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聚合物驱采出污水处理技术现状及展望

发布日期:2016-4-16 9:47:07阅读次数:字号:

  聚合物驱采出污水含有原油、盐、残余聚合物以及微生物等。由于含有残余聚合物,聚合物驱采出污水具有如下特点:(1)粘度高,悬浮物沉降性能差;(2)乳化稳定性强,油水分离十分困难[1]。用常规的处理技术很难达到回注标准和排放标准。
    目前,处理聚合物驱采出污水的方法主要有改进污水处理设备、物理法、化学法、微生物法和组合工艺法。
    1· 改进污水处理设备
    聚合物驱采出污水中油珠粒径小,含油量高,乳化稳定性强,传统的设备很难有效的处理含聚污水,研究人员通过改进工艺设备,提高了油水分离效果。
    1.1 溶气加药气浮
    该方法是在加压的条件下将空气注入污水中,然后再加入化学药剂如混凝剂等,最后在常压下让空气析出,空气在释放的过程中,在污水中会形成许多小气泡,这些小气泡附集在固体杂质表面,将其携带至污水表面,从而使聚合物驱采出污水中的固体悬浮物被分离出来[2]。
    1.2 多级分离
    该工艺原理是使污水通过紊流矩阵模块,在紊流状态下,聚合物驱采出污水会被破乳,小油珠组合在一起变为大油珠,由于密度差,大油珠漂浮在污水表面,最后被分离出来[2]。
    1.3 改进沉降设备
    增加聚结除油器可以提高聚合物驱采出污水的油水分离效率。其作用原理是采用有聚结特性的材料,当污水流过时,会使小油珠逐渐润湿、聚结成大油珠,然后使其从污水中分离出来[3]。常用的聚结除油工艺有DHT和横向流除油器。
    1.4 低压稳流反冲洗过滤器
    常规过滤器在过滤聚合物驱采出污水时,会出现过滤后的污水乳化明显,油水分离十分困难,过滤压力高,效率低。新型的过滤器加入了防膨筛管,这样就可以控制滤料的膨化高度,同时改善了布水系统,使反冲洗时更加顺利,不会憋压[4]。
    1.5 改进水力旋流器
    优化旋流器的入口、高度、锥度和尾管长度,可以提高油水分离效果,防止污水乳化[5]。
    2· 化学法
    在含聚污水的处理中,化学法占有很重要的地位,化学法一般是通过破乳、絮凝、氧化来处理油田含聚污水。
    2.1 新型水处理剂
    在油田现有的水处理工艺中,为了更好地处理含聚污水,开发新型的水处理剂是最方便快捷的方法,新型水处理剂包括新型的破乳剂、絮凝剂、混凝剂等。
    传统的PAC、PAMAM 等水处理剂不能很好地使聚合物驱采出污水破乳絮凝,吕志凤发现CPAM-1 可以与污水中的聚丙烯酰胺协同破乳絮凝,由此研发了水处理剂FX-02 和FX-05,并在现场试验中取得了非常好的效果,以胜利油田某处理站的聚合物驱采取污水进行试验,处理前的含油量为2 700 mg/L,处理后的含油量为180 mg/L[6]。
    杜朝阳等研究发现,阳离子反相破乳剂可使三次采油的污水破乳,在污水中加入60 mg/L 的阳离子反相破乳剂,2 h 后,可充分破乳,使悬浮物含量小于3 mg/L,含油量小于5 mg/L[7]。
    异喹啉季铵盐是十分有效的水处理剂,张永发现在污水中加入5 mg/L 异喹啉季铵盐后,污水的浊度由8 度降为3 度,同时杀灭了污水中99 %的细菌,还有效降低了钢片在污水中的腐蚀率[8]。
    常规的混凝剂很难处理聚合物驱采出污水,而采用改性聚硅酸铝可以很好地处理这种污水,处理后的NTU 值<2,聚丙烯酰胺的含量<3 mg/L[9]。王海洋发现用聚合铝硅等四种常用的无机絮凝剂分别处理含聚合物的油田污水,可以去除50 %的聚合物,而将无机絮凝剂和阳离子PAM 配合使用时,絮凝速度会加快,沉淀会变多,其中聚合铝硅和阳离子PAM 可以去除污水中80 %的聚合物[10]。
    2.2 高级氧化法
    高级氧化法有芬顿法、光催化法、Fe(VI)法和臭氧氧化等。
    芬顿法是用化学试剂(H2O2 和Fe2+)氧化降解、絮凝污水中的有机物,其机理是H2O2 与Fe2+反应生成自由基·OH 和Fe3+,·OH 氧化污水中的油、聚合物,同时Fe3+生成了Fe(OH)3,Fe(OH)3 絮凝污水中的有机物沉淀下来。实验表明在H2O2 的浓度为15 mg/L,Fe2+的浓度为700 mg/L 等条件下,聚合物驱采出污水的COD,PAM,含油量分别降低了61.5 %,74 %,47.2 %,同时还杀灭了98 %的硫酸盐还原菌[11]。
    光催化法可以有效降解油田含聚污水中的有机物,其反应机理是在紫外线的作用下,纳米级二氧化钛经过一系列复杂的反应生成自由基·OH,·OH 氧化污水中的聚合物和油,该方法环保,成本低,效率高,是十分有前景的水处理技术[12]。陈颖经过研究发现在聚合物含量为370 mg/L 的油田污水中,加入1 %光催化剂和0.005 mol/L 双氧水,光照5 h 后,污水中的聚丙烯酰胺降解超过95 %。
    Fe(VI)基化合物具有很强的氧化性,同时还具有絮凝作用,Fe(VI)基化合物对含聚丙烯酰胺油田污水的COD 降解率可达70 %以上[12]。
    臭氧氧化是指通过臭氧氧化含聚污水中的油、聚合物等。研究表明臭氧氧化油田含聚污水后,COD、聚合物浓度、含油量和浊度分别下降了94.45 %、86.45 %、97.21 %和94.27 %[13]。由此可见臭氧氧化是一种非常有效的水处理技术。
    3 ·物理法
    物理法是将一些物理技术如电、微波和离子交换膜等用于处理油田含聚污水。
    3.1 电絮凝气浮法
    电絮凝是指在外加电场的作用下,金属阳极产生阳离子,这些阳离子如Fe3+等水解成氢氧化物或多羟基化合物,这些水解产物具有絮凝的作用,絮凝污水中的杂质,在电解过程中,会产生H2、O2 等气体,这些气体会附集在絮凝产物表面,将絮凝物快速分离出来[14]。
    电絮凝气浮法分为直流电絮凝和脉冲电絮凝。直流电絮凝消耗阳极速度快,产生的阳离子数量多;脉冲电絮凝节省电能,有利于阳离子的扩散[15]。
    3.2 微波法
    吉程研究发现微波照射聚合物驱采出污水时,污水的温度会急剧升高,在热作用下污水中的聚合物分子链会发生断裂变为小分子,污水的粘度降低,电位降低,使小油珠更容易聚集为大油珠,从而使油水分离[16]。微波法十分环保,且反应速度快,具有广泛的应用前景。
    3.3 离子交换膜
    离子交换膜可以很好地处理聚合物驱的采出污水,处理后的污水可以重新配制聚合物溶液用于驱油。虽然离子交换膜有很好的前景,但是由于离子交换膜容易被污染,所以制约了该技术的应用。荆国林研究发现用酸碱液、AEO-9(一种表面活性剂)和三聚磷酸钠可以清理离子交换膜上的污染物,恢复膜的过滤能力[17]。
    4· 微生物法
    微生物法是找出能适应采油污水的环境,并且能以污水中的聚合物和油为养料的微生物,让其在污水中大量繁殖,降解采油污水中的聚合物和油。
    骆克峻以胜利油田某区块的含聚污水为试验对象,筛选出一种能降解PAM 的芽孢杆菌,经过检测明确了芽孢杆菌是通过断开PAM 的C-N 键来降解PAM 的,最后用芽孢杆菌处理油田含聚污水后,污水中的聚合物含量减少了70 %,含油量降到了2 mg/L,悬浮物减少了80 %,腐蚀率也大大降低,有害菌含量降低[18]。
    大庆油田某联合站污水经过微生物法处理后,各项指标全部达标,总去除率达到80 %~90 %[19]。宋永亭等研究发现,在污水中加入烃类氧化菌和降解聚合物菌后,对聚合物的降解可达90 %以上[20]。
    微生物法具有很好的发展前景,但是微生物法也有局限性,如在高矿化度、水温较高、重金属离子等条件下,微生物的繁殖受到抑制,所以微生物法有待进一步的发展。
    5· 组合工艺
    由于三次采油污水的组分复杂,单一的某种工艺或方法很难有效的处理污水,而将几种工艺或方法组合在一起,可以极大地提高污水处理效率。
    5.1 改性纤维球过滤+臭氧/双氧水/紫外光+超滤膜
    任广萌研究发现,将改性纤维球过滤、臭氧/双氧水/紫外光、超滤膜三项工艺组合在一起可以有效地处理三次采油的污水。用人造低渗岩芯实验发现,使用组合工艺处理后的污水对岩芯渗透率的伤害比未处理直接注入岩芯要降低78.77 %,满足了油田回注水的要求[21]。
    5.2 生物膜+臭氧/双氧水/紫外光
    该组合工艺主要是针对三次采油的外排水。实验发现,污水在生物膜反应器中停留9 h 后,对油的去除率大于90 %,再经过臭氧/双氧水/紫外光降解聚合物后,污水的COD 可从210.43 mg/L 变为94.34 mg/L,符合国家污水排放标准[21]。
    5.3 絮凝法+动态膜生物反应器
    卢磊发现,用絮凝剂CHP-01 处理污水后,污水中的聚合物浓度和含油量将会降低,水解酸化絮凝后的污水,可使污水满足微生物生长的条件,最后污水在生物动态膜反应器降解后,符合国家污水排放标准。实验数据表明,在处理前污水的COD 为612.2 mg/L,经过整套工艺处理后,COD 为89.7 mg/L[21]。
    5.4 芬顿氧化+微生物法+絮凝法
    陈庆国研究发现油田污水芬顿氧化后,更适合微生物生长,在微生物法处理后,再进一步的絮凝即可充分处理聚合物驱的污水。以大庆油田聚合物驱采出污水为实验对象,采用该方法处理后,COD、PAM 和含油量分别降低了97 %、98 %和98 %,杀灭了99 %的硫酸盐还原菌,悬浮物减少了97 %[11]。
    5.5 动态膜生物反应器
    该技术是将动态膜与膜生物反应器整合在一起,使用与活性污泥尺寸相似的滤基材料,污水经过动态膜过滤后可以获得很好的过滤效果,污水处理后的NTU<5,COD 的去除率达到88 %[22]。
    6· 发展趋势
    目前,随着三次采油技术的大规模应用,油田常规的水处理技术很难满足需要,但是完全摒弃现有的污水处理设备不太现实,只能充分发挥现有设备的优势,同时积极改进设备,大力发展新型的水处理剂,将物理技术运用到污水处理,扩大微生物法的应用范围,优化组合各种工艺或方法,使含聚污水的处理更加安全,环保,高效。

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