李 松

（中国石油冀东油田公司 油气集输公司，河北 唐山063200）①

金属膜分离技术是目前用于城市污水和工业废水深度处理的一项新型实用技术。由钛、镍、不锈钢等金属材质制造的金属膜具有机械强度高、无相变操作、低耗高效的特点，由于其处理装置占用空间小，特别适用于老厂技术改造升级［1－5］。冀东油田高尚堡联合站主要担负高尚堡采油作业区的污水处理任务，鉴于该地区油层特性，对注水水质要求较高，需达到SY5329—1994标准A2级水质［6］。但是，由于采出水成分复杂，原有2段式污水处理工艺已无法保证回注水的悬浮物质量浓度、粒径中值指标持续达标。在对多种深度过滤技术的过滤效果、加工精度、再生性能和适应性进行综合对比的基础上，选用了金属膜过滤装置，以金刚砂等多种滤料过滤装置作为预处理，通过精细过滤手段去除大颗粒悬浮物，取得了较好的应用效果［7］。

1 污水水质特征及处理现状

1.1 进水水质

冀东油田高尚堡联合站污水来源主要为高尚堡采油作业区的采出水，其主要水质特征是：①温度较高；②水质变化大，污水含油浓度、悬浮物含量、聚合物含量以及油水乳化程度等均有可能在短时期内出现较大的变化；③油和悬浮物含量较高；④成分复杂，含有石油类物质、地层黏土颗粒、溶解性矿物质、细菌和油田采油助剂等［8－11］。

1.2 处理工艺

原有的污水处理工艺流程如图1所示，由高尚堡采油作业区采出液脱出的含油污水依次经过一级、二级混凝沉降处理后，再经核桃壳和纤维球过滤罐两级过滤处理，最终输送至各注水站进行回注。

图1 原回注污水处理工艺流程

1.3 存在问题

高尚堡联合站原注水处理工艺主要存在2个问题：

1） 水处理总量无法满足高尚堡采油作业区所需注水量。

2） 对小粒径悬浮物的拦截和吸附能力有限，回注水悬浮物和粒径中值指标合格率较低。

高尚堡联合站原注水处理工艺回注水悬浮物监测数据如图2，回注水粒径中值检测数据如图3。由图2～3可知，在该监测时间段内，回注水中平均悬浮物质量浓度为8.3mg／L，平均粒径中值为5.43 μm。可见，原有注水处理工艺已不能适应进水水质变化和出水指标要求，必须进行技术改造，需采用精细过滤技术进行深度处理。

图2 2010年原注水处理工艺回注水悬浮物监测数据

图3 2010年原注水处理工艺回注水粒径中值监测数据

2 技术原理及工艺设计

2.1 技术原理［12］

膜分离是借助于膜，在某种推动力的作用下，利用流体中各组分对膜的渗透速率的差别而实现组分分离的过程。膜分离过程有截留率和膜通量2个重要的过程参数。

1） 截留率 表示膜阻止料液中某组分通过或截留其中某一组分的能力。计算式：

式中：R为截留率，%；Cp为透过液浓度；C为进料液浓度（Cp和C可用任何浓度单位表示，但二者应相同）。

2） 膜通量 表示单位面积膜的过滤速率，是以膜分离过程中单位时间内通过单位膜面积的滤过液体积来表示。其计算公式为：

式中：J1为膜通量，L／（m2·h）；V 为取样体积，L；t为取样时间，h；A为膜有效面积，m2。

3） 渗透通量及污染阻力

式中：J2为渗透通量 m3／（m2·h）；△p为膜压差，Pa；u为油田污水粘度，Pa·s；Rt为过滤总阻力；Rm为膜自身阻力；Rp为浓差极化阻力（可用水冲洗除去）；Re为颗粒等在膜表面吸附及沉淀形成的滤饼阻力（物理方法清除）；Ri为膜孔堵塞阻力（化学方法清洗）。

2.3 扩建污水金属膜处理工艺

2.3.1 工艺流程

扩建后高尚堡联合站污水处理工艺如图4所示。金属膜过滤装置增设于高尚堡联合站污水处理系统，设计处理规模为6 000m3／d，主要处理工艺为：将纤维球过滤罐出水提升泵依次输送至金刚砂过滤器和钛金属膜过滤器进行逐级过滤处理，再通过外输泵输送至高尚堡作业区各注水站进行回注。

图4 扩建后高尚堡联合站污水处理工艺流程

2.3.2 主要部件

金刚砂复合过滤器内部结构如图5所示。金刚砂过滤器作为膜过滤的预处理装置，复合滤料在过滤器内部形成梯度分布的滤床，来水通过分配器进入过滤器内，流经吸附性较强的多孔滤层后，被集液滤芯截留，逐级除去水中的油份和机械杂质。

图5 金刚砂复合过滤器内部结构示意

钛金属膜过滤器内部结构如图6所示，进水经分配器进入过滤器内，流经金属膜滤芯进行微孔过滤后，被集液滤芯截留，进一步除去小颗粒悬浮物。

图6 钛金属膜过滤器内部结构示意

金刚砂和钛金属膜过滤装置主要技术指标如表1所示。

表1 金属膜过滤器技术指标

3 应用效果分析

从现场运行统计数据和注水水质监测指标来看，钛金属膜过滤装置的适应性较好，实际处理量和出水指标达到工程设计要求和行业标准，处理成本相比原工艺也有所降低。

3.1 运行效果

3.1.1 处理量

高尚堡联合站金属膜过滤装置实际处理水量如图7所示。金属膜过滤装置实际日均处理水量约为4 800m3／d，最高处理量可达到5 500m3／d，可完全满足高尚堡地区注水量以及高尚堡联合站过滤装置滤料反冲洗的需要，达到了设计指标和预期效果。

图7 金属膜过滤装置实际处理水量

3.1.2 主要水质指标

1） 悬浮物去除效果 金刚砂和金属膜过滤装置出水悬浮物含量监测数据如图8所示。在进水水质指标满足系统要求时，金刚砂过滤器出水平均悬浮物质量浓度为0.808 9mg／L，钛金属膜过滤器出水平均悬浮物质量浓度为0.792 9mg／L。

图8 2011年金刚砂和金属膜过滤出水悬浮物浓度

2） 回注水处理效果 增设金属膜过滤装置后回注水中悬浮物监测数据如图9，回注水中粒径值监测数据如图10。如图9～10所示，回注水平均悬浮物质量浓度为1.39mg／L，回注水悬浮固体粒径中值平均为0.79μm。

图9 增设金属膜过滤装置后回注水中悬浮物监测数据

图10 增设金属膜过滤装置后回注水中粒径中值监测数据

3.2 效益分析

3.2.1 环境效益

由于不合格回注水注入地层后会造成地层孔隙堵塞、降低注水效率、增加注水能耗，并导致油井产能降低、产液量下降快。高尚堡联合站通过钛金属膜精细过滤处理后的回注水可显著提高悬浮物和粒径中值指标合格率，有效降低了不合格回注水对地层的不良影响。

3.2.2 经济效益

在原处理工艺中，需要通过提高污水加药浓度、增加滤料更换次数或进行过滤罐结构改造等措施来达到提高回注水质的目的，造成污水处理费用偏高。金属膜处理装置投用后，降低了前端处理的运行维护费用。相比于改造前，每年可减少水处理药剂和过滤罐滤料更换等费用约￥58.4万元。

4 结论

1） 钛金属膜分离技术在冀东油田高尚堡联合站的成功应用，解决了回注水悬浮物难以达标的问题，在油田生产和新技术引进方面都具有一定积极意义。钛金属膜过滤装置日均处理水量可满足现阶段高尚堡作业区回注水需求量，且在进水水质达到设计要求的条件下运行效果较好。处理后回注水平均悬浮物质量浓度1.39mg／L，平均粒径中值0.79 μm，适用于油田回注污水的深度处理。

2） 建议在今后的研究中，把膜污染控制以及膜清洗方法作为研究重点，以保证金属膜的过滤通量，使其在油田污水处理中发挥更大的优势。

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［3］姜安玺，赵玉鑫，李 丽，等.膜分离技术的应用与进展［J］.黑龙江大学自然科学学报，2002：10（3）：98－103.

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［6］SY／T 5329—1994，碎屑岩油藏注水水质推荐指标及分析方法［S］.

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