王兴旺，魏蓓，叶霖，纪丽丽，魏立新

科学研究

聚驱采油污水絮凝-气浮处理现场试验

王兴旺1，魏蓓1，叶霖2，纪丽丽2，魏立新2

（1. 中国石化石油勘探开发研究院，北京 102206； 2. 东北石油大学教育部提高采收率重点实验室，大庆 163318）

为了保证聚驱采油污水的处理效果，开展气浮模拟实验，并进行絮凝剂和浮选剂种类、浓度的评价优选，然后开展现场试验。结果表明，相同时间内气浮处理可以将除油率和悬浮物去除率分别提高22.04%~29.50%和4.90%~10.75%。高分子絮凝剂的絮凝效果好于低分子絮凝剂，有机絮凝剂的絮凝效果好于无机絮凝剂，实验优选出质量浓度为20 mg·L-1的PAFC和10 mg·L-1的APAM作为絮凝剂，具有极性-非极性分子结构的浮选剂FJ，其质量浓度为30 mg·L-1。结合现场气浮工艺参数和筛选出的药剂及用量，除油率和悬浮物去除率分别提高至68.14%、36.85%。

聚驱采油污水；气浮工艺；药剂筛选；试验研究

全国范围内多数大型油田采用聚合物驱油技术作为三次采油的关键技术，在提高采收率的同时，产生的含聚污水量不断增加。与普通水驱油田产生的污水相比，含聚合物的污水具有水相黏度高，油水乳化作用更严重，对油滴和悬浮物的上浮、沉淀抵抗阻力大等特点，造成常规的油田污水“两级沉降+一级过滤”[1]处理工艺中重要设备沉降罐在处理过程中的效果变差，影响后续过滤过程的处理效果，导致注水水质达不到标准。气浮技术是将大量高度分散的气泡传递到水中以黏附杂质并随气泡漂浮到表面，完成水-杂质分离的净水方法，广泛应用在造纸业、生活污水处理和采矿工程中。根据产生气泡的方法不同，气浮工艺主要分为吸气气浮、涡凹气浮、溶气气浮、电解气浮等[2-6]。其中溶气气浮具有工艺稳定、效果好、易于管理等优点，在油田水驱采油污水处理中取得了较好的应用[7-8]。但是，聚驱采油污水的水质发生了比较大的变化，处理效果有待于实践检验。因此，在室内进行模拟气浮实验，考察气浮工艺对聚驱采油污水的处理效果，进行相应的絮凝剂、浮选剂筛选，通过现场试验考察药剂实用性。

1 气浮-沉降模拟实验

1.1 实验原理及装置

溶气气浮依据不同压力下气泡在水中的溶解度不同的原理产生气泡。在较高压力下，气体溶于水，形成过饱和溶解状态；骤然减压至常压下，气体从水中解析释放，产生微细气泡，释放到水中，发挥气浮的净水作用。图1所示为自行组装的气浮实验模拟装置示意图，具体实验过程如下：空压机连接盛装实验用水的溶气罐（有搅拌），压缩并排放空气，形成气液的混合，将其通过管道通入水质沉降罐中，由于突然的减压作用，气水混合液经过罐内的微细孔膜释放其中的过饱和空气，在水中吹气并产生大量微小气泡，在气泡逸散上浮的过程中，与油滴碰撞、黏附，大大降低了二者整体的密度，加快油滴上浮，促进与其他油滴、悬浮杂质碰撞和聚结，从而实现微小气泡黏附、携带细小油滴和悬浮物到水面以净化水质的目的，上浮到水面的油滴和悬浮杂质形成的浮渣定期排出。利用玻璃沉降柱开展静态沉降实验作为对照，分别从中下部相同纵向位置取样，考察气浮处理效果。

图1 气浮-沉降模拟实验装置示意图

1.2 实验结果及分析

实验原水为聚驱污水站总来水，其中含聚质量浓度511.7 mg·L-1，含油质量浓度237.3 mg·L-1，悬浮物质量浓度179.5 mg·L-1，在剪切乳化罐内保持乳化状态。气源压力0.8 MPa，减压阀调整后降低为0.45 MPa。流量1 L·min-1，气泡直径50 μm，实验温度35 ℃。具体实验结果如表1所示。

表1 气浮-沉降与静态沉降的处理效果对比

分析静态沉降和模拟气浮-沉降这两种实验对含聚污水的处理效果，对比可知气浮-沉降显著改善了油水分离过程的流场，提高了处理效果。油滴的表面具有疏水性，被上浮的气泡碰撞黏附带到液面，使一部分本来被水相裹挟的油滴随着气泡上浮而被去除。相同处理时间内的除油率和悬浮物去除率分别提高22.04%~29.50%和4.90%~10.75%。因此，在污水站的沉降罐内进行工艺改造，增加气浮选设施可以提高含聚污水处理效果。

2 絮凝剂、浮选剂评价优选

2.1 作用原理及评价优选原则

1）絮凝剂

聚并作用是絮凝过程的理论基础，絮凝剂促进带有正（负）电性的基团和水中带有负（正）电性颗粒互相靠近，将这部分分离困难的颗粒电势降低，削弱稳定性，并利用药剂的聚并特性使这些颗粒靠近、集中，有利于通过重力沉降或其他化学方法将其从水中彻底分离出来。含聚污水中乳化油滴量大且难以分离，絮凝剂压缩油滴的双电层，破坏了界面上的乳化油膜，使其脱稳变得不稳定，从而使油和水分离[2, 10]。并且还可以对污水中其他有机或无机杂质进行絮凝作用，共同产生沉淀，从而促进水中油滴、悬浮物等杂质的聚集、上浮（沉降）速度[10, 13]。有机阳离子高分子絮凝剂不适合处理含聚污水，因为它会和污水中的阴离子型聚合物电中和。一方面，所需的药剂投加量将显著增加；另一方面，它会产生黏弹性胶状物，他具有很强的黏性附着力，在后续过滤工艺中会与滤料粘合，在反冲洗时也难以将滤料表面的胶状物冲洗、剥离掉，随着生产周期的持续进行，胶状物在过滤罐表层滤料中不断存积，会降低过滤性能，造成过滤罐憋压堵塞，影响污水处理站的正常生产。

2）浮选剂

污水中，油滴属于疏水性颗粒，比重小于水，因此特别适合于气浮法进行分离。此外，污水中还存在不易被气泡黏附的亲水性颗粒，加入浮选类药剂可以对其改性。亲水性物质选择性吸附浮选剂的极性基团，并将非极性基团朝向水中，因此杂质的表面由亲水性表面转化为疏水性表面并与气泡附着，随着密度较轻的气泡共同上浮到液位表面[11-14]。另外，浮选剂的添加不仅在气浮工艺中将絮粒的润湿性改变，而且促进稳定、微小气泡的形成，辅助更多的絮粒杂质被气泡黏附分离。但是出于同样的原因，含聚污水处理中也不适合选用阳离子型浮选剂，而兼具絮凝、反相破乳、降低表面张力的阴离子或非离子型浮选剂则是含聚污水气浮处理工艺的首选，能够提高浮选油滴的去除率和悬浮物的去除率。

2.2 药剂评价优选结果

以除油率为主要评价指标，开展不同类型、剂量的含聚污水处理用絮凝剂和浮选剂效果评价[15-16]。选择的待评估药剂是低分子无机絮凝剂AlCl3和FeCl3；高分子无机絮凝剂聚合氯化铝铁（PAFC）;有机絮凝剂阴离子聚丙烯酰胺（APAM）。浮选剂：阴离子型高分子聚合物FY-FE，极性-非极性高分子聚合物FJ。实验结果如表2所示。

从原水的处理结果可以看出，在其他气浮-沉降条件相同的情况下，高分子絮凝剂的絮凝效果要优于低分子絮凝剂，有机絮凝剂好于无机絮凝剂，20 mg·L-1聚合氯化铝铁（0.05元/方水）和10 mg·L-1阴离子聚丙烯酰胺（0.07元/方水）的除油率超过60％。当气浮处理加入浮选剂时，具有极性-非极性分子结构的浮选剂FJ在相同的剂量下的浮选、除油效果更好，30 mg·L-1（0.30元/方水）时除油率为60.6%[13]。关于阴离子聚丙烯酰胺絮凝剂，其分子链中含有一些极性基团，可以吸附悬浮在水中的油滴和颗粒，在架桥作用下成为较大的絮凝物，从而加速油滴、颗粒在水中的上升（沉降）。加快澄清净化污水的效果非常明显，能够有利于后续过滤等工艺的处理效果。关于浮选剂，具有极性-非极性分子结构的高分子聚合物含有亲水和疏水基团，可以增强乳化油表面的疏水性，提升气泡和油滴之间的附着力，使油滴黏附在多种尺寸的气泡上，与气泡一起漂浮到水面。

表2 絮凝剂、浮选剂室内评价优选实验结果

3 气浮现场试验

在某油田含聚污水站内开展现场试验，考察气浮运行参数下室内筛选出的药剂在现场的适用性。沉降罐工艺简单、经济、处理量大、抗水质波动能力强，是污水处理工艺的首道工序，在其中增加气浮选设施可以为气泡携带油滴上浮提供更大的分离高度，也可以使油滴-气泡黏附体在低雷诺数下更好的上浮，充分发挥气浮工艺的处理优势。如图2和图3所示，4圈等距布置的环状气浮溶气水释放管线距离收油槽3.0 m，72个释放头分布在其上。气浮运行参数为压力0.45 MPa，回流比30%，气泡释放头产生的气泡直径约为60 μm。

图2 气浮工艺示意图

药剂只有充分分散，才能增加与油滴、悬浮颗粒的接触、碰撞的概率，促使颗粒脱稳。药剂与含聚污水的混合过程大约在10~30 s之内完成，混合需要搅拌动力，采用管道式水力搅拌，在回流水进入气浮装置前作为浮选剂加药点，絮凝剂在沉降罐进水管上投加，使含聚污水在进入沉降罐前就产生细小絮体，但还未达到自然沉降的粒度，然后利用沉降罐的大容积为细小絮体提供停留时间和适当的搅拌强度，使其碰撞长大，有利于上浮到水面。沉降罐收油方式为连续收油，处理量为11 000 m³·d-1，沉降罐入口的原水含油、悬浮物和含聚质量浓度分别为416.9、153.5和537.1 mg·L-1。药剂投加1 h后，连续取样测试出口水质10 h。

图3 溶气装置图

气体通过溶气装置后，在浮选剂的作用下，形成的气泡分散系具有较强的疏水性，作为载体，这些细小且均匀的气泡会黏附并去除油滴和悬浮物。由图4和图5可知，在气浮的作用下，除油率和悬浮物去除率分别为52.98%、25.62%，说明气浮工艺对于油滴的黏附效果好于悬浮物。当絮凝剂和浮选剂投加后，二者的去除率达到了68.14%、36.85%。药剂的投加，显著提高了处理效果，同时也可以看出，并非所有的悬浮物都能受到药剂的影响加强絮凝效果、改变表面的疏水性，因此，加药后悬浮物去除率的提高程度较除油率相对较小。

图4 气浮对油滴的处理效果

图5 气浮对悬浮物的处理效果

加药絮凝工艺充分借助了沉降罐容积大、抗水质波动大、沉降时间长的优点，大大提高了一次沉降罐的除油率和悬浮物去除率，一次沉降罐处理效果的提高，减轻了后续二次沉降罐和过滤罐的处理压力，实现了整个含聚污水处理工艺的提效，含油量和悬浮物质量浓度在滤后都小于5 mg·L-1，水质达标。

4 结 论

1）分析室内气浮-沉降模拟实验与静态沉降实验对含聚污水的处理效果表明，气浮-沉降明显提高了含聚污水的处理效果。在相同处理时间内，除油率和悬浮物去除率分别提高22.04%~29.50%和4.90%~10.75%。

2）可以改造沉降罐，在其中增加气浮选设施以改善含聚污水处理效果。进一步开展药剂筛选实验表明，高分子絮凝剂的絮凝效果优于低分子絮凝剂，有机絮凝剂的絮凝效果优于无机絮凝剂。基于气浮-沉降模拟实验及装置，优选得到20 mg·L-1的聚合氯化铝铁和10 mg·L-1的阴离子聚丙烯酰胺作为絮凝剂，以及质量浓度为30 mg·L-1的含有极性-非极性分子结构的浮选剂FJ。

3）结合现场气浮工艺参数、配合实验室筛选出的药剂，除油率和悬浮物去除率分别为68.14%、36.85%，减轻了后续二次沉降罐和过滤罐的处理压力，过滤后的注水水质达标。

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Field test on Treatment of Polymer Flooding Produced Water by Flocculation-Air Flotation Process

1,1,2,2,2

（1. Sinopec Petroleum Exploration and Production Research Institute, Beijing 100083, China;2. Key Laboratory of Enhanced Oil Recovery (Ministry of Education), Northeast Petroleum University, Daqing Heilongjiang 163318, China）

In order to guarantee the treatment effect of polymer flooding produced water, flocculation-air flotation indoor experiments were carried out in the laboratory, and different flocculants and flotation agents were evaluated and tested. And then field test was carried out. The results showed that,in the same treatment time, air flotation treatment could increase the oil removal rate and the suspended solid removal rate by 22.04%~29.50% and 4.90%~10.75%,respectively. For flocculation effect, using high molecular flocculant was better than that of low molecular flocculant, in the meanwhile the organic flocculant exhibited better flocculation effect than the inorganic flocculant. Based on the indoor evaluation experiments, 20 mg·L-1polymeric aluminum ferric chloride (PAFC) and 10 mg·L-1anionic polyacrylamide (APAM) were selected as the optimum flocculants, and the flotation agent FJ with polar-nonpolar molecular structure showed the best results at the mass concentration of 30 mg·L-1. Combined with the air flotation process parameters and the agents and dosage selected in the laboratory, the oil removal rate and the suspended solid removal rate reached 68.14% and 36.85%, respectively.

Polymer flooding produced water; Air-flotation technology; Agents screening; Experimental research

国家自然科学基金（项目编号：51674086，52074090）。

2021-01-21

王兴旺（1990-），男，工程师，博士，主要从事油田采出水处理方面的研究。E-mail：xingwang.syky@sinopec.com。

TE992

A

1004-0935（2021）04-0427-05