1. 研究目的与意义（文献综述）

1.1目的及意义

海上石油钻井平台的污水包括船底污水、油仓清洗水、甲板排水，钻井平台排水，钻井液中由地下反排的泥浆，冲洗平台及井下钻具的工业废水，酸化压裂等的增产措施反排的液体、残渣以及降雨和生活污水等一系列的多相分散流体体系。钻井废液中含有大量的由油、金属盐、表面活性剂等构成的混合物。由于钻井液处理剂成分复杂，其废液处理效果往往难以达标，从而对环境尤其是土壤和水质造成严重污染。因此，必须把钻井液净化处理后才能排放回海洋。同时，随着国家对石油行业的环境管理越来越重视及严格，规定钻井平台排放的污水中油含量不得超过15ppm，石油钻井废液的处理也显得愈发的重要。而将油污水储存后运回岸上处理会产生极高的费用，减量化处理将是海上钻井液废液处理的发展趋势，亟需解决海水钻井液废液固液分离及再利用难题。

钻井废水中的主要污染物有固体颗粒、重金属离子、COD、石油类等。其中重金属离子中的Cr⁶ 如果没有处理干净，将使周围海域内的生物中毒死亡，危害极其严重；COD指示了水中得还原性物质浓度，其中主要是有机污染物，有机污染物被水中生物富集而对海域里的生物圈有长期的毒害作用。

水上石油钻井平台的废水处理工艺将能使钻井废水无害化的同时，节省石油公司大量的污水处理费用。

1.1国外现状分析

（1）国外一般现状

国外通常采用的解决方法是将钻井平台上的污水在运送到岸上进行净化处理之前先储存起来，这笔费用通常由石油公司来支付，每年净化处理污水需要的费用高达60万欧元。

采用静态过滤装置、机械分离设备和化学药剂处理等方法是在石油钻井平台上净化污染水的解决方案。重力沉降工艺是利用水中悬浮颗粒的可沉降性能, 在重力作用下产生下沉,以达到固液分离的一种过程是一种缓慢而低效率的方法，既需要占用大量的空间，又需要使用大量的化学药剂,过滤系统也只能将固体与液体互相分离，整个工艺处理能力有限。离心分离技术是利用不同物质之间的密度形状大小的差异,用离心力场对悬浮液中的不同颗粒进行分离，它单独使用，无法有效去除各种不同浓度、不同流速的所有污染物。这些方案都无法对含油污水进行经济高效的处理。

（2）国外专利：阿法拉伐Phoenix的新系统

Maersk钻井公司和芬兰的Kemira化学品公司及阿法拉伐公司一起研制出了名为Phoenix的新系统，它包括一个沉降室离心机模块、一个筛网过滤器模板和一个碟片离心机模块。Phoenix系统于2009年中期在墨西哥海湾投入使用。

Phoenix系统的工作流程分为三道工序：①沉降式离心机去除其中大部分的固体；②筛网设备可去除其中的乳胶状液体；③碟片离心机去除其中的油及剩余固体。

静态过滤比机械分离的成本低，但仅仅采用过滤技术，效果不如分离工艺。钻井泥

浆会生成各种不同的乳胶状液体，过滤方法无法对其进行很好的处理。

沉降式离心机用离心沉降法分离悬浮液组分。加入转鼓中的悬浮液在离心力作用下形成环状液层，其中的固体颗粒沉降到转鼓壁上，形成沉渣。澄清的液体经转鼓溢流口或吸液管排出，称分离液。分离结束时用人工或机械方法卸出沉渣。固体颗粒在向转鼓壁沉降的过程中，还随液体流作轴向运动，进料量过大时，随液体流动至溢流口，而尚未沉降到鼓壁的细颗粒则随分离液排出转鼓，使分离液混浊。沉降离心机尤其适用于离心过滤中因固体颗粒易堵塞过滤介质而过滤阻力过大时或细颗粒漏失过多时的悬浮液分离，但沉渣的含湿量偏高。

乳胶状液体形成的原因是聚合物微粒分散到水中。因此选用有严格的系列网孔尺寸的筛网可以筛除这些聚合物微粒。

碟片离心机转鼓内有一组互相套叠在一起的碟形零件--碟片。碟片与碟片之间留有很小的间隙。悬浮液（或乳浊液）由位于转鼓中心的进料管加入转鼓。当悬浮液（或乳浊液）流过碟片之间的间隙时，固体颗粒（或液滴）在离心机作用下沉降到碟片上形成沉渣（或液层）。沉渣沿碟片表面滑动而脱离碟片并积聚在转鼓内直径最大的部位，分离后的液体从出液口排出转鼓。碟片可以缩短固体颗粒（或液滴）的沉降距离、扩大转鼓的沉降面积，转鼓中由于安装了碟片而大大提高了分离机的生产能力。积聚在转鼓内的固体在分离机停机后拆开转鼓由人工清除，或通过排渣机构在不停机的情况下从转鼓中排出。

1.3国内现状分析

（1）国内水上石油钻井平台污水的处理模式

目前，钻井废水的处理主要有下列几种处理方法：化学处理法、电絮凝处理法、生化处理法一地层渗透处理法、钻井废水的深度处理方法。混凝处理对悬浮物和胶体的去除率较高，但对水溶性有机物难除去。特别是钻井后期废水和深井废水；混凝处理难以达到排放要求，需要进行深度处理，国内外深度处理一般采用活性炭吸附，化学氧化和生物处理等工艺。而活性炭吸附能力小，成本较高。氧化法常用的氧化剂有臭氧、次氯酸钠和双氧水等，其中臭氧处理耗电量大，设备维修费用高而应用很少。次氯酸钠氧化效率低，采用催化剂和提高催化效率，但易造成镍的流失，同时引入新的污染物氯离子。

（2）国内水上石油钻井平台污水处理技术

对国内一般的钻井废水处理有以下工艺。

①絮凝—沉降工艺

絮凝—沉降工艺处于一级处理阶段，其工艺原理如下：利用悬浮颗粒带电性一般为负的特点，加入带正电的阳离子或微团，打破原有胶体体系的化学平衡，使得悬浮颗粒与加入粒子反应，抱团变大，直至形成絮状沉淀与废水体系实现相分离，达到去除废水中悬浮微粒的作用。加入的药剂一般可分为无机药剂（如硫酸铝、氯化铁等）和有机药剂（聚丙烯酰胺等）。效果如表1。

表1 絮凝处理的结果

②化学处理法

化学处理法属于二级处理阶段，其主要包括固化处理法及催化氧化处理法。

固化处理法的工艺原理，是利用固化剂将含有膨润土、HPAM、木质磺酸盐等难除固相的钻井废水与重金属、大分子有机物通过反应结合，生成具有抗水特性的固相微团，以达到去除废水体系中有害杂质的目的。催化氧化处理法是近些年研究的热点，其作用机理是依靠向废水体系中加入强氧化剂，将废水中的物质氧化分解，从而降低废水体系的COD值。常用的氧化剂包括臭氧、双氧水、次氯酸钠等。

③生物处理法

生物处理法是近年来研究的新兴方向，由于其效率高、成本低、分解程度彻底、重复利用率高，可在极大程度上减少废水中的含硫、含氮量，降低体系COD值，对于处理难降解的有机高分子等有极强的针对性。但是，生物处理法对于废水的相关理化特性要求较为严苛，对于体系温度、pH值、氧气量、Cl^-等条件都有限定。

④膜分离法

膜分离工艺是利用膜结构的选择透过性或是其对于透过物质粒径要求的差异来对废水中的双相或多相组分进行分离，其分离动力来源主要包括外界能量以及单纯的化学电位差。膜分离法具有设备简单、操作方便、空间占用体积小、选择透过性显著等优势。移动式膜分离技术目前还处于实验和现场结合的发展阶段。相信不久的将来，膜分离技术会给钻井废水处理带来革命性的变化。

内的钻井废水蒸发实现了水分与小粒径固体、重烃和胶体的分离，蒸发分离器的热量来自槽式太阳能集热器加热的高温导热油,高温导热油进入蒸发分离器放热以使得经过预热的钻井废水蒸发,蒸汽进入预热器冷凝后进入除油器,除去凝结水中可能含的轻组分的油类,然后排入凝结水储罐内。原理图如图1-1.

（1）国内石油钻井废水处理系统专利

重庆科技大学的王堃、孔文欣、周传德、刘成俊、刘娟、孔松涛申请了发明专利石油钻井废水处理系统及其处理石油钻井废水的方法，其原理是废水进入钻井废水储罐以后，大颗粒杂质沉淀在钻井废水储罐的罐底,在进料泵的作用下,钻井废水进入过滤器，过滤掉小颗粒杂质,过滤后的钻井废水进入预热器,利用蒸发分离器产生的蒸汽的热能,对钻井废水预热,预热后的钻井废水流入蒸发分离器，蒸发分离器

化学处理法还可添加药剂如破乳剂和清水剂。破乳剂是一种表面活性物质，它能使乳化状的液体结构破坏，以达到乳化液中各相分离开来的目的。原油破乳是指利用破乳剂的化学作用将乳化状的油水混合液中油和水分离开来，使之达到 原油脱水的目的，以保证原油外输含水标准。清水剂可降低污水含油。化学处理法结果如表2。

表2 氧化处理的结果

③生物处理法

生物处理法是近年来研究的新兴方向，由于其效率高、成本低、分解程度彻底、重复利用率高，可在极大程度上减少废水中的含硫、含氮量，降低体系COD值，对于处理难降解的有机高分子等有极强的针对性。但是，生物处理法对于废水的相关理化特性要求较为严苛，对于体系温度、pH值、氧气量、Cl^-等条件都有限定。

④膜分离法

膜分离工艺是利用膜结构的选择透过性或是其对于透过物质粒径要求的差异来对废水中的双相或多相组分进行分离，其分离动力来源主要包括外界能量以及单纯的化学电位差。膜分离法具有设备简单、操作方便、空间占用体积小、选择透过性显著等优势。移动式膜分离技术目前还处于实验和现场结合的发展阶段。相信不久的将来，膜分离技术会给钻井废水处理带来革命性的变化。

（1）国内石油钻井废水处理系统专利

重庆科技大学的王堃、孔文欣、周传德、刘成俊、刘娟、孔松涛申请了发明专利石油钻井废水处理系统及其处理石油钻井废水的方法，其原理是废水进入钻井废水储罐以后，大颗粒杂质沉淀在钻井废水储罐的罐底,在进料泵的作用下,钻井废水进入过滤器，过滤掉小颗粒杂质,过滤后的钻井废水进入预热器,利用蒸发分离器产生的蒸汽的热能,对钻井废水预热,预热后的钻井废水流入蒸发分离器，蒸发分离器

内的钻井废水蒸发实现了水分与小粒径固体、重烃和胶体的分离，蒸发分离器的热量来自槽式太阳能集热器加热的高温导热油,高温导热油进入蒸发分离器放热以使得经过预热的钻井废水蒸发,蒸汽进入预热器冷凝后进入除油器,除去凝结水中可能含的轻组分的油类,然后排入凝结水储罐内。原理图如图1-1。

图1-1 石油钻井废水处理系统及其处理石油钻井废水的方法工艺流程图(来自专利申请书《石油钻井废水处理系统及其处理石油钻井废水的方法》）

注：1-钻井废水储罐,2-过滤器,3-进料泵,4-预热器,5-蒸发分离器,6-槽

式太阳能集热器,7-导热油循环泵,8-浓缩液循环泵,9-除油器, 10-凝结水储罐.

2. 研究的基本内容与方案

2.1设计内容

本设计要求某水上石油钻井平台的污水处理初步设计，提交的初步设计方案中包括设计方案的比较与选择（或方案论证），设计计算，结构设计，设备选型等。有设计说明书，进行相关概预算、用 AUTOCAD 画出平面布置图、管线布置图、工艺流程图、重点工艺设施工艺图等。通过运行出水可以达到《海洋石油勘探开发污染物排放浓度限值》(GB4914-2008)和GB8978-1996标准。设计进水水质和出水水质如下表所示。部份进水数据参考见注释①.

表3 设计进出水水质

2.2 方案选择

水上石油钻井平台的污水处理过程可由多种工艺组合而成，其中主要处理的污染物是悬浮物、石油类和COD。具体的工艺流程方案如下。

（1）方案1

钻井废水→碱性破乳→混凝→絮凝沉降→出水。

（2）方案2

钻井废水→筛网→隔油→化学处理→絮凝沉降→过滤→出水。

（3）方案3

钻井废水→隔油→筛网→化学处理→过滤→出水。

（4）方案4

钻井废水→隔油→碱性破乳→化学处理→絮凝沉降→过滤→出水。

方案1已有已实施的方案，效果较好。但混凝处理的效果一般，主要在于碱性破乳池起作用，去除了水中大部分的COD、油和悬浮物。絮凝沉降主要去除其中的悬浮颗粒，使之聚成胶体而沉降去除。方案2的处理工艺完善，出水水质较好，但筛网的效果不如碱性破乳法的好，且筛网易损，更换频率高，对海上石油钻井平台而言并不经济便利。水上石油钻井平台的污水处理工艺需节约用地，且经济高效。方案3去除了絮凝沉降这一步。综合来看絮凝沉降是非常重要的一步，使经化学处理后形成的阳离子聚合物形成胶体吸附沉淀，从而达到进一步的处理。故选择方案4：碱性破乳-化学处理-絮凝沉降方案。

方案4的方案流程可最大程度的去除钻井废水中的主要污染物：COD、SS和石油类物质。方案4在碱性破乳池之后进一步破乳，破坏油与水的混合物形成的比较稳定的双电层结构。去除聚合物微粒，因此选用化学处理，添加破乳剂和清水剂。聚合物电子层被破坏后选用絮凝沉降工艺可去除大多数的悬浮物。

3. 研究计划与安排

2月24日-3月25日 查阅相关文献资料，明确研究内容，确定方案，完成外文翻译和开题报告；

3月26日-4月14日 通过比选，确定最终方案，完成毕业论文初稿，提交中期进展报告；

4. 参考文献（12篇以上）

[1]宿 辉,李小龙,高 鹏,朱卫菊,田相友,马文杰.海上平台含油废水处理中试研究.工业水处理第 34 卷第 4 期.2014,4.

[2]郑旭华,郑璐.钻井废水的无害化处理研究.当代化工,2013,10.

[3]王进. 海洋石油钻井设备存在问题及其发展策略分析[j]. 科技创新导报,2019,(10):169-170.doi:10.16660/j.cnki.1674-098x.2019.10.169.