中原油田复杂采出水“微生物+膜”处理研究及现场试验

2021年第21卷第2期环境保护与治理
编辑倪桂才中原油田复杂采出水“微生物膜
处理研究及现场试验
黄雪松，王晓颖，张丽
（中国石化中原油田分公司石油工程技术研究院，河南濮阳457001）
摘要：针对中原油田东濮老区采出水成分复杂、处理安全环保压力大的现状，为解决现有水处理工艺药剂用量、污泥残渣产生量大、处理成本高的难题，采用微生物活性污泥法，同时配套管式纤维超滤膜，开展“微生物活性污泥+膜过滤”水处理技术。

通过将筛选出的适应中原油田污水复杂水质特性的最优微生物菌群投放至微生物反应池，集成管式超滤膜装置，在污水处理站开展“微生物活性污泥+膜过滤”处理技术现场试验。

现场试验表明，采用该工艺处理油田污水，出水悬浮物（SS）、含油量、悬浮物颗粒粒径中值、平均腐蚀速率、硫酸盐还原菌（SRB）等各项指标均达到SY/ T5329—20l2《碎屑岩油藏注水水质指标及分析方法》回注标准；同时污泥产出量和处理成本较原处理工艺降低，实现了油田绿色环保可持续发展的目的。

关键词:油田采出水；水处理；微生物；超滤膜；活性污泥法
DOI：l0.3969/j.issn.l672-7932.202l.02.005
0前言
中原油田东濮老区采出水由采出液分离出的水、洗井水、井下作业污水、雨水、生活污水组成，成分复杂，具有“四高一低”的特点，即矿化度高，H2S含量高，含铁高,硫酸盐还原菌（SRB）等细菌含量高,pH值低［l,2］。

其中矿化度值平均在90000 mg/L,H2S含量为l6.5mg/L,pH值约6.0。

东濮老区l2座污水处理站均采用“自然收油+混凝沉降+压力过滤”三段式水处理工艺。

“三段式”工艺基于氧化剂除铁、（pH调整剂+絮凝剂+助凝剂）净化+水质稳定剂防垢，应用的化学药剂种类多，处理药剂成本平均0.78元/m3,全年药剂费用高达2262万元;大量药剂的加入导致后续污泥产生量大，每年产生污泥残渣超过40000t,污泥残渣经浓缩、脱水、消化等处理全部采用回注方式回注地层，注水残渣处置环保压力大［3,4］。

为寻找一条适合中原油田复杂产出水绿色环保处理的技术,通过靶向微生物驯化，实现特种微生物对采出水选择性降解，集成管式纤维超滤膜，开展“微生物活性污泥+膜过滤”处理技术研究及现场试验。

“微生物活性污泥+膜过滤”处理工艺首先将室内筛选的且在油田产出水中保持高酶活性的微生物菌种，投加到生化池中,通过曝气装置连续向好氧池内鼓入空气，经过一段时间,形成有大量好氧微生物的活性污泥，活性污泥能够吸附水中的有机物。

生活在活性污泥上的微生物以采出水中的有机物为食料,有机物被分解、去除［5-7］。

同时，污水中的S2-被连续输送的氧气氧化成单质硫、SO2-［8-l0］;Fe2+被氧化成具有絮凝效果的Fe3+［ll］，使污水得以净化。

其次，配套超滤膜过滤技术,膜元件采用管式膜,材质为聚乙烯，截留孔径为l00nmo 污水中的细菌、胶体、SS、大分子等物质几乎全部被超滤膜截留,使出水SS和浊度大幅度降低［l2，l3］。

收稿日期：2020-ll-03
第一作者简介：黄雪松，高级工程师，博士,20l4年毕业于中国石油大学（北京）材料学专业，现主要从事油田水处理及防腐技术研究。

环境保护与治理2021年第21卷第2期
1采出水水质情况
中原油田东濮老区采出水主要水质指标见表1。

由表1可知，油田污水高含盐、高含油、高含硫，成分复杂。

表1污水站进水水质指标
水质参数测试结果pH 6.0
含油量/(mg-L-1)85.6
SS的质量浓度/(mg-L-1)103
Cl-1的质量浓度/(mg•L-1)54500
S2-的质量浓度/(mg-L-1)16.5
总Fe的质量浓度/(mg-L-1) 5.72
矿化度/(g-L-1)92.9
SRB含量/(个•mL-1)25.0
平均腐蚀速率/(mm•a-1) 1.3423
2微生物菌群的筛选培养
2.1微生物菌种筛选
首先,通过外源微生物培养和驯化试验，提取了对咼矿化度、咼含硫、咼含油油田污水具有特效降解作用的以柄纤毛虫、钟虫等为主的特种微生物联合菌群。

其次,通过特种菌群与污水站水样进行有效配伍试验,筛选出对中原油田复杂采出水保持高酶活性的50多株微生物菌株，高酶活性微生物筛选流程见图1。

然后，将筛选出的微生物菌株复配出15种组合，将复配好的15种组合菌进行功能性试验。

以马寨联合站采出水为水样，考察15种不同组合的微生物菌群对采出水中油类、悬浮物及H S的适应能力和降解效果，结果如图2所示。

通过比较15组好氧菌株组合对废水中典型污染物质的适应能力和去除效率，由图2可知，菌株组合15对采出水含油、悬浮物、H2S的去除效果均较好，其中对含油量、悬浮物的去除率在98%以上；同时，经微生物好氧生化反应，菌株组合15对污水中硫化物去除率咼达97.6%，因此，最终选择组合15作为现场试验的基础菌群。

篋
组合类型
图2不同组合菌群对废水中污染炀质去除率
2.2特种微生物的使用条件
筛选的微生物组合菌群的使用环境温度为10~45T(最佳温度20~40T)；适宜的pH值为6~9；溶解氧范围为1.5~4.0mg/L；控制生化池内BOD:N：P=100：5：1o在此生长环境下，微生物组合菌群生物活性大，易形成优势菌群;对于高含盐量、高含硫的油田污水，调试启动快，一般只需25~35d。

2021年第21卷第2期黄雪松，等.中原油田复杂采出水“微生物+膜”处理研究及现场试验环境保护与治理
2.3微生物培养及投菌运行
在调试及投运初期，需定期向微生物反应池中投加特种联合菌群;培菌阶段及正常运行时,需投加面粉、磷酸二氢钾、尿素等营养剂，严格控制BOD:N：P=1OO：5：1(COD:N:P=2OO：5:1)，保证活性污泥能够快速培菌启动成功及微生物的正常生长［14］o为确认效果，每天检测生化池的活性污泥浓度，以及池内上清液中氮、磷含量,来判断是否存在营养剂的短缺;控制曝气量和曝气时间,要经常测定池内溶解氧含量，使溶解氧浓度控制在1.5~4.Omg/L。

微生物处理系统的关键是给予特种联合菌群适当的生长环境和停留时间，使其在适宜的条件下不断地生长和繁殖，同时在竞争中不断提高自身抗冲击的能力。

3 “微生物活性污泥+膜过滤”处理工艺流程设计
“微生物活性污泥+膜过滤”处理工艺主要由微生物反应池和管式超滤膜装置组成。

工艺流程如图3所示。

污水回流进池
图3微生炀活性污泥+膜过滤工艺流程
3.1微生物反应池
现场微生物好氧生化处理部分，由4座微生物反应池组成，每2座反应池一组，组内串联运行,组间并联运行，每座反应池尺寸16.5mX 4.2mX6.2m。

池底设有曝气系统,一是为微生物供氧,消耗有机物;二是使污水中的S2-被连续鼓入的空气氧化成单质硫、S04",达到脱硫目的；同时污水中Fe2+被氧化成具有絮凝作用的Fe3+,促使活性污泥絮体更加容易沉降，使污水得以净化［15］o 3.2管式超滤膜装置
生化曝气池内预处理后上清液经循环泵送入管式超滤膜装置，膜装置由3组膜组成，每组14支，单支膜面积52.3m2,膜通量30L/(m2•h)。

通过外压的作用，非对称性超滤膜对废液中的大分子物质或胶体进行截流以及膜表面的机械筛分，膜出水加入除氧剂后进注水系统［11］o由于超滤具有节能、分离过程中不发生相变等特点,被广泛用于化工、食品、医药、水处理等工业领域［13］。

图4起滤膜组建结构
4“微生物活性污泥+膜过滤”处理技术现场应用分析
马寨油田属于低渗透油藏，平均空气渗透率O.045»m2,采出水经原处理工艺处理后出水水质仅达到B1级水质指标(见表2)，不能满足低渗透油藏注水开发需要的A2级水质；同时污泥产生量较大，环保问题突出。

因此，在马寨污水站开展“微生物活性污泥法+膜过滤”污水处理技术研究及现场试验，站内建设微生物反应池4座,管式超滤模3组，综合用房1座，配套专用阻垢曝气系统以及投菌装置、超滤循环清洗装置、除氧装置、自控系统、供配电等。

投运初期，为保证“微生物活性污泥+膜过滤”处理系统的稳定性，初始运行处理量为2OOO m3/d；随着处理系统运行出水水质稳定,处理量提升到3OOO m3/d,考察“微生物活性污泥+管式超滤膜”工艺处理效果。

表2原处理工艺出水水质指标
水质参数测试结果pH 6.9
溶解氧的质量浓度/(mg-L-1)O.O3
S2-的质量浓度/(mg-L-1)0.53
油的质量浓度/(mg-L-1) 2.5
SS的质量浓度/(mg-L-1)3
总Fe的质量浓度/(mg-L-1)0.5
粒径中值/|Jim 1.95
平均腐蚀速率/(mm•a-1)O.O71 SRB含量/(个•mL-1)25
4.1水质指标保持稳定
“微生物活性污泥+超滤膜”处理工艺出水水质指标见表3。

由表3可知,经过微生物活性污泥法预处理和后续管式超滤膜进一步处理后，中原油田采出水中悬浮固体含量、含油量、悬浮物颗粒
环境保护与治理2021年第21卷第2期
粒径中值、平均腐蚀速率、SRB等各项指标均达到SY/T5329—20l2《碎屑岩油藏注水水质指标及分析方法》A2级回注标准:注入层平均空气渗透率区间为(0.0l,0.05］，单位为^m2;H2S和总Fe含量分别从l6.5mg/L降至0.39mg/L,5.72mg/L 降至0.4mg/L;平均腐蚀速率控制在0.076mm/a 以内。

表3 “微生炀+膜”处理出水水质指标
水质参数测试结果pH值 6.5
溶解氧的质量浓度/(mg-L-1)0.03
S2-的质量浓度/(mg-L-1)0.39
油的质量浓度/(mg-L-1)0.47
SS的质量浓度/(mg-L-1)0.6
总Fe的质量浓度/(mg-L-1)0.4
粒径中值/|Jim 1.46
平均腐蚀速率/(mm•a-1)0.038 SRB含量/(个•mL-1) 2.5
加入特定菌群能够在污水中快速建立一条有效降解苯系类、烃类、脂类等有机污染的生物群,通过微生物的脱氢酶、氧化酶等的作用对污水中各种复杂的脂肪族、芳香族和有机酸等有效进行生物降解。

这些特种微生物通过水合、活化、氧化、还原、合成，把复杂的有机物降解成为简单的无机物，最终产物为H2O和CO［5,l6］。

微生物分解有机酸和芳香烃的原理如图5所示。

+。

2酶
R-COOH2”a R-CH2-CH2OH+H2O
+o2|酶
r-ch2-cooh-^------►CO2+H2O
,CHO
COOHf・・—>003+^0
”OH
图5微生炀分解有机酸、芳香烃原理
微生物对含硫废水进行好氧处理后排出呈胶体状态的微小硫颗粒，同时微生物反应池的曝气系统也将污水中的硫化物氧化成单质S和so2-［8-i0］,其氧化反应如下：
2S2-+O2+2H2O t2S J+4OH-
HS-+2O2+OH-t SO4-+H2O
污水中的Fe2+通过曝气氧化成具有絮凝作用的Fe3+［ll］。

Fe3+改变了活性污泥絮体的大小和结构，使其易于沉降。

另一方面，铁是微生物代谢过程中必不可少的微量元素,Fe3+的加入可以改变活性污泥分层胞外聚合物的分级组分，从而可以改善活性污泥自身的絮凝性能并促使活性污泥絮体更加容易沉降，使污水得以净化［l5］。

微生物活性污泥法在实现废水中难降解有机物去除的同时,达到脱硫除铁目的;后续的超滤膜装置可有效截留污水中的细菌、胶体、SS、大分子有机物等物质,使出水水质达到回注油藏的标准要求。

4.2污泥产出量和水处理成本降低
通过对污泥排放量进行分析，“微生物活性污泥+超滤膜”工艺每处理l000m3污水产生干污泥0.03t,与原处理工艺产生干泥量0.58t相比，减少干污泥量0.55t,降幅为94.8%。

原工艺使用药剂为氧化剂、pH调整剂、絮凝剂、助凝剂、水质稳定剂,处理药剂成本平均0.78元/m3。

“微生物活性污泥+超滤膜”处理工艺中，为维持生化系统的正常运行，通过检测生化池中活性污泥的浓度以及上清液中氮、磷含量，按照bod:N：P=100：5：l计算面粉、磷酸二氢钾、尿素等营养剂的投加量；同时根据膜出水含氧情况投加除氧剂后进入注水系统。

经统计“微生物活性污泥+超滤膜”处理工艺使用营养剂、除氧剂等药剂的综合费用平均为0.48元/m3,与原工艺相比药剂费用下降0.30元/m3o现工艺与原工艺相比增加循环水泵、反洗水泵和风机等设备，电费增加0.58元/m3;由于污泥量大幅下降，污泥处理成本比原处理工艺下降0.7元/m3。

由于现工艺流程简短、自动化程度高，用工由13人减少到6人，人工费减少1.27元/m3o综上，“微生物活性污泥+超滤膜”工艺综合处理成本比原处理工艺降低0.31元/m3o
5结语
针对中原油田东濮老区采出水成分复杂、难处理的现状，为解决现有水处理工艺药剂用量、污泥残渣产生量大、处理成本高等难题。

采用微生物活性污泥法,同时集成超滤膜工艺,应用了“微生物活性污泥+超滤膜”污水处理技术。

通过微生
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物活性污泥法在去除有机物等难处理物质的同时实现脱硫除铁目的。

该复合工艺降低了污水处理药剂成本及注水残渣的产生量，提高了污水站出站水质，实现水处理的低成本和高效率，达到降本增效、绿色环保可持续发展的目的。

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Research and Field Test on“Microorganism and Membrane”Treatment of Complex
Produced Water in Zhongyuan Oilfield
Huang Xuesong,Wang Xiaoying,Zhang Li (Research Institute of Petroleum Engineering Tech­nology,SINOPEC Zhongyuan Oilfield Company, Henan,Puyang,457OO1)
Abstract:In view of the complex composition of pro­duced water in Dongpu Old Area of Zhongyuan Oil field and the high pressure of treatment safety and en­vironmental protection,the“microbial activated sludge and membrane filtration”water treatment tech­nology was developed by using microbial activated sludge method and supporting tubular fiber ultrafiltra­tion membrane.The selected optimal microbial flora adapted to the complex water quality characteristics of Zhongyuan Oilfeld Sewage was injected into the mi­crobial reaction tank and integrated with the tubular ultrafiltration membrane device.The field test of this technology was carried out in the sewage treatment station.The test results showed that the effluent SS, oil content,median particle size of suspended solids, average corrosion rate and sulfate reducing bacteria (SRB)can meet the re-injection standard of SY/ T5329-2O12“Water Quality Index and Analysis Method of Clastic Reservoir Water Injection”.The sludge production and treatment cost were lower than those of the original treatment process,which realized the goal of sustainable development of green environ­mental protection in oilfield.
Key words:oilfield produced water；water treatment; mirco-organism；ultrafiltration membrane；activated sludge process。