油田采出廢水的強(qiáng)化混凝沉淀處理
中原油田是復(fù)雜斷塊油田，其采出廢水具有“四高一低”的特點(diǎn)：礦化度高［(4～15)×104mg/L］、游離CO2及HCO3-含量高(二者總量達(dá)300～1000mg/L)、某些金屬離子含量高(Ca2+、Mg2+總量達(dá)4000mg/L)、總鐵含量高(20～60mg/L)、硫酸鹽還原菌(SRB)含量高(105個(gè)/mL)，pH值低(5.5～6.5)。這種廢水經(jīng)重力除油、混凝沉淀、壓力過濾工藝處理后，實(shí)際出水水質(zhì)不穩(wěn)定，不能完全達(dá)到部頒標(biāo)準(zhǔn)，同時(shí)存在運(yùn)行藥耗高、泥渣量大的問題。
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1 混凝沉淀工藝現(xiàn)狀
馬寨廢水處理站混凝沉淀罐結(jié)構(gòu)如圖1所示。
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向經(jīng)重力除油后的原水投加4種藥劑：調(diào)整pH值的A劑(石灰)，混凝劑B劑(PAC)、絮凝調(diào)理劑C劑(活化硅酸)、D劑(PAM)，調(diào)理之后的廢水沿反應(yīng)筒的切線進(jìn)入，混合38s后進(jìn)入中心配水筒，停留時(shí)間為20min，完成礬花對水中細(xì)小懸浮顆粒的吸附之后流入斜板沉降區(qū)沉降。
原混凝工藝未設(shè)置旋流混合設(shè)備，在工程改造中增加了混合裝置，保證了所投藥劑和廢水的充分混合，但在進(jìn)入中心筒后水的流速僅為0.006m/s，不能有效地保證礬花的碰撞(即在中心筒內(nèi)只是形成礬花，是一種藥劑作用下的自發(fā)狀態(tài)，此時(shí)礬花僅隨水流穩(wěn)步下移，對水中的懸浮態(tài)顆粒和破乳油的吸附只是停留在低剪切運(yùn)動(dòng)水平，小礬花也很難長大)，顯然達(dá)不到工藝要求。
2 機(jī)理試驗(yàn)
2.1 機(jī)理分析
油田采出廢水中含有大量懸浮物、膠體顆粒、乳化油，而pH值調(diào)節(jié)、壓縮雙電層、吸附架橋、破乳等工藝過程均是多相共存體系，其處理實(shí)質(zhì)是藥劑擴(kuò)散、微小絮體凝聚長大和大絮體的分離過程，而體系中物相碰撞的動(dòng)力學(xué)致因是慣性效應(yīng)。在水流方向上垂直布置小孔眼格網(wǎng)可強(qiáng)化顆粒碰撞的效果，產(chǎn)生并控制渦漩尺度和強(qiáng)度，具有以下幾種動(dòng)力學(xué)作用：①由于離心慣性效應(yīng)，顆粒沿徑向運(yùn)動(dòng)，在由原速度區(qū)向新速度區(qū)運(yùn)動(dòng)時(shí)，因速度差異而與新速度區(qū)內(nèi)的顆粒發(fā)生碰撞合并；②渦漩內(nèi)相鄰的速度層間產(chǎn)生滑移為層與層間的顆粒碰撞提供了條件；③水流湍動(dòng)使得渦漩離開原位置，這為不同渦漩內(nèi)的顆粒合并提供了條件；④由于過網(wǎng)水流的慣性作用，礬花產(chǎn)生強(qiáng)烈的變形，使礬花中處于吸附能級低的部位，由于其變形揉動(dòng)作用達(dá)到高吸附能級的部位，使得通過網(wǎng)格之后的礬花變得密實(shí)。
2.2 試驗(yàn)工藝
試驗(yàn)工藝設(shè)備簡圖見圖2。
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試驗(yàn)中加強(qiáng)了微渦漩、亞微觀傳質(zhì)的動(dòng)力學(xué)控制，高效利用各種藥劑并縮短了反應(yīng)歷程；依靠小孔眼的網(wǎng)格生成渦漩，大幅增加高強(qiáng)度微渦漩，利用網(wǎng)格空間控制渦漩的強(qiáng)度和尺度，達(dá)到了最佳的混凝、絮凝狀態(tài)；沉淀工藝采用間距小、布水均勻的斜板，斜板傾角由60°改為66°，又因其無側(cè)向約束，因而排泥通暢。
2.3 檢測指標(biāo)
依據(jù)《碎屑巖油藏注水水質(zhì)推薦指標(biāo)及分析方法》(SY/T 5329—94)中推薦的檢測指標(biāo)(懸浮固體、油、pH值、溶解氧、總鐵、濾膜系數(shù))，選用721分光光度計(jì)、0.41μm的纖維素微孔膜、測氧管及測鐵管等檢測設(shè)備。
3 試驗(yàn)結(jié)果
馬寨廢水處理站重力除油罐出水中含油為60～95mg/L，懸浮雜質(zhì)為50～80mg/L，總鐵為8～15mg/L，顯然混凝沉淀對油和懸浮雜質(zhì)的去除效果都要保證。圖3～5是試驗(yàn)期間處理站原工藝和強(qiáng)化工藝出水水質(zhì)的對比。
由圖3～5可明顯看出，強(qiáng)化工藝出水的各項(xiàng)指標(biāo)較廢水處理站原工藝出水好，其懸浮雜質(zhì)、油、總鐵的去除率分別可達(dá)到56%、98%、99%，而且由于總鐵大幅度減少，使得整個(gè)處理系統(tǒng)的出水在注水回用的過程中保持穩(wěn)定，防止了二次污染的發(fā)生。
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試驗(yàn)中對混凝強(qiáng)化前后水體中礬花的沉淀性能進(jìn)行了對比。前者取自水廠投藥后進(jìn)入沉降罐前的原水，后者是經(jīng)試驗(yàn)設(shè)備反應(yīng)4min的混合水，分別置于兩個(gè)250mL的量筒，靜沉?xí)r間和清晰泥面高度的關(guān)系如圖6所示。
圖6中強(qiáng)化后的混合水靜沉4min即進(jìn)入臨界沉降點(diǎn)，10min左右懸浮物的壓縮比可達(dá)20%，與試驗(yàn)現(xiàn)場靜沉2h的壓縮比(15%)基本一致，較水廠混合后水中礬花的沉淀性能提高，由此可明顯看出經(jīng)過混凝強(qiáng)化，礬花的沉淀性能得到了實(shí)質(zhì)性改善。
為充分利用混凝沉淀罐的水平截面積和提高產(chǎn)水量，根據(jù)淺池理論選用板間距為1.5cm的斜 板進(jìn)行泥水分離試驗(yàn)，結(jié)果表明水體在斜板間流速≤1.8mm/s時(shí)，出水的懸浮物含量≤35mg/L，完全符合進(jìn)入濾池的水體懸浮物濃度要求(≤50mg/L)，因此可將1.8 mm/s作為斜板負(fù)荷的設(shè)計(jì)參數(shù)，按此推算混凝沉淀罐經(jīng)改造后處理水量可達(dá)8000m3/d，產(chǎn)水量提高了1倍。
由于混凝沉淀工藝對去除油、懸浮雜質(zhì)的要求較高，因此投藥量相對較大，藥劑費(fèi)成為制約廢水站經(jīng)濟(jì)運(yùn)行的瓶頸，而混凝沉淀的強(qiáng)化措施使得所投藥劑和水體充分混合、反應(yīng)，在一定程度上減少了藥耗。強(qiáng)化工藝與原工藝投藥量及經(jīng)濟(jì)分析的對比見表1。
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另外，中原油田廢水的pH值較低，使廢水處理系統(tǒng)運(yùn)行不穩(wěn)，需要大量投加石灰來提高pH值才能減少不穩(wěn)定因素的影響，據(jù)江漢石油學(xué)院作過的調(diào)查，投加600mg/L的石 灰將水體的pH值提高到8.0以上可使處理后的水質(zhì)保持穩(wěn)定。試驗(yàn)中成功地將石灰投量大幅降低，泥渣量也減少了50%以上，對實(shí)際生產(chǎn)運(yùn)行十分有利。
4 結(jié)論
、 慣性效應(yīng)是多相物系中顆粒碰撞的動(dòng)力學(xué)致因。
、 加強(qiáng)亞微觀傳質(zhì)促使顆粒充分接觸、碰撞，節(jié)省藥耗；微小渦漩的離心慣性效應(yīng)為顆粒碰撞凝聚提供了動(dòng)力學(xué)條件。
、 合理的動(dòng)力學(xué)控制使反應(yīng)歷程由20.0min縮短至4.0min。
、 小間距斜板沉淀池負(fù)荷較常規(guī)工藝負(fù)荷提高1倍，出水水質(zhì)穩(wěn)定、不積泥。
、 同原工藝相比，強(qiáng)化工藝可節(jié)省A劑10%，B劑20%，C劑30%，D劑40%，顯著節(jié)省運(yùn)行成本。
、 泥渣量較原工藝降低50%，具有較強(qiáng)的實(shí)用性，且大大改善了處理后水質(zhì)，使沉淀池出水各項(xiàng)指標(biāo)達(dá)到或接近油田回注水標(biāo)準(zhǔn)，減小了后續(xù)過濾工藝的負(fù)荷，經(jīng)濟(jì)、社會(huì)效益顯著。
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