金岛油泥清洗处理技术方案.docx
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金岛油泥清洗处理技术方案
金岛油泥清洗废水处理
技术方案
中国石油大学(华东)科学技术研究院物理法采油研究所
山东拓普环境科技有限公司
2016年8月
目录
1.概述3
1.1项目概况3
1.2项目背景3
2.编制原则3
3设计标准和规范4
4.设计水量和水质4
4.1来水水质4
4.2出水水质4
4.3设计水量5
5.工艺流程及工艺说明5
5.1工艺流程确定5
5.2工艺说明6
6.主要处理单元技术原理简述6
6.1高效均质调节罐6
6.2固液分离器6
6.3电催化氧化装置6
6.4微纳米气浮8
6.5、精细过滤器14
6.6污泥脱水装置15
7.运行费用15
运行成本16
1.概述
1.1项目概况
项目名称:
油泥砂清洗废水实验方案
项目性质:
撬装试验装置
工程投资:
xxx
主要技术:
高效均质反应器+固液体分离器+电催化反应器+微纳米气浮+精细过滤
设计规模:
5m3/h撬装装置,
工期安排:
90天
1.2项目背景
由于油泥砂清洗时需要投加大量表面活性剂,在高温度条件下对油泥砂进行乳化洗涤,清洗后废水乳化严重具有含油高、含胶质及细颗固体物质多,不易自然沉降等特点,主体设计思路是采用均质调节,后进行固液分离,分离废液进入系统电催化反应器、纳米微气浮及精细过滤装置对废液进行处理,使出水达到再配清洗液来清洗油泥砂或油田回注标准,系统产生的污泥进入污泥储存或油泥砂处理系统。
本方案设计由中国石油大学(华东)科学技术研究院物理法采油研究所项目转化公司——山东拓普环境科技有限公司提供撬装(12m加高标准集装箱)设备和技术指导,确保用户清洗油泥砂现场的废液处理作业快速、高效、节能、环保。
2.编制原则
2.1根据水质特点及地质要求、并结合现状,确保处理后水质达到处理要求为根本,选择成熟的新技术、新工艺、新设备、新材料,节能降耗。
2.2在满足生产运行的前提下,设计为撬装(12m加高型标准集装箱),充分利用现有地面工程设施、降低工程投资,方便运输、施工、管理。
2.3提高系统效率,保证平稳运行,降低处理成本,运行操作简单,管理方便,降低工人劳动强度。
2.4充分回收、处理生产过程中产生的废渣、污泥和废水,保护环境,减少污染,污泥脱出水回系统,保证处理水回收率≥95%。
3设计标准和规范
(1)《碎屑岩油藏注水水质指标及分析方法》(SY/T5329-12)
(2)《油田采出水处理设计规范》(SY/T0006—1999)
(3)《石油天然气工程设计防火规范》(GB50183-2004)
(4)《石油化工企业设计防火规范》(GB50160-2008)
(5)《低压配电设计规范》(GB50054-95)
(6)《爆炸和火灾危险环境电力装置设计规范》(GB50058—1992)
(7)《石油化工自动化仪表选型设计规范》(SH3005-1999)
(8)《油气田及管道仪表控制系统设计规范》(SY/T0090—2006)
(9)《油田注水工程设计规范》(GB50391-2006)
(10)《大型油罐基础检测方法》(SY/T0329-2004)
(11)《石油建设工程质量检验评定标准采暖、通风、给排水安装工程》(SY/T4035-93)
4.设计水量和水质
4.1来水水质
根据业主方提供及相关的资料,废液来水水质指标如下:
表4-1进水水质
序号
水质项目
数值
1
pH值
6.7
2
悬浮物
≤10000mg/L
3
石油类
≤1500mg/L
4
矿化度
≤50000mg/L
5
温度
5-40℃
6
粘度
≤15mpa.S
4.2出水水质
工程的处理量为5m3/h,最终出水水质达到用户要求,具体指标如下:
表4-2出水水质(压裂配液水质指标)
序号
水质项目
数值
1
悬浮物mg/l
≤10
2
含油量mg/l
≤10
3
细菌
≤200
4
pH值
6-8
5
≤10
6
钙镁离子mg/l
≤300
4.3设计水量
本工程设计小时处理能力:
5m3/h
5.工艺流程及工艺说明
5.1工艺流程确定
本工程处理的污水为油田油泥砂清洗废液,油泥砂清洗废液具有粘度高、乳化严重、化学性质稳定、难处理等特点。
根据相关水质资料及出水要求,并结合我院的技术优势,主体设计思路是首先采用均质调节+固液分离+电催化技术对废液进行预处理,其强氧化性使复杂有机物分子断链成小分子,从而易于药剂与水中胶体颗粒相结合。
然后利用先进纳米微气浮工艺来对废液作进一步的处理,主要去除水中的悬浮物及含油量,进入下一道处理工序为精细过滤系统。
系统产生的污泥进污泥处理系统。
其工艺流程图如下:
5.2工艺说明
油泥砂清洗废液进入高效均质反应器,高效均质反应器进口加入的破胶剂可以打破油泥砂清洗废液胶体颗粒包裹粘联的油滴,均质废液进入固液分离器,在固液分离器挤压脱水,固项物进入污泥处理系统,分离废液进去废液处理流程。
分离废液加入pH调节剂调节水的酸碱度至电催化反应适宜的值。
油泥砂清洗废液经过固液分离后,进入电催化反应器利用电场电解析时产生的产生羟基、氯气等进行预氧化,其强氧化性使复杂有机物分子断链成小分子,降低了废液粘度。
对难降解有机物的处理效果尤为明显,可降解大部分COD,同时减少添加氧化剂环节,预防处理水过度氧化。
经电催化氧化后的水进入微纳米气浮设备,在进口投加絮凝剂,经过管道混合器与废液充分混合,同时投加助凝剂,通过吸附架桥作用形成大块絮体。
微纳米气浮内完成反应、絮凝、与微气泡结合上浮全过程,浮渣收集进入污泥脱水系统。
气浮出水进入精细过滤器过滤,去除细小悬浮物,少量细小油滴,进入清水池。
过滤器的反冲洗靠PLC控制,利用装置清水池滤后水自行完成反冲洗,反冲洗历时(5-10分钟)短,用水量少。
过滤器出水达到废液的配清洗液标准或回注标准(可根据回注要求优化药剂添加种类、浓度完成)满足用户要求。
6.主要处理单元技术原理简述
6.1高效均质调节罐
高效均质调节罐,是有机械搅拌器与扰流混合反应罐组成,来液加入破乳剂后,在均质反应罐内进行充分混合反应。
6.2固液分离器
经均质混合废液后的废液进入固液分离系统,分离出固项物进入污泥处理系统,分离废液进入废液处理系统。
6.3电催化氧化装置
一种新型电催化氧化废水处理系统,应用于油田油泥砂清洗废液处理后回注、回用。
它的基本结构是由多个特种金属或者贵金属氧化物构成阴阳电极对,在污水通过电极对时,在阳极发生催化氧化反应,在阴极上发生还原反应。
该电极具有催化活性强、不腐蚀溶解、使用寿命长久的优点。
(1)电催化氧化装置的作用原理:
电催化氧化分为间接氧化和直接氧化两种,在处理油泥砂清洗废液方面作用不同。
①间接氧化:
利用电解产生初生态O、ClO-、HClO3、H2O2、O2-、·OH等物质氧化水中有机物、高分子胶体颗粒、分解有机物以及胶质。
在地层采出水含大量氯化钠等电解后,产生氧气、二氧化氯、次氯酸钠、溶于水起到很要的氧化破胶作用。
②直接氧化:
所有的电化学反应都会出现阳极氧化、阴极还原反应,直接氧化是利用直流阳极的氧化作用直接氧化二价铁离子、高分子有机物等。
③电催化氧化废水处理机理:
一是电解含氯的水,产生ClO-和少量更高价的氯酸盐。
电极上的反应如下,阳极:
2Cl-2e→Cl2,Cl2+H2O→HClO+H++Cl-,OH-离子扩散到阳极周围的液层中和次氯酸反应生成ClO-,并进一步反应生成氯酸:
12ClO-+6H2O-12e→4HClO3+8HCl+3O2,所产生的HClO和HClO3均是强氧化剂,可以氧化二价铁离子,对微生物有很强的杀灭效果。
二是阳极的氧化作用直接氧化(或者间接氧化)二价铁离子使之转为三价铁离子;
三是电场对细胞产生了作用,如细胞膜的电击穿现象,电场对细胞代谢功能的电渗和电泳现象;或者由于细胞吸附在电极上,与电极发生了电子离换,从而导致胞内酶(CoA)被氧化,使细胞失去活性,以及细菌细胞体在直流电场作用下,其生物电性发生改变而死亡,这几种机制相互作用,共同达到杀菌的目的。
(2)电催化氧化处理装置处理油田油泥砂清洗废液的作用:
①杀菌灭藻:
完全替代氧化沉降工艺中的氧化剂,并且只是消耗一部分电能,不需要外加药剂,利用污水中丰富的氯离子通过直流电的作用,可以产生复合强氧化剂。
从而高效的氧化二价铁离子、杀灭各种细菌,有效的减缓污水的腐蚀性。
“先杀菌、后控制”,污水进入系统前,先经过有效的杀菌处理,使进入水处理系统的污水相对“无菌”。
②脱除废水中的硫化物:
在油田污水中,S、S2-、SO42-是硫的主要存在方式,S、SO42-都能在SRB硫的盐的作用下还原成S2-。
水中的S2-由于其外电子云容易变形,因而穿透力强,对钢铁具有更强的腐蚀性,最终使管壁穿孔,干扰正常生产。
其腐蚀的产物为不溶于水的黑色胶状FeS悬浮物,导致悬浮物增加;同时FeS又是一种乳化剂,使炼油难度增加,在地下将堵塞地层,降低水驱效果。
另外还可使井眼堵塞,使洗井和酸化次数增加中有害硫化物有严格的标准。
③絮凝、浮选去除悬浮物:
新思路的基本出发点“先氧化、后沉降”,如将Fe2+先氧化为Fe3+,在pH=7.1时即可以产生Fe(OH)3沉淀,以去除铁离子,从而降低加药量。
新生态的Fe3+具有非常强的吸附能力,还是一种絮凝剂。
另外,强的氧化剂还可以降解污水中的高分子有机物,有利于提高污水处理效果。
电催化氧化装置可以通过阳极产生的强氧化剂迅速氧化污水中有机污染物和微生物有机体,破坏有机物对胶体的保护作用,促进胶体脱稳,形成以络合体为核心的紧密絮体,完成氧化脱稳、形成新核、吸附架桥的初步絮凝过程,阳极、阴极可以使污水中的悬浮物、胶质等有机物进行电性中和作用,产生互相絮凝作用,从而大幅度的减少投加的混凝剂、絮凝剂;
所谓浮选是将水、悬浮物和气泡这样一个多相体系中含有的疏水性污染粒子,或附有表面活性物的亲水性污染粒子,有选择地从污水中吸附到气泡上,以泡沫形式浮升到水面,从而使污染杂质从污水中分离出去的一种操作过程。
其实质是气泡和粒子间进行的物理吸附,微小气泡成为载体气泡从水中析出的过程中粘附水中的污染物质,并形成气+粒结合的浮选体上浮分离。
这也称为起泡浮选。
在水中产生气泡的方法,主要是使用加压溶气水或用文丘利管的喉管部位抽气与射入的水充分混合,也可以用电解法产生小气泡。
浮选能够分离水中的油类、纤维、藻类以及一些比重接近的悬浮物,或提取水中有用物质。
而传统的重力沉淀法达不到分离这些物质目的。
电浮选法是对污水进行电解时,在阴极和阳极产生大量的氢气和氧气泡,气泡的直径很小,仅有5~20μm它们起着浮选剂的作用。
污水中的悬浮颗粒粘附在气泡上,随其上浮,从而达到了净化污水的目的。
与此同时,在阳极上电离形成的氢氧化物起着混凝剂的作用,有助于污水中的污泥物上浮或下沉。
因此产生大量的微小气泡,它们在上升过程中,可吸附水中的杂质及油类浮到水面而被分离。
6.4微纳米气浮
6.4.1、微纳米气浮技术
对于密度与水接近的悬浮物的分离,目前有效的处理方法是气浮和过滤工艺。
气浮工艺去除油和悬浮物的效率较高,受上游波动影响较小,出水水质稳定。
溶气气浮是将压缩空气溶解于水中,通过释放器将溶解于水中的空气以微气泡的形式放出,微气泡粘附于细小的悬浮物上,通过上浮去除悬浮物。
它的特点是效率高,出水水质好。
气浮装置采用国外先进的溶气气浮技术,克服了传统溶气气浮的诸多弊端,是目前国际领先的气浮技术,主要用于去除污水中的油、悬浮物、有机物等污染物,因其去除污染物和抗冲击负荷的能力较强,因此一般作为水处理流程中的关键设备。
电催化过来的污水进入混合反应器,在混合反应器中加入净水剂和助凝剂(PAM),以形成可分离的絮凝物。
污水经过混凝反应器后进入气浮装置,在进水室污水和气水混合物中释放的微小气泡(气泡直径范围500nm~50um)混合。
这些微小气泡粘附在污水中的絮体上,形成比重小于水的气浮体。
污水进入气浮装置布水区,快速上升的粒子将浮到水面;上升较慢的粒子在波纹斜板中分离,一旦一个粒子接触到波纹斜板,它能够逆着水流方向上升。
所有重的粒子将下沉。
气浮分离的净水一部分(占污水总量的15~30%)通过溶气泵加压溶气回流,大部分通过出水区进入下一级处理设备。
较重、较大的固体颗粒(如细砂),在进水室沉淀,通过定期开启排砂阀将这部分固体颗粒排出,一般通过重力流入污泥池。
上升的浮渣聚集在液面,通过刮渣机刮入收渣槽,一般重力流入污泥池。
下沉的粒子通过底部刮渣机收集,通过定期开启排泥阀排出。
见下图。
微纳米气浮装置原理流程图
微纳米气浮分离系统,采用斜板斜管分离,斜板斜管在沉淀池中广为采用。
它是根据浅池理论,把与水平面成一定角度的众多斜板放置于池中。
水流经过斜板,重的固体沉于斜板底部,轻的固体浮于斜板顶部。
从而实现固液分离。
由于在板间流体保持层流。
粒子能够不受干扰的到达最近的板。
一旦粒子接触到板它将开始逆流而上。
根据层流模式的速度分布,在板上水流的速度为0;因此粒子的逆流而上实际上是不受阻碍的。
斜板气浮工作原理图
溶气系统平衡控制原理图
1.溶气罐运行压力为0.5~0.7MPa,较传统溶气罐运行压力平均高出0.2MPa。
这使回流水中能够溶解更多的空气。
空气压力一般高于循环泵压力0.05~0.1MPa。
调节空气流量计使向系统输送的空气量得到最优化的结果。
2.溶气罐入口增加射流装置,回流水进入溶气罐内呈高速喷射状态,使溶气控制过程的液膜厚度变得非常薄,从而缩短溶气时间。
水流再经过罐壁多次反射,充分与空气接触。
整个溶气过程在3~5s内快速完成。
3.微纳米的溶气过程采用自动控制,无需人工调节,右图是溶气过程控制面板。
微纳米气浮装置溶气罐微纳米气浮装置溶气过程控制面板
溶气释放系统
为了提高气浮净水效果,必须尽力增大溶解气量,以便提供充足的微气泡。
由于溶解气必须通过减压释放才能获得气泡。
实际上,提高溶气效率是在“量”的方面努力;而提高释出气泡的性能是在“质”方面的追求。
压力溶气水通过瞬时降压、消能、传质、释气后,快速的聚集成无数超微气泡。
整个释气过程十分短暂,一般均不超过1s。
释出空气分子集合的快慢和并成气泡的大小,取决于溶气水的压力及释放器的降压方式。
溶气水释放过程一般分为两个过程,首先是消能过程,然后是气泡并大过程。
在这两个过程实际上是同时存在的,但有明显的区分。
一般的释放器在消能过程,气泡的合并较小。
经过消能后,压力损失达95%,气泡直径合并到3~5um;而在气泡并大过程,压力损失为5%,气泡直径合并到30~50um。
在相同溶气压力下,不同水温释气水中气泡的平均直径变化幅度不大。
1.微纳米气浮采用的释放器,消能过程采用一段直径约为10mm的软管,软管的长度根据所需气泡的直径确定。
直径20~40um的微气泡是大部分气浮较为理想的条件,因此一般溶气管的长度为1.5m。
若需直径40~60um的微气泡,溶气管的长度为3m。
溶气管内的停留时间一般为0.1s。
实际上微纳米溶气释放器在这一过程基本完成了消能过程和气泡并大过程,这也是微纳米溶气释放器与传统溶气释放器的主要区别。
2.在溶气管末端接直径40mm的管段,停留时间0.1s,主要作用是整流作用,在这里气泡的接触机会降低,避免气泡过于并大。
3.微纳米溶气释放器内最窄处的流道超过8mm,而在此处的流速接近20m/s,因此,基本不存在堵塞现象。
4.释放器的数量以最优化的曝气原则决定,一个或多个释放器配有开关球阀。
微纳米气浮装置的释放器
6.4.2传统溶气气浮存在的缺点
目前在冷41污水站、曙四联污水处理站、洼一联污水处理站、杜84污水处理站、曙一联污水处理站均采用传统溶气气浮池。
实践证明,采用溶气气浮处理油田采出水,对污水中的油和悬浮物均有很高的去除效率,目前在辽河油田,溶气气浮技术已成为油田采出水处理的优选工艺。
但同时传统压力溶气气浮也暴露出很多问题。
1.传统压力溶气气浮去除效率高,一般对于油和悬浮物的去除率均能达到90%以上,但运行不稳定,受原水水质影响较大,而油田采出水的水质水量一般变化均较大。
2.传统溶气气浮采用压力溶气罐,一般通过加装填料提高溶气效率。
在运行过程中,填料层经常堵塞,不得不进行检修,后来,大部分溶气罐均拆除了填料,这使溶气罐的效率明显降低。
而且,溶气罐的停留时间一般为3min,使溶气罐的体积十分庞大。
3.传统溶气气浮一般采用溶气释放器作为压力释放设备。
溶气释放器类似于减压阀,为了提供足够的压降,释放器一般流道窄小且复杂,这使溶气释放器容易堵塞,尽管很多释放器均有冲洗措施,但效果一般均不理想。
后来很多气浮池均拆除了释放器,使压力溶气水释放效果大大降低。
4.压力溶气罐中一般上部是空气,下部是水,运行压力0.3~0.5MPa,在此条件下,溶气罐内的液位处于波动状态,一旦控制不好,空气压力过高容易导致罐内充满了空气或回流泵压力过高导致罐内充满了水。
这些都严重影响气浮池的运行。
5.传统气浮一般将反应段和分离段设在同一池体内,反应段停留时间3~5min,分离区停留时间15~30min,这使气浮池体积较大。
6.传统溶气气浮一般要经常排泥、排渣,观察溶气罐的液位,调整溶气释放器流量,这使传统溶气气浮运行管理变得复杂而繁重。
6.4.3、微纳米气浮装置的优势
1.领先的工艺技术与设备
微纳米气浮装置(配套PFR管式混合反应器),克服了传统气浮装置的种种弊端,是目前国内外含油污水处理领域的首选的预处理设备。
同时也是最先进的气浮设备。
(1)管道中的混合能量和时间易于控制,混凝和絮凝反应稳定,可生成均匀的絮状物;
(2)在管段上加入了溶气气泡,气泡能结合进絮体的内部,与絮体的结合紧密;
(3)由于加药点是在管段的中间,可以将水处理药剂耗量降至最少;
(4)在管道中不会反向混合,出现短路、短流现象;
(5)与传统罐式加药混凝器比,不需要混合搅拌器,能耗降低;
(6)无活动部件,维修操作方便。
2.广泛的应用业绩
微纳米气浮装置在全球范围内有1500台在运行,其中有1200台用于脂肪、石油、油脂的去除,在国内油田采出水处理中有超过20台各种型号气浮装置的应用实例。
3.良好的超负荷运行能力
油田采出水的水质与水量具有较大的波动性,尽管如此,在加药量得适时调整的前提下,微纳米气浮装置仍能保持稳定的去除率,同时微纳米气浮装置在设计中充分考虑了检修时设备的超负荷运行能力,其最大负荷一般为150%额定水量。
4.简单的操作系统
微纳米气浮装置采用全自动操作,既降低了工人操作强度,同时也避免了因操作不当而导致的水质变化。
考虑工人操作水平,设计采用了按钮启停开关,无需任何专业知识均可操作自如。
5.优秀的防腐性能,免于维护的系统设计
微纳米气浮装置材质为304不锈钢,不仅外形美观,而且具有优秀的防腐性能;对于腐蚀较严重的污水,微纳米气浮装置材质采用316L不锈钢。
6.超低的能源消耗,专业的环保设计
溶气气浮能耗主要是高压回流溶气水,溶气水的回流量和压力决定了溶气泵的功率。
微纳米气浮装置溶气系统溶气效率高,溶气水回流量低,因此能耗较低。
7.低廉的投资和运行费用
微纳米气浮装置流程简单,配套设施少,占地面积小,投资低。
加药混合反应采用专用微纳米混合反应器,能够节省至少20%的投药量,先进的溶气系统降低了能耗。
8.最小的占地面积
污水在气浮装置内的停留时间仅有5~8min,溶气泵或回流泵和溶气罐均布置在箱体上,充分利用了空间,因此气浮装置的占地面积非常小。
6.5、精细过滤器
精细过滤器是去除水中悬浮物及含油量最有效手段之一,是污水深度处理、含油污水、污水回用和给水处理中的重要单元。
其作用是将水中的悬浮物进一步去除,它通过独特的滤料特性截留、沉降和吸附作用,达到净水的目的,悬浮物的去除率高。
含油类通过过滤系统时被精细截留凝聚堆积时会上浮至过滤器顶部,过滤器顶部设有收油系统,污油可回收利用。
通过独特的滤料特性,在压力及重力作用下,滤料对水体内的油类进行切割细化,相当于机械破乳作用,有效提高油类的可回收性,采用美国进口精细滤料,此滤料具有很好的疏油性在反冲洗过程中极易冲洗掉滤料表面截留的污油,处理效率高。
金刚砂由粘土中的二氧化硅与碳在高温下反应生成的碳化硅,其硬度仅次于金刚石、碳化硼和立方氮化硼,在无机材料中排行第四。
由于其硬度高,密度大的优点,所以精细过滤器在其运行和反洗过程中不易出现乱层和被磨损的现象,反洗过程中滤料不易流失。
采用了独特的筛管布水、集水及收油装置,过滤均匀,出水悬浮物含量,含油量及粒径得到有效控制,同时收油装置能收集油类,回收利用。
精细过滤器本体材质为不锈钢,细过滤核桃壳滤层高800mm,精过滤金刚砂滤层高700mm,鹅卵石层高150mm,出水装置为多孔板+排水帽。
6.6污泥脱水装置
对气浮装置产生的污泥浮渣进行减量化和无害化处理
气浮浮渣及污泥进入浮渣浓缩池内经过浓缩后由污泥泵打入叠螺式脱水机,同时加入高分子脱水剂。
污泥经过叠螺机脱水后含水率降至80%左右,大大减少体积,脱水后定期清运。
叠螺机脱出的滤液进入气浮池入口。
7.运行费用
药剂费用估算表
序号
药剂名称
加药量(mg/L)
合价
(元/m3)
备注
1
pH调节剂
1500
3
2
破胶剂
500
7.5
3
絮凝剂
200
1.2
4
助凝剂
15
0.45
合计
12.15元/m³
运行成本
序号
名称
费用(元/m3)
1
药剂费
12.15
2
电费
2.13
合计
14.3
中国石油大学(华东)科学技术研究院物理法采油研究所
山东拓普环境科技有限公司
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