過濾與分離技術(shù)在油田含油污水處理中的應(yīng)用現(xiàn)狀與發(fā)展趨勢
行業(yè)動態(tài)
目前國內(nèi)大部分油田進(jìn)入了三次采油期，油田含油污水的產(chǎn)生量增多。據(jù)統(tǒng)計，1999年僅中油集團(tuán)所屬陸上油氣田的含油污水產(chǎn)生量就達(dá)到46248噸。油田生產(chǎn)過程中的含油污水主要來源于原油脫水站，其次是各種原油儲罐的罐底水、將含鹽量較高的原油用清水洗鹽后的污水、進(jìn)入污水處理站的洗井廢水等。1996年第四次全國環(huán)境保護(hù)大會期間，明確了2000年所有排放的工業(yè)廢水必須全部達(dá)到 標(biāo)準(zhǔn)。這對許多油氣田采油污水的排放提出了更高要求。
油田采出水是隨原油一起從油層中開采出來，又經(jīng)原油初加工將原油脫除后而得到的液體廢棄物。就其化學(xué)組成來看，這部分廢水不僅攜帶有原油，而且在高溫高壓的油層中還溶進(jìn)了地層中的一些鹽類和氣體；在采油過程中，從地層中攜帶出許多固體懸浮物；在油氣集輸過程中，還會摻進(jìn)一些化學(xué)藥劑；由于采出水中含有大量有機(jī)物，又有適宜微生物生存的環(huán)境，因此廢水中還會繁殖大量的細(xì)菌。因此，油田采出水是一種典型的多雜質(zhì)共存的工業(yè)污水。
以前，由于油田含油污水處理以后主要用于回注，因此，含油污水處理的主要目標(biāo)污染物為油類物質(zhì)和懸浮物。常規(guī)的油田含油污水處理方法主要是除油、砂濾，采取的工藝流程一般為沉降-過濾-注水，其中油水分離技術(shù)和過濾技術(shù)構(gòu)成了常規(guī)處理流程的主體，同時輔以防垢、緩蝕、殺菌等化學(xué)處理措施，在去除油類物質(zhì)的同時使污水中的固體懸浮物得到不同程度的去除，因此，對于油含量在1000mg以下、懸浮固體在300mg/1左右的含油污水，經(jīng)常規(guī)的分離與過濾技術(shù)處理后能達(dá)到中、高滲透率油層所需的注水水質(zhì)要求。但現(xiàn)階段，隨著油田綜合含水率的提高，采油污水的產(chǎn)生量不斷增加，已超過了注水量的需求，有一部分要排放到環(huán)境中。對于外排污水，要達(dá)到GB8978-1996《污水綜合排放標(biāo)準(zhǔn)》的要求，這樣就對處理后污水中的COD指標(biāo)提出了更高的要求?？墒?，現(xiàn)有設(shè)備和流程已明顯不能滿足油田中、低滲透率地層注水水質(zhì)的要求，從一定程度上制約著油田的“穩(wěn)產(chǎn)，上產(chǎn)”。這就給許多油田的采油污水處理提出了新的課題。
過濾與分離技術(shù)是處理油田含油污水過程中的一個環(huán)節(jié)，其效果的好壞直接關(guān)系到出水水質(zhì)是否能達(dá)到標(biāo)準(zhǔn)要求，因此成為解決油田含油污水處理問題的一個關(guān)鍵環(huán)節(jié)。過濾與分離技術(shù)的發(fā)展既包括新型高效過濾分離設(shè)備的開發(fā)與設(shè)計，又包括各種高效油水分離設(shè)備如水力旋流分離器的研制。我國各油田早期使用的過渡設(shè)備多為重力式下向流石英砂過濾器，由于其過濾效率很低，現(xiàn)已基本不使用。目前在各油田應(yīng)用較廣泛的過濾器有核桃殼過濾器、雙層濾料過濾器、多層濾料過濾器及雙向過濾器，大多為壓力式。國內(nèi)外研究開發(fā)出一些高效除油、過濾設(shè)備，如液-液旋流分離器、超精細(xì)過濾器、橫向流過濾技術(shù)等，在油田應(yīng)用后效果非常明顯，并愈來愈引起國內(nèi)外的普遍重視。下面主要介紹幾種高效的、 的過濾與分離技術(shù)。
1 液-液旋流分離技術(shù)
1.1 液-液旋流分離技術(shù)簡介
目前，含油污水的處理方法多種多樣，有物理法、物理化學(xué)法、生化法等。各種方法有其獨(dú)到的優(yōu)勢及不足，因此通常分別應(yīng)用在不同場合處理不同的對象。旋流器能有效去除水中的浮油、分散油，而且具有體積小、質(zhì)量輕、分離效率高、工作可靠、停留時間短等特點(diǎn)，液-液分離用水力旋流器可用于分離油水密度差大于50kg/m3、油粒粒徑大于5μm的含油污水。到1992年，美國Conoco公司生產(chǎn)地300多套旋流器，就應(yīng)用到18個 ，處理能力達(dá)到5.3×104m3/h。目前我國已有9%的油田采出水用水力旋流器進(jìn)行處理，它正在成為油田污水除油的一種常用設(shè)備。
旋流分離技術(shù)在油水分離中可用于油污水去油和含水油脫水，被認(rèn)為是一種高效節(jié)能型分離技術(shù)，它具有如下優(yōu)點(diǎn)：結(jié)構(gòu)簡單，成本低，能耗低，無需任何幫助分離的介質(zhì)；安裝靈活方便，可以在任何角度安裝；工作連續(xù)、可靠，操作維護(hù)方便，一旦設(shè)計、調(diào)定好，就可以自動、穩(wěn)定的工作；效率高，適應(yīng)性好，并聯(lián)可增加生產(chǎn)能力，串聯(lián)可提高產(chǎn)品質(zhì)量；操作溫度及壓力不受限制，僅決定于旋流器的結(jié)構(gòu)材料。
但是旋流分離也有不足之處：
（1）由于旋流器內(nèi)的流體的流動產(chǎn)生一定的剪切作用，如果參數(shù)設(shè)計不當(dāng)，容易將液滴打碎乳化而惡化分離效果。
（2）通用性差。處理不同性質(zhì)的物料往往需要不同結(jié)構(gòu)尺寸或操作條件的旋流器。不同油田的油水混合物往往有不同的物性，因此，用于不同油田的旋流器往往不能互換使用。
（3）它對于乳化油的去除效果差。
1.2 國內(nèi)應(yīng)用研究現(xiàn)狀
早在1993年石油大學(xué)與九江石油化工廠聯(lián)合開發(fā)的XLQ25B型旋流分離器于1999年通過了中石化集團(tuán)公司組織的鑒定。河南油田自1993年以局級立項(xiàng)形式開展液-液旋流技術(shù)研究以來，先后在結(jié)構(gòu)選型研究、旋流管外特性研究、旋流管內(nèi)流場研究、旋流分離過程的數(shù)值模擬研究等方面取得了較大的突破，并開展了現(xiàn)場單管旋流器的考核試驗(yàn)，使這項(xiàng)研究逐步走向系統(tǒng)化、正規(guī)化，目前正著手把初步的研究成果轉(zhuǎn)向產(chǎn)品化。而江漢機(jī)械研究所、航天部沈陽新陽河南江漢機(jī)械研究所、航天部沈陽新陽機(jī)器公司、勝利油田等幾家單位已經(jīng)開發(fā)出液-液旋流產(chǎn)品，并推廣到國內(nèi)的大慶、勝利、長慶油田等。
國內(nèi)用的液-液旋流器在一些地方取得了在一些地方取得了很好的應(yīng)用效果，而在其它地方，液-液旋流器出口水中含油指標(biāo)遠(yuǎn)遠(yuǎn)超出產(chǎn)品所提交的技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)。這些都說明，液-液旋流器在理論與實(shí)踐方面存在著嚴(yán)重脫節(jié)?？傮w來說，國內(nèi)在此方面起步較晚，人員、條件及組織形式比較松散。其研究對象目前主要集中在靜態(tài)液-液游流分離技術(shù)方面，研究方法則表現(xiàn)為對Southampton大學(xué)F型旋流管的仿制和對其外特性的現(xiàn)場宏觀測試上，研究的深度與水平都有待進(jìn)一步提高。
1.3 未來研究發(fā)展趨勢
如果要在液-液旋流設(shè)備的應(yīng)用中得到好的使用效果，除了在介質(zhì)特性、設(shè)備特性、操作特性及加工安裝等方面進(jìn)行研究之外，還要對系統(tǒng)進(jìn)行統(tǒng)盤的設(shè)計。開發(fā)低阻高效的新設(shè)備是液-液旋流技術(shù)研究的主要方向。
（1）研究新型的旋流管：自1968年英國南安普噸大學(xué)研究的A型旋流管問世以來，經(jīng)8年的研究攻關(guān)，在參數(shù)優(yōu)化和結(jié)構(gòu)改進(jìn)方面取得了連續(xù)的進(jìn)展，相繼推出了BCDEF型旋流管結(jié)構(gòu)，近期又研制成功了G型和K型旋流管。尤其是80年代，旋流管出現(xiàn)了多種多樣的結(jié)構(gòu)形式，由早期的雙錐形旋流器發(fā)展出單錐形旋流器、放大水出口水力旋流器、彎尾式水力旋流器、加設(shè)第三低密相出口的水力旋流器和動態(tài)水力旋流器等變形結(jié)構(gòu)，這些工作的主要目的是在低阻高效方面取得新的突破。
（2）加強(qiáng)對動態(tài)液-液旋流分離技術(shù)的研究：國外開展的動態(tài)與靜態(tài)水力旋流器的對比研究表明，動態(tài)水力旋流器的除油效率更高，對小于15μum的油滴，其脫除效果更加顯著。在能耗方面，流量為11.355m3/h的靜態(tài)旋流器，所需泵的驅(qū)動功率高達(dá)15.67kW，而動態(tài)水力旋流器只需8.952kW的電機(jī)，就可滿足額定設(shè)計處理量15.897m3/h的需要。如果以我國年產(chǎn)原油1.4×108t，綜合含水平均86%計算，則處理的污水量約為8.6×108t，對小于15μm的油滴，其脫除效果更加顯著。
2 膜分離技術(shù)處理采油污水
膜分離技術(shù)是利用膜的選擇透過性進(jìn)行分離和提純的技術(shù)。當(dāng)采油污水中油粒子粒徑為微米量級時，可用機(jī)械方法進(jìn)行前處理。膜法處理可根據(jù)廢水中油粒子的大小，合理地確定膜截留分子量，且處理過程中一般無相的變化，常溫下操作，有高效、節(jié)能、投資少、污染小的特點(diǎn)。常應(yīng)用于采油污水處理的5種膜分離技術(shù)為反滲透（RO）、超濾（UF）、微濾）MF）、電滲析（ED）和納濾（NF）。
膜分離技術(shù)已對傳統(tǒng)的分離技術(shù)產(chǎn)生了沖擊。據(jù)引，ACHEMA展覽會報道，近年來發(fā)展較快的過濾與分離技術(shù)就是膜分離。膜分離技術(shù)的發(fā)展，首先體現(xiàn)在膜制造技術(shù)的高速發(fā)展，國外現(xiàn)已開發(fā)出了多孔微孔無機(jī)陶瓷膜、空心纖維膜、金屬材倒膜、無孔均勻膜、吸附擴(kuò)散膜和液膜等工業(yè)用膜結(jié)構(gòu)；同時開發(fā)出一系列有機(jī)聚合材料，如聚乙烯、聚丙烯、聚酞胺、聚礬、聚丙烯睛等；同時還有將上述兩者結(jié)合起來的復(fù)合膜。
2.1 超濾膜的研究應(yīng)用現(xiàn)狀
超濾膜法應(yīng)用于處理乳化油廢水的歷史已有20多年。早在1979年，在西德已有超過250個超濾膜也理設(shè)備被應(yīng)用于濃縮乳化油，每套設(shè)備處理含油乳狀液的能力是1-20m3/d。所用膜組件為管式、卷式和板框式。1989年，膜生產(chǎn)單位已能夠提供處理乳化液廢水的系列膜設(shè)備，對乳化油廢水配處理能力為20-250L/h。目前，上海寶鋼采用AbCor公司的管狀膜的大型超濾設(shè)備來處理乳化油廢水。中科院生態(tài)環(huán)境研究中心等單位進(jìn)行了超濾法處理含油污水研究，取得了滿意的效果?，F(xiàn)場采用9根直徑7.62cm超濾組件的聚楓中空纖維式超濾器，膜面積約22m2，可將含油量100~1000mg/L的污水處理至10mg/L以下。1997年張玉忠等將自行研制的MTB-I型耐溫中空纖維膜與MTB-IV型加拿大的中空纖維膜的處理效果進(jìn)行了對比，發(fā)現(xiàn)這種超濾膜在處理經(jīng)過預(yù)處理的含油量低的污水較為理想，而對未經(jīng)處理的含油率高的污水處理效果較好，與國外產(chǎn)品還存在一定的差距。王靜榮等采用不同材料的中空纖維超濾膜對油田含油污水進(jìn)行了處理并確定了適宜的操作條件：溫度55度以上，進(jìn)口壓力0.16MPa，出口壓力為0.08MPa，含油水水通量可達(dá)15-25ml/（cm2·h），1998年天津紡織工學(xué)院研制的聚偏氟乙烯中空纖維微孔膜，可用于含油回注水的深度處理，此膜精度1微米，高于PE管精度2微米，而且比聚砜超濾膜的超濾器價格便宜，可以選擇全自動操作，但是膜組件通量衰減較快。尹賜禹等也利用HPL型板框式超濾器，配用PSF超濾膜將含油污水的含油量由500-6000mg/1降至100mg/1以下，油分截留率大于99%、對COD截留率大于90%。
近年來各式各樣的膜材料如雨后春筍般層出不窮，李永發(fā)等利用磺化聚楓膜處理油田含油污水取得了良好的效果。谷玉洪等利用陶瓷微濾膜對油田采出水進(jìn)行了處理，處理后水含油<3mg/l，懸浮物含量<1mg/L，效果非常好，但是其制造成本，運(yùn)行費(fèi)用高、膜的污染問題還沒有得到很好的解決，但是勿庸置疑，陶瓷膜處理含油污水具有廣闊的發(fā)展應(yīng)用前景，總之超濾法處理含油污水有二個問題需要解決：其一是超濾膜組件耐溫問題，料液溫度一般為65-90度，其二超濾組件使用壽命，既膜的清洗方法。
2.2 膜器的研究進(jìn)展?fàn)顩r
除了對過濾膜材料的研究，進(jìn)行新型膜器的研究也是提高過濾效率的有效途徑。國內(nèi)外開展了大量對新型膜器的研究，傳統(tǒng)的靜態(tài)十字流膜濾技術(shù)存在的問題是通量小、濃差極化和膜污染，需要改進(jìn)。一般采用3種方式強(qiáng)化靜態(tài)十字流膜濾：改變流動狀態(tài)或設(shè)置流道障礙、利用膜運(yùn)動施加離心力、外加場力，其中后兩種方式是目前研究的熱點(diǎn)。
P.F.Levy等對比了旋轉(zhuǎn)管式膜濾與靜態(tài)十字流膜濾的效果，指出前者在分離過程中具有后者無法相比的優(yōu)越性。G.Belfort、R.M.Lueptow、趙飛虎和楊柳等通過試驗(yàn)認(rèn)為：懸浮液以一定速度流經(jīng)環(huán)隙時，由于Taylor渦的作用，料液在過濾室內(nèi)停留的時間得以延長，使過濾過程更加充分，且高速剪切流動產(chǎn)生的旋轉(zhuǎn)剪切力對消除顆粒在膜表面的沉積、減弱濃度極化起到積極作用。與此同時，環(huán)隙間軸向流的剪切力和顆粒所受離心力也使得顆粒不易在膜表面沉積，有效防止了濾餅層的形成。因此，旋轉(zhuǎn)管式膜器在形成Taylor渦后有利于過濾分離過程，實(shí)踐上應(yīng)子高度重視。T.Murase等研究了旋轉(zhuǎn)管式膜濾處理含油污水，但由于膜器設(shè)計問題較多，效果不很理想。近年來，發(fā)展了膜生物反應(yīng)器污水處理技術(shù)，它是將膜分離技術(shù)中的超濾組件與污水生物處理工程中的生物反應(yīng)器相互結(jié)合而成的新型技術(shù)。這種技術(shù)綜合了膜分離和生物處理技術(shù)帶來的優(yōu)點(diǎn)，它高效、低能耗倍受國內(nèi)外專家學(xué)者的重視，是一種發(fā)展前景較好的含油污水處理系統(tǒng)。針對油田污水難以深度處理的難題，研制一種多強(qiáng)化方式的新型膜濾設(shè)備，建立相應(yīng)的過濾理論模型，探討分離機(jī)理，具有較大的理論價值和實(shí)踐意義。
近年來，雖然越來越多的膜分離技術(shù)開始用于油田采出水處理。膜分離技術(shù)具有精度高、易實(shí)現(xiàn)自控化的優(yōu)點(diǎn)，但限于現(xiàn)行工藝和資金原因，目前大型工業(yè)化規(guī)模使用的條件還不成熟。膜分離法的關(guān)鍵是尋找高效高滲透性膜和提高處理量，這兩方面目前都存在許多問題。隨著國內(nèi)外對膜法處理油田采出水的研究的重視和深入，以及膜材料的不斷更新，膜成本的逐漸降低，膜分離技術(shù)用于油田采出水的處理將成為未來的重要發(fā)展方向。
3 其他過濾器與過濾罐的研究進(jìn)展
常見的顆粒介質(zhì)過濾技術(shù)有多層濾料過濾技術(shù)、雙向過濾技術(shù)、移動床過濾技術(shù)等，該技術(shù)出水水質(zhì)好，設(shè)備投資小，操作方便但是反沖洗操作要求高。美國NATCO公司生產(chǎn)的雙向過濾器具有過濾速度高、處理水質(zhì)好、自動化程度高等特點(diǎn)，但該設(shè)備主要用在處理地面水和地下水中的懸浮物。
單層濾料罐在反沖洗過程中受水力分級影響，形成上細(xì)下粗分布，使過濾阻力增大，濾床穿透深度減小，而且易發(fā)生水的脫氣，造成濾料板結(jié)，縮短過濾周期，引起濾料流失。雙層濾料過濾器是一種新型高效、低耗的水處理過濾設(shè)備，與常規(guī)過濾技術(shù)相比，具有濾速高、處理水質(zhì)好、自耗水量小、運(yùn)行費(fèi)用低，自動化程度高等特點(diǎn)。任彥中等利用雙向過濾技術(shù)對大慶油田的含油污水進(jìn)行了處理，不但出水水質(zhì)達(dá)到了要求，而且工程投資節(jié)省率為51%，鋼材節(jié)省率為51%。雖然雙層濾料罐克服了單濾料罐的某些缺點(diǎn)，但是凈化水質(zhì)仍不能實(shí)現(xiàn)穩(wěn)定達(dá)標(biāo)。張國華等人研究了三濾料罐，并對中原油田含油污水進(jìn)行了處理，出水水質(zhì)好，而且減少了水頭損失，避免了氣泡在反沖洗狀態(tài)下對濾層的攪動，保護(hù)了濾層表面，減少了濾料流失。
歐美 把能夠?yàn)V除98%以上的≤2μm固體顆粒的裝置稱為精細(xì)過濾器。近年來在國內(nèi)低滲透油田注入水處理中研究和應(yīng)用的精細(xì)過濾器，主要涉及雙濾料過濾器、纖維球過濾器、微孔管過濾器、中空纖維過濾器、濾芯過濾器、陶瓷膜過濾器等。伍遠(yuǎn)平等研制開發(fā)了TCLW15-0.6型含油污水超精細(xì)過濾器，在江漢油田沙27注水站取得良好實(shí)驗(yàn)效果。李淑華等研制了改性纖維球過濾器份為壓緊式和非壓緊式），適用于聚驅(qū)油田含油污水深度處理，出水達(dá)到低滲透層注水水質(zhì)標(biāo)準(zhǔn)。
在這些技術(shù)和設(shè)備中，有機(jī)材料制成的微孔管過濾器、濾芯過濾器及中空纖維過濾器，因不可再生或材料承受污物能力有限，其應(yīng)用前景并不樂觀。纖維球深床過濾器，由于在過濾時可以形成上大下小的理想濾料孔隙分布，納污能力大、去除懸浮物效果好，在一些低滲透油田已有應(yīng)用，只是濾料親油性帶來的反沖洗較難的問題亟待解決。金屬網(wǎng)濾芯過濾器采用 濾芯，從而避免了濾芯的更換費(fèi)用，但不宜在特高礦化度含量的油田含油污水精細(xì)過濾中應(yīng)用。陶瓷膜親水不親油、不易被污染、再生周期和使用壽命長，且陶瓷膜耐高溫，耐稀酸、稀堿，可用水蒸汽、酸液、堿液進(jìn)行較為徹底的再生，谷玉洪等利用陶瓷微濾膜對油田采出水的處理取得了良好的效果，陶瓷膜過濾技術(shù)有望在油田含油污水處理中得到廣泛的應(yīng)用。
4 過濾分離技術(shù)的展望
過濾分離技術(shù)研究的成果，集中在研制出滿足流體系統(tǒng)發(fā)展需要的各種過濾器和過濾裝置，以凈化流體系統(tǒng)，保證其正常工作。發(fā)達(dá) 早已高度重視這一領(lǐng)域的開拓，投入大量的人力、物力和財力，形成了基礎(chǔ)研究與應(yīng)用技術(shù)相配套的具有相當(dāng)規(guī)模的工業(yè)門類。除了有為航天、航空配套生產(chǎn)各種過濾器的公司，還為工業(yè)設(shè)備、醫(yī)藥衛(wèi)生、飲食行業(yè)等研制各種 過濾器和過濾裝置。他們擁有強(qiáng)大的科研生產(chǎn)手段，領(lǐng)導(dǎo)若過濾器生產(chǎn)的技術(shù)發(fā)展。他們的產(chǎn)品遍及全 。此外美國還有萬余家為各種工程機(jī)械和各型汽車研制生產(chǎn)過濾器，年產(chǎn)量都在數(shù)千萬件以上。由此可見，過濾器行業(yè)的發(fā)展前景十分廣闊，社會需求十分巨大同技術(shù)發(fā)達(dá) 相比，在這一領(lǐng)域我國的差距甚遠(yuǎn)。我們還沒有建立起一整套過濾分離技術(shù)的科研生產(chǎn)體系；在大學(xué)或研究所里還沒有開設(shè)這個專業(yè)，對其進(jìn)行理論研究；過濾材料還沒有列入研制計劃；技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)、制作工藝、測試設(shè)備和質(zhì)量控制等均不完善、不配套。未來的研究方向主要集中在以下幾個方面：
4.1 過濾材料的研究
過濾是處理油田含油污水的一個環(huán)節(jié)，直接關(guān)系到水質(zhì)是否達(dá)標(biāo)。而過濾的有效性主要取決于濾材的性能。因此，濾材研究主產(chǎn)是過濾分離技術(shù)發(fā)展應(yīng)用的關(guān)鍵。
發(fā)達(dá)的工業(yè) 都有許多濾材生產(chǎn)廠家生產(chǎn)各種濾材供選用。一些 的過濾器公司都建立了自己的濾材生產(chǎn)研究機(jī)構(gòu)，并以此作為生存、發(fā)展利競爭的手段?？梢哉f過濾器行業(yè)的發(fā)展與競爭，主要是濾材的發(fā)展與競爭。
4.2 對過濾器結(jié)構(gòu)設(shè)計的研究
30多年來，我們對過濾器結(jié)構(gòu)設(shè)計從按國外原文復(fù)制，按樣品測繪仿制到自行設(shè)計，已經(jīng)是一個飛躍。但是為了適應(yīng)科學(xué)技術(shù)的飛速發(fā)展，開展預(yù)先研制、型號研制，不斷推出供用戶選用的優(yōu)質(zhì)，廉價、適用的新型產(chǎn)品，并使之標(biāo)準(zhǔn)化、規(guī)范化、系列化，這將是這個行業(yè)興旺發(fā)達(dá)的必由之路。
過濾器的技術(shù)性能和結(jié)構(gòu)設(shè)計都面臨新的挑戰(zhàn)。小型化、高精度、集成化、組合化、多功能是過濾器發(fā)展的必然趨勢。從過濾元件到過濾器裝置的設(shè)計與研究，并開展CAD/CAPP/CAM的研究應(yīng)用，將會使我們的設(shè)計更加優(yōu)化，更加規(guī)范化。
