油田采出废水的强化混凝沉淀处理

油田采出废水的强化混凝沉淀处理中原油田是复杂断块油田，其采出废水具有“四高一低”的特点：矿化度高［(4～15)×104mg/L］、游离CO2及HCO3-含量高(二者总量达300～1000mg/L)、某些金属离子含量高(Ca2+、Mg2+总量达4000mg/L)、总铁含量高(20～60mg/L)、硫酸盐还原菌(SRB)含量高(105个/mL)，pH值低(5.5～6.5)。这种废水经重力除油、混凝沉淀、压力过滤工艺处理后，实际出水水质不稳定，不能完全达到部颁标准，同时存在运行药耗高、泥渣量大的问题。1混凝沉淀工艺现状马寨废水处理站混凝沉淀罐结构如图1所示。向经重力除油后的原水投加4种药剂：调整pH值的A剂(石灰)，混凝剂B剂(PAC)、絮凝调理剂C剂(活化硅酸)、D剂(PAM)，调理之后的废水沿反应筒的切线进入，混合38s后进入中心配水筒，停留时间为20min，完成矾花对水中细小悬浮颗粒的吸附之后流入斜板沉降区沉降。原混凝工艺未设置旋流混合设备，在工程改造中增加了混合装置，保证了所投药剂和废水的充分混合，但在进入中心筒后水的流速仅为0.006m/s，不能有效地保证矾花的碰撞(即在中心筒内只是形成矾花，是一种药剂作用下的自发状态，此时矾花仅随水流稳步下移，对水中的悬浮态颗粒和破乳油的吸附只是停留在低剪切运动水平，小矾花也很难长大)，显然达不到工艺要求。2机理试验2.1机理分析油田采出废水中含有大量悬浮物、胶体颗粒、乳化油，而pH值调节、压缩双电层、吸附架桥、破乳等工艺过程均是多相共存体系，其处理实质是药剂扩散、微小絮体凝聚长大和大絮体的分离过程，而体系中物相碰撞的动力学致因是惯性效应［1］。在水流方向上垂直布置小孔眼格网可强化颗粒碰撞的效果，产生并控制涡漩尺度和强度，具有以下几种动力学作用：①由于离心惯性效应，颗粒沿径向运动，在由原速度区向新速度区运动时，因速度差异而与新速度区内的颗粒发生碰撞合并；②涡漩内相邻的速度层间产生滑移为层与层间的颗粒碰撞提供了条件；③水流湍动使得涡漩离开原位置，这为不同涡漩内的颗粒合并提供了条件；④由于过网水流的惯性作用，矾花产生强烈的变形，使矾花中处于吸附能级低的部位，由于其变形揉动作用达到高吸附能级的部位，使得通过网格之后的矾花变得密实。2.2试验工艺试验工艺设备简图见图2。试验中加强了微涡漩、亚微观传质的动力学控制，高效利用各种药剂并缩短了反应历程；依靠小孔眼的网格生成涡漩，大幅增加高强度微涡漩，利用网格空间控制涡漩的强度和尺度，达到了最佳的混凝、絮凝状态；沉淀工艺采用间距小、布水均匀的斜板，斜板倾角由60°改为66°，又因其无侧向约束，因而排泥通畅。2.3检测指标依据《碎屑岩油藏注水水质推荐指标及分析方法》(SY/T5329—94)中推荐的检测指标(悬浮固体、油、pH值、溶解氧、总铁、滤膜系数)，选用721分光光度计、0.41μm的纤维素微孔膜、测氧管及测铁管等检测设备。3试验结果马寨废水处理站重力除油罐出水中含油为60～95mg/L，悬浮杂质为50～80mg/L，总铁为8～15mg/L，显然混凝沉淀对油和悬浮杂质的去除效果都要保证。图3～5是试验期间处理站原工艺和强化工艺出水水质的对比。由图3～5可明显看出，强化工艺出水的各项指标较废水处理站原工艺出水好，其悬浮杂质、油、总铁的去除率分别可达到56%、98%、99%，而且由于总铁大幅度减少，使得整个处理系统的出水在注水回用的过程中保持稳定，防止了二次污染的发生。试验中对混凝强化前后水体中矾花的沉淀性能进行了对比。前者取自水厂投药后进入沉降罐前的原水，后者是经试验设备反应4min的混合水，分别置于两个250mL的量筒，静沉时间和清晰泥面高度的关系如图6所示。图6中强化后的混合水静沉4min即进入临界沉降点，10min左右悬浮物的压缩比可达20%，与试验现场静沉2h的压缩比(15%)基本一致，较水厂混合后水中矾花的沉淀性能提高，由此可明显看出经过混凝强化，矾花的沉淀性能得到了实质性改善。为充分利用混凝沉淀罐的水平截面积和提高产水量，根据浅池理论选用板间距为1.5cm的斜板进行泥水分离试验，结果表明水体在斜板间流速≤1.8mm/s时，出水的悬浮物含量≤35mg/L，完全符合进入滤池的水体悬浮物浓度要求(≤50mg/L)，因此可将1.8mm/s作为斜板负荷的设计参数，按此推算混凝沉淀罐经改造后处理水量可达8000m3/d，产水量提高了1倍。由于混凝沉淀工艺对去除油、悬浮杂质的要求较高，因此投药量相对较大，药剂费成为制约废水站经济运行的瓶颈，而混凝沉淀的强化措施使得所投药剂和水体充分混合、反应，在一定程度上减少了药耗。强化工艺与原工艺投药量及经济分析的对比见表1。表1药剂费用对比分析投药A剂B剂C剂D剂水厂投量(mg/L)300150504试验投量(mg/L)250120352.5节省药量比例(%)17203040吨水节省费用(元/m3)0.2年节省费用(万元)4000×0.2×365=24另外，中原油田废水的pH值较低，使废水处理系统运行不稳，需要大量投加石灰来提高pH值才能减少不稳定因素的影响，据江汉石油学院作过的调查［1］，投加600mg/L的石灰将水体的pH值提高到8.0以上可使处理后的水质保持稳定。试验中成功地将石灰投量大幅降低，泥渣量也减少了50%以上，对实际生产运行十分有利。4结论①惯性效应是多相物系中颗粒碰撞的动力学致因。②加强亚微观传质促使颗粒充分接触、碰撞，节省药耗；微小涡漩的离心惯性效应为颗粒碰撞凝聚提供了动力学条件。③合理的动力学控制使反应历程由20.0min缩短至4.0min。④小间距斜板沉淀池负荷较常规工艺负荷提高1倍，出水水质稳定、不积泥。⑤同原工艺相比，强化工艺可节省A剂10%，B剂20%，C剂30%，D剂40%，显著节省运行成本。⑥泥渣量较原工艺降低50%，具有较强的实用性，且大大改善了处理后水质，使沉淀池出水各项指标达到或接近油田回注水标准，减小了后续过滤工艺的负荷，经济、社会效益显著。