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改性纖維球過濾技術(shù)在油田回注水處理中的應(yīng)用

閱讀：3283發(fā)布時間：2007-4-19

八十年代初，清華大學(xué)研制了新型纖維濾料，由于它具有可壓縮性及濾層可以形成理想的孔隙分布等特點，過濾性能優(yōu)于傳統(tǒng)的剛性濾料（石英砂、煤、磁鐵礦、核桃殼等），十幾來在國內(nèi)各行業(yè)水處理中得到廣泛得應(yīng)用。但是由于纖維濾料表面得親油性，粘附油后不能沖洗干凈，從而限制了該濾料在油田含油污水過濾處理中得應(yīng)用。為了克服纖維濾料的這一缺點，清華大學(xué)與清華同方股份有限公司繼續(xù)作了大量關(guān)于纖維濾料防油改性的研究，以及改性纖維球過濾系統(tǒng)產(chǎn)業(yè)化、現(xiàn)場試驗及工程應(yīng)用等方面的工作。本文主要從油田含油污水過濾除油、除懸浮物，滿足油田注入水質(zhì)達標需要，對改性纖維球過濾技術(shù)、應(yīng)用方法及技術(shù)經(jīng)濟對比等方面進行了介紹。

　　由于中國大部分油田已經(jīng)進入開發(fā)的中、后期，采出液中的含水量為60～80%，有的油田甚至高達90%。如果這些含油污水未經(jīng)處理直接排放，將造成嚴重的環(huán)境污染，也是水資源的極大浪費。因此，對油田含油污水必須進行處理回用，可以為油田帶來巨大的經(jīng)濟和社會效益。
　　
　　目前油田含油污水處理后的出路有三種。*種是處理后用于回注，此為目標，要求必須對水中的油、懸浮物及其顆粒粒徑進行控制；第二種主要是稠油污水，處理后用于熱采鍋爐的給水，要滿足熱采鍋爐給水的水質(zhì)；第三種是多余污水處理后排放，按照中國綜合污水排放標準，除對含油及懸浮物等指標進行控制外，還要對cod等排放指標進行控制。綜上所述，油田含油污水必須進行處理，目前中國油田含油污水常規(guī)處理流程是：來水 → 緩沖調(diào)儲 → 除油、沉降 → 過濾 → 回注、回用或排放。
　　緩沖調(diào)儲的目的是對來水進行均質(zhì)、均量，也兼有預(yù)處理目的。
　　除油沉降的目的是去除水中大部分油和懸浮物。
　　過濾是進一步去除水中細粒徑的油和懸浮物，起到水質(zhì)把關(guān)的作用。
　　由于回注及鍋爐回用水對含油及懸浮物指標要求都十分嚴格，因此油田含油污水處理工藝中的過濾技術(shù)也就成為整個工藝的關(guān)鍵和難點。

1 油田回注水指標及水質(zhì)現(xiàn)狀
　　自六十年代中國含油污水處理后用于回注至今，各油田污水處理及回注站已具很大的規(guī)模。隨著地層采出水量的不斷提高，注水量成倍增長，注水水質(zhì)要求也更加嚴格，目前執(zhí)行的是1995年中國石油天然氣總公司頒布的行業(yè)標準《碎屑巖油藏注水水質(zhì)推薦指標 sy/t—5329—94》。
　　該標準中規(guī)定，從油層的地質(zhì)條件出發(fā)，將水質(zhì)指標按滲透率小于0.1、0.1～0.6、大于0.6μm2分為低（a）、中（b）、高（c）滲透三類。又將每類標準分3級要求。標準規(guī)定中滲透的b1級及低滲透的a3級要求懸浮物顆粒粒徑控制≤2μm，低滲透的a2級、a1級要求懸浮物顆粒粒徑控制分別為≤1.5,≤1.0μm。這種精度是傳統(tǒng)多層濾料（石英砂、煤）和核桃殼濾料所無法達到的。

2 目前油田污水處理過濾技術(shù)存在的問題
　　過濾器是油田污水處理zui后一道除油、除懸浮物的重要工序，目前油田普遍使用的過濾器有多層濾料（石英砂、無煙煤）過濾器和核桃殼過濾器等。核桃殼過濾器除油效果相對較好，但是控制懸浮物能力較差，多層濾料過濾器比核桃殼過濾器控制懸浮物能力稍好，但除油效果不佳，尤其濾速太低（一般選用12m/h左右），同等處理量選用設(shè)備數(shù)量太多，增加一次投資費用。核桃殼、煤、石英砂等顆粒濾料存在一些共同的缺點：
1）不能滿足低滲透油田回注水對懸浮物含量及顆粒直徑指標的控制要求。
2）由于粒度?。?.6～1.8mm之間），易破碎，反沖洗時容易流失，需要經(jīng)常補充漏失的濾料。
3）對于稠油污水及原油中瀝青和膠質(zhì)含量較高的采出水，以上濾料容易出現(xiàn)板結(jié)問題，常使過濾無法進行，使整個過濾工藝癱瘓。

3 纖維球濾料的特點
　　過濾是去除水中懸浮物的zui有效手段之一，在研究水的過濾方面，人類經(jīng)歷了漫長的過程。隨著科技的進步與人工合成新型材料的出現(xiàn)，誘發(fā)人們用新的材料和新的工藝，對以石英砂為代表的傳統(tǒng)顆粒濾料提出挑戰(zhàn)。
　　1982年日本尤尼奇卡公司（ュニチヵ）將人工合成纖維絲和用纖維絲制成的纖維塊作為濾料，分別用于水的凈化，取得了較好的效果。1983年，清華大學(xué)環(huán)境工程系在王占生教授的指導(dǎo)下，在國內(nèi)研制出新型的纖維球濾料，并取得了國家。
　　　　　
　　　　　　　　

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圖1 日本尤尼奇卡公司卷曲纖維塊　　　　

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圖2 清華大學(xué)研制的纖維球
　　清華大學(xué)環(huán)境工程系在實驗室進行了研究，研制出不同型號規(guī)格的國產(chǎn)纖維球，采用小型試驗裝置（φ186mm×2500mm）及中試設(shè)備（φ1000mm×2500mm）；在北京清河毛紡廠進行了沉淀池出水及接觸氧化池出水的過濾試驗，得出以下結(jié)論：
用纖維絲制成的纖維球濾料，空隙率高、比表面積大，吸附能力強，尤其是國產(chǎn)纖維球，是柔性可壓縮濾料，在過濾過程中，濾層空隙率沿水流方向由大變小，符合理想分布，是很好的過濾材料，主要特點如下：
1）濾速高。纖維球濾速可達40m/h，而砂濾濾速只有8～10 m/h。
2）出水水質(zhì)好。當濾速為20～40 m/h時，國產(chǎn)纖維球可將沉淀池出水懸浮物由＜20mg/l降到1.4～3mg/l，去除率85%左右，日本球出水懸浮物在3.2～3.4mg/l 左右。國產(chǎn)纖維球過濾接觸氧化池出水，懸浮物由20～80mg/l降到≤5mg/l。
3）截污量大。過濾沉淀池出水，纖維球濾層截污量為3～4.7kg/m2，為石英砂濾層的1.6～2.4倍；過濾接觸氧化池出水，截污量達4.5～9.4 kg/m2。
4）周期產(chǎn)水量大。過濾沉淀池出水時，纖維球過濾周期產(chǎn)水量為360～700m3/m2，是砂濾的3.6～7倍。
5）反沖洗水量少，約占過濾水量的2%左右，而砂濾反沖洗水量約占過濾水量的5%。
纖維球濾料過濾廢水試驗研究成果,于1986年通過了國家*組織的技術(shù)鑒定。清華大學(xué)還進行了纖維球壓縮過濾試驗，獲得了“可調(diào)節(jié)濾層的纖維球過濾方法"國家發(fā)明，采用該方法過濾一般水可得出水濁度＜1（ntu）。

4 改性纖維球過濾技術(shù)的研制及現(xiàn)場試驗研究
　　雖然纖維球過濾器的技術(shù)優(yōu)勢很大，但是普通纖維球由于具有非極性的親油表面，一旦吸附原油，根本無法反沖洗再生，因此限制了它在油田含油污水處理中的應(yīng)用。為了克服纖維濾料這一缺點，充分發(fā)揮其去除懸浮物的潛力，在王占生教授的組織指導(dǎo)下，清華同方股份有限公司環(huán)境事業(yè)部于2000年成功地開發(fā)了新型防油改性纖維球，申報“防油纖維濾料"和“扇形防油纖維濾料"國家實用新型，并在華北油田進行了現(xiàn)場試驗。研究成果綜述如下：
1)分析比較了各種不同纖維的綜合性能，研究了不同纖維的改性處理工藝，經(jīng)過比較篩選得知，滌綸纖維具有良好的耐熱性能，耐酸、耐堿和耐腐蝕性能，耐磨及耐微生物性能，適應(yīng)油田采出水的高溫、高腐蝕等特點。zui后選定以滌綸纖維作為改性對象，進行親水防油改性。
2)研究不同改性劑對滌綸纖維改性效果，篩選出*的防油改性藥劑，確定改性工藝參數(shù)，得到理想的表面改性效果。由改性纖維球與原絲纖維球經(jīng)粘油洗滌后照片（圖3）對比可知，原絲纖維球經(jīng)粘油飽和后根本無法再生，而改性纖維球經(jīng)浸油飽和后用水沖洗時，能夠迅速恢復(fù)清潔的表面，從而得到再生。

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圖3 改性纖維球洗滌效果對比

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圖 4 原纖維絲的掃描電鏡圖片　　　　

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圖5 防油改性纖維絲的掃描電鏡圖片

　　對比改性前后纖維濾料的電鏡圖片（圖4、圖5），可見防油改性絲的表面已經(jīng)發(fā)生了根本性的變化，防油改性藥劑一方面與表面非晶區(qū)中的自由基以及游離自由基發(fā)生化學(xué)接枝，另一方面通過物理吸附作用在纖維的表面。吸附時，由于纖維表面具有非極性，防油改性藥劑在上面吸附時，一般以親油基靠近固體表面，親水基朝外，這樣原來的非極性表面就變成親水的極性表面。
3) 現(xiàn)場試驗研究
現(xiàn)場試驗在中國某油田污水處理站進行，歷時2個月。試驗濾柱直徑164mm，柱高2.7m，改性纖維球裝高0.9m，來水為隔油罐后污水。試驗結(jié)果見圖6。

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圖6 現(xiàn)場試驗結(jié)果
　　從圖6可知，改性纖維球的除油率及除懸浮物率均大于80%，來水含油＜20mg/l，出水含油＜5 mg/l，來水含油＜10 mg/l左右，出水含油＜2 mg/l。在去除懸浮物方面，更表現(xiàn)出非常好的控制能力，進水懸浮物10 mg/l左右，出水懸浮物≤2 mg/l，出水顆粒中值≤2μm，顆?？倲?shù)去除率大于90%。
　　反沖洗試驗結(jié)果表明：每個周期結(jié)束后，都要進行反沖洗，驗證防油改性纖維球濾料在實際水處理中的反沖洗效果。由現(xiàn)場觀測可知，2個月的運行期內(nèi)，在進水含油量小于20 mg/l的情況下，每周期結(jié)束后反沖出水中瞬時含油量都高達2000 mg/l左右，為進水含油的100倍，這說明反沖洗效果很好，反沖洗后取纖維球分析其帶污率，結(jié)果見圖7。

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圖7 反沖洗實驗結(jié)果
　　由圖7趨勢線可知，纖維球表面的帶污率在第6周期后上升趨勢變緩，到第21周期結(jié)束時纖維表面的帶污率≤5.0%。取現(xiàn)場試驗中的一枚纖維球繼續(xù)做浸油清洗試驗，總共試驗1000次，仍然可以使用。因此，不論是從現(xiàn)場試驗的結(jié)果以及相應(yīng)理論預(yù)測的結(jié)果，都說明防油改性纖維球濾料在用于實際油田采出水處理時，仍具有比較理想的反沖洗再生效果。由于反沖洗只能把過濾中截留超出平衡值油、泥洗凈，但不能使濾料回復(fù)到未投入使用的狀態(tài)。因此，經(jīng)過長期生產(chǎn)運行以后，由于纖維球還附有少量剩余油泥，球的顏色將由白色逐漸變成灰褐色，但不會影響處理效果。

5 gql型系列改性纖維球過濾系統(tǒng)
　　改性纖維球過濾系統(tǒng)是清華同方股份有限公司于2001年推出的一種新型過濾設(shè)備，是一種、高精度、耐油污的過濾系統(tǒng)，含油污水的過濾處理。
5.1. gql改性纖維球過濾系統(tǒng)技術(shù)優(yōu)勢
（1）該過濾系統(tǒng)的除油、除懸浮物效果*。除油效率比核桃殼高20%以上，更優(yōu)于雙濾料。按照中國石油天然氣總公司行業(yè)標準要求，gql過濾系統(tǒng)比核桃殼及雙濾料過濾器控制懸浮物顆粒的能力高1～2個等級。采用gql-a型（重力及水力壓縮濾層），出水可以滿足中、高滲透層要求，采用gql-b型（機械壓縮濾層），出水可以滿足低滲透層要求。
（2）gql過濾器的濾速是雙濾料過濾器的2倍；gql過濾器周期產(chǎn)水率是核桃殼過濾器的2倍，截污量是核桃殼過濾器的2.9倍。
（3）gql過濾系統(tǒng)濾料不會漏失，濾層不會板結(jié)。
5.2.改性纖維球過濾系統(tǒng)技術(shù)性能表（見表1）

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表1 改性纖維球過濾系統(tǒng)技術(shù)性能表

   5.3.適用范圍
★ 油田注水精細過濾、鍋爐回用水深度處理、外排水除油除懸浮物。
★ 煉油廠含油廢水深度處理。
★ 石油化工含油廢水深度處理。
    5.4.應(yīng)用方法
用于低滲透油田含油污水過濾處理典型工藝：
來水 → 除油、沉降 → gqla（一級或二級）過濾 → gqlb過濾 → 注水
目前，該系統(tǒng)已成功應(yīng)用于中國長慶油田回注水的處理工程中。
    5.5. 技術(shù)經(jīng)濟分析
gql改性纖維球過濾器與核桃殼及雙濾料過濾器技術(shù)經(jīng)濟對比見表2。

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表2 幾種過濾器技術(shù)經(jīng)濟分析

6 應(yīng)用前景
隨著中國水資源的日趨緊張，政府對各行業(yè)的水質(zhì)處理與排放指標的要求日趨嚴格。隨著油田開發(fā)時間的延長，原油含水率不斷上升，采出水量也不斷增長，1995年以后，油田注水水質(zhì)執(zhí)行新的行業(yè)標準，要求注水水質(zhì)更嚴，急需一種率、高精度、價格合理的新設(shè)備。新型改性纖維球過濾器的研究開發(fā)，無疑適應(yīng)了這一市場需求，gql改性纖維球過濾系統(tǒng)的推廣應(yīng)用，對于中國整個石油工業(yè)的污水處理具有十分重要的意義。

王同生：工程師，水務(wù)工程公司環(huán)境技術(shù)中心總工。
羅　敏：工學(xué)博士，水務(wù)工程公司環(huán)境技術(shù)中心副主任。
邱福祥：工程師，水務(wù)工程公司產(chǎn)品部。

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