陽離子型清水劑處理含聚含油污水動態(tài)試驗

張洪，王迪，陳勇軍，王曼依，楊彬 (中海石油(中國)有限公司天津分公司，天津 300459)

清水劑是油田現場廣泛使用的一種水處理劑，在注聚油田采油污水的油水分離處理中起到至關重要的作用[1，2]。但隨著聚驅油田開采的不斷深入，采出污水返聚增加，污水性質發(fā)生變化導致處理難度加大。研究發(fā)現，聚合物的存在使得含聚污水區(qū)別于水驅采油污水，具有黏度高、油水乳化嚴重、攜固能力強等特點[3～6]：一方面，污水中殘留的陰離子聚合物吸附在油水界面膜上，ζ電位負值變大，產生靜電斥力增強，油珠在水中穩(wěn)定性增加，難以聚并；另一方面，污水含聚增大了油水界面膜彈性，界面膜穩(wěn)定性增加，使得攜帶的懸浮固體顆粒不易沉降，油珠在水中的浮升速率變慢，油水分離難度加大[7～10]。相比于陰離子型和非離子型清水劑[11，12]，陽離子型清水劑對帶有負電荷膠體溶液的含聚污水顯示出獨特的優(yōu)越性[13～16]，同時也引發(fā)很多問題，如污水中陰離子聚合物發(fā)生脫穩(wěn)、析出，產生大量的黏性污泥，影響生產設備的正常運行等[17～19]。海上某油田注聚開發(fā)已有十多年，目前返出污水大量含聚含油，達到100～300mg/L，現場使用的清水劑除油效率下降，亟待提升處理效果。為適應污水變化帶來的新問題，提高處理效果，減少清水劑用量，筆者以某油田含聚含油污水為研究對象，開展陽離子型清水劑的除油性能試驗研究，通過模擬現場處理設備和流程，優(yōu)化處理工藝和清水劑配比，提高含聚污水處理的除油率。

1 試驗部分

1.1 藥劑和儀器

1)含聚含油污水。模擬現場污水，礦化度為9374.13mg/L，含聚150mg/L，含油100～3500mg/L(以實測為準)，ζ電位值-21.30mV。試驗清水劑為陽離子型清水劑PEQ-1、PEQ-2、PEQ-3、PEQ-4、PEQ-5，均為聚醚類化合物，相對分子質量800萬～2000萬不等，分子鏈較長，是由聚氧化乙烯PEO與聚苯醚PPO嵌段而合成的不同化合物，實驗室自行合成。

2)試驗儀器。以某油田現場污水處理流程為基礎建立了一套可視化、拆卸方便的油水處理清水劑動態(tài)流程試驗裝置，包括污水加熱攪拌罐(體積20L)、斜板除油器(斜板傾斜角50°，495mm×160mm×200mm)、氣浮器(310mm×160mm×230mm)、核桃殼-石英砂雙介質過濾器等，可以組合成不同的處理流程或單獨使用。污水進入斜板除油器一次除油后，進入氣浮選器浮選除去懸浮物和乳化油，最后進入核桃殼過濾器過濾。試驗流程、加藥點及各取樣點如圖1所示。斜板除油器停留時間可在20～30min調節(jié)，氣浮處理停留時間可在10～20min調節(jié)，全流程運行時間在30～50min可調節(jié)。

試驗儀器還包括FM30高剪切分散乳化機(Fluko)和UV2450紫外可見分光光度計(Shimadzu)。

圖1 污水處理清水劑性能動態(tài)試驗流程

1.2 含油測定方法

將配制好的含聚含油污水輸入流程中的攪拌配液罐，開啟攪拌使油水混合均勻并控制其恒溫在60℃。設置好泵排量，啟動泵輸入污水。在加藥點注入清水劑，待污水充滿全流程平穩(wěn)運行后，同時在流程不同位置的4個取樣點取樣并分析其含油量。各處理單元動態(tài)流程參數設置如下：斜板除油器停留時間20min，污水泵排量290mL/min；氣浮器進氣量為350mL/min，氣浮器污水停留時間為12min。

污水含油分析按照SY/T 0530—2011《油田采出水中含油量測定方法》進行，用標準原油測定的含油標準曲線公式為：

式中：m1為油含量，mg/L；A1為測定的吸光度值。

2 清水劑除油效果

圖2 PEQ-1處理污水沿流程含油量變化

分別在加藥點B(污水泵出口的管道上)加入不同質量濃度的陽離子型清水劑PEQ-1、PEQ-2、PEQ-3、PEQ-4、PEQ-5，研究不同清水劑對污水除油的影響。

2.1 PEQ-1處理效果評價

加入PEQ-1后，污水反應較迅速，斜板除油器進口處浮油較多，氣浮器中油和絮體少。從圖2中看出，增加清水劑質量濃度含油量快速下降，除油效果提高，250mg/L時含油量降至24.16mg/L，總除油率達到98.67%，除油效果好。自取樣點2以后的含油量變化較小，說明除油過程主要發(fā)生在斜板除油器單元。這是因為PEQ-1是一種具有長分子鏈的水溶性高聚物，電離出大量的正電荷與含聚污水中帶有負電性的膠體微粒電性中和，快速集聚，對污水中的懸浮物和油珠具有吸附聚集作用，在斜板除油器中快速聚結沉降分離從而除去，使處理污水含油量迅速降低。

2.2 PEQ-2和PEQ-3處理效果評價

從圖3和圖4可以看出，清水劑質量濃度的變化帶來的含油量變化趨勢基本一致，含油量降至84.45～91.99mg/L，總除油率94.49%～ 95.24%。提高加入清水劑質量濃度，表現為作用速度加快，但是對降低斜板除油器出口含油量影響較小，說明對于這2種清水劑，提高清水劑質量濃度雖然能夠提高作用速度，對總的除油效果卻沒有明顯提高，清水劑質量濃度為200mg/L即可。

圖3 PEQ-2處理污水沿流程含油量變化 圖4 PEQ-3處理污水沿流程含油量變化

2.3 PEQ-4和PEQ-5處理效果評價

從圖5可以看出，提高清水劑質量濃度，在斜板除油器進口的含油量基本一致；清水劑質量濃度為300mg/L時，斜板除油器基本沒有除油效果，后續(xù)主要靠氣浮器發(fā)揮作用，氣浮產生的大量微氣泡使微小乳化油和懸浮物聚集上浮，除油率上升到65.22%。PEQ-4質量濃度為400mg/L時斜板除油器才開始發(fā)揮作用。在總除油率上，為400mg/L時除油效果優(yōu)于300mg/L時，PEQ-4對斜板除油器后續(xù)的單元裝置的負荷較大，會降低過濾器的使用壽命。圖6表明PEQ-5質量濃度為400mg/L時，污水除油效果較好，總除油率94.11%。

圖5 PEQ-4處理污水沿流程含油量變化 圖6 PEQ-5處理污水沿流程含油量變化

3 組合加藥工藝的除油效果

不同陽離子型清水劑的除油效果差異較大，以除油率最高的陽離子清水劑分別與非離子清水劑、陰離子清水劑組合，分別在流程不同點加入清水劑，考察沿流程污水含油量的變化：

組合1：非離子型清水劑FCH-1+陽離子型清水劑PEQ-1；

組合2：陽離子型清水劑PEQ-1+陰離子型清水劑YH-1和YH-2。

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3.1 組合1的處理效果評價

組合1及加藥順序：非離子型清水劑FCH-1(加藥點A)+陽離子型清水劑PEQ-1(加藥點B)，研究可否降低陽離子清水劑的質量濃度，實現高效除油的工藝目標。組合1的不同清水劑配比如下：

配比1：100mg/L FCH-1+200mg/L PEQ-1；

配比2：50mg/L FCH-1+200mg/L PEQ-1；

配比3：50mg/L FCH-1+250mg/L PEQ-1；

配比4：100mg/L FCH-1+100mg/L PEQ-1；

配比5：100mg/L FCH-1+150mg/L PEQ-1。

從圖7可以看出，配比1、配比2和配比3在取樣點1的污水含油量快速降為20mg/L左右，具有非常好的除油效果，在配比3時水中含油基本去除。從配比1、配比4、配比5和對比圖8單一清水劑作用效果來看，陽離子清水劑在除油中仍然起主導作用。當FCH-1質量濃度為100mg/L、PEQ-1質量濃度≥200mg/L時，在取樣點1的除油率比FCH-1單獨作用時的除油率高，表明PEQ-1可促進FCH-1除油，優(yōu)勢互補；當PEQ-1質量濃度<200mg/L時，如配比4、配比5，在取樣點1的除油率顯著降低，PEQ-1對FCH-1的除油具有一定的抑制作用，此時斜板除油器的作用發(fā)揮出來，可有效降低污水含油量，仍然具有較高的除油率。

配比3時，總除油率最大達到100%，此時陽離子型清水劑用量較大；以配比1在取樣點1的除油率較優(yōu)(98.37%)。結果表明，非離子型清水劑和陽離子型清水劑的質量濃度下降50%，全流程總除油率仍≥95%。組合1(配比1)在取樣點1的除油效果較單一清水劑作用時的除油效果好，但沿流程處理時含油量呈現小幅波動，這可能是2種清水劑相互影響的結果。

圖7 組合1處理污水沿程含油量變化 圖8 單一清水劑與組合1沿流程污水含油量變化對比

3.2 組合2處理效果評價

組合2及加藥順序：陰離子型清水劑YH-1(加藥點B)+YH-2(加藥點C)+陽離子型清水劑PEQ-1(加藥點D)，研究清水劑質量濃度變化時流程總除油率及整個流程中含油量的變化。組合2的不同清水劑配比如下：

配比6：150mg/L YH-1+150mg/L YH-2+200mg/L PEQ-1；

配比7：50mg/L YH-1+50mg/L YH-2+100mg/L PEQ-1；

配比8：100mg/L YH-1+100mg/L YH-2+150mg/L PEQ-1；

配比9：100mg/L YH-1+100mg/L YH-2+100mg/L PEQ-1；

配比10：100mg/L YH-1+100mg/L YH-2+50mg/L PEQ-1。

從圖9和圖10可以看出，組合清水劑效果優(yōu)于單一清水劑處理效果。清水劑加入后反應迅速，配比6、配比7、配比8處理后水中含油量≤12.08mg/L，動態(tài)流程將油基本除去，總除油率均≥99.08%，其中，配比8時除油效果最佳，基本不含油，配比7清水劑質量濃度最低，仍有99.08%的除油率。同時從圖10可以看出，隨著組合清水劑質量濃度降低，在取樣點1的除油率也隨之降低，改變其中任意一種清水劑質量濃度對取樣點1的除油率都有影響。在YH-1、YH-2和PEQ-1的組合試驗中，陰離子型清水劑質量濃度下降66.7%，陽離子型清水劑質量濃度下降75%，最終除油率均≥95%，除油效果好。YH-1、YH-2可促進油滴聚集和聚并，同時避免與聚合物發(fā)生電性相互作用。在不改變污水處理流程下，除油效果優(yōu)于單一清水劑，實現了2種清水劑功能的協(xié)同作用，清水劑質量濃度較單一清水劑大幅降低。

圖9 單一清水劑與組合2處理污水沿流程含油量變化對比 圖10 組合2處理污水沿程含油量變化

4 結論

1)陽離子型清水劑在工藝流程中，以斜板除油器單元除油為主，減輕了流程后續(xù)處理單元的負荷。清水劑能與含聚含油污水中的帶有負電性的膠粒電性中和，同時吸附雜質快速聚集形成絮體，促進在斜板除油器處油滴聚集和懸浮物自由沉降分離，有效降低污水的含油量。

2)5種陽離子型清水劑單獨作用在流程中的動態(tài)試驗結果表明，陽離子型清水劑PEQ-1質量濃度為250mg/L的全流程除油率達到98.67%，污水除油效果最優(yōu)。

3)組合清水劑效果優(yōu)于單一清水劑處理效果。組合2(配比7)：50mg/L YH-1+50mg/L YH-2+100mg/L PEQ-1，斜板除油器的除油率即可達到97.54%，全流程除油率達99.08%，可有效降低陽離子型清水劑配比和總清水劑的配比，降低了水處理清水劑成本。