CN103304104B

CN103304104B - 天然气气田开发污水零排放的新型工艺

Info

Publication number: CN103304104B
Application number: CN201310273856.1A
Authority: CN
Inventors: 张永红; 蔡晓波; 连伟; 郭成华; 汤林; 班兴安; 童富良; 李静; 赵琼; 陈彰兵; 何蓉云; 杜通林; 肖芳; 汤晓勇; 曾彬; 曹乐季; 王海元; 甘永昌; 刘静; 何化
Original assignee: China National Petroleum Corp Engineering Design Co Ltd
Current assignee: China National Petroleum Corp; China Petroleum Engineering and Construction Corp
Priority date: 2013-07-02
Filing date: 2013-07-02
Publication date: 2014-04-23
Anticipated expiration: 2033-07-02
Also published as: CN103304104A

Abstract

本发明公开了一种天然气气田开发污水零排放的新型工艺，包括如下步骤：将气田内的污水划分为正常生产污水、生活污水、检修污水、事故废液、雨水、生产废水以及气田水，分别进行收集；然后将正常生产污水、生活污水、检修污水、事故废液和初期雨水引入生化处理单元，生产废水引入电渗析处理单元，气田水引入气田水预处理单元；生化处理单元处理后未回用完的达标污水、电渗析处理单元处理后所产生的浓水以及气田水预处理单元处理后的气田水均进入蒸发结晶单元进行深度处理，水质达标后回用为循环冷却水补充水或气田内其他生产用水，污染物以结晶盐的形式从污水中析出，对结晶盐进行填埋处置或回收利用，最终实现污水零排放。

Description

天然气气田开发污水零排放的新型工艺

技术领域

本发明涉及环保技术中的污水处理领域，尤其是涉及一种天然气气田开发污水零排放的新型工艺。

背景技术

天然气气田开发会产生大量的气田水、生产污水、生产废水以及检修污水。气田水是采气过程中随天然气从气井带出的地层水以及在集、采气过程中原料气因压力变化由分离器产生的凝析水。正常生产污水是指在天然气净化过程中，净化装置产生的生产废水，其COD浓度约为500mg/L，主要污染物包括甲基二乙醇胺、环丁砜和三甘醇等。生产废水是指在生产过程中循环冷却水系统排污水和锅炉房排污水，主要污染物包括含盐类、机械杂质、磷酸三钠等，其污染程度较轻。检修污水是指在净化设备检修期间产生的检修废水，其COD浓度高，有时可高达26000mg/L左右，主要污染物为环丁砜等。另外厂内还会产生生活污水、雨水、事故废液等其他类型污水。因此，可以看出天然气气田开发生产污水特点是：来源点多、污染物浓度波动大，既有有机物的污染，又有无机物的污染，污染物的毒性大，生物降解慢。

天然气气田开发以往通常采用“污水达标排放”的处置方式，对全厂的各类污水采用生化处理法和物理化学处理法，最后达到《污水综合排放标准》后排放水体，这样污水排污总量较大，新鲜水的消耗量也较大。而天然气气田开发所需新鲜水大都由管道长距离输送而来，用水成本较贵，加之水资源日益匮乏，将气田各类污水进行深度处理后进行回用是必然的趋势。为此，部分新建天然气气田开发针对生产实际均采取了一定的污水处理及回用措施，如“回注、回用和达标外排相结合”的处置方式，即生产废水进行除盐处理，淡水回用，浓水与气田水一道回注地层；生产污水和生活污水进行生化处理，达标后部分回用，剩余部分外排。但这些均无法实现天然气气田开发污水零排放，除盐处理的浓水和部分达标污水均需排入水体或注入地层。

本发明就是针对这种实际情况，从节能减排、环境保护、减少水资源消耗的角度提出一种天然气气田开发污水零排放的解决方案。

发明内容

为了克服现有技术的上述缺点，本发明提供了一种天然气气田开发污水零排放的新型工艺。

本发明解决其技术问题所采用的技术方案是：一种天然气气田开发污水零排放的新型工艺，包括如下步骤：

步骤一、对气田内的各种污水进行清污并进行分流处理：

将气田内的污水划分为：正常生产污水、生活污水、检修污水、事故废液、雨水、生产废水以及气田水，分别进行收集；然后将正常生产污水、生活污水、检修污水、事故废液和初期雨水引入生化处理单元，生产废水引入电渗析处理单元，气田水引入气田水预处理单元，其中：

一、生化处理单元

正常生产污水、生活污水和初期雨水直接进入污水调节池，检修污水和事故废液逐日掺和入污水调节池，在污水COD浓度值为540 ～600mg/L，冲击浓度≤800mg/L后，经污水预处理、污水生化处理和中水处理，出水水质达标后，部分回用作气田内绿化用水和场地冲洗水，剩余部分进入蒸发结晶单元的原水池进行存储；在本单元产生的污泥进入污泥浓缩池，进行重力浓缩和机械脱水后，对脱水污泥进行填埋或焚烧处置；

二、电渗析处理单元

生产废水进入电渗析处理单元进行预处理和除盐处理，处理后的淡水用作循环冷却水系统补充水，浓水进入蒸发结晶单元的原水池进行存储；本单元产生的污泥通过泵提升至生化处理单元的污泥浓缩池，进行重力浓缩和机械脱水后，对脱水污泥进行填埋或焚烧处置；

三、气田水预处理单元

气田水由气田水收集系统收集至气田水储罐，再加压依次进入CPI斜板除油器、混凝沉淀池、DGF气浮装置，出水再加压至多介质过滤器，去除水中的油类、有机物、胶体和悬浮物，水质达标后进入蒸发结晶单元的原水池进行存储；本单元中产生的污油储存于污油罐中，进入凝析油稳定装置或外运处理；本单元产生的污泥通过泵提升至生化处理单元的污泥浓缩池，进行重力浓缩和机械脱水后，对脱水污泥进行填埋或焚烧处置；

步骤二、生化处理单元处理后未回用完的达标污水、电渗析处理单元处理后所产生的浓水以及气田水预处理单元处理后的气田水均进入蒸发结晶单元进行深度处理，水质达标后回用为循环冷却水补充水或气田内其他生产用水，污染物以结晶盐的形式从污水中析出，对结晶盐进行填埋处置或回收利用，最终实现污水零排放。

与现有技术相比，本发明的积极效果是：提出了一种针对天然气气田开发各类污水处理及回用的系统性解决方案，本发明采用了生化处理、电渗析处理、气田水预处理、蒸发结晶处理相结合的集成处理工艺，具有适用范围广、处理效果好且稳定、操作简便、污水回用率高、综合能耗低等特点，可实现天然气气田开发污水零排放。

具体实施方式

一种天然气气田开发污水零排放的新型工艺，包括如下步骤：

步骤一、对气田内的各种污水进行清污并进行分流处理

天然气气田开发所产生的污水种类较多，各种污水中污染物成分不同，污染程度也不同。若上游污水不进行清污分流，各类污水混在一起，水质成分较为复杂，加之来水比例不稳定，造成水质波动较大，给后续的处理工艺增加较大的困难，难以保证处理效果。

因此天然气气田开发污水零排放组合工艺首先需进行清污分流。根据各类污水水质的特点（如污染物成分、污染物浓度）、污水处理后的用途进行分类收集、分类储存，然后采取不同的处理方法。

一、生化处理单元

生化处理单元处理的对象为正常生产污水、生活污水、初期雨水、检修污水和事故废液。处理后的水可用作厂内绿化用水和场地冲洗水，剩余部分进入蒸发结晶单元进行深度处理。

污水先经预处理（预曝气-气浮-水解酸化），再经污水生化处理（缺氧-好氧-沉淀），最后经中水处理（过滤-除臭-杀菌消毒），出水水质达到《城市污水再生利用城市杂用水水质》（GB/T18920）后，用作厂内绿化用水和场地冲洗水。污泥处理则采用“重力浓缩-机械脱水”工艺，脱水污泥最终进行填埋或焚烧处置。

通过清污分流进入生产污水调节池的生产污水、生活污水、初期雨水污染物负荷较低，可直接进入处理流程。而进入检修污水池的检修污水有机物浓度、H₂S含量、污染物负荷很高，因此需逐日掺和入低浓度污水中进入处理流程，避免超高负荷对处理工艺的冲击。事故废液为非正常排污，仅在事故状态下才会产生，通过事故管网收集后储存于事故污水池内，该类污水的污染物负荷非常高，因此也需逐日掺和入低浓度污水中进入处理流程。通过对各种污水中主要污染物COD浓度的综合平衡，进入污水处理系统的污水COD浓度值正常值宜控制在540～600mg/L，冲击浓度≤800mg/L。

1、污水预处理

污水预处理目的是调节和均衡污水水质，去除硫化物，避免它对生化处理产生的危害，削减过高的有机物浓度。

1）曝气调节

曝气调节是指在曝气调节池内对污水水质、水量及水温进行有效调节。污水PH波动大，有机物浓度波动大，水量不稳定，通过该池的调节与均化，可使水质水量变得相对稳定。曝气调节池配备有鼓风机，产生的压缩空气经微孔曝气器的分布，空气利用率高，能够强化对水质水量的调节。污水中含有毒性很强的硫化物，通过鼓风曝气的作用，还原性很强的硫化物易被空气氧化为单质硫，硫代硫酸盐和硫酸盐，可避免对后续生物处理产生的毒性作用。冬季水温较低时，引入饱和低压蒸汽，通过温度可控可调的汽水混合加热器，提高污水温度，以利于污水中有机物及总氮的去除。

2）混凝气浮

混凝过程是向污水投加混凝剂和助凝剂以破坏水中胶体颗粒的稳定状态，通过胶粒间相互碰撞和聚集，形成絮状物质从水中分离。气浮工作原理是在水中通入或产生大量微细气泡，形成水、气及被去除的物质三相非均一体系。在界面能力、气泡上浮力和静水压差的作用下，使气泡和被去除物质的结合体上浮至水面，实现与水分离。

3）水解酸化

水解酸化是指在水解酸化池内，水解酸化微生物将不溶性有机悬浮物转化为可溶性有机物，对可溶性难降解有机物转化为相对易降解有机物，提高可生物降解性。水解酸化池虽然对COD、BOD降解效果不明显，但对后续生化处理有促进作用。水解酸化池内设置组合填料，使池内微生物固着在填料上呈立体分布，既可提高效率，又可防止微生物流失，省去流失污泥回流设备。

2、污水生化处理

1）缺氧池

缺氧池内反硝化微生物能将NO₂ ^-和NO₃ ^-在供给有机电子情况下将其还原为N²溢入大气中，减少富营养化物质进入纳污水体。有机电子供体来源于水解酸化池出水中的丰富有机物，NO₂ ^-和NO₃ ^-来源于后续沉淀池较大的泥水回流比。缺氧池内设微孔曝气器，供给少量空气，使污泥处于良好的悬浮状态，保障反硝化作用的顺利完成。

2）好氧池

好氧池内设两道折流墙，将好氧池均分为3格，每格好氧池呈完全混合曝气，三格串联又使好氧池呈推流式曝气。含碳有机物和含氮有机物首先被碳化和氨化，最后被硝化。

3）沉淀池

沉淀池对好氧池排出的混合液进行固液分离，分离出的澄清水质流入保险池，底部的污泥则回流到缺氧池进行反硝化脱氮，污泥回流比取值100%，沉淀池采用竖流式沉淀池。

4）保险池

由沉淀池顶部溢出的澄清水质自流入保险池，一部分水提升至中水处理设备进一步处理后回用做绿化用水和场地冲洗水，剩余部分则进入蒸发结晶单元深度处理。

二、电渗析处理单元

循环冷却水系统排污水、锅炉排污水等生产废水进入电渗析处理单元进行除盐处理，处理后的淡水用作循环冷却水系统补充水，浓水进入蒸发结晶单元。

循环冷却水系统排污水和锅炉房排污水主要问题是总硬度、总碱度、浊度、氯离子、电导率等水质超标，因此需要进行预处理与脱盐处理相结合的处理工艺，其中：

（一）预处理：

预处理分为电絮凝反应池、沉淀池和过滤池三个部分，其中：

（1）电絮凝反应池：

在电絮凝反应池内放置电化学装置，通过对电极板加电，在电场作用下，金属极板产生高活性吸附基团，吸附水中的胶体颗粒、悬浮物、非溶解性有机物（COD）、重金属离子、SiO₂等杂质，形成较大的絮凝体结构从水中析出；同时，在反应池内加液碱调节pH值，使水中的钙镁离子以不溶性化合态析出，再利用电解产生的吸附基团将其吸附，形成絮体从水中析出。在整个处理过程中始终存在电场作用、絮凝作用、吸附架桥作用和网捕卷扫作用等。

（2）沉淀池：

经电絮凝反应池处理后的水进入一体化装置的斜板沉淀池中，沉淀池利用浅层过滤原理设计，采用斜板沉淀池的形式，反应形成的絮凝体经沉淀池的沉淀，大部分沉淀下来，剩余的少量细小絮体进入过滤池中。

（3）过滤池：

过滤池中经双介质滤料（石英砂、无烟煤）过滤滤除水中剩余细小絮体、悬浮物、泥沙、铁锈、大颗粒物等机械杂质，以保证出水的浊度。过滤池运行一段时间即需要反冲洗，反冲洗用水为过滤后的滤后水池水，反冲洗排放水直接排入厂内污水管线。

通过预处理不仅能去除水中的浊度、悬浮物，而且能去除大部分胶体、重金属离子、油及部分COD等，从而为后续的电渗析脱盐设备提供较好的进水条件。

在预处理设备正下方设一污泥池，反应池和沉淀池下设排泥斗，定时排放泥斗内污水至污泥池，在污泥池内沉降后上清液排入电渗析处理单元调节池，污泥则通过泵提升至生化处理单元污泥浓缩池，与生化处理单元污泥一并进行重力浓缩和机械脱水处理，最后污泥含水率可降到75％以下，外运做填埋或焚烧处置。

经过预处理后，浊度、悬浮物、胶体去除率≥90%，总硬度、总碱度去除率≥60%，油去除率≥90%，总磷去除率≥90%，SiO₂去除率≥60%，Fe、Mn等重金属离子去除率≥90%，COD去除率可达20%～40%。

（二）EDR电渗析脱盐：

由于经脱盐处理产生的淡水将回用为循环冷却水系统的补水，因此对水质的含盐量要求并不苛刻，选择适度脱盐工艺进行脱盐处理即可。因此，脱盐工艺考虑采用二级EDR电渗析工艺，而无需采用深度脱盐的反渗透工艺。同时， EDR电渗析脱盐工艺具有进水水质范围广、膜抗污染性强、运行成本低、设计系统水回收率高（75%）、脱盐效果稳定、无需阻垢剂还原剂等特点，更适宜应用于污水回用处理，运行成本也低于反渗透工艺。

经预处理后的出水进入滤后水池，经杀菌消毒后，增压进入精密过滤器过滤，以进一步保证后续EDR电渗析脱盐设备进水的水质对于浊度和悬浮物的要求。精密过滤器出水即进入EDR电渗析脱盐设备进行脱盐，脱盐设备设计为两级，其中经一级脱盐设备分离后，经淡水端出来的淡水进入成品水池，经浓水端出来的浓水进入二级脱盐设备；经二级脱盐设备分离后，经淡水端出来的淡水进入成品水池，经浓水端出来的浓水进入蒸发结晶处理单元进行深度处理。成品水池水经增压回用于厂内循环水系统补充水。

经过电渗析处理单元处理的水质可达到《工业循环冷却水处理设计规范》（GB50050）中循环冷却水的水质标准。

三、气田水预处理单元

气田水需先进行预处理，经预处理后，水质达到《气田水回注办法》（SY/T6596）的水质标准, 且同时满足蒸发结晶单元的进水指标，然后进入蒸发结晶处理单元。

气田水由气田水收集系统收集至污水处理装置的气田水储罐，再加压依次进入CPI斜板除油器、混凝沉淀池、DGF气浮装置，出水再加压至多介质过滤器，经上述处理过程可去除水中的油类、有机物、胶体、悬浮物等，最后进入蒸发结晶处理单元。气田水预处理工艺过程中产生的少量污油储存于污油罐中，进入厂内的凝析油稳定装置或外运处理；产生的少量污泥则通过泵提升至生化处理单元污泥浓缩池，与生化处理单元污泥一并进行重力浓缩和机械脱水处理，最后污泥含水率可降到75％以下，外运做填埋或焚烧处置。

步骤二、生化处理单元处理后未回用完的达标污水、电渗析处理单元处理后所产生的浓水以及气田水预处理单元处理后的气田水均进入蒸发结晶单元进行深度处理，水质达标后回用为循环冷却水补充水或气田内其他生产用水，污染物以结晶盐的形式从污水中析出，对结晶盐进行填埋处置或作为工业盐回收利用。

蒸发结晶单元处理工艺采用“四效混合冷凝水预热真空除盐”处理工艺，产品水可达到《城市污水再生利用-工业用水水质》（GB/T19923）的冷却用水水质要求，全部回用做循环冷却水系统补充水，污染物以结晶盐析出，最终实现污水零排放。

储存在蒸发结晶原水池的各类污水，经过进料泵分别平流进入Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ、Ⅳ效蒸发器，各效蒸发器蒸发结晶浓缩生成的盐浆排出本效后依次顺转（Ⅰ→Ⅱ→Ⅲ→Ⅳ）进入下效，Ⅳ效蒸发器排出的盐浆经过盐浆泵进入增稠器，然后进入离心机脱水分离，固体盐经输送带送至废盐中转桶外运，离心母液自流进离心母液桶经离心母液泵返回Ⅳ效。

来自锅炉系统的生蒸汽首先被注入去离子水(开车前使用凝结水系统的软化除盐水、开车后使用Ⅰ效蒸发器的冷凝水)消除过热，然后送入Ⅰ效蒸发器，将其潜热传给蒸发器内的污水后冷凝下来。Ⅰ效生蒸汽凝结水经“Ⅰ效冷凝水平衡桶→Ⅰ效冷凝水一次闪发桶→Ⅰ效冷凝水二次闪发桶”两次闪发回收部分热能后返回锅炉房作为锅炉补充用水。

Ⅰ效蒸发器中排出的二次蒸汽送到Ⅱ效蒸发器中，在此冷凝后，冷凝水被送至Ⅱ效平衡桶，再顺转闪发至Ⅲ效平衡桶。

Ⅱ效蒸发器中排出的二次蒸汽送到Ⅲ效蒸发器中，在此冷凝的冷凝水被送至Ⅲ效平衡桶，再顺转闪发至Ⅳ效平衡桶。

Ⅲ效蒸发器中排出的二次蒸汽送到Ⅳ效蒸发器中，在此冷凝的冷凝水被送至Ⅳ效平衡桶。

Ⅳ效蒸发器中排出的二次蒸汽送到表面冷凝器中，在此冷凝的冷凝水被送至混合冷凝水桶，再通过板式预热器预热盐水，降温后送至循环冷却水系统回用做循环冷却水系统补充水或回用做厂内生产用水。不可凝性气体在冷凝器中以水蒸汽形式分离出来，可通过液环真空机组把这些气体从冷凝器中抽出，排入大气，有利于提高真空度。蒸汽冷凝后形成真空状态而降低物料蒸发温度，并在Ⅰ-Ⅳ效间形成温差梯度，在各效产生一定的传热推动温差，从而蒸汽热能得到多次利用。

装置中所用的新鲜水是用来冲洗泵的填料密封或机械密封的。泵的冲洗水加到密封中以确保内压高于泵的输送压力，从而避免泄漏和泵的损坏。

冲洗设备、地面设备及管道泄漏的少量污水收集到混料池，重新蒸发结晶，结晶分离后回用做循环冷却水系统补充水。停车时用混合冷凝水刷洗蒸发结晶罐，洗罐水在浓度低的时候返回刷罐水桶储存等下次刷罐再利用，达到220-250g/l，洗罐效果不好时，排到事故桶化盐回收利用。

Ⅰ效加热蒸汽温度为143℃，蒸发结晶料液温度为133.5℃；Ⅱ效加热蒸汽温度为117℃，蒸发结晶料液温度为106.5℃；Ⅲ效加热蒸汽温度为92℃，蒸发结晶料液温度为81.5℃；Ⅳ效加热蒸汽温度为68℃，蒸发结晶料液温度为57.5℃；

该型蒸发结晶器具有以下优点：蒸发结晶强度大；短路温差损失大幅度下降，从而使系统的有效传热温差大为增加；料液循环体对循环泵的附加荷载大幅度降低，从而有效地降低了循环泵的运行电耗。

加热管采用钛材，Ⅰ效和Ⅱ效加热管采用钛合金（TA10），对Ⅲ效、Ⅳ效加热管采用纯钛（TA2），能很好地抵御Cl^－的腐蚀和盐砂的磨蚀；蒸发结晶室的材质选用316L不锈钢复合板；加热室壳体采用316L不锈钢复合板；所有污水、卤水、盐浆管道选用316L不锈钢管；阀门选用不锈钢阀门；污水、卤水、盐浆泵选用不锈钢泵。

Claims

1.一种天然气气田开发污水零排放的工艺，其特征在于：包括如下步骤：

步骤一、对气田内的各种污水进行清污并进行分流处理：

一、生化处理单元

二、电渗析处理单元

三、气田水预处理单元

2.根据权利要求1所述的天然气气田开发污水零排放的工艺，其特征在于：生化处理单元所述的污水预处理包括曝气调节、混凝气浮和水解酸化工艺；所述的污水生化处理包括缺氧、好氧和沉淀反应。

3.根据权利要求1所述的天然气气田开发污水零排放的工艺，其特征在于：电渗析处理单元所述的预处理包括电絮凝反应、沉淀和过滤处理，预处理后的污水浊度、悬浮物、胶体去除率≥90%，总硬度、总碱度去除率≥60%，油去除率≥90%，总磷去除率≥90%，SiO₂去除率≥60%，Fe、Mn重金属离子去除率≥90%，COD去除率为20%～40%。

4.根据权利要求1所述的天然气气田开发污水零排放的工艺，其特征在于：所述蒸发结晶单元进行深度处理是指储存在蒸发结晶单元原水池的污水，经过进料泵分别平流进入Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ、Ⅳ效蒸发器，Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ效蒸发器蒸发结晶浓缩生成的盐浆排出本效后依次顺转进入下效，Ⅳ效蒸发器蒸发结晶浓缩生成的盐浆经过盐浆泵进入增稠器，然后进入离心机脱水分离，分离后的固体盐送至废盐中转桶，离心母液自流进离心母液桶，再经离心母液泵返回Ⅳ效；来自锅炉系统的生蒸汽首先被注入去离子水消除过热，然后送入Ⅰ效蒸发器，将其潜热传给Ⅰ效蒸发器内的污水后冷凝下来，冷凝水被送至Ⅰ效平衡桶，然后经两次闪发回收部分热能后返回锅炉系统作为补充用水；Ⅰ效蒸发器中排出的二次蒸汽送到Ⅱ效蒸发器中冷凝后，冷凝水送至Ⅱ效平衡桶，再顺转闪发至Ⅲ效平衡桶；Ⅱ效蒸发器中排出的二次蒸汽送到Ⅲ效蒸发器中冷凝后，冷凝水送至Ⅲ效平衡桶，再顺转闪发至Ⅳ效平衡桶；Ⅲ效蒸发器中排出的二次蒸汽送到Ⅳ效蒸发器中冷凝后，冷凝水送至Ⅳ效平衡桶；Ⅳ效蒸发器中排出的二次蒸汽送到表面冷凝器中冷凝后，冷凝水送至混合冷凝水桶，再通过板式预热器预热盐水，降温后送至循环冷却水系统回用作补充水或生产用水；表面冷凝器中的不可凝性气体以水蒸汽形式分离出来，再经液环真空机组抽出后排入大气。