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马来西亚分析科学杂志

由马来西亚分析科学学会出版

ISSN

1394 - 2506

膜过滤技术在油田污水处理中的应用研究进展

(Ulasan Mengenai Rawatan Sisa Medan Minyak Menggunakan Teknologi Membran Penapisan Berbanding Teknologi Konvensional)

Syarifah Nazirah Wan Ikhsan^1,2, Norhaniza Yusof ^1,2*, Farhana Aziz^1,2, Nurasyikin Misdan³

¹先进膜技术研究中心 (AMTEC)

²马来西亚化工与能源工程学院 (FCEE)

Universiti Teknologi Malaysia, 81310 UTM Skudai, Johor, Malaysia

³马来西亚敦海因大学工程技术学院,

Universiti Tun Hussein Onn Malaysia, 86400 Parit Raja, Johor, Malaysia

*通讯作者: norhaniza@petroleum.utm.my

接收日期: 26 August 2016; 接受日期: 8 January 2017

摘要

石油天然气工业是一个不断发展的行业，在当前的产业结构中，它对维持工业文明具有重要意义，在其他许多行业中也发挥着重要的作用。一些石油和天然气工业的操作对炼油和浮油的副产品造成的水污染负有责任。油田采出水是引起严重环境问题的最大副产品之一。油田采出水(OPW)是油田正常生产过程中与油相沿井共产的水液相。OPW的含量由不同类型的有机和无机混合物组成。丢弃这类废水会导致表面污染，特别是对水源和土壤的污染。因此，为了满足环保法规的要求以及采出水的重复利用和循环利用，许多研究人员将重点放在了含油盐水采出水的处理上。传统的采出水处理技术包括澄清剂、溶解气浮选、水力旋流器和一次性过滤器/吸收器。通常情况下，需要额外的化学品用于凝结或沉淀，这些化学品价格昂贵，而且无法达到最近要求的清洁标准。因此，研究人员已经转向了膜过滤计划，因为它们能够最大限度地减少额外费用，并超越与当前进展相关的问题。因此，本文综述了膜技术在油田生产废水处理中的应用现状和发展趋势，以及膜技术在油田生产废水处理中的研究进展。

关键词: 油田采出水，膜过滤，混合基质膜，含油废水

介绍

石油和天然气工业的快速增长通常与其在维持工业文明方面的重要作用密切相关。几乎所有的经济部门都严重依赖石油和天然气。这一新兴产业引起了许多国家的关注，主要是因为它的过程产生了大量的液体废物[1]。

一些石油和天然气工业的操作已经监督了通过精炼和浮油的副产品造成的水污染。石油和天然气工业是挥发性有机化合物(VOCs)排放的最大工业来源，挥发性有机化合物是一种化学物质的聚集，它增加了地面臭氧的排列，这在本世纪引起了许多关注。油田采出水是引起严重环境问题的最大副产品之一。采出水是指在正常的生产过程中，由生产井与油相共同生产的水液相。油田采出水中含有不同类型的有机和无机物质。排放采出水会污染地表水、地下水和土壤。

近年来，普遍的采出水产量估计在每天2.5亿桶左右。由于普遍的采出水量大于产油量，含水已上升到70%。由于这种废物在世界各地的数量都在不断增加，因此，释放产生的水对自然的命运和影响已成为一个值得关注的生态问题。图1为自1990年至2015年陆上和海上采出水产量估算值。Ferro和Smith[3]预测，油田采出水产量最终将逐年增加，这已被证明，自本世纪初以来，油气行业已成为一个主要行业。石油和天然气工业日益增长的需求增加了废水的产量，这反过来又引起了人们对环境安全的关注。

图1:1990年~ 2015年采出水估算

历史上，采出的水被丢弃在巨大的蒸发池中。无论如何，从生态和社会的角度来看，这已经变成了一种不可接受的处理技术。一般来说，采出水通常被视为工业废物和煤层气(CSG)生产者，目前需要对其进行任何类型的有用的再利用。目前，更严格的环境标准已经导致了更大的努力来处理生产水。根据马来西亚《1974年环境质量法》、《马来西亚环境质量(污水和工业废水)条例》、1979年、1999年、2000年的规定，在水中处理油类和油脂的限量为10 mg/L, COD限量为100 mg/L。

因此，为了满足环保法规的要求以及采出水的重复利用和循环利用，许多研究人员将重点放在了含油生理盐水采出水[1]的处理上。采出水中有几种主要污染物值得关注，包括高含量的总溶解固体(TDS)、油及油脂(Oamp;G)、悬浮固体(SS)、分散的油、溶解及挥发性有机化合物、重金属、放射性核素、溶解气体及细菌。

一般来说,从油田生产水处理涉及几个阶段,包括预处理去除大部分石油和天然气以及其他粗颗粒,主要治疗移除小液滴和颗粒,抛光处理去除超微粒子,最后选的三级处理和气体去除溶解问题。有不同类型的治疗可以用来实现这些治疗。采出水的处理通常是昂贵和耗时的，因为物理方法的资本成本和危险污泥化学处理的化学品成本高[1]。油田采出水处理的主要目的是去除烃类成分。表1显示了一个简单的水处理厂在处理产出水的各个阶段所使用的处理类型的总结。

在采出水技术中，需要满足一些要求以实现高性能和分离。高回收率有助于减少废物的数量和处理。此外，污染物的高残次率有利于满足严格的排放要求。此外，一个动态处理应该是非常强大的，包括低维护，以减少劳动力和监督的要求。处理也应该是灵活的，因为它可以处理高变化的水质和数量。此外，在模块化方面，该技术应具有占用空间小、干扰小的特点。

表1:含油污水处理各阶段概况

阶段 处理方法

第一阶段 物理化学法

第二阶段 生物与物理化学相结合

第三阶段 处理示例以供重用

第四阶段 污泥处理(自然/机械)

因此，随着环境法规的关注和降低成本的努力，越来越多的研究人员正致力于提出处理含油废水的新技术，以尽可能降低[4]成本。国内外研究机构不知疲倦地深入研究和探讨了含油污水的处理方法，其目标都是去除大量的油，考虑到去除溶解的有机物、悬浮物、肥皂、pH、硫化物、氨等。[5]。通常用于油田采出水处理的物理化学策略通常是不被允许的，因为它们集中在分散的油的分离或将分解的有机污染物从水相中排出，而没有合成变化[6]。虽然采出水是各种污染物的复杂混合物，但是，通过使用适当和有效的技术，它可以被用于各种回收利用和重复利用的替代方案[7]。

油田采出水的环境问题通常是由于大量的脂肪族和芳香烃、多环芳香烃、酚类等化工产品的污染影响而引起的。目前用于处理采出水的技术包括澄清剂、溶解气浮选、水力旋流器和一次性过滤器/吸收器。通常情况下，如果不使用这些技术，即用于混凝或沉淀的额外昂贵化学品，这些技术就无法达到最近要求的清洁标准。因此，增加和增加危险废物数量的业务费用就产生了。即使经过了与油分离的初级过程，水中仍然含有浓度高达2000 mg/L的乳液状油滴，需要进一步处理后才能排放[8]。

油田采出水常规处理方法

处理含油采出水的常规方法已有几十年的历史。这些方法包括浮选、混凝和生物处理。浮选和混凝都是物理化学方法，而生物处理是利用厌氧和好氧方法来降低废水中的COD和BOD水平。然而，传统的处理方法是不够有效的，特别是当涉及的样品有油滴分散良好，浓度低。传统的采出水净化方法主要是利用重力将油水进行物理分离，然后将出水排放到环境中。

由于含油废水中含油量的不同，传统的方法往往不能获得较高的分离效果。此外，传统的预处理技术大多只适用于废水的预处理和原位回用。它不是通用的和动态的，因此需要更大的和更可靠的治疗方法。含油废水的难降解性给传统的处理方法带来了一定的困难，往往难以达到较高的处理成功率。

浮选法

浮选是将各种材料的小颗粒在水中进行化学处理，使其中一些颗粒附着在气泡上，浮到水面除去，而另一些颗粒留在水中的过程。传统的溶解气浮选系统如图2所示。浮选具有较短的停留时间和较高的上浮率。该方法对去除小颗粒和轻颗粒[11]有较好的分离效果。

图2 传统溶解气浮选系统[12]

然而，对于含有乳化油的废水，很难分离出小气泡.有几个因素是敏感的过程，可以影响的效率，其中包括pH值，压力，饲料率。为了提高浮选工艺的性能,需要合理确定浮选颗粒的工艺参数、条件或特性。这使得该方法更加繁琐、耗时，仪器和机构的多次使用将大大增加成本.

混凝法

混凝是一种利用混凝剂，通过中和使胶体分离的力而使胶体不稳定的方法，如图3所示。这种方法通常与絮凝相结合，絮凝的目的是将细小的颗粒和胶体凝聚成较大的颗粒，以降低浑浊度。这一过程包括两个阶段，即将分散的混凝剂快速混合到水中，然后通过温和搅拌将小颗粒凝聚成絮凝体。该方法设计简单，能耗低，操作方便，适用于污水处理的不同阶段。该方法使用了混凝剂，其中应用最广泛的混凝剂有硫酸铝和聚合氯化铝。表2显示了含油废水处理中最广泛使用的混凝剂。其机理在很大程度上取决于混凝剂的选择、投加量、废水特性和处理工艺.

图3 混凝作用的基本机理