海上生產(chǎn)廢水處理工藝

隨著海上油田開發(fā)力度的加大，生產(chǎn)水量不斷攀升，對(duì)生產(chǎn)水的處理提出挑戰(zhàn)，然而海上平臺(tái)空間極為有限，僅依靠增加常規(guī)處理設(shè)施來滿足生產(chǎn)需要十分困難。為解決此局面，一種新型緊湊、的生產(chǎn)水處理設(shè)備——緊湊型氣浮裝置（CFU）得到大力研發(fā)。迄今國(guó)外共有近10個(gè)公司先后推出了緊湊型氣浮裝置，如挪威M-I SWACO公司的緊湊型氣浮裝置、挪威Sorbwater Technology AS公司的Sorbsep、英國(guó)Opus Maxim公司的緊湊型氣浮裝置、美國(guó)Natco集團(tuán)的VersaFloTM、美國(guó)CETCO Oilfield Services公司的CrudeSep®、法國(guó)Veolia Water Solutions & Technologies（VWS）下屬Westgarth公司的CophaseTM、德國(guó)Siemens水務(wù)公司的VorsepTM等，部分產(chǎn)品已有多個(gè)成功應(yīng)用案例〔1, 2, 3〕。針對(duì)該類產(chǎn)品國(guó)內(nèi)也有多家單位開展研究，為共同推動(dòng)國(guó)內(nèi)緊湊型氣浮技術(shù)的發(fā)展，中海油研究總院與北京石油化工學(xué)院合作開發(fā)了一種新型CFU，并在秦皇島32-6（QHD32-6）油田進(jìn)行了現(xiàn)場(chǎng)測(cè)試。筆者對(duì)相關(guān)測(cè)試結(jié)果進(jìn)行分析，并提出工程放大設(shè)計(jì)過程中需注意的關(guān)鍵因素，為相關(guān)技術(shù)人員提供一定參考。

1 CFU工作原理及主要技術(shù)參數(shù)

1.1 工作原理
CFU工作原理如圖 1所示。采出水主體水流先經(jīng)自制的微氣泡發(fā)生器注入大量的微氣泡，然后沿切向入口進(jìn)入浮選罐，在罐壁與內(nèi)部穩(wěn)流筒之間形成的環(huán)形空間內(nèi)產(chǎn)生旋流，旋流引起的離心力場(chǎng)驅(qū)使氣泡與油滴黏附，黏附氣泡后的油滴與水的密度差進(jìn)一步加大，進(jìn)而加速浮升，提高了油水分離效率，實(shí)現(xiàn)對(duì)生產(chǎn)水的處理，同時(shí)大大縮短水力停留時(shí)間，減小了處理設(shè)備的尺寸。其中，自行研制的微氣泡發(fā)生器利用微孔發(fā)泡機(jī)理，通過微孔對(duì)氣流進(jìn)行連續(xù)剪切后經(jīng)水流沖刷而形成微氣泡，有效規(guī)避了常規(guī)氣泡發(fā)生方式能耗高、產(chǎn)生氣泡性能差、剪切乳化程度高等不足〔4, 5, 6〕，微氣泡發(fā)生器的*性能也為CFU除油效率的提高提供了保障。

圖 1 CFU原理示意

1.2 CFU的主要技術(shù)參數(shù)
CFU的浮選罐外形尺寸為D 0.4 m×1.7 m，微氣泡發(fā)生器外形尺寸為D 76 mm×700 mm?，F(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)時(shí)CFU采用2個(gè)立式氣浮罐串聯(lián)成撬，總體尺寸為1 430 mm×1 200 mm×2 370 mm，凈重≤1.5 t。其他參數(shù)如表 1所示。

其中微氣泡發(fā)生器的內(nèi)部多孔管為燒結(jié)而成的多孔材料，微孔管內(nèi)徑D 30 mm，微孔孔徑0.1 μm，氣孔率為50%，透氣度為0.02 （m3·cm）/m2。

2 測(cè)試結(jié)果與分析
目前秦皇島32-6油田的FPSO上水系統(tǒng)處理流程為：自由水分離器的水相出口→水工藝艙→斜板除油器（CPI）→加氣浮選機(jī)→核桃殼過濾器→排?；蚧刈ⅰ?〕。本次現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)分別以水工藝艙出口與斜板除油器沖洗口混合后的生產(chǎn)水（含油約50～100 mg/L）、自由水分離器水相出口生產(chǎn)水（含油約1 200～2 500 mg/L）作為測(cè)試水源。部分試驗(yàn)結(jié)果如下：（1）試驗(yàn)之初，當(dāng)測(cè)試水源入口僅為水工藝艙的1個(gè)采樣口時(shí)，由于供水量和壓力不足，入口流量?jī)H為1.8 m3/h，其測(cè)試結(jié)果如圖 2所示。油質(zhì)量濃度在51～66 mg/L之間，單級(jí)CFU水力停留時(shí)間為5.5 min情況下，CFU出水口的油質(zhì)量濃度在12 mg/L以下，除油率在78.4%~87.1%。

圖2 單級(jí)CFU的除油效果 
（入口流量1.8 m3/h、入口含油51～66 mg/L）

（2）后續(xù)采用增加接入斜板除油器沖洗口處水源以及降低*級(jí)CFU出口背壓的方式，使入口流量達(dá)到額定處理量4 m3/h，此時(shí)測(cè)試結(jié)果如圖3所示。

圖 3 單級(jí)CFU除油效果 
（入口流量4 m3/h、入口含油52～95 mg/L）

入口污水的油質(zhì)量濃度在52～95 mg/L時(shí)，單級(jí)CFU水力停留時(shí)間為2.5 min，單級(jí)CFU出水口的油質(zhì)量濃度在10 mg/L以下，可低至6 mg/L，除油率保持在88.5%以上。

通過對(duì)比發(fā)現(xiàn)，當(dāng)處理量較小達(dá)不到額定處理量時(shí)，雖然水力停留時(shí)間相對(duì)較長(zhǎng)，但CFU的除油率整體卻較低。究其原因，在單級(jí)CFU有效容積和入口管徑一定的情況下，處理量越低旋流強(qiáng)度越弱，微細(xì)氣泡與分散相油滴徑向遷移引起的碰撞黏附機(jī)率也越小，除油率會(huì)相對(duì)下降。此范圍內(nèi)旋流強(qiáng)度對(duì)除油率的影響程度要大于水力停留時(shí)間的影響程度，這也證實(shí)了旋流強(qiáng)度對(duì)除油效果的重要性。因此在設(shè)備的工程放大設(shè)計(jì)中，需要注意旋流強(qiáng)度的合理取值。

（3）當(dāng)測(cè)試水源為自由水分離器水相出口生產(chǎn)水時(shí)，此時(shí)供水量和壓力得到保證，入口流量達(dá)到額定處理量4 m3/h，除油效果如圖 4所示。

 圖 4 兩級(jí)串聯(lián)CFU除油效果 
（入口流量4 m3/h、入口含油1 453～1 753 mg/L）

入口含油在1 453～1 753 mg/L，兩級(jí)串聯(lián)CFU，各單級(jí)CFU的水力停留時(shí)間均為2.5 min時(shí)，一級(jí)出水口的油質(zhì)量濃度在200～400 mg/L，單級(jí)除油率基本維持在83%以上，二級(jí)出水口的油質(zhì)量濃度在20 mg/L以下，總除油率保持在98%以上。

將研制的CFU與秦皇島32-6油田現(xiàn)場(chǎng)應(yīng)用的常規(guī)處理設(shè)備進(jìn)行處理效果對(duì)比，結(jié)果如圖5所示。

圖 5 CFU與現(xiàn)場(chǎng)常規(guī)處理設(shè)備的處理效果對(duì)比

由圖5可以看出，單級(jí)CFU在入口含油50～100 mg/L、水力停留時(shí)間2.5 min時(shí)的處理效果與現(xiàn)場(chǎng)應(yīng)用氣浮選+核桃殼過濾相當(dāng)，設(shè)備體積可減少50%以上；采用兩級(jí)CFU串聯(lián)，在入口含油1 350～ 2 300 mg/L、總水力停留時(shí)間為5 min時(shí)的處理效果與現(xiàn)場(chǎng)應(yīng)用水工藝艙+斜板除油器+氣浮選+核桃殼過濾的效果相當(dāng)，設(shè)備體積可減少50%以上。顯然，采用CFU可以減少水處理設(shè)施的串聯(lián)級(jí)數(shù)或大大減小設(shè)備體積，這對(duì)于海上油田而言應(yīng)用優(yōu)勢(shì)。

試驗(yàn)采用的氣浮旋流一體化水處理技術(shù)小型樣機(jī)處理優(yōu)勢(shì)明顯。然而對(duì)于水處理等流程工業(yè)而言，開發(fā)任何一個(gè)新的處理設(shè)備zui后涉及到的問題一定是工程放大。結(jié)合試驗(yàn)過程中遇到的問題及可能的工程需求，氣浮旋流一體化水處理技術(shù)在從小試樣機(jī)到工程放大過程中，需要注重以下兩個(gè)方面：

（1）現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)已證明小型樣機(jī)使用的微氣泡發(fā)生器結(jié)構(gòu)可行，但隨著水處理量的增大，勢(shì)必要進(jìn)行放大設(shè)計(jì)，但是僅等比例擴(kuò)大微氣泡發(fā)生器內(nèi)部微孔管管徑無法滿足注氣均勻性的要求；若通過多個(gè)單體的簡(jiǎn)單并聯(lián)來實(shí)現(xiàn)大處理量的需求，不僅會(huì)增大占地面積，還會(huì)帶來操作和控制異常復(fù)雜的麻煩。因此需要開展大處理量微氣泡發(fā)生器的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)研究，以適應(yīng)工程需要。

（2）設(shè)備放大過程中，如何在切向入口流速難以大幅提升的情況下在大處理量罐體內(nèi)產(chǎn)生足夠的旋流強(qiáng)度，是必須考慮的問題，上述試驗(yàn)結(jié)果也驗(yàn)證了旋流強(qiáng)度對(duì)處理效果的重要性。因此，需要進(jìn)一步優(yōu)化內(nèi)部結(jié)構(gòu)，為大處理量下的高處理性能提供保障。

3 總結(jié)
（1）將弱離心力場(chǎng)同氣浮技術(shù)有效結(jié)合而研制的緊湊型氣浮裝置（CFU）具有水力停留時(shí)間短、處理效率高、占地面積小和能量消耗低等優(yōu)勢(shì)，在生產(chǎn)水及其他含油污水處理領(lǐng)域具有廣闊的應(yīng)用前景。

（2）秦皇島32-6油田的現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)結(jié)果表明， CFU能夠適用不同油質(zhì)量濃度（50～2 500 mg/L）的生產(chǎn)水處理，且具有較高的處理效率，對(duì)于不同含油污水分別采用單級(jí)或兩級(jí)串聯(lián)可將油質(zhì)量濃度控制在20 mg/L以下，zui低可至6 mg/L。水力停留時(shí)間較常規(guī)水處理設(shè)備大大縮短，設(shè)備體積可減少至少50%。

（3）CFU現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)的良好表現(xiàn)為緊湊型氣浮技術(shù)的自主研發(fā)奠定了基礎(chǔ)，可從內(nèi)部結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計(jì)、放大設(shè)計(jì)準(zhǔn)則建立等方面著手進(jìn)行工程放大及產(chǎn)品系列化研發(fā)工作，為海上石油生產(chǎn)水的處理助力，尤其為邊際油田開發(fā)、高含水油田開發(fā)提供。