测算，并与正压气提工艺成本进行对比，结果见表 3。

由表 3可以看出，采用负压气提工艺后，吨水药剂费用降低约38元，吨水污泥费用降低了7.9元，吨水处理总成本降低了72.5元。按照元坝气田采出水550 m³/d计算，水处理费用可以节约1 300万元/a。

针对正压气提工艺对采出水中硫化物去除率低的现状，开展了负压气提中试研究，结果表明：（1）采用负压气提可有效提高采出水中硫化物的去除率，硫化物去除率达到99%。（2）进水pH对气提工艺的处理效果影响明显，实际运行过程中必须严格控制气提工艺进水pH为4~5。（3）负压气提去除效果受塔内工作压力和气水比影响明显，工作压力为-20~-35 kPa，气水比为10∶1时，去除效果最佳。（4）采用负压气提工艺，有效降低了吨水处理费用。