运用芦苇生态湿地处理新疆轮南油田含油废水的建议与思考

新疆是中国陆地石油最有发展远景的地区之一, 准噶尔、塔里木、吐鲁番-哈密三大油气沉积盆地以及其他19个大小沉积盆地成油地质条件好, 沉积面积达95万km2, 约占中国陆地沉积面积的1/4;其中塔里木盆地面积56万km2, 是中国最大的含油气沉积盆地, 预测油气资源量184亿t, 其中石油资源量101亿t, 天然气8.3万亿m3, 是我国“西气东输”的起点。

本文以位于塔里木盆地北缘的轮南油田为研究对象, 探讨运用芦苇生态湿地处理轮南油田含油废水的可行性。

1 轮南油田芦苇生态湿地建设环境分析

1.1 地理位置与地形地貌

轮南油田位于新疆巴音郭楞蒙古自治州轮台县境内, 北距轮台县32km, 南临世界上最大的流动性沙丘——塔克拉玛干大沙漠。在自然区域上属西北区塔里木盆地副区, 受迪那河支流喀拉塔勒河等山前洪水的影响, 地貌为洪积扇群, 由第四纪砂砾最新的沉积物构成。油田区地势平坦开阔, 向南微倾, 坡降在千分之一左右, 海拔965m~980m。除局部地段开垦为耕地外, 大部分地区为荒漠牧场。

1.2 区域水文地质情况

轮南油田地下水含水层为第四系潜水层和新第三系裂隙空隙承压含水层。

第四系潜水层颗粒细小, 地下水径流缓慢, 蒸发作用强, 潜水运移过程中逐渐矿化, 矿化度16.65g/L~92.34g/L, 总硬度243.95~419.48德国度。该含水层薄, 富水性弱, 水质差, 潜水水量不大。

新第三系裂隙空隙承压含水层岩性主要为新第三系上新统砂岩、粉砂岩、裂隙空隙较为发育, 该含水北部轮台沉积中心第四系巨厚含水层侧向潜流补给;沿西北向东南方向, 矿化度由小变大 (5.38g/L~33.59g/L) , F-含量则有减小趋势 (3.95mg/L~2.51mg/L) 。该含水层水量中等丰富, 矿化度高, 水质较差, 某些超标项目经处理后, 仅能用于油田注水。

该区域地下潜水水位埋深一般为10m左右, 东北部地区最浅埋深3.5m。

1.3 自然植被

轮南油区的植被类型在中国植被区划种属塔里木荒漠省、塔克拉玛干亚省、塔里木河谷洲。该区域气候极端干旱, 但热量丰富, 主要植被类型有柽柳、琵琶柴、芦苇。

(1) 柽柳灌丛。

柽柳群系, 主要建群种多枝柽柳, 分布在盐土平原, 一般盖度30%~60%, 伴生植物有盐穗木、盐节木等, 在轮南油田大面积分布。

(2) 半灌木荒漠。

琵琶柴群系, 主要分布于轮13井、轮南油田生活小区一带, 群落盖度3%~10%, 形成30cm~50cm高的层片, 由于风蚀琵琶柴呈小丘包。主要伴生植物为红柳。

(3) 多汁木本盐柴类荒漠。

盐节木、盐穗木群系, 分布在扇缘带的草甸盐土和典型盐土上, 群落总盖度40%~60%, 建群层片高度40cm~80cm。该群系植物种类贫乏, 主要伴生植物有盐爪爪、多枝柽柳、黑刺等。

(4) 低地河漫滩盐化草甸。

芦苇群系, 分布在山前扇缘带, 盐化草甸土、典型盐土上, 由于地下位不等, 群落盖度30%~50%, 高20cm~100cm, 伴生植物有胀果、甘草等。

从上述轮南油区的自然环境看:油区西部和东部均适合建设芦苇生态湿地。

2 轮南油田含油废水概况

轮南油田1992年5月正式投产, 设计年产油量100万t, 主要由轮一联合站脱出含油污水, 2006年生产废水量194万t, 综合含水率79.1%。

2.1 含油废水处理后水质

原油采出后, 经集输管道输送至轮一联合站, 其含油污水经过电脱盐、除油器、过滤器等污水处理设施处理, 其废水监测结果见表1。

从上表看出:除PH植略显酸性外, 其他各项指标均能满足《污水综合排放标准》 (GB8978-1996) 中的二级标准。

含油废水处理后, 分别用于回注地层和曝晒。回注速率为150m3/h, 年回注量为102万t, 余量92万t生产废水送至四个晒水池蒸发。

2.2 油区晒水池地下水环境现状

据调查, 轮南油田内联合站外晒水池外100m处, 地下水埋深仅2m, 明显比油区其它区域地下水埋深3.5m~10m浅, 可见晒水池下渗入浅层地下水, 并使局部地下水水位有明显升高, 该处地下水采样分析结果见表2。

石油类、硫化物标准参照《地表水环境质量标准》 (GB3838-2002) IV类执行

由表2可以看出总硬度超标272倍、石油类超标6倍、硫酸盐超标400倍、氯化物超标337倍、铁超标1.04倍, 氯化物、硫酸盐严重超标造成局部区域水质较差, 已不适宜于农业用水;在轮南油田的上游输水末站地下水没有检测出石油类、挥发酚等石油开发特征污染物, 在下游的农田区域的水井中测到石油类和挥发酚, 但不超标。说明目前油田开发建设已经对区域浅层地下水环境产生污染。地下水质调查结果也说明, 石油类污染物在土壤剖面中的下渗迁移的深度是有限的, 不易渗透包气带而进入深层地下水中, 但废水会对浅层地下水造成严重污染。

3 轮南油区生态湿地污水处理系统设计建议

人工湿地污水处理系统是较复杂的生态单元, 污水处理系统中发生的各种反应过程很少在整个湿地范围内均匀发生, 不同处理过程总是次序发生。例如:悬浮物以及与之相关的BOD、有机氮、磷等的去除, 发生在湿地进水区域;而其它溶解性污染物的降解, 则发生在湿地的后续区域。鉴于此, 美国国家环保局有关资料指出, 湿地污水处理系统的设计应遵循生态设计的指导思想:进水区域应种植密集的挺水植物为进水提供絮凝沉降的条件, 接下来的自由水面区域提供大量溶解氧以降解C和N类BOD, 最后是挺水植物区去除湿地本身产生的悬浮物以及进行反硝化等厌氧反应。各方面的资料表明, 水力停留时间、水力负荷、水传导、表面负荷率、系统深度、湿地床构形、工艺流程及布置、进出水构筑物、植物种类、隔板装置和防渗材料等, 是人工湿地污水处理系统设计的技术关键。

3.1 工艺设计

采油废水由污水处理厂处理后排入生态湿地, 根据轮南油区环境现状, 具体可由设计单位进行设计。

3.2 场地选择

单位体积污水处理量所需人工湿地的面积约为传统生物处理地的2~3倍, 建议选址于已建晒水池西南侧的荒地上。

3.3 处理单元长度及比例

经验表明, 人工湿地污水污水处理单元长度通常定为20m~50m。潜流湿地处理单元由于绝大部分的BOD和悬浮物的去处发生在进水区几米的区域, 因此也有学者建议, 潜流湿地处理单元长度应控制在12m~30m之间, 以防止短路情况的发生。

人工湿地污水处理单元长宽比从1∶1到90∶1不等, 对于长宽比较高的湿地系统, 必须考虑水头损失和水力坡度等的影响, 以防止进水区域的水流溢出。

3.4 进出水构筑物

进出水控制装置对与人工湿地的处理效果和运行可靠性非常重要。

(1) 注意进水装置在整个宽度上布水的均匀性, 一般采用多孔管或三角堰防止床面淤泥和杂草累积而影响配水。

(2) 出水装置在整个宽度方向上集水的均匀性, 提供整个湿地的水位控制, 减少水流短路现象, 以改变湿地内部的水深及水力停留时间。湿地出水系统的设计可采用沟排、管排等方式, 设计应考虑受纳水体的特点、湿地系统的布置和场地的原有条件。

水位控制应注意以下几点。

(1) 在系统接纳最大设计流量时, 湿地进水端不出现壅水, 以防发生表面流。

(2) 在系统接纳最小设计流量时, 湿地出水端不出现填料床面的淹没, 以防发生表面流。

(3) 为了利于植物的生长, 床中水面浸没植物根系的深度应尽量均匀, 并尽量使水面坡度与底坡基本一致。

3.5 隔板装置与防渗材料

隔板是在湿地水流垂直方向或者平行方向安置的装置, 用于减少短路、增强不同水深污水的混合程度, 改善絮凝沉降效果。

防止湿地污水污染地下水是人工湿地污水处理系统建设中一个至关重要的问题。理想情况下, 能利用低渗透性的天然土壤构成人工湿地的方深层。

3.6 植物的栽种

植物在碎石等基质内为微生物群落创造有利的活动场所, 同时形成整个区域系统绿化的一部分, 使之形成一个综合性生态系统。因此植物的选择十分重要。结合地区环境特点, 推荐选择芦苇、香蒲为主的高等水生维管束植物。芦苇的根系较为发达, 是具有巨大比表面积的活性物质, 其生长可深入低下0.6m~0.7m, 具有良好的输氧能力。据现场踏勘, 油区东部有多处芦苇地, 长势良好, 应优先考虑为湿地所选择。

4 芦苇生态湿地的运行及经济分析

4.1 人工湿地的启动与运行

人工湿地污水处理系统的启动一般要经历两个阶段:即系统调试, 植物复活, 根系发展不稳定阶段和植物生长成熟, 处理效果良好的稳定成熟阶段。

在启动阶段, 芦苇等植物栽种后即须充水。初期可将水位控制在地面下25mm左右处。按设计流量运行3个月后, 降水位降至距床底0.2m处, 以促进芦苇等植物根系向深部发展, 待根系深入到床底后, 再将水位调节至地表下0.2m处开始正常运行, 进入稳定成熟阶段后, 系统处于动态平衡, 植物的生长只随季节发生周期性变化, 此时系统的处理效果充分发挥, 运行稳定。人工湿地系统从启动到成熟一般需1~2年时间。

对设计合理的人工湿地系统, 在进水水质及水量变化不大时, 一旦进入稳定成熟期, 系统可自流运行, 无须任何动力设备, 也无需更多的维护。湿地中的植物一般可于冬季干枯时定期收割。

4.2 芦苇生态湿地的经济分析

鉴于我国的实际情况, 工程造价及运行费用仍是当前一般建设单位选择污水处理工艺优先考虑的因素。由于人工湿地的土建施工比较简单, 且正常情况中几乎无须耗能, 其造价和运行费用远比传统生物二级处理工艺节省。目前的资料均表明, 人工湿地工程造价和运行费用仅为传统工艺的1/10~1/2。以新疆油田百口泉采油厂污水处理系统次流程回收的含油污水进行处理为例, 其单位污水处理成本为1.040元, 经营成本为0.24元/m3污水。

根据国内外经验, 以达到《碎屑岩油藏注水水质分析及推荐指标》之A2级注水标准为目标的传统注水处理工艺, 其经营成本一般为0.8~1.3元/m3污水;采用已达到《国家污水综合排放标准》 (GB8978-1996) 之二级标准为目标的水解酸化-生物接触氧化为核心的外排处理工艺, 其经营成本约为0.5元/m3污水。

综上所述, 采用芦苇生态湿地处理轮南油区采油废水达标后外排的工艺技术具有明显的经济优越性, 该建议具有一定的可操作性。

摘要：本文以位于塔里木盆地北缘的轮南油田为研究对象, 通过对轮南油田芦苇生态湿地建设环境、含油废水的处理、生态湿地污水处理系统设计、芦苇生态湿地的运行及经济分析, 探讨运用芦苇生态湿地处理轮南油田含油废水的可行性。

关键词：芦苇,生态湿地,含油废水