（环境工程专业论文）稳定塘处理苏丹油田采出水的应用及研究.pdf

摘要 水资源的短缺和日益严重的污染严重威胁人类的生存和发展，石油开发生产中产生 的采油废水是水污染的主要来源之一。随着油田开发的不断深入，尤其是二次、三次采 油技术的普遍采用，采油废水的产量也急剧增加，油田开发生产中的注采不平衡矛盾日 益突出，开发新型污水处理工艺和技术使采油废水达标外排和资源化利用是污水处理研 究的重要课题之一。稳定塘污水处理工艺具有投资省、操作维护费用低、结构简单、操 作维护方便等特点，已被广泛应用于处理城镇生活污水和各种工业废水，但有关稳定塘 污水处理技术在油田采出水中的应用还不多。苏丹六区油田是中石油的第一个海外项 目，截止2 0 11 年已开采了1 3 年，油田平均含水已达8 5 ，注采矛盾非常突出。本文通过 对苏丹人文、气候、地理、地貌和水文地质特征研究，论证稳定塘处理苏丹油田采油污 水的可行性，以解决油田采出水的注采矛盾，使油田采出水达标外排和资源化利用，实 现中石油海外项目的经济效益和社会效益；根据成功经验，推广稳定塘污水处理工艺在 中石油海外项目的适当地区，特别是在那些干旱沙漠地区油田的应用，以降低经济和政 治风险；同时丰富稳定塘污水处理数据库，为国内外采油废水的稳定塘生化处理提供可 以借鉴的经验。本文采用了生产数据分析法，综合分析了稳定塘的生产数据，研究有了 有机物、石油类、t s s 等的降解规律；分析3 d o 的产生和分布规律：探讨了温度和p h 对有机物、石油类、t s s 等降解的影响；对稳定塘污水处理项目进行了经济技术分析和 环境评价。在分析稳定塘生产数据的基础上，本文认为：稳定塘生物处理技术具有处理 效率高、运行费用低、管理方便等优点，适合在地广人稀，尤其是干旱少雨地区的推广 应用，作为采油废水达标排放前的处理单元，具有进一步净化水质和调节存储的双重功 效；根据区域水文地质条件，采取适当的防渗措施，可以有效防止稳定塘对当地环境， 尤其是地下水的污染；稳定塘污水处理工艺用于处理海外油田采出水，可以有效降低政 治、经济风险，实现企业的经济、社会和环境效益，有利于树立企业海外品牌形象。 关键词：稳定塘，采出水，生物法，生物降解，生化处理 a p p l i c a t i o na n ds t u d yo fs t a b i l i z a t i o np o n dt ot r e a t m e n to f p e t r o l e u mw a s t e w a t e ri ns u d a n0 i 1 1 f i e l d l i uc h a o m i n g ( e n v i r o n m e n t a le n g i n e e r i n g ) i n s t r u c t o r ：p r o f e s s o rg e n gc h u n x i a n g w a n gh e p i n g a b s t r a c t t h ei n c r e a s i n g l ys e r i o u ss h o r t a g ea n dp o l l u t i o no ft h ew a t e rr e s o u r c et h r e a t e nt h el i v i n g a n d d e v e l o p i n go ft h e h u m a nb e i n gs e r i o u s l y t h e p e t r o l e u mw a s t e w a t e rp r o d u c e di n p e t r o l e u md e v e l o p m e n ta n dp r o d u c t i o ni so n eo ft h em a i np o l l u t i o nr e s o u r c e s w i t ho i l f i e l d d e v e l o p i n gt h o r o u g h l y ，e s p e c i a l l y ，s e c o n d a r yr e c o v e r ya n dt e r t i a r yr e c o v e r yp o p u l a ra p p l y i n g f o ro i le x t r a c t i o n ，t h ep r o d u c t i o no ft h ep e t r o l e u mw a s t e w a t e ri ss h a r pi n c r e a s i n g c o n f l i c to f b a l a n c eb e t w e e ni n j e c t i o nw a t e ra n do i lr e c o v e r yw a s t e w a t e ri sp r o t r u d i n ga c c o r d i n 酉y t h e d e v e l o p i n gn e ww a s t et r e a t m e n tt e c h n o l o g ya n dc r a f t ，d i s c h a r g i n gw a s t e w a t e rr e a c h e dt o s t a n d a r da n du t i l i z i n gt h ew a s t e w a t e rr e c l a m a t i o na r eo n eo ft h ei m p o r t a n tt o p i c sf o rs t u d i e s a n dd i s c u s s i o n s t h et r e a t m e n tw a s t e w a t e rt e c h n o l o g yo fs t a b i l i z a t i o n p o n di s o ft h e p r o p e r t i e so fl o w e ri n v e s t m e n ta n do p e r a t i o n & m a i n t e n a n c e , s i m p l e rs t r u c t u r ea n de a s i e r o p e r a t i n ga n dm a i n t a i n i n ga n di sw i d e l yu s e di nt r e a t i n gd o m e s t i cs e w a g eo fc i t i z e na n d w a s t e w a t e ro fi n d u s t r i e s ，b u ti ti sl i t t l er e p o r t e dt h a tt h ea p p l i c a t i o no ft h es t a b i l i z a t i o np o n d t ot r e a t m e n to fp e t r o l e u mw a s t e w a t e r t h es i x t hb l o c ko i l f i e l di ns u d a ni st h ef i r s to v e r s e a p r o j e c tf o rp e t r o c h i n a s of a r , i th a sb e e nd e v e l o p i n ga n dp r o d u c i n gf o r13y e a r sa n di t s a v e r a g ew a t e rc u tu p st o8 5 c o n f l i c to fb a l a n c eb e t w e e ni n j e c t i o na n dr e c o v e r yw a t e ri s v e r yp r o t r u d i n g a f t e rs t u d i e dt h ea n t h r o p o g e o g r a p h y ，p h e n o l o g y ，c l i m a t e ，g e o g r a p h y ， l a n d f o r m sa n dh y d r o g e o l o g yo ft h es u d a n ，t h ed i s s e r t a t i o nd e m o n s t r a t e st h ef e a s i b i l i t yo f d e a l i n gw i t hp e t r o l e u mw a s t e w a t e rf r o mt h eo i l f i e l di ns u d a nb ys t a b i l i z a t i o np o n dt os o l v e t h ec o n f l i c to fb a l a n c eb e t w e e ni n j e c t i o na n de x t r a c t i o nw a t e r ，t od i s c h a r g ea n dr e u s et h e p e t r o l e u mw a s t e w a t e rr e a c h e dt ot h es t a n d a r da f t e rt r e a t e da n dt op e r f o r mt h eb e n e f i to f s o c i e t ya n de c o n o m yf o rp e t r o c h i n a t h ed i s s e r t a t i o na l s ol i k e st op o p u l a r i z et h ea p p l i c a t i o n o ft h es t a b i l i z a t i o np o n dt r e a t i n gp e t r o l e u mw a s t e w a t e rt ot h eo v e r s e a p r o j e c to fp e t r o l e u m c h i n al o c a t e di ns u i t a b l ea r e a , e s p e c i a l l y ，i nt h ev a s tt e r r i t o r yw i t has p a r s ep o p u l a t i o na n d d r o u g h td e s e r tr e g i o nt od e c r e a s et h er i s ko ft h ep o l i t i c sa n de c o n o m y a tt h es a m et i m e ， e n r i c h e st h ed a t ao ft h es t a b i l i z a t i o n p o n da n ds h a r e ss o m es u c c e s s f u le x p e r i e n c ei n w a s t e w a t e rt r e a t m e n t t h em e a s u r e so fs t u d yi s a n a l y z i n ga n dc o m p a r i n gp r o d u c t i o nd a t e b a s e do nt h ep r o d u c t i o nd a t ef r o ms t a b i l i z a t i o np o n d ，t h ed i s s e r t a t i o ns t u d i e dd e g r a d a t i o n p r i n c i p l eo ft h eo r g a n i cm a t t e r , o i l ，t s s ，a n ds oo n ，a n a l y z e dt h ed op r o d u c t i o na n d d i s t r i b u t i o nl a w , p r o u dt h et e m p e r a t u r ea n dp hh o wt oa f f e c tt h e d e g r a d a t i o no fo r g a n i c m a t t e r , o i l ，t s s ，e t c ，e s t i m a t e dt h ee c o n o m yd a t aa n de n v i r o n m e n ta f f e c t i o no ft h e s t a b i l i z a t i o np o n dt r e a t i n gp e t r o l e u mw a s t e w a t e r t h er e s u l t ss h o wt h a tt h es t a b i l i z a t i o np o n d t r e a t i n gw a s t e w a t e rt e c i l l l o l o g yc a nb e u s e df o r t r e a t i n gp e t r o l e u mw a s t e w a t e rw i t hi t s a d v a n t a g e so fh i g he f f i c i e n c y ，l o wo p e r a t i n gc o s t ，a n de a s ym a n a g e m e n t p a r t i c u l a r l y ，i nt h e v a s tt e r r i t o r yw i t has p a r s ep o p u l a t i o na n dd r o u g h td e s e r tr e g i o n , i tc a np u r i t yw a t e rf u r t h e r a n da l s os t o r ew a t e r t e m p o r a r i l y a c c o r d i n gt ol o c a lh y d r o g e o l o g y ，t h es t a b i l i z a t i o np o n dw i t h p r o p e rw a t e r p r o o fl a y e rc o n s t r u c t e dc a np r o t e c tf r o mb r i n gg r o u n d w a t e rp o l l u t i o ne f f e c t i v e l y a p p l i c a t i o no ft h es t a b i l i z a t i o np o n dt ot r e a t m e n tp e t r o l e u mw a s t e w a t e ro ft h eo v e r s e ao i l f i e l d c a nl o wt h er i s ko ft h ep o l i t i c a la n de c o n o m i c a la f f a i r s ，g e tb e n e f i t sf r o me c o n o m y ，s o c i e t y a n de n v i r o n m e n ta n dm a k ef o rb u i l d i n gb r a n di m a g eo f t h ep e t r o c h i n a k e y w o r d s ： s t a b i l i z a t i o n p o n d ，p e t r o l e u mw a s t e w a t e r , b i o l o g i c a lm e t h o d ， b i o d e g r a d a t i o n , b i o c h e m i c a jt r e a t m e n t 中国石油大学( 华东) 工程硕士学位论文 第一章概述 1 1 研究意义 1 1 1 国内外水资源现状 t 水是生命之源、生产之要、生态之基，【。地球上虽然“三分陆地七分水”，水资源 总量达1 3 8 6 亿立方千米，但大部分是海洋咸水，约占9 7 7 ，淡水仅占2 5 3 ，约 o 3 5 亿立方千米，而在这部分淡水中，又有6 8 6 9 分布在南极洲和格陵兰岛上的 大陆冰川，目前还难以开发利用，现在真正可利用的淡水仅占全球淡水总储量的 0 3 ，为全球总储水量的十万分之七1 2 。2 0 世纪5 0 年代以来，全球人口急剧膨胀， 工农业生产规模迅速扩大，导致了全球性的资源耗竭和严重的环境污染问题，其中 最为突出的是水资危机【3 1 。世界人口的增加和经济规模的急剧扩大，导致了淡水耗 量飞速增长，据2 0 0 9 年1 月，瑞士达沃斯世界经济年会报告统计，2 0 世纪全球水消耗 总量增加了7 倍，其中工业水消耗总量增加了2 0 倍。特别是近几十年来，全球水耗量 每年都以4 8 的速度持续递增，淡水供需矛盾日益突出。联合国环境规划署的数据 显示，如按当前的水资源消耗模式继续下去，到2 0 2 5 年，全世界将有3 5 亿人口，4 0 多个国家和地区缺水或严重缺水 4 1 。历史发展到了2 0 世纪9 0 年代，环境污染，尤其水 污染日益严重，致使世界淡水资源日渐短缺，水、旱灾害愈演愈烈，使地球生态系统的 平衡和稳定遭到严重破坏，并直接威胁着人类的生存和发展。据联合国有关机构的统计， 全世界每年有上千万吨的有毒物质进入江河湖海，污染了5 5 亿立方米的淡水，占全世 界径流总量的1 4 以上【5 】。来自联合国一项调查统计显示，全球河流稳定流量的4 0 左右已被污染。联合国秘书长潘基文在2 0 1 1 年3 月2 2 日世界水日发文指出，全世界平 均每2 0 秒钟，就有一名儿童因缺乏干净饮用水而致病，每年有1 5 0 万年轻生命因缺乏 饮用水或因缺水造成的后果而死亡，其中非洲的形势最严重1 6 。 我国水资源存在的两大突出问题：一是短缺，二是水污染严重。据2 0 0 9 年中国水 资源公报统计，尽管我国2 0 0 9 年1 0 月2 0 日淡水资源总量为2 8 万亿立方，占全球水 资源的6 ，居世界第四位：但人均只有2 2 4 0 立方米，仅为世界平均水平的1 4 ，在世 界银行统计的1 5 3 个国家中排在第8 8 位【6 】，是全球1 3 个人均水资源最贫乏的国家之 一，而且分布极不均衡，长江流域及其以南地区以3 6 5 的国土面积其水占了全国 水资源总量的8 1 ；而以北地区，6 3 5 的国土面积其拥水量却只占全国水资源量 1 第一章概论 的1 9 。按照国际公认的人均占有水资源标准，我国目前1 6 个省( 区、市) 严重缺 水，6 个省( 区、市) 极度缺水【8 1 。在水资源的利用方面，由于制度性和结构性矛盾， 在生产和消费环节存在严重水资源不合理利用和浪费现象。据统计，我国2 0 0 6 年万元 g d p 耗水为3 2 9 m 3 ，万元工业增加值用水量1 7 8 m 3 ，是世界平均水平的4 倍，农田 灌溉亩均用水量4 4 9 m 3 ，耗水系数仅为0 4 - - 0 5 ，而发达国家是0 7 - 0 8 ：工业水的 重复利用率不到6 0 ，发达国家己达9 0 1 5 , 7 1 。 随着工业文明的到来，尤其是石油、石油化工等工业的兴起，使得水污染问 题成为2 1 世纪环境问题的焦点。日趋严重的水污染不仅降低了水体的使用功能， 迸一步加剧了水资源短缺的矛盾，也对世界可持续发展带来了严重影响，严重威 胁着城市居民的饮水安全和人民群众的身体健康。为缓解目前严峻的水形势，保 护我们稀缺的环境资源和宝贵的生态财富，1 9 9 3 年1 月1 8 日，第四十七届联合国 大会做出决议，确定每年的3 月2 2 日为“世界水日”。这加强了世界各国的水危机意 识。2 0 1 l 中共中央一号文件是中国政府处理水危机的具体行动，其对用水总量控制、 用水效率控制、水功能区限制纳污划定了三条红线。三条红线的划定势必对今后油田采 出水处理和外排提出更高的要求。 1 1 2 油田采出水的特性、注采现状和出路 油田生产开发中最大的污水来源油田采出水也称采油污水，是油气田开采过程中的 副产物钔，约占油田生产污水总量的9 0 以上1 9 1 。不同油田的采油污水组成虽然不尽相 同，但一般都含有固体杂质、液体杂质、溶解气体和溶解盐类等【1 0 1 。由于各油田的地质 条件、原油特性、油层改造措施、开发方案、驱采技术、集输和油水分离工艺等不同， 采出水的理化物性尽管差别很大，但一般都具有含油量高、矿化度高、温度高、c o d 高、p h 值高、细菌( 硫酸盐还原菌( s r b ) 和腐生菌( t g b ) 多、残存有化学药剂及表 面活性剂、表面张力大、具有放射性以及可生化性差等共性。不同油田采油污水的处置 方式各不相同，即使同一油田的不同开采阶段，采油污水的处置方式也不尽相同，但主 要的处置方式不外乎有回注、外排和资源化重复利用等三种。不同的处置方式要求的处 理方法和处理工艺是不尽相同的。当前技术条件下最理想的处置方式是处理达标后回注 【1 1 1 ，国内油田采油污水中的9 0 以上用于水驱采油开发的回注【1 2 1 。影响回注的关键因 素是污水中的悬浮物和油类，但也要考虑水中溶解有机物、硫化物等的影响。如果这些 2 中国石油大学( 华东) 工程硕士学位论文 杂质处理不当，回注的后果则可能会堵塞地层、腐蚀管线、结垢、加快微生物繁殖；如 果出水不达标而外排则会造成更大污染；资源化利用更可能损坏锅炉设备，引起爆炸等 安全事故。随着经济社会的不断发展，人们对石油的需求不断增加，提高油田采收率以 增加原油产量的愿望推动了油田开发的不断深入，各种采油技术如聚合物驱油和三元复 合驱油等的相继推广应用，在采油污水中增加了碱、表面活性剂、聚合物等难处理成分， 加大了油田采出水中污染物质的处理难度，现有污水处理工艺虽然不断改进和提高，但 也不堪处理日益复杂多量的采油污水，致使有些油田在采出水处理没达标的情况下或者 被迫回注或者非法外排【1 3 】，导致地层出油通道的堵塞，影响了油田开发，污染了地层， 违背了提高油田采收率的初衷。另外，油田深度开发也使油井采出液含水率迅速增加， 致使注采矛盾更加突出，迫切要求为采油污水的处理找到方法，为其处置找到出路，在 目前技术条件下经各种采油污水处理工艺处理的采出水外排成为各油田无奈的选择。据 统计全国油田外排的采油污水大约为3 万m 3 d t l 4 1 ，油田污水的处理已成为各油田亟待 解决的问题，污水减排攻坚战正在各油田展开。近年来，城市生活污水生物处理工艺的 研究在生物接触氧化法和氧化塘法方面取得了一定进展，但这种工艺在处理油田采出水 方面的应用还处于起步阶段。国内外利用生物方法对采油污水进行大规模处理的项目还 比较少，多数方法尚处于试验室研究和现场可行性的研究阶段f 1 5 】。稳定塘工艺具有投资 少、运行费用低、操作简单、维护管理方便、处理效果稳定等优势，有广泛的应用前景。 因此，加大相关技术的研究和推广应用是非常必要的。尤其是对政治和经济风险十分不 确定的海外油田开发项目更应如此。 1 1 3 稳定塘污水处理工艺的特点 稳定塘旧称氧化塘，海外项目亦称蒸发池，是一种利用天然水体净化能力和土壤自 净原理处理污水的构筑物。塘体可以是天然形成的，也可以是人工砌筑的。主要利用菌 藻和水生植物的共同作用处理废水中的有机底物，据塘内微生物的类型和供氧方式的 不同，稳定塘可分为厌氧塘、兼性塘、好氧塘和曝气塘等四类。其特点是基建投资省、 运转费用低、维护和维修简单、便于操作、能有效去除污水中的有机物和病原体、无需 污泥处理，且能够实现污水的资源化利用【1 6 】。四种不同类型的塘搭配使用，可以极大地 适应各种不同浓度有机物废水的处理。是最有前途的传统、绿色污水处理技术，可以 作为二级生物处理技术的替代方案，对提高污水处理的经济效益、社会效益和环境效益 1 第一章概论 具有重要的现实意义，越来越受到世界各国政府的重视和扶持。城市污水处理的经验 证明，稳定塘污水处理工艺比二级生物处理系统的基建投资可节省1 3 1 2 ，运行费用 可省1 3 ，在出水指标达到相同水平时，稳定塘适应面更广f 1 8 j 。因此，只要土地资源廉 价而丰富，地势存在天然等高差，且气候条件适宜，稳定塘污水工艺的竞争优势就不言 而喻，已广泛应用于生活污水和工业废水的处理。但有关稳定塘污水处理工艺处理采油 污水的研究和应用的报道还不多，其净化采油污水的机理还有待进一步研究，受环境诸 因素影响的规律也待探讨，尤其是其水力动力学和净化机理动力学模型的试验数据还有 待丰富。 采油污水具有高t s s 、高温、高矿化度、高b o d 5 、高c o d 、低b o d 5 c o d 、可生 化行差等特点【1 9 1 。为了提高采油污水的可生化性，通常采用接种和驯化两种方法来培育 污水中缺乏的降解菌。获得降解菌的方法有两种：一是从环境中直接选育，二是通过生 物强化技术培育。厌氧塘技术中的降解菌获取一般采用前者。厌氧分解代谢是厌氧微生 物和兼性微生物在无溶解氧的条件下，将复杂有机底物分解成简单有机物和无机物，再 被甲烷菌进一步转化为甲烷和c 0 2 等，并放出能量的代谢过程1 2 0 1 。厌氧塘对有机物的降 解是由两类厌氧菌经过产酸发酵和甲烷发酵两阶段来完成的，适用于处理高浓度的有机 废水，在处理采油污水应用中，可有效降解c o d ，提高采油污水的可生化性，在稳定 塘污水处理工艺中作为预处理设备，可以有效降低稳定塘的负荷。兼性塘具有好氧塘和 厌氧塘双重特性，区内有三层结构，好氧区、兼性区和厌氧区。适用于处理b o d 5 浓 度为2 0 0 - 5 0 0 m g l 的废水，去除效率可达到7 0 - - - 8 5 1 2 1 1 。因此兼性唐构成了稳定 塘污水处理工艺的主要环节，一般采用多级串并联拓扑结构，以期达到提高污水处理效 率和出水水质质量之目的。 1 1 4 中石油海外油田采油污水处理工艺的发展趋势 自从1 9 9 6 年中国石油走向海外石油勘探开发市场以来，已在4 0 多个国家( 这些国 家大多为发展中国家) 拥有油田开发的股份和投资项目，截止2 0 1 1 年底，权益产量己 达3 0 0 0 多万妇。随着这些项目油田开发的不断深入，许多油田已经进入中后期开采阶 段，原油含水率急剧上升，有的油田甚至达到9 0 以上，导致采油污水处理量增加较 快，处理难度加大。自从1 9 9 3 年联合国确定世界水日以来，尤其是最近l o 多年，发展 中国家的环境保护意识日益增强，环境保护的法律法规正在逐步健全，如委内瑞拉的环 4 中国石油大学( 华东) 工程硕士学位论文 境保护法律、法规参照西方制定；苏丹政府随着国内经济的发展，环境监管和立法也得 到了加强，一系列石油开发安全环保标准相继制定和颁布；哈萨克斯坦环境保护的执法 力度空前加强。这些都对中石油海外油田项目做好环保工作提出了更高要求瞄j 。 随着环保要求的提高和油田采出水的增加，加上石油资源国水资源日趋紧张，这要 求海外项目必须加强油田采油污水的处理和综合利用，保护当地的生态环境，提高中石 油的海外形象。由于采油污水的固有特点，采用传统的污水处理工艺因为工程投资大， 处理成本高，处理效率低，既不能满足采出水回注的要求，也不能达到外排标准，更不 能实现采油污水的综合利用。为此，必须寻求一种投资少，运行费用低，管理维护方便， 处理效果好的污水处理工艺来处理这些项目的采油污水，以实现当地的环保效益、社会 效益和中石油自己的经济效益。中石油海外项目资源国大多人少地多，且干旱少雨，这 正好化解了稳定塘污水处理工艺占地多的不足，又能充分利用其优势，因此，无论从政 治、经济安全的角度考量，还是从技术可行性的探究，稳定塘污水处理工艺都应该成为 中石油海外项目采油污水处理的首选。 1 1 5 稳定塘工艺在苏丹油田污水处理应用的适用性和必要性 苏丹为非洲幅员最大的国家，即使在南北分离后，北苏丹面积也有1 8 8 万，人口仅 3 0 8 9 万，人口不及我国的一个省，典型的人少地多。苏丹从北到南有很大的气候差异， 包括了整个热带沙漠气候和热带雨林气候。季节气温最热可达5 0 ，年平均气温2 l ， 不足1 0 0 毫米的年平均降雨量致使苏丹长年干旱。地处生态过渡带的苏丹，极易遭受旱 灾、水灾和沙漠化。苏丹油田位于苏丹中南部，属热带雨林或热带草原气候，全年没有 春夏秋冬四季，只有旱季和雨季之分。旱季炎热高温，气候干燥，雨季多雨潮湿。油田 地势存在自然升降的等高线，通过适当取向，各级稳定塘完全可以在无动力消耗的条件 下运行，减少了电力消耗，而且当地水生植物如芦苇、香蒲等丰富。这些得天独厚的自 然条件致使苏丹油田项目的稳定塘污水处理工艺具有投资省、维护费用低、操作简单、 能耗小、处理效率高等优点。尽管稳定塘有占地面积大，受气候影响大等缺点，然而这 些缺点完全被苏丹的人文、地理、经济社会特性化解。因此，采用稳定塘污水处理工艺 处理油田采出水在苏丹具有很强的现实性、适用性和技术可行性。 尽管常规采油污水处理技术如物理法、化学法、物理化学法和生物化学法等已经发 展到了一个相当高的水平，各种设备和药品也已系列化，是目前各油田污水处理的主要 5 第一章概论 方法，但这些大的投资设备、高的运行费用，复杂的运行和维护技术，难以处置的污泥 等问题催生了其他污水处理技术。苏丹由于历史、政治等的原因，经济相对落后，是联 合国宣布的世界最不发达国家之一，以农牧业为主的单一的经济结构，对自然及外援依 赖性强，科学技术也不发达，文盲和半文盲占全国人口的8 5 以上，相应的技术人才储 备严重不足，目前油田生产所需的普通操作维护人员非常紧缺，不得不用国家有限的外 汇在国际劳务市场上聘用外籍人员。苏丹六区油田，是中石油的独资项目，具有一定的 政治、安全和经济风险，尤其是2 0 11 年南北苏丹分离后，政治和经济风险进一步加大。 为了降低这种风险，在油田开发的各个环节，在考虑当地环保和社会效益的前提下，必 须寻求经济上的最优方案。稳定塘污水处理工艺最大的优点就是可以充分利用当地地 形，使用闲置荒地，只需开挖构筑费用，投资小，不及同等规模二级生化处理系统的1 5 , - 一 1 3 ，而且运行操作简单，管理方便，运行维护费用不到常规二级生物处理系统的l 1 0 1 5 ，鉴于此，稳定塘污水处理工艺在苏丹实施具有现实的经济意义，是本项目采油污水 处理的最优选择。 1 2 课题研究的内容及实现的目标 中国石油在苏丹共参与了5 个油田的开发，其中1 2 4 区、6 区和3 7 区油田为目前 的主力油田。这些油田均位于苏丹中南部，气候特征基本相同，地形地貌也十分相近， 为了研究的针对性，本文选取苏丹六区稳定塘污水处理工艺为对象，主要研究内容包括： 根据六区油田人文、气候、地理、地貌和水文地质特征设计和施工稳定塘；根据稳定塘 生产数据，研究有机物、石油类、t s s 等的降解规律；分析d o 的产生和分布规律；探 讨温度和p h 对有机物、石油类、t s s 等降解的影响；通过研究d o 生产数据，分析稳 定塘有机物降解的溶解氧的主要来源；评价稳定塘污水处理工艺对当地环境的影响，尤 其是对地下水的影响；对稳定塘污水处理工艺进行经济评价。 本论文的目的是论证稳定塘污水处理工艺处理采油废水的可行性，首先是解决油田 采出水的注采矛盾，实现采出水的达标外排及其资源化利用，保护资源国环境，实现中 国石油海外项目的经济效率；其次是推荐稳定塘污水处理工艺作为其他污水处理技术的 替代方案，促进该工艺在中石油国内外项目的适当地区，特别是在那些干旱沙漠地区油 田的应用；第三是丰富自然生化处理生产数据库，为国内外采油废水的自然生化处理提 - 6 - 中国石油大学( 华东) 工程硕士学位论文 供可以借鉴的经验，从而实现中石油的长远发展战略，实现能源、环境与社会责任之间 的和谐，树立中石油的品牌形象。 7 - 第二章油田采出水处理技术现状及其发展趋势 第二章油田采出水处理技术现状及其发展趋势 2 1 油田采出水处理技术现状 2 1 1 采出水处理方法 石油工业既是主要的污水生产者，又是水资源的最大消费者。油田采出水具有矿化 度高、温度高、表面张力较高，与油层配伍性好等特点，是油田水驱开发工艺最适合的 水源，但随着油田开发的深入，尤其是二次、三次采油技术普遍的采用，油田采出水量 随之大增，从而产生了注采不平衡矛盾，为此必须考虑达标外排或者资源化利用。由于 各油田地质条件、原油特性、集输流程、分离工艺、开发方式、采出水处置方式等的不 同，油田采出水的处理方法也各异。目前，国内外采油污水的处理方法主要有物理法、 物理化学法、化学法和生物化学法等四种【2 3 l 。物理法主要包括重力、离心、过滤和膜分 离法以及粗粒化等方法；物化处理法有气浮法和吸附法两种；化学法由混凝沉淀、化学 转化和中和法组成；生物法分成好氧生物处理和厌氧生物处理【2 4 1 。研究实验和应用实践 表明，以上方法各有优劣，具体特性见表2 1 【2 5 1 。 2 1 2 采出水处理工艺 油田采出水主要有三种处置方式：回注、外排和资源化利用。不同的处置方式必须 采用不同处理工艺。处理手段大体是以物理方法分离，以化学法去除，再以生物法降解。 处理流程一般采用二段或三段处理流程，要求高者必须加入三段。一段处理有沉降( 重 力分离) 、浮选和离心分离，目的是除去浮油及悬浮固体；二段处理有过滤、粗粒化、 化学处理等，主要是破乳和去除分散油；三段处理亦称深度处理，主要包括超滤、活性 炭吸附、生化处理等，主要去除微细的分散油和溶解油【2 6 】。 采出水回注时，水中不能含有油、悬浮物以及对管线、设备有腐蚀作用和结垢倾向 的微生物和金属离子等，以免对地层产生伤害。在工艺流程中，采取的处理方法大多以 物理和化学方法为主，具体包括物理沉降、混凝沉降和过滤等，有时也采用物理和化学等 组合方法，近年来，为了处理聚驱采出水，提高采油污水的利用率，相继开发出了一些 诸如浮选和旋流等高效的处理方法，研制出了一系列轻巧、高效、环保、节能的新型处 理设备 2 7 1 。在采出水的处理工艺变革中，简单的重力过滤处理工艺流程逐步被压力过滤 处理工艺流程所取代，采用两级过滤、甚至三级过滤的处理工艺流程也十分流行，目前 8 中国石油大学( 华东) 工程硕士学位论文 表2 - 1 油田污水主要处理方法比较 t a b l e2 - 1 c o m p a r i s o nb e t w e e np r o c e s s e sf o ro i l f i e l dw a s t e w a t e rt r e a t m e n t 9 第二章油田采出水处理技术现状及其发展趋势 回注采油污水处理工艺一般由以上设备的二级或三级组成，对低渗透油层，采用深度处 理工艺十分常见。不过还是以“老三套”处理工艺居多。当前，典型回注工艺流程有以分 离、气浮、过滤为特征的科威特油田处理工艺【2 8 】；以分离、旋流、过滤为代表的英国 u l a 油田处理工艺【2 9 】；以沉降、聚结、多级过滤为特点的适用高、中渗透油田回注的大 庆油田处理工艺；以沉降、粗粒化、聚结、精细过滤为代表的适用于低渗透油田回注的 辽河油田处理工艺等。上述处理工艺流程对控制出水中的油含量和悬浮物很有效，污水 经不同的处理方法所组合成的不同处理工艺流程处理后，能够满足不同区块及不同渗透 层的注水水质要求。 采出水的资源化利用，目前大多经处理后用于蒸气发生器或锅炉的给水，出水各指 标应达到锅炉给水水质标准。锅炉给水水质要求水中不仅不应含油、悬浮物、细菌、二 氧化硅；而且其总硬度、总碱度，钙、镁等易结垢的离子含量、硫化物浓度以及总矿化 度也必须符合要求。因此，其处理工艺在回注工艺流程的基础上还应增加去硅、软化、 中和以降低二氧化硅和总硬度及碱度的处理工艺。热采锅炉一般用于稠油的蒸汽吞吐， 资源利用的采油污水是稠油污水，故其前端的浮选单元必不可少。具有代表性的工艺有 美国t e x a sp e r i a nb a s i n 油田处理工艺【3 0 】和辽河油田稠油处理工艺刚等。 采出水的外排，石油类及悬浮物的处理与回注相同，不同的是如何去除污水中的有 机物及硫化物。去除硫化物的处理工艺一般采用汽提法，而对有机物的去除一般采用生 化法。由于采出水具有矿化度高、水温高、b o d d c o d c r 小，不利于生化处理。生化处 理中微生物的培育和培养是关键，过高的c l 。会抑制微生物的生长，应加以控制。典型 的处理流程有： 采出水一沉降- 两级浮选_ 冷却一生化处理一化学沉淀一外排。 总之，采油污水处理工艺的选择，必须考虑使用的驱采技术，油层渗透特性、采油 污水处理后的用途等。在满足水质标准的前提下，工艺应力求简单、管理方便、运行可 靠。以期实现综合经济效益、社会效益和环境效益。 2 2 油田采出水处理技术发展趋势 世界范围内的水资源短缺和日益严重的环境问题促使各国加强环境保护立法和水 资源的保护与循环利用，人们的环保及节能意识得到了很大提高。油田采出水的随意处 置得到了遏制，其处理后的资源化利用越来越受到各国政府及相关企业的重视，确保企 1 0 中国石油大学( 华东) 工程硕士学位论文 业效率与环境协调发展成为重塑企业品牌形象的重要前提。在此背景下的采出水处理技 术的研究和发展主要体现在技术与工艺两方面的不断完善和进步。 2 2 1 高效水处理药剂研发 随着世界范围内油田开发的不断深入，稠油及低渗透油田或区块在油田开发中的比 重越来越大，对回注水质的要求也越来越高，水处理的难度和成本不断提高；而随着高 渗透油田或区块开发深度的不断推进，尤其是三采注聚规模的不断扩大，采出液性质发 生较大变化，原油乳化程度加剧，油水分离、污水处理越来越困难。为此开发性能优异 的破乳剂、絮凝剂和降粘剂已势在必行，其性能必须达到混凝能力强、破乳沉降速度快、 絮凝体体积小，且其原料来源应该广，目前以聚合铝、铁、硅等作为混凝剂原料来源的 研究已成为热点，以舢、f e 为基质的新型破乳剂已经问世，经其处理的水可达含油污 水的国家排放标准【3 2 1 ，无机高分子混凝剂的品种已经逐步形成系列；而有机混凝剂复合 配方的筛选和高聚物枝接是研究的重点。絮凝剂的研究还不尽人意，研究具有絮凝、缓 蚀、阻垢、杀菌等多功能的药剂应是未来发展的方向，优化筛选高效、生物降解性好的 复合复配絮凝剂，并以天然有机高分子絮凝剂替代目前广泛使用的人工合成无机、有机 絮凝剂可以有效避免二次环境污染。 2 2 2 小型高效设备的研制和新工艺的应用 研发的新设备必须小型化、高效化、自动化、并且绿色环保。如水力旋流器、密闭 浮选箱、以及各种组合装置等就是典型的代表。横向流含油污水除油器，光催化氧化技术， 电絮凝技术等都是高效设备研制的成果。而g a c f b l k ( 活性炭生物流化床反应器) 处理 近海油田采油污水的流程则是一种新工艺应用的典范，使采出水零排放成为现实。尽管 u v 0 3 或u v h 2 0 2 ( 耳1 1 生化氧化法) 是降解采出水中难降解有机物的较有效的方法，但其 实用性还有待进一步研究推广；微波能技术和超声波技术具有较好的除污功能，并且不 产生二次污染，是今后研究的重点。 2 2 3 生物处理技术 生物处理技术用于降解采出水中的有机物是未来最有前景的污水处理技术之一，不 会造成二次污染，一直是水处理工作者研究的重点和难点。单一菌种处理含有多种组分 的有机物时生化反应器处理量不足的瓶颈有待攻克；适用广、处理效率高的菌种驯化和 第二章油田采出水处理技术现状及其发展趋势 驯养技术是未来研究的课题；充分利用基因工程技术的成果，开发以质粒育种菌和基因 工程菌为代表的高效降解菌种的研究和工程应用是未来生物技术研究的方向。胜利油田 成功驯化出耐高温、高硬度、高盐的多系列菌种已证明了以上研究方向的光明前景b ”。 2 2 4 复合反应器的研发以及膜分离技术的推广应用 膜生物反应器集成了膜分离技术和生物处理技术的优点，在国外生活污水的处理中 已有成功应用，其处理工业废水已是国内外研究的热点，目前为止，其在石油污水处理 中的应用还是空白，由于其特有的技术优势，其应用于处理油田采出水只是时间问题。 为此必须尽快开发质优价廉的新材料膜：探索减少膜污染的方法；优化其清洗方法以及 开发高效配套的清洗剂。 2 2 5 水体和土壤自净系统的研究与推广【3 4 】 该系统是利用天然净化能力处理污水的设施。氧化塘和人工湿地被认为是最有前途 的污水处理工艺，已广泛用于多类污水处理和水环境生态修复，但在油田采出水的应用 中还处于起步阶段，有待进一步的研究与推广应用。氧化塘和人工湿地具有投资少、操 作简单、维护方便，处理效率高，在今后的采油污水处理中，必将成为研究的重点，在 适宜的地区成为主要的污水处理工艺。 - 1 2 中国石油大学( 华东) 工程硕士学位论文 第三章稳定塘污水处理工艺现状及其发展趋势 3 1 稳定塘的研究进展及应用现状 3 1 1 稳定塘研究进展 据记载，氧化塘用于污水的处理虽然已有3 0 0 0 多年的历史，但真正开始有系 统的研究仅始于2 0 世纪5 0 年代，涉及的内容主要包括稳定塘的净化机理和动力 学模型的建立，净化机理的研究主要包括了c o d 、b o d 、n 、p 等降解速率的影响 因子，明确了稳定塘中有机物的降解速率与有机物的成分、有机物负荷、水力停 留时间、环境温度、光照度、大气复氧条件，塘的几何结构、塘内菌燥数量、植 物种类等的关系，在此基础上，一些有机物降解速率的数学模型被推出，其中典 型的有m a r a 模型和t h i t u m r t h i 模型【3 5 1 。与此同时，形成各种塘床的设计标准、