濮城油田预氧化污水处理工艺的优化与应用

蔡爱斌，汪新志

(中国石油化工股份有限公司中原油田分公司，河南濮阳457001)

预氧化油田污水处理技术于2002年在濮城油田濮三污水站首次应用成功后迅速得到推广，目前在国内各大油田均有应用。预氧化油田污水处理技术经过近几年的发展，日趋成熟，特别是污水处理工艺经过现场不断摸索，逐步优化改进，与污水处理技术结合越来越科学合理，处理后的污水水质指标和稳定性均有较大幅度的提高。

1 预氧化油田污水处理技术基本原理

预氧化油田污水处理技术是在水质改性技术的基础上发展而来的，水质改性技术虽然从根本上解决了油田污水的水质和腐蚀问题，但水质改性技术也逐渐暴露出一些问题，如:

(1)污泥产出量大，无法有效处置，给环保带来巨大压力;

(2)回注水与地层水pH值差异大，仍具有较强的结垢趋势，注水压力逐年增加;

(3)细菌在弱碱性环境条件下长期生存产生抗药性，无法得到有效控制;

(4)污水处理药剂成本较高，1.2 RMB¥/m3。

为解决水质改性技术存在的问题，研发了预氧化油田污水处理技术，原理是通过化学或电化学的方法对来水进行预氧化处理，利用预氧化过程中产生的强氧化态中间物质在杀灭细菌的同时，将污水中的Fe2+氧化成Fe3+，将S2-氧化成单质硫，并使其具有凝聚作用，在较低pH值和混凝剂的共同作用下，打破污水中存在的CO2-HCO-3-CO2-3缓冲体系和固有的胶体平衡，使水中的微小杂质颗粒聚集成体积大、密度高、沉降快的絮体，从水体中完全沉降、分离出来，实现水质达标和降低污泥产出量的目的。其工艺流程见图1。

图1 预氧化技术工艺流程示意Fig.1 Sketch map of pre-oxidation technological process

2 预氧化油田污水处理工艺优化

预氧化技术工艺与油田传统的“三段式”污水处理主体工艺基本相同，即“收油-沉降-过滤”，只是预氧化技术在工艺方面做了进一步优化，使工艺与技术配合更加紧密，提高了污水与药剂的混合效果及沉降净化效果，水质指标及其稳定性进一步提高。

2.1 来水均质均量工艺优化

濮城油田来水水源有油井产出水、补充清水、油田作业措施废水及站内排污反洗循环水，这些水源均在混合罐前端的管线上引入污水处理系统。由于这些水源均有独立的提升系统，导致进入污水处理系统的污水总流量难以保持平稳，瞬时流量波动非常大，致使后续的污水处理药剂加药量难以与处理水量保持正比波动，处理后水质也频繁波动。另外污水处理系统需要平稳操作，来水量波动大，对系统的冲击也随之增加，如果水量突然增大，会对沉降罐内已经沉积下来的污泥冲击上翻，使沉降罐出罐水质难以保持平稳。

油井产出水、补充清水、油田作业措施废水及站内排污反洗循环水等各种水源的性质差别很大，对污水处理加药量要求也不一样，这种多头治水的工艺在生产现场加药系统无法实现分类加药，水质也无法实现稳定达标。

为解决该问题，濮城油田提出了来水均质均量工艺优化，将补充清水、油田作业措施废水及站内排污反洗循环水全部引入5 000 m3大罐，与油井产出水充分混合均质后由一级提升系统提升进入污水处理系统，这样既保证了来水的均质均量，又能确保污水处理药剂加药量与水量匹配，为水质稳定达标奠定基础。

2.2 收油工艺优化

濮城油田污水站来水含油偏高，水质波动大。污水处理站来水油的质量浓度在100 mg/L以上，峰值达到1 000 mg/L左右。预氧化污水处理技术采用的是沉降工艺，污水中含油过高，不利于污水处理过程中产生的污泥矾花沉降，导致系统水质大幅度波动。另外含油过高的污水对污水处理设施造成很大冲击，尤其是处理流程耐冲击性能较差时，造成后续处理一系列问题，最严重的是过滤罐滤料被污油堵塞，出水含油超标，导致注水罐内污水表面有一层浮油。污水含油过高，污水处理过程中产生的污泥含油也随之增加，污泥处理难度大，导致板框压滤机滤布堵塞，压滤困难。

为了解决这一难题，濮城油田采用先期除油工艺。通过对各联合站废弃的5 000 m3高含水油罐进行改造，增设布水系统、集水系统、收油系统、排污系统。联合站三相分离器放水首先进入改造后的预收油罐，该罐除油效率可达95%以上，除悬浮物效率可达60%以上，耐水质水量波动能力大幅度提高，有效地降低了进站负荷，对保证污水站处理设备正常运行、保证净化污水稳定达标起到重要作用。

2.3 药剂混合工艺优化

药剂与污水的混合是污水处理的一个关键环节，为提高污水与药剂的混合效果，在污水处理流程中，取消了沉降罐内中心反应桶，在沉降罐前增设了专门的混合反应器。污水在混合反应器处于旋流状态，依据反应器进口污水流量，控制喷嘴尺寸，控制合理的污水旋流速度，污水处理药剂在混合器上按一定间隔距离依次投加，保证单个药剂的反应时间不小于30 s。实践证明混合反应器大幅度提高了污水与药剂的混合效果，药剂的作用效果也得到充分发挥。

预氧化技术所投加的预氧化剂多为双氧水，双氧水与污水中Fe2+和S2-等还原性离子反应需要一定时间，混合罐由于容积有限，很难保证预氧化剂的反应时间。为此将预氧化剂的投加位置前移至一次提升泵进口，利用一次提升泵到混合罐之间管线提供预氧化剂的反应时间。预氧化剂的加注点也依据管线内水流状态做了进一步优化。原先只是在管线的管壁上直接焊接加药口，众所周知，污水在管线内的流态是层流，管线中心流速较快，越靠近管壁流速越慢，药剂加入管线后，随着水流沿着管壁直线运行，药剂与污水不能混合均匀，其氧化作用也不能充分发挥，而且还造成药剂浪费。通过对管线内液体流态分析，对预氧化剂加注点的结构进行优化。将预氧化剂加药管线延伸至管线中间，加药管线顶端切割成坡口，坡口方向迎着水流方向，这样利用管线中心水流快的特点冲击加药管线坡口，预氧化剂在水流冲击下迅速在水中分散开，一来提高了药剂与污水的混合效果;二来提高了预氧化剂的作用效果。预氧化剂加注点结构示意见图2。

预氧化剂加注点经过优化改造后，效果非常明显，特别是处理后污水中铁的质量浓度由改造前的0.8 mg/L下降至改造后的0.3 mg/L。

2.4 沉降工艺优化

传统式沉降罐采用同向流沉降工艺，即污水进出罐的方位采用高进低出，污水从沉降罐上部进水，下部出水，在污水向下运移过程中产生的污泥矾花也同步下移，这样出水端始终处于浑水层，出罐水质无法保证。为提高沉降罐沉降净水效果，使沉降罐功能转化为以去除悬浮物为主，对沉降罐进行了逆向流改造，即调整沉降罐进出水方位，采用低进高出工艺，使悬浮物沉降方向与水流运移方向相反。这样出水端始终处于上部清水层，出罐水质得到大幅度提高，而且缩短了污泥矾花沉降时间，出水水质稳定性也大幅提高。沉降罐按逆向流进行改造后，出罐污水悬浮物的质量浓度由改造前的大于50 mg/L下降至15 mg/L，大大减轻了后续过滤罐的工作负荷。

图2 预氧化剂加注点结构示意Fig.2 Sketch map of the pre-oxidation injection construction

2.5 过滤工艺优化

过滤系统是控制出站水质的最后一道工序，其工作效果直接影响出站水质。濮城油田原先全部采用直径3 m的双滤料过滤器，单罐每天过滤水量不超过2 000 m3，单罐处理量小，数量多，每天反洗工作量大，反洗水量大。以濮三污水站为例，处理水量20 dam3/d，投运直径3 m过滤器12座，每天反洗2次，每次单罐反洗水量达100 m3，12座滤罐反洗水量1 200 m3，每天因反洗需消耗净化水2 400 m3。而且滤罐反洗时间长，每次反洗一个循环需耗时2.5～3.0 h。过滤罐反洗期间，滤后水质指标会急剧下降，这样每天基本有6 h处于反洗期间，滤后水难以达标，造成系统水质波动。

为减少反冲洗对系统水质的冲击，濮城油田采取了过滤罐扩容措施，单个滤罐的直径扩大至3.6 m，单个滤罐的处理能力增加至3 000 m3/d。滤罐扩容改造后濮三污水站日常投运滤罐6座，一个反洗循环水量减至600 m3，反洗时间缩短至90 min，有效缩短了反洗对系统水质的影响。而且滤罐改造时，取消了滤罐内最上层的无烟煤滤料，因为无烟煤滤料有质轻、易碎等特点，反洗时滤料在罐内反复搓洗，无烟煤滤料很容易从反洗出口流出，造成滤料流失，影响滤罐的正常过滤效果，所以在改造时，取消了无烟煤滤层，适当增加了0.3～0.5 mm石英砂滤层厚度，确保滤罐的过滤精度不受影响。实践证明，经过改造后过滤罐的处理水量有所增加、过滤精度没有下降、滤料使用周期有所延长。

2.6 排污工艺优化

污水处理系统各类罐内沉积的污泥能及时排出是确保水质长期平稳达标的一个重要因素。濮城油田原先采用滑泥坡与穿孔管相结合的排污方式，由于污泥在罐内流动性较差，排泥效果不尽理想，“中石化水质专项治理”改造时，濮城油田引进了负压排泥技术。在沉降罐距离罐底30 cm位置安装负压排泥器，通过罐外排泥动力泵提供高压水流，在排泥器内形成负压，这样罐内污泥就被吸进排泥器内而排出罐外。实践证明，负压排泥器能控制罐内污泥淤积高度不超过40 cm，排泥效果有明显提升。但其缺陷是使用时间长，排泥器提供负压的喷射管容易被杂物堵塞而失去负压排泥作用，使用一段时间需要进行维修。

排污工艺目前又有了进一步发展，国内有部分油田开始使用衍车式排泥器，其利用一组排泥器在罐底旋转，利用液位压力将罐内污泥排出。这类排泥器的应用效果应该有保障，只是出现故障时需要清罐维修。

2.7 提高工艺自控水平

自动化技术是实现污水站平稳运行、水质稳定达标的重要保证，而且还减轻了工人劳动强度。濮城油田污水处理基本实现了过程管理自动化。

2.7.1 加药自动化工艺优化

加药自控系统采用电磁流量计对来水流量进行计量，根据各种药剂的投加浓度进行比例控制。系统输出4～20 mA信号给加药泵变频调速器，由变频调速器控制加药泵转速，进而达到加药自动化的目的。实践证明，这套自动化加药系统控制效果良好，现场使用方便，操作简便，可以实现pH值的准确控制，药剂根据水量自动控制投加量。

2.7.2 提升泵自动化工艺优化

在各级缓冲罐安装压力变送器，压力变送器根据缓冲罐内液位压力输出4～20 mA信号给各级提升泵变频调速器，由变频调速器控制提升泵转速，进而达到平稳控制系统各类罐液位的目的。实践证明，这套自动化液位控制系统使用方便，操作简便，可以实现液位自控的目的。

2.8 处理后水质指标

由于预氧化技术对污水处理工艺各个细节方面做了更进一步优化，水质管理从细节入手，处理后水质指标有了一定程度提高，水质稳定性更好。预氧化技术处理后水质指标参见表1。

表1 预氧化技术处理后水质指标Table 1 Quality index of the water treated with pre-oxidation treatment technology

3 结束语

油田污水处理是一项综合性复杂工作，需要污水处理技术与工艺的完美结合才能确保处理后污水各项指标稳定达标。只有先进的技术，没有与之配套的工艺，污水处理也难以取得好的效果。工艺优化措施实施后，水质和稳定性也有较大幅度的提高，处理后污水中铁的质量浓度由改造前的0.8 mg/L下降至改造后的 0.3 mg/L，悬浮物平稳控制在3 mg/L以下，腐蚀速率控制在0.076 mm/a以下，使污水处理工艺与污水处理技术结合更加紧密。