磁分离处理高含量聚合物油田污水的方法
一、引言
孤岛油田进入特高含水期开发阶段以来，随着注聚、稠油、热采等三次采油工艺和各种增产措施的应用，采出液原油物性发生了较大变化，表现为原油密度增加、粘度增大、采出液聚合物含量增加、乳化状态复杂，原油脱水和污水处理难度越来越大，处理后的污水水质普遍较差。
截止目前，孤岛采油厂注聚区和稠油区的产液量和产油量占全厂的83%，其中注聚区污水为100×103·d-1，占总水量的75%，各联合站外输污水油含量猛增，质量浓度最高达2 800 mg·L-1。以上，加大了回注和外排污水的处理难度。磁絮凝法广泛应用于工业水处理、油田污水处理，通过配合气浮工艺可有效处理油田高含量聚合物污水，污水指标可达到回注标准。
二、问题分析及方案
胜利油田孤岛采油厂孤三联合站日处理含聚合物采油污水18×103m3，在采出液中发现含聚合物前，使用常规药剂即可完成原油破乳和污水处理工作。随着油田的不断开发，孤三联合站采出液性质更为复杂，乳化状态更加稳定，给原油破乳和污水处理带来很大困难，2007年外输污水中油的质量浓度达到1 500 mg·L-1 左右。对孤三联合站污水中聚合物含量检测发现，采出液中聚合物质量浓度平均为88mg·L-1，原油密度为0.9624g·cm-3，详见表1。
表1 目前和要求的污水达标水质
针对孤三联合站污水含油高、常规处理方式难以处理的问题，提出了“高效溶气气浮+磁分离的方案”。
磁分离(COMag)技术是利用外加磁场增强絮凝，以达到高效沉降和过滤的目的，是一种高效的分离微粒和超微粒的技术。原理是通过外加磁场使本身具有磁性的物质可以直接进行磁分离，本身无磁性的物质可以通过投加磁粉磁化后进行分离。
单独使用磁粉处理含油污水，虽然操作简单、费用较低，但出水含油量难以达标。因此为了提高处理效果，试验在加入磁粉的同时加入絮凝剂与助凝剂，使絮凝作用得到强化，再通过磁分离器将磁絮凝体分离除去，可得到较好的处理效果。该工艺以前在工程实际中应用极少，原因是磁粉的回收技术一直没有很好的解决，造成在实际工程中运行成本高，污泥处理困难，而现在这一点技术难题己经被攻破，得到了很好的解决，磁粉的回收率达到99%以上。
三、小试
3.1 絮凝剂用量的确定
无机和有机絮凝剂复配使用比单一的无机絮凝剂如聚合氯化铝(PAC)、聚合硫酸铁或有机阳离子聚合物等絮凝剂效果更为明显，同时絮凝剂和磁粉具有协同作用，通过小试确定复合絮凝剂和磁粉的最佳用量。
PAC为絮凝剂A，其用量对除油、除悬浮物的影响见图1。
由图l可知，絮凝剂A的最佳用量为50mg·L-1。
评价优选阳离子聚丙烯酰胺(PAM)类絮凝剂B，在A剂加药量50 mg·L-1的基础上，试验了B剂对除油、除悬浮物的影响，结果如图2所示。
由图2可知，絮凝剂B的最佳用量为2 mg·L-1。
3.2 磁粉用量的确定
磁粉中Fe3O4 的质量分数>98%，粒径主要集中在2~12μm。对磁粉进行透射电镜分析表明，磁粉并非理论计算中所采用的球形颗粒，而是多棱角的楔形，因此可认为磁粉产生高梯度效应的粒度比计算值要大。
试验考察了絮凝剂A与B的配合使用，A、B用量分别为50 mg·L-1和2 mg·L-1的条件下，磁粉不同加入量对去除金属离子、油、COD及沉降速度的影响，结果如图3和图4所示。
从图3和图4中可以看出，当3.0 mg·L-1时，各种金属离子的去除率都已较高，污水中油的质量浓度可以降到30 mg·L-1以下。结合实际考虑，现场磁性加载物用量为3.0 mg·L-1。
从图5中可以看出，随磁粉用量增加达到相同污泥体积沉降所需的时间最短， 当磁性加载物用量在3.5 mg·L-1时已具有较好的效率。
3.3试验结果
用磁分离技术对孤三联合站污水进行综合处理试验，具有较好的效果，处理后油、悬浮物含量和浊度已经很低，见表2。
表2 小试综合结果
四、现场试验
4.1 流程
孤三联合站脱水工艺采用三段沉降、电化学脱水工艺，污水处理为二级重力沉降除油工艺。试验前日使用XPI一5085B破乳剂500 kg，污水站来水油的质量浓度在3 000 mg·L-1以上，外输污水油的质量浓度1 500 mg·L-1左右。
来水首先经高效溶气气浮除油，去除率90%左右。气浮出水流入反应剂混合罐，在罐中添加絮凝剂和磁粉，水力停留时间(HRT)约为2 min，混合物流入锥形底的澄清罐中，通过外加磁场，在磁感应强度0.05T条件下，磁性絮状物夹带着所有固体颗粒包括残油迅速沉淀，进入系统的污泥层，总HRT约为8 min。絮凝出的污泥进入磁鼓对磁粉进行分离过滤后回收，污泥排入污泥池处理，回收的磁粉回反应混合罐循环使用，磁粉不需要连续投加，只需根据磁粉损失量定期投加。
4.2 结果
在完善小试结果的基础上进行试验，处理能力160 m3·d-1，连续运行40 d，絮凝剂A(PAC)投加量50 mg·L-1，絮凝剂B(PAM )投加量2 mg·L-1，反应罐中磁粉投加量(初期)3.5 mg·L-1。试验结果见表3。
表3 现场试验处理后水质
装置运行稳定，达到了很好的效果，经处理的污水能达到回注水的标准。若经简单的曝气处理，则可达到外排标准。
五、结论
采用“高效溶气气浮+磁分离”工艺进行了孤三联污水站的高含量聚合物油田污水处理的小试和现场试验，结果表明，处理后的水质能够达到油田回注标准，油和悬浮物的质量浓度均在5 mg·L以下;处理速度快，处理过程总HRT为8 min左右;污水处理成本较低，设备使用寿命长，除了正常的维护外，不用更换部件而造成的二次投资，正常情况下运行成本在0.15~0.5元·t-1左右，具有良好的经济效益和社会效益。由于外排水对去除CoD和BOD要求低于120mg·L-1，因此若要使处理后的水质达到外排标准，还需在污水处理系统中增加生物处理系统。
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