油田污水生物处理研究.docx
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油田污水生物处理研究
油田污水生物处理研究
1概述
在石油和天然气开发生产过程中,将产生大量的油田污水。
主要包括采油污水、钻井污水、洗井污水和采气污水。
目前我国陆上油田开发已基本进入高含水期开采,油田综合含水率超过80%。
这些大量的污水一般是经过处理,达到油田注水水质标准后,回注油层。
但随着石油勘探开发活动的增多,所产生的污染物总量随之增加,对环境造成的污染也日趋严重。
有效地控制和治理在油田开发和使用石油、天然气过程中造成的环境污染,已成为世界各国面临的重大课题。
就原油性质来说,我国各油田原油大多属于中质原油、重质原油,其中的长链芳香烃、多环芳香烃和环烷烃比例相对较高,给石油污水处理带来较大难度。
特别是近年来各油田重油、稠油开采比例进一步增加,使污水中难降解污染物增多,对环境危害尤其严重。
油田污水处理和回注已成为油田开发的主题之一,这不仅可以节约宝贵的新鲜水资源,而且从根本上解决了污水污染问题。
目前,油田污水处理工艺基本上采用物化工艺为主,即采用沉降、隔油、混凝和浮选等工艺,这些工艺对污水中的悬浮物、部分乳化态和部分溶解化合物有一定的去除效果,但对污水中的大多数溶解性石油污染物如各类烷基酚、少量的溶解烷类、环烷烃、多环和杂环芳烃及其衍生物等污染物去除效果差。
而这些污染物带来的COD、BOD及其他污染指标如氨氮、硫化物、挥发酚等往往是油田污水外排超标的主要原因。
近年来,随着国内外对环境质量要求的提高,油田污水的排放标准也受到严格控制,常规物化处理工艺运行费用高,加之采油过程中高聚物的使用,污水水质恶化以及污水处理设施老化等原因,常规处理后水质达不到回注或排放标准。
这种现象几乎存在于大部分油田的污水处理站。
因此,寻找一种既能解决污水达标排放,又能降低污水处理费用,运行操作简单的油田污水处理方法成为当务之急。
生物处理工艺因其对污染物处理彻底,无二次污染,运行费用低等众多优势备受关注。
根据各油田水质特点和投资、占地、运行费用、自动化程度等要求不同,可选用常规活性污泥工艺、SBR工艺、A/0工艺、PACT工艺、硫化床工艺、接触氧化工艺等生物技术。
这些工艺在污水处理中的应用已较成熟。
生物处理工艺作为油田污水外排的最终保证已在国内外得到广泛认可,利用微生物高效除油生物技术不仅可以完成油田污水的终端处理,同时,在油田污水预处理中可代替絮凝、浮选及过滤除油等高成本物化工艺,具有优越条件。
生物处理工艺的采用,已成为油田污水处理的先进性标志之一,在处理油田污水中具有重大的现实意义和广阔的市场前景。
2油田污水生物治理技术
活性污泥工艺在污水处理中的运用已有悠久的历史,是传统的生物处理工艺之一。
活性污泥中的细菌分泌胞外多糖,相互粘结形成绒粒,微生物利用污水中物质持续增殖,绒粒相互结合形成蓬松的絮体,成为处理污水的基本单元,在不同的生物处理阶段,絮体中的生物相组成也发生相应的变化。
接触氧化工艺是生物膜工艺的一种。
生物膜工艺能较好地保持系统内的生物量,微生物以生物膜的形式完全淹没在污水中,同时进行人工供氧,膜上形成由细菌、真菌、藻类、原生动物及后生动物等组成的复杂且稳定的生态体系,对污水的净化发挥综合作用。
已应用到油田污水处理领域的主要有接触氧化工艺、生物转盘工艺(RBC)、硫化床工艺、PACT工艺、
浮动填料生物膜工艺、生物滤床(塔)工艺等,这些工艺各有特点。
接触氧化工艺具有占地面积小、投资和运行费用低、自动化程度要求低、易操作管理、系统内生物量大(可达10mg/L)以上、处理负荷高(可达2~4kgCOD/m3d)、抗冲击负荷能力强的特点,兼具生物膜和活性污泥工艺的优点。
在传统的生物处理工艺中,往往一种活性污泥用于不同的污水处理中,利用不同的污水从同一微生物群体中筛选所需菌群,很少考虑菌种的针对性和高效性。
即使是生物膜工艺,也多是活性污泥的挂膜利用。
我们知道,生物处理污水中的各类有机物时,微生物的生理生化反应多而复杂,其中最重要的是能量代谢和合成代谢。
微生物需要将污水中结构复杂的有机物大分子进行酶解,释放出其分子结构中固有的自由能,再将这些化学能转变为微生物能利用的生物能物质一三磷酸腺苷(ATP),微生物利用能量代谢所产生的ATP进行生物合
成反应,不断增加生物体的数量。
通过这一系列的过程,高效优势微生物能将污水中呈溶解态和胶体状态的有机物转化为稳定的无害化物质,从而使污水达标排放。
因此,生物处理的关键在于获得有高降解效率的高效功能微生物菌种。
由于油田污水中难降解有机物多,自然生长的细菌难以达到理想效果,目前国内少见将生物技术用于油田采出水的工业化报道。
强化油田污水的可生化性,筛选、培养、驯化高效优势菌群是生物处理油田污水的关键。
目前,我们在油田污水生物处理基础研究和工艺研究方面已做了大量的工作。
通过一系列物理化学处理技术以及分子育种等手段,改变细菌的遗传基因,再经过长时间的定向培养和驯化,分离、筛选了一大批石油烃降解微生物。
对石油污染物的微生物降解规律进行了初步研究,其中对芳香烃、单环芳烃和双环芳烃及其含氧、氮、硫的衍生物的生物降解研究较为深入。
近年来,针对石油行业中污水高度乳化、现有工艺处理成本高、效率低、污水超标排放严重等问题,通过环境生物学手段,较为系统地进行了石油降解微生物研究、油田污水生物处理实验小试研究、现场中试和生产性试验研究,从来自国内几大代表性油田(大庆、胜利等)的石油污染物样品中分离出一批优势菌株,并分别筛选出具有较高降解效率、耐特殊生境条件的功能微生物。
对部分微生物进行了生长条件和降解特性的工艺研究,在此基础上,利用功能微生物菌群进行油田污水的生物处理研究,取得了良好的效果。
其中,中国海洋石油总公司渤海石油公司渤西油气处理厂石油污水现有处理工艺进行高效生物处理技术改造工程已经完成。
3大庆水质概况(略)
4含油污水的生物处理试验
本次实验室小试即是结合大庆油田含油污水水质及环境特点,借助筛选出的对各种石
蜡烃、芳烃、环烷烃及各类烷基酚、破乳剂具有较高降解能力且可耐受各种极端环境条件(温
度、盐度、PH等)的微生物菌种,用生化的方法处理含油污水,使其达标排放。
4.1试验目的
4.1.1通过调整工艺运行参数,使含油污水经生物处理后达到国家二级排放标准,并确定最佳处理工艺。
4.1.2找出最佳工艺运行参数,为将来工业试验或实际应用做准备。
4.1.3考察生物处理系统对各种冲击负荷(污染因子、环境因子、生物因子等)的耐受力。
4.2试验工艺流程
含油污水
排放
排放
图4-1含油污水生物处理试验工艺流程示意图
试验流程设计同时对普通活性污泥法和生物接触氧化法两种工艺进行考察。
来自自然
沉降罐的含油污水首先进入厌氧水解池(1#),通过厌氧微生物初步处理去除部分有机物和
悬浮物。
出水分别进入活性污泥池(2#)和生物接触氧化池(3#),曝气供氧,对剩余有机
污染物进行好氧微生物降解,出水经二沉池沉降后排放。
二沉池的污泥需定期回流或处理。
整个系统温度在25C~40C之间调整,以模拟油田
现场污水状况。
4.3试验条件
4.3.1试验用污水情况
试验用含油污水来自大庆油田采油二厂南29站,油水气混合液经三相分离器分离后,
含油污水打入试验室自然沉降罐,沉降去除部分油、悬浮物及其他污染物,出水进入生物处
理试验系统。
由于试验用水量很小,考虑到污水长时间放置水质变化,每次沉降罐进满水供生物处
理系统使用约一周,即换进新水。
432试验设备
表4-1主要试验设备设计参数
序号
r装置名称
主要参数
备注
1
厌氧水解池(1#)
外型尺寸mm
400X400X700
有效容积m3
100X10-3
填料种类:
复合型填料1
填料体积m3
约15X10-3
2
活性污泥池(2#)
外型尺寸mm
500X300X500
有效容积m3
3
80X10-
气泵功率w
8
曝气量L/min
10「
3
接触氧化池(3)
外型尺寸mm
500X300X500
有效容积m3
80X10-3
填料种类
复合型填料和硬性填料
填料体积m3
约60X10-3
气泵功率w
12
曝气量L/min
15
4
二沉池
外型尺寸mm
250X200X600二
2和3后的尺寸相同
有效容积m3
20X10-3
设计试验规模:
每天处理水量50~100L。
试验用气泵为养鱼用小泵,粗砂石制曝气头,气泡很大且集中,造成氧转移率很低,不能据此确定实际气水比。
试验用管道为DN15mm胶皮管,用闸阀或针型阀控制流量,用加热棒和温控仪控制水
温。
4.3.3试验数据检测
表4-2试验数据检测方法及频率
序号
项目
方法
频率
1
CODcr(化学需氧量):
重铬酸钾法
1~2次/日
2
石油类
紫外分光光度法
不定期送检
3
PH
PH试纸或PH计
1次/日
4
「温度:
温度计
实时
5
流量
量筒和秒表
实时
4.4试验步骤及运行情况
本次试验大体可分三个阶段:
微生物培养、驯化阶段;厌氧、好氧单独运行阶段;厌
氧+好氧运行阶段。
实际试验中,进水COD"和石油类含量随每次换水及放置时间在变化,
调节流量操作困难。
为节约试验时间,当进水情况及出水结果较为稳定时,我们直接改变系
统状态(如进水流量、温度等),对其进行冲击负荷试验。
441试验用高效优势菌群来源
A、菌种:
选用BC系列、LH系列、SL系列、SX系列、SXM系列、DJ系列菌种68株,共同接入细菌培养基,备用。
B、活性污泥:
已驯化好的含高效微生物菌群的厌氧、好氧活性污泥。
4.4.2微生物的接种及驯化
试验操作过程
I在生物接触氧化池和活性污泥池内分别加入好氧活性污泥和菌液,厌氧池内加厌
氧污泥和菌液,而后各池注满含油污水,恒温35C,两个好氧池曝气,培养36~48小时。
n接入的菌种利用采油污水中的有机物进行自身增值,同时释放聚3-羟基丁酸相互
凝聚成菌胶团。
在生物膜池中以生物膜的形式固着在填料上,在活性污泥池中,菌胶团相互
结合形成悬浮生长的微生物絮体。
生物膜和活性污泥微生物絮体形成后,经沉降,放掉上清液,再注入含油污水驯化,重复三天。
川第6天起,厌氧池保持间断进水,约4天换一次水;好氧池连续进水,流量控制
在4L/h左右,停留时间20h(示意图2-2)。
图4-2含油污水生物处理试验流程示意图(微生物培养阶段)
试验运行情况
现场试验微生物的培养约历时15天(9.21~10.4),进入生物处理系统的为低污染物浓度
(COD"150~250mg/L)的含油污水,灰黑色、浑浊,具有强烈刺激性油味,PH约为7。
处理出水无色无味,经历了一个由浊变清的过程,二沉池表面有时可见油膜。
比较而言,
接触氧化池出水要清澈透明一些;活性污泥池出水经常可见少量灰白色悬浮物。
活性污泥池污泥沉降性良好,污泥沉降比(SV)2~3%。
这一时期活性污泥和生物膜中的生物相均经历了一个渐变过程:
☆第1~2天,生物相以细菌占优势,量很大且非常活跃,逐渐形成均菌胶团;
☆第3~4天,菌胶团体积增大,细菌生命力旺盛;鞭毛虫类原生动物出现,并逐渐成为优势种群;
☆第5天以后,菌胶团边界清晰,较为致密,细菌活跃,游动型和固着型纤毛虫先后出现,代替鞭毛虫类成为优势种群。
☆最终系统内形成以钟虫类占优势,与游动型纤毛虫、鞭毛虫及细菌共同组成的微生
物群落。
4.4.3厌氧、好氧单独运行阶段
该阶段试验的主要目的
I使生物处理系统的微生物生态体系更加成熟稳定。
n考察厌氧和好氧工艺的单独处理效果,工艺流程能否进一步缩短。
川初步进行污染物负荷试验。
试验操作过程
I低负荷运行状态(10.5~10.11)
维持系统运行状况不变(图4-2)控温在35C左右,流量控制在4~5L/h之间,进水CODcr在150~250mg/L之间。
每日检测系统进水和出水CODcr指标。
n高负荷运行状态(10.12~10.23)
维持系统运行状况不变(图4-2)控温在35C左右,进水CODcr在300~400mg/L之间。
流量分三步调整(见表4-3)以初步确定系统工艺参数,每日检测系统进水和出水COD"指
标,不定期送检石油类含量。
表4-3高负荷运行阶段好氧池运行参数
序号
处理方法
流量
L/h
停留时间(HRT)
h
运行时间
d
1
活性污泥池(2#)
接触氧化池(3#)
4~4.5
18~20
2(10.14~10.15)
2
活性污泥池(2#)—
接触氧化池(3#)
5~5.4
15~16
3(10.16~10.18)
3
活性污泥池(2#)
5.4~5.7
14~16
5(10.19~10.23)
接触氧化池(3#)6~6.612~13
川该阶段厌氧池(1#)始终为间断进水状态,进水COD"在300~400mg/L之间,约
3~4天进一次水,控温在35C左右。
试验运行情况
低负荷运行状态下,活性污泥池和接触氧化池出水均较清澈透明。
活性污泥池污泥量没有明显增加(污泥沉降比3%左右),日回流污泥量2~3L,污泥沉降性良好。
接触氧化池
运行后期,由于营养不足,有生物膜非正常脱落现象。
高负荷运行状态下,随流量增加,活性污泥池污泥流失现象严重,污泥沉降性变差。
接触氧化池运行较为稳定。
厌氧池出水为黑灰色,有黑色悬浮颗粒,有时可闻到淡淡的油味。
试验结果及数据分析详见4.5.1。
这一时期,活性污泥和生物膜的生物相中,细菌活跃,菌胶团性状良好且较为稳定,原生动物仍是以钟虫类占优势,水质波动时可见游动型纤毛虫类增多。
4.4.4厌氧+好氧运行阶段
试验操作过程
I本阶段将厌氧池和好氧池连接起来,系统按图4-1状态运行,经过短期适应期(即使好氧微生物适应来自厌氧池的经厌氧处理的含油污水)后,系统进行了一系列的温度和负
荷试验。
具体过程见表4-4。
n由于活性污泥池的污泥量始终增殖缓慢,于是取生活污水处理厂二沉池污泥,加入菌种进行驯化培养3天后,于11月3日添加在活性污泥池内(约5L),再经含油污水3天驯化,使污泥沉降比达到10%左右,。
表4-4好氧+厌氧运行阶段各装置运行参数
序号
厌氧池(1#)运行状态
活性污泥池(2#)运行状态
接触氧化池(3#)运行状态
运行时间d
温度C
流量
L/h
停留时间h
温度C
流量
L/h
停留时间h
温度C
流量
L/h
停留时间h
1
30
r8~9
「11~12
35
4~4.51
18〜20:
35
4~4.5
18~20
3
(10.24~10.26
2
35
10~11
9~10
35
5~5.4
15~16
35
5~5.6
14~16
3
(10.27〜10.29)
3
35
11~12
8~9
40
5~5.4
15~16
35
6~6.6
12~13
3
(10.30~11.1)
4
40
r9~12
r8~n
;35
#
4〜5.4
15~201
30
6~6.6
12~13
5
(11.2~11.6)
5
40
11~12
8~9
30
5~5.4
15~16
40
6~6.6
12~13
4
(11.7~11.10)
6
40
11~12
8~9
35
5~5.4
15~16
35
6~6.6
12~13
5
(11.11~11.15)
7
40
10
10
35
4.5
18
35
5.7
14
4
(11.16~11.19)
注:
①由于试验条件所限,表中所列流量为该段时期的平均流量或尽力调节到的范围,
际系统流量波动很大。
②#所示该段时间活性污泥池新添加了菌种和驯化的污泥,为调整适应阶段。
试验运行情况
活性污泥池在添加菌种和驯化的污泥前,运行不稳定,二沉池出水经常可见大量悬浮物,污泥沉降性较差。
后来通过减少活性污泥池的曝气量,使污泥沉降性有所好转,但活性污泥池内出现污泥沉积现象,实际发挥生物降解作用的生物量减少,处理出水水质较差。
添加菌种和驯化的污泥后,增加曝气量,污泥沉降比达到10%左右,日回流污泥量
4~5L,污泥沉降性较好,处理出水较清澈透明,悬浮物明显减少。
接触氧化池一直运行正常,出水清澈透明。
运行两个月,二沉池底几乎没有污泥沉淀。
试验结果及数据分析详见4.5.2。
试验后期,活性污泥和生物膜生物相中均出现草履虫、轮虫类后生动物,从侧面反映出生物处理系统已相当成熟稳定。
另外,在11月11日,生物处理系统由于外界原因停止进水24h后,由混凝沉降罐引
入含油污水,黄褐色、浑浊,有轻微油味及铁锈味。
该水的进入对生物处理系统冲击较严重,活性污泥池和接触氧化池内水面出现大量白色泡沫,出水呈黄色,水质较差。
但系统两天后
即恢复正常状态。
4.5试验结果及数据分析
4.5.1好氧、厌氧单独运行阶段试验结果
好氧池单独运行处理效果
表4-5好氧池单独运行阶段处理结果
序
号
进水
活性污泥池(2#)
接触氧化池(3#)
CODcr
mg/L
CODcr
mg/L
CODcr
去除率%
污泥沉降比
SV%
CODcr
mg/L
CODcr
去除率%
一低负荷
运行阶段
1
168
139
17.3
3~4
119
29.2
2
159
139
12.6
2
104
34.6
3
112
34.9
1
100
41.9
4
189
115
39.2
1
87.9
53.5
5
272
120
55.9
116
57.4
6
162
115
29.0
3~4
96.4
40.5
7
162
130
19.6
113
30.2
8
160
112
30
1~2
107
33.1
9
166
131
21.1
3~4
121
27.1
10
173
125
27.7
2
123
28.9
-高负荷
运行阶段
11
388
204
47.4
3
154
60.3
12
393
196
50.1
2
146
62.8
13
390
187
52.1
3
191
51.0
14
382
191
50
2
164
57.1
15
364
205
43.7
3
150
58.8
16
366
176
51.9
2
150
59.0
17
374
195
47.9
2
147
60.7
18
368
185
49.7
1
140
62.0
19
322
203
37.0
2
143
55.6
20
344
198
42.4
2
141
59.0
由上表所示数据可以看出,在低负荷(进水CODcr160~200mg/L)运行状态下,活性污泥法处理出水CODcr在110~140mg/L之间,达标率(CODcr<120mg/L)50%,平均去除率28.7%,波动范围12.6%~55.9%,处理效果不很稳定。
污泥沉降比1~4%(回流污泥前后测定的差异),污泥量很低。
接触氧化法处理出水CODcr在80~125mg/L之间,达标率(CODcr<120mg/L)80%,平均去除率37.6%,波动范围27.1%~57.4%,处理效果较为稳定。
在高负荷运行(进水CODcr320~400mg/L)状态下,活性污泥法处理出水CODcr在
170~210mg/L之间,平均去除率47.2%,波动范围37.0%~52.1%。
随处理量增加(4L/h增至5.7L/h),污泥量降至2%,处理效率略有下降。
接触氧化法处理出水CODcr在140~190mg/L之间,平均去除率58.6%,波动范围
51.0%~62.8%。
后期随处理量增至6.5L/h(HRT约12h),处理出水CODcr稳定在140~150mg/L,说明系统的微生物生态体系已较为成熟,且可以承受该运行负荷。
厌氧池间断进水处理效果
表4-6厌氧池间断进水处理结果
序
号
进水
出水
温度
C
PH
CODcr
mg/L
温度
C
PH
CODcrmg/L
停留
24h
去除率
%
停留
48h
去除率
%
1
15
7
395
35
8
258
34.7
242
38.7
2
15
7.93
373
35
8.37
304
18.5
208
44.2
3
16.8
7.71
388
38
8.26
276
28.9
4
13
7.44
364
35
7.75
313
14.0
242
33.5
5
13
368
35
270
26.6
224
39.1
注:
出水温度及PH为停留24h时测定值
上面的试验结果表明,厌氧微生物处理含油污水,停留24h可使COD"下降
50~100mg/L,平均去除率24.5%;停留48h可使CODcr下降130~170mg/L,平均去除率38.9%。
4.5.2好氧+厌氧运行阶段试验结果
好氧+厌氧工艺处理效果分析
表4-10厌氧+好氧工艺处理含油污水试验结果
序号
进水
CODcr
mg/L
厌氧池(1#)
活性污泥池(
2#)
接触氧化池(3#)
CODcr
mg/L
CODcr
去除
率%
CODcrmg/L
CODcr
去除
率%
CODcr
总去除
率%
CODcr
mg/L
CODcr
去除
率%
CODcr
总去除率
%
1
300
251
16.3
181
27.9
39.7
123
51.0
59
2
288
236
18.1
164
30.5
43.1
111
53.0
61.5
3
277
219
20.9
152
30.6
45.1
116
47.0
58.1
4
378
252
33.3
167
33.7
55.8
125
50.4
66.9
5
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244
39.5
196
19.7
51.4
137
43.9
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