电化学-超滤联合深度处理三元复合驱采出水

第2期
电化学-超滤联合深度处理三元复合驱采出水
敖露，郭亮，王飞，庞焕岩，马超
（大庆油田水务公司， 黑龙江 大庆 163000）
[摘 要] 以气浮处理后的三元复合驱采出水为研究对象，采用电化学-超滤组合工艺对其进行深度处理。

结果表明，采用电化学-超滤组合工艺的最佳条件：电化学电流40A，pH为6.5，锌盐混凝剂800mg/L；陶瓷膜超滤跨膜压差为0.20MPa，膜面流速为4m/s，浓缩倍数为1.5倍，进水温度40℃。

在上述最佳条件下，悬浮物的去除率达到99.6%，含油量的去除率达到99.4%，粒径中值去除率达到83.3%，聚合物的去除率达到96.1%，出水达到低渗透油层“5.1.1”回注水水质标准。

[关键词] 三元复合驱采出水；聚合物；悬浮物；含油量
作者简介：敖露（1991—），女，蒙古族，辽宁朝阳人，大学本
科，助理工程师，主要研究方向为油田采出水处理技术。

大庆油田已经进入中后期开采阶段，采出液综合含水率达到90%以上，采出水水量逐年增大、水质成分更加复杂。

2014年随着三元复合驱工业化大面积的推广，这一趋势变得更加明显。

三元复合驱采出水驱油剂中的PAM 使油珠Zeta 电负性增加[1]，采出水黏度增大，油水分离的速度变缓，沉降时间延长，表面活性剂的加入使油水界面张力大幅度降低，水中污染物状态更加稳定，采出水SS 浓度升高，乳化更加严重，油水分离及SS 的去除难度更大。

目前三元复合驱采出水主要用于回注高渗透油层，去向单一，基于此，根据三元复合驱采出水水质特点，制定合理的工艺处理流程，经过调试与运行，最终达到较好的处理效果，为三元复合驱采出水更多去向提供技术支撑。

1 实验概况
本实验所用三元复合驱采出水取自某油田联合站经气浮处理后出水，实验规模为24m 3/d ，出水水质要求达到低渗透油层“5.1.1”油田回注水水质标准，原水水质：悬浮物100～400mg/L ，含油量100～300mg/L ，粒径中值4～6μm ，聚合物300～800mg/L ，黏度4～7mg/L 。

2 工艺流程简介
为达到低渗透油层回注标准，首先考虑采用陶瓷膜超滤对其精细过滤，因此预处理工艺的选择是关键，由于三元复合驱采出水PAM 含量较高，造成油、SS 不易分离，鉴于电化学工艺[2]在高浓度有机废水中有广泛应用，尤其对大分子有机物去除效果明显，因此采用电化学对大分子PAM 断链降解，为后续超滤提供稳定有利的进水水质。

处理流程如图1所示。

由图1可见，采出水首先进入高效气浮池，水中绝大多数悬浮物和含油量被去除[3]，其次进入电化学装置，大部分PAM 彻底氧化断链分解，水
图1 三元复合驱采出水处理工艺流程
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节能减排
石油和化工设备2021年第24卷
图3 pH对电化学去除聚合物效果的影响
图2 电流对电化学去除聚合物效果的影响
质特性发生改变，油水分离及SS 去除效果显著，最后进入超滤装置，进一步深度去除小分子油和SS ，确保出水稳定达标，达标出水直接进入清水池，回注低渗透油层或回用于超滤反冲洗使用。

3 主要设备简介
电化学装置。

通过电化学氧化，改变水质特性[4]
，便于去除聚合物及悬浮物，确保出水满足后续超滤的进水要求。

设计尺寸为1m ×1m ×2m ，总体积为2m 3，HRT 为2h ，采用钛基钌铌电极板，高频直流电源：200A ×80V ，结构：碳钢，地上式。

超滤。

深度截留电化学出水中携带的油、S S ，使出水水质最终达标。

设计尺寸2.4m ×1.4m ×1.9m ，1座，膜规格为φ30×1016，膜孔径为200nm ，运行压力为0.2～0.5MPa 。

结构：不锈钢，地上式。

4 结果与讨论4.1 电化学实验
4.1.1 电流对聚合物去除效果的影响
采用单因素实验方式，在pH=6.5，混凝剂锌盐投加量800mg/L 的条件下，改变电化学电流为10A 、20A 、30A 、40A 、50A 、60A ，考察电流[5]对电化学去除聚合物效果的影响，结果如图2。

由图2可以看出，随着电流的加大，电化学出水聚合物以较快的速率下降，当电流达到40A 时，继续增加电流，聚合物下降趋势趋于稳定，能耗大大增加。

综合考虑运行成本，确定电化学运行电流为40A 。

4.1.2 pH 值对聚合物去除效果的影响
在电流为40A ，混凝剂锌盐投加量800mg/L 的
条件下，改变pH 值为4、5.5、6、6.5、7、8、9、10、10.5，考察pH 值对电化学去除聚合物效果的影响，结果如图3。

由图3可以看出，随着pH 值的下降，电化学出水聚合物以较快的速率下降，当pH 值为6.5时，继续增加pH ，出水聚合物几乎不变。

综合考虑运行成本，确定电化学pH 值为6.5。

4.1.3 混凝剂对聚合物去除效果的影响
在pH 为6.5，运行电流为40A 条件下，选择硫酸铝、聚合氯化铝、锌盐三种混凝剂，分别改变投加量为200mg/L 、400mg/L 、800mg/L ，考察混凝剂对电化学去除聚合物效果的影响，结果如图4。

图4 混凝剂对电化学去除聚合物效果的影响
由图4可以看出，随着投加量增加，硫酸铝、聚合氯化铝两种混凝剂对聚合物去除效果较差。

而锌盐混凝剂随着投加量增加，聚合物去除效果较好，当投加量为800mg/L ，聚合物降到40mg/L 左右。

综合考虑运行成本和后续超滤工艺进水水质要求，混凝剂选择锌盐，确定投加量800mg/L 。

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第2期
4.2 超滤实验
4.2.1 跨膜压差对陶瓷膜通量的影响
以电化学出水为处理对象，在陶瓷膜浓缩倍
数为1.5倍[6]，膜面流速为4m/s ，进水温度40℃不变的条件下，改变跨膜压差为0.08MPa 、0.10MPa 、0.15MPa 、0.18MPa 、0.20MPa 、0.25MPa ，考察跨膜压差对膜通量的影响，结果如图5。

图5 跨膜压差对的膜通量的影响
由图5可以看出，运行初期膜通量随跨膜压差的升高上升较快，主要原因是跨膜压差变大，加快了渗透液透过膜的速度，膜通量随之增加。

但当压力大于0.2MPa 后，膜通量开始出现下降趋势。

这是由于膜表面形成凝胶层[7]，通量达到临界值，此时，过高的压力会将膜表面的凝胶层压实，增加阻力，使膜通量下降。

此外，跨膜压差增高[8]，能耗也随之增加。

所以，综合考虑，跨膜压差选择0.2MPa 较为适宜。

4.2.2 进水温度对陶瓷膜通量的影响
以电化学出水为处理对象，在陶瓷膜跨膜压差为0.2MPa ，浓缩倍数为1.5倍，膜面流速为4m/s 不变的条件下，改变进水温度35℃、40℃、45℃，考察进水温度对膜通量的影响[8]，结果如图6。

图6 进水温度对的陶瓷膜的通量影响
由图6可以看出，随着温度升高，膜通量曲线整体上移，分析其原因，主要是提高温度，液体的黏度下降，溶质扩散系数增大[9]，膜通量随之增大，但污水中的SS 会在膜面形成滤饼层，温度过高则更容易压实滤饼层。

综合考虑，采出水温度一般在35～45℃，这个温度范围适合工业化生产，因此，运行温度选择40℃即可。

4.2.3 膜面流速对陶瓷膜通量的影响
以电化学出水为处理对象，在陶瓷膜跨膜压差为0.2MPa ，浓缩倍数为1.5倍，进水温度40℃不变的条件下，改变膜面流速为3.5m/s 、4m/s 、4.5m/s ，考察膜面流速对膜通量的影响，结果如图7。

图7 膜面流速对的陶瓷膜的通量影响
由图7可以看出，随着膜表面流速的升高，膜通量曲线整体上移，膜通量随之增大。

分析其原因在于：较高的膜面流速产生较大的水力剪切作用，使膜面污染物冲刷变薄，降低了浓差极化的影响，减小膜过滤阻力。

但膜面流速过高也会导致运行能耗加大。

综合考虑，选择膜面流速为4m/s 。

4.2.4 浓缩倍数对的陶瓷膜通量的影响
以电化学出水为处理对象，在陶瓷膜跨膜压差为0.2MPa ，膜面流速为 4m/s ，进水温度40℃不变的条件下，改变浓缩倍数为不排浓、浓缩倍数1倍、1.5倍，考察浓缩倍数对膜通量的影响，结果如图8。

图8 浓缩倍数对陶瓷膜的通量影响
敖露等 电化学-超滤联合深度处理三元复合驱采出水
节能减排
石油和化工设备图9 膜通量随时间的变化曲线图
◆参考文献
[1] 芦玉花，梁伟，王志敏，等. 三元复合驱采出污水油水分
离影响因素分析[J].石油地质与工程，2013，27(1)：121-124.
[2] 陈灿文，程军. 电化学方法处理染料废水的研究进展[J].广
州化工，2011，39(13)：36-37.
[3] 孙莹，王振波，苏慨然. 气浮法处理含油污水研究概况[J].
过滤与分离，2014，24(2)：46-48.
[4] 韩卓，王杨，吴凤，等. 电催化氧化法处理油田含聚采油
污水先导试验研究[J].环境工程，2014，(S1)：113-116.
[5] 鲁剑，张勇，吴盟盟，等. 电化学氧化法处理高氨氮废水
的试验研究[J].安全与环境工程，2010，17(2)：51-53.
[6] 张吉库，张馨，关亮. 电解气浮/陶瓷平板膜过滤组合工艺
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[7] 衣丽霞，董景岗. 陶瓷膜分离技术在含油废水处理中的应
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[8] 吴杨超，戴海平，范云双，等. 温度条件对浸没式超滤膜
性能及其应用的影响[J].天津工业大学学报，2012，25(6)：
14-16.
[9] 徐超. 油田含油污水陶瓷膜处理技术研究[D].东营：中国
石油大学（华东），2010.
收稿日期：2020-09-16；修回日期：2020-12-15
大。

原因在于，随着采出水浓度的增加，严重
加剧浓差极化现象，更早的形成凝胶层，导致超
滤膜通量迅速下降，产水总量大大减小，综合考
虑，选择浓缩倍数为1.5倍。

4.2.5 最优参数对陶瓷膜运行周期的影响
以电化学出水为处理对象，在陶瓷膜跨膜压
差为0.2MPa，膜面流速为4m/s，进水温度40℃，
浓缩倍数为1.5倍条件下连续运行，结果如图9。

由图9可以看出，在最优运行参数条件下，随
着运行时间0增加到300min，膜通量由140L/m2•h下
降到70L/m2•h，运行时间继续增加，膜通量变化不
明显，趋于稳定，运行周期相对较长为48h，平均
膜通量为70L/m2•h。

4.3 组合工艺实验
随着电化学、超滤工艺单元运行参数的优化
完成，整个组合工艺进入稳定运行阶段，连续稳
定运行一个月，经相关单位检测，具体运行效果
如表1所示。

项目
悬浮物
mg•L-1
含油量
mg•L-1
粒径中
值μm
聚合物
mg•L-1
黏度
mPa•s
原水2551866550 5.2
高效
气浮
136345538 4.1
电化学6 2.3331 1.1
超滤11121 1.0
表1 组合工艺各单元进出水水质
运行成本为9.25元/m3，其中，电耗为6.4元/m3，药
剂费（锌盐、PAM、膜清洗剂）为2.85元/m3，为
三元复合驱水的更多处理去向提供技术依据。

5 结论
（1）针对三元复合驱采出水水质特点及现场
实际情况，确定“电化学-超滤”组合工艺路线，
出水效果稳定达标。

（2）最佳运行参数：电化学电流40A，pH值
6.5，锌盐混凝剂800mg/L[10]；超滤采用间歇排浓
的运行方式，跨膜压差为0.20MPa，膜面流速为
4m/s，浓缩倍数为1.5倍，进水温度40℃，运行周
期48h。

组合工艺对悬浮物的去除率高达99.6%，
含油量的去除率高达99.4%，粒径中值去除率为
83.3%，聚合物的去除率为96.1%，出水可满足低
渗透油层“5.1.1”回注水水质标准。