好氧微生物對三元采出水含油量去除效能分析

劉長莉，潘春波，魏 利，陳忠喜，徐德會，韓麗華，李春穎

(1.東北林業(yè)大學生命科學學院，哈爾濱150040;2.哈爾濱工業(yè)大學城市水資源與水環(huán)境國家重點實驗室，哈爾濱150090;3.大慶油田建設設計研究院水化室，黑龍江大慶163712)

中國大慶油田已進入了三次采油階段，三元復 合驅油技術是繼聚合物驅油后又一項提高原油采收率的新技術[1－3]，并具有廣闊的應用前景.該技術即能提高驅油效率，還能大幅度降低表面活性劑的用量[4－6].由于堿、表面活性劑、聚合物的加入給采出液的處理帶來很大的困難，高濃度的懸浮顆粒和較大顆粒會堵塞管道，采出液乳化、穩(wěn)定和破乳等問題嚴重影響了大慶油田對采出液的處理，造成了嚴重污染[7].吳迪等[8]研發(fā)的三元污水處理藥劑，效果較好，但處理成本較高.鄧述波[9－11]等研究者對三元采出水的成分等進行了詳細的分析，目前幾種常用的三元水處理工藝，包括壓力組合式沉降分離工藝、多相催化氧化工藝等處理工藝，都需要大量的三元采出液處理藥劑進行輔助工藝，導致處理成本較高，同時帶來了新的環(huán)境污染[12－14].三元采出液目前還沒有一套完整的處理工藝可應用于生產實踐，通過室內試驗和中試現(xiàn)場研究表明，微生物處理三元采出水具有可行性.油田污水處理中較提倡的原則是，盡量提高原油回收率，減少微生物在回收過程中對原油的降解和轉化，亟待證實的一個問題是，利用微生物對三元水的處理中微生物回收原油的比例和微生物將原油轉化為自身能量的比例，以及三元復合驅油技術適用范圍.

本研究通過已馴化好的好氧生物載體為填料，進行對照試驗考察實際處理中微生物利用原油和回收原油的比例，為實際的工程應用提供技術和理論支持.

1 材料與方法

1.1 污水來源及其試驗裝置

污水來源于大慶油田三元復合驅一廠217聯(lián)合污水處理站，含油量為164.53 mg/L，表面活性劑質量濃度 33.9 mg/L，黏度為 8.393 E－3Pa·s、，HPAM質量濃度為2 532 mg/L，堿度為5 619 mg/L.試驗裝置為JCKO－03型油田污水專用溫控儀(哈爾濱金博達公司生產)，溫度控制在36℃，試驗的填料為馴化好的微生物填料，如圖1所示.

1#反應器不曝氣靜止狀態(tài)，考察自然沉降對水中含油量的影響;2#和3#反應器只進行曝氣而不加填料，考察單獨曝氣對油水分離的效果，為了減少誤差，2#為測量上層水中含油量使用，3#為測量中層水中含油量使用;4#和5#反應器中加入同量的馴化好的微生物填料，填料約占整個反應器的60%左右，4#為測量上層水中含油量使用，5#為測量中層水中含油量使用，在這五個反應器中各加入2.5 L的三元復合驅采出水樣.研究微生物對三元水中含油量的影響，并了解在曝氣和生物雙重條件下三元采出水中含油的變化，微生物的處理情況及其對原油的利用情況.

圖1 試驗裝置及其生物填料

1.2 試驗方法

將馴化好的生物濾料放到反應器中，在10 h內設置8個取樣點，分別在加入原樣后的2、4、5、6、7、8、9、10 h 進行取樣，取樣位置分別在反應器的液面下1 cm處和中間位置.定期測定經好氧微生物處理后的三元復合驅采出水中含油量的變化.分別依據每點含油量數(shù)值的不同來分析三元復合驅采出水中的含油量變化情況.

1.3 分析方法

含油量測定(SY/T0530－93);聚合物黏度采用流變儀－AR1500ex(美國沃特斯公司);COD測定(國標GB/T 11914－89)、表面活性劑濃度測定采用分光光度法.

2 結果與討論

2.1 上層水中的含油量的變化情況

2.1.1 1#靜沉狀態(tài)下上層水中的含油量的變化情況

試驗分析上層水中的含油量(接近液面5 cm處)的變化規(guī)律，三元采出水原始的含油量為164.53 mg/L.

如圖2所示，自然沉降的過程中，含油量處理變化狀態(tài)，總體趨勢下降，10 h后，上層水中的含油量為70.20 mg/L(如圖2).水中的油含量降低57.33%，中間不規(guī)則的含油量變化趨勢，與實際的三元采出水的復雜組成系有關.

2.1.2 2#和4#上層水中含油量變化比較分析

試驗考察單獨曝氣2#和曝氣加生物4#的上層的水中的含油量的變化情況，如圖3、4所示.

圖2 1#反應器的上層含油量的變化趨勢

圖3 2#反應器的上層含油量的變化趨勢

圖4 4#號反應器的含油量變化趨勢

如圖3所示，2#反應器在曝氣條件下，水中的浮油會很快上浮，且在上浮的過程中是以小塊狀的形式浮于水層表面.反應器在曝氣初期的前5 h，去除率為96.77%，在物理作用下，水中的固態(tài)油很快被吹浮到水的表面，水中乳化油逐漸被釋放出來，6 h水中的含油量開始增加，10 h穩(wěn)定在35.39 mg/L，去除率為78.49%.2#曝氣反應器與 1#靜沉相比會在短時間內使三元水中的含油量有所下降.如圖4所示，4#反應器的曝氣加微生物處理，在第6 h含油量為12.13 mg/L，第7 h含油量為痕跡，去除率接近100%.

2.2 3#和5#中層水中含油量變化比較分析

大慶油田產油以輕質原油為主，比重小，同時在水中的存在狀態(tài)有O/W型和W/O型，在靜沉和曝氣后，中層的油多以O/W型存在.由于高分子聚丙烯胺酰胺本身的黏度以及表面活性劑的表面張力較大，導致三元水的zeta電位通常在－50～60 mV，原油乳化性較差，同時油水不易分離，因此對中層的含油量的情況進行了比較分析.如圖5所示，3#反應器中間層含油量的變化趨勢與2#反應器的上層變化規(guī)律基本一致，先減少后增加，最終的去除率為78.03%.如圖6所示，5#反應器與4#反應器的規(guī)律基本一致，在第7 h三元水水中含油量為痕跡.添加微生物填料后，由于三元水中的懸浮油通過曝氣會很快上浮到表面，經5 h曝氣后水中剩余原油小于5 mg/L，如果該階段進行原油的表面回收，微生物只能利用剩余的5 mg/L.該部分剩余原油不具有任何回收價值，原因是目前現(xiàn)有方法對低含量剩余原油回收成本太高.

圖5 3#反應器的含油量的變化趨勢

在3#和5#對照中發(fā)現(xiàn)，第5 h生物處理的含油量要高于氣浮，主要由于微生物進行了原油的破乳，導致原油含量增加到10.23 mg/L.微生物存在自身的生長代謝，在生長過程中會利用一些原油作為生長代謝的底物，使水含油在短時間內發(fā)生變化，致使三元水中的含油量下降，大大縮短去除水中含油的時間，微生物對三元水中殘油的深度去除效果明顯.

2.3 微生物原油利用比例分析

研究旨在探究微生物在整個處理過程中利用了多少油，利用的原油占總油量的多大比例.10 h測定了1#，2#和3#反應器的表層油和水中的含油，表層固體油采用汽油萃取法進行回收，測定其含量，同時4#和5#反應器與進行對比，估算出三元水在微生物處理的情況下，微生物對三元水中的油的利用率.研究將反應器水中的含油和固態(tài)油(漂浮在液面上的油和管壁的油)進行測量和核算(表1).

圖6 5#反應器的含油量的變化趨勢

表1 不同反應器中含油量的分布(總體積2.5 L)

由表1可見，測定的水樣中實際含油為200.69 mg，2#和4#是去上層水樣計算的原油質量，2#由于曝氣相對與1#原油質量損失7.96 mg，2#和4#共同的特點是相同的曝氣量，不同的是4#加入的微生物，兩者相比較原油損失 24.874 mg.3#和 5#測定的是中層的含油量，以3#和5#作為代表樣進行分析，單純的曝氣相對損失原油的質量為23.20 mg，這部分損失包括測量的萃取過程中的損失及曝氣過程中的蒸發(fā)，曝氣加生物處理后原油的質量為 151.41 mg，與 3#曝氣比較損失 26.08 mg.與上層的損失基本相當，損失的原油占總原油質量的12.7%.損失的原油是因好氧微生物維持自身生長需要代謝導致?lián)p失，一部分分解成二氧化碳和水，還有小部分包括固體油萃取的過程中會有一些損失，由此可見，微生物利用原油不超過12.7%.值得指出的是如果在工藝中加入氣浮裝置，及時回收原油，實際上微生物所能利用的會更低，微生物實際降解和利用的不超過6%.絕大部分原油可以得到有效回收.

3 結語

三元采出水中80%左右被回收利用，約有12%被微生物利用，在處理過程中被揮發(fā)和損耗的原油約占5%～8%.利用好氧微生物去除三元水中的原油，如果采用氣浮裝置進行回收，微生物所能利用的原油僅為5%.利用微生物處理三元水中的含油，處理時間短，無二次污染同時處理成本較低.因此，未來微生物對大慶油田三元水的處理有一定的應用價值.

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