基于膜过程的采油废水处理技术

石油和化学工业是一个国家国民经济的基础产业和支柱产业，然而，我国乃至世界几大主力油田均已进入石油开发的中后期阶段，石油产出能力逐年下降。为实现原油的高产出量，以聚合物驱为代表的三次采油技术已成为21世纪石油开采的主流技术，具有不可替代的工业实践及战略意义，但该技术会产生大量的采油废水，处理不当会严重危害环境安全和人类健康。因此，对采油废水进行高效处理及资源化再利用，不仅能满足油田开采过程中注水量日益增长的需要，还能在节约水源的前提下实现水资源的循环高效利用，极大地降低环境污染风险。
膜技术被誉为“21世纪的水处理技术”，在水处理领域有着广阔的应用前景。与传统水处理技术相比，膜法水处理技术具有分离效率高、常温下无相变、无需添加助剂、适应性强、易操作等特点，可满足提高饮用水水质、提高污水排放水质、实现再生水回用、实现海水淡化等各类需求。此外，该技术还具有占地小、能耗低、对环境影响小等优点，是解决当代能源、资源和环境问题的高新技术。然而，膜组件成本高、膜污染严重、膜使用寿命短等问题，以及针对不同类型水质的膜工艺及其优化控制的研发费用高昂等，均成为制约膜技术在水处理领域广泛应用的重要原因。
本书针对目前聚驱采油废水的处理现状和技术难题，以基于膜过程的采油废水处理技术为主线，介绍了微滤膜、超滤膜及纳滤膜处理采油废水的性能及其影响因素，分析探讨了膜污染机理，研究了采油废水中主要污染物对膜污染的控制技术，开发了针对不同有机污染物的膜清洗方法，旨在为今后膜滤技术处理聚驱采油废水的实际工程应用提供技术指导。
本书共有5章。其中，第1章主要介绍采油废水污染现状、膜法水处理技术以及膜法采油废水处理技术。第2章主要介绍采油废水微滤膜处理及膜污染控制，包括微滤膜结构与性能、微滤膜处理采油废水的效能、膜污染机理以及膜清洗。第3章主要介绍采油废水超滤膜处理及膜污染控制，包括超滤膜结构与性能、超滤膜处理采油废水的效能、超滤膜处理采油废水的膜吸附污染机理、超滤膜处理采油废水膜污染过程的数学模拟与阻力分布以及超滤膜处理采油废水的膜清洗。第4章主要介绍采油废水纳滤膜处理及膜污染控制，包括纳滤膜结构与性能、纳滤膜处理采油废水的效能、膜污染机理以及膜清洗。第5章主要介绍采油废水微滤膜、超滤膜、纳滤膜的处理优势分析，采油废水其他膜法处理技术以及采油废水膜法处理技术的应用前景。本书具有较强的技术应用性和针对性，可供从事废水处理及污染控制等的工程技术人员、科研人员和管理人员参考，也可供高等学校环境科学与工程、市政工程、生态工程及相关专业师生参阅。
本书由张冰、范聪、申渝等著，具体分工如下：第1章、第5章由范聪博士著；第2章由张冰副教授和申渝研究员著；第3章、第4章由张冰副教授著，本书最后由张冰副教授统稿并定稿。全书内容安排和调整等得到时文歆教授、衣雪松教授及张瑞君副教授的建议、指导和把关。感谢本课题组老师的支持和帮助，以及课题组研究生唐和礼、毛鑫、申静、黎康坪、赵栓、方君然等参与资料收集、文献检索与整理工作。在本书编写过程中，参考并引用了部分文献资料，在此一并致谢。
本书受到国家自然科学基金项目（52000017，42007363）、重庆英才·创新创业领军人才项目（CQYC202003025）、重庆市自然科学基金面上项目（cstc2020jcyj-msxmX0824）、重庆市教育委员会科学技术研究项目（KJQN202000825，KJZD-M202000801）、重庆市高校工业污染控制新技术创新群体（CXQT19023）、环境科学与工程重庆市重点学科化工分离技术团队项目（ZDPTTD201915）及重庆工商大学国家智能制造服务国际科技合作基地的资助和支持。
限于著者水平及编写时间，书中存在不足和疏漏之处在所难免，敬请广大读者批评指正。

著者 
2022年5月

张冰，男，副教授，硕士生导师。2017年博士毕业于哈尔滨工业大学环境学院，加拿大卡尔加里大学（University of Calgary）访问学者。担任重庆市科技局新型研发机构——重庆南向泰斯环保技术研究院执行副院长。主要从事膜法采油废水处理理论与技术等领域的研究；在Water research、Membrane science、Separation and Purification Technology、Journal of Colloid and Interface Science、《化工学报》、《膜科学与技术》等水处理领域知名期刊发表论文30余篇；多次参加国际会议并作会议报告；申请国家发明专利10余项（授权2项）；主持国家自然科学基金、重庆市科技局、重庆市教委、企业委托项目等科研项目6项；出版专著1部。目前担任Water research、Journal of Membrane Science，Environmental International，Separation and Purification Technology，Chemosphere等SCI期刊审稿人。

本书针对目前聚驱采油废水的处理现状和技术难题，以基于膜过程的采油废水处理技术为主线，介绍了微滤膜、超滤膜及纳滤膜处理采油废水的性能及其影响因素，分析探讨了膜污染机理，研究了采油废水中主要污染物对膜污染的控制技术，开发了针对不同有机污染物的膜清洗方法，旨在为今后膜滤技术处理聚驱采油废水的实际工程应用提供技术指导。本书中的研究可为提高膜的使用效率、延长膜的使用寿命、改善污水处理质量、降低运行维护成本等提供理论保障和技术支持，进而推动膜技术经济、高效地应用于油田采出水的处理、回用及其产业发展。为便于读者阅读，本书对研究过程给出了较详细的介绍，并配以丰富的实验数据图表与机理分析，书后附有膜法水处理技术参考文献，以便读者拓展研究参考。
本书具有较强的技术应用性和针对性，可供从事废水处理及污染控制等的工程技术人员、科研人员和管理人员参考，也可供高等学校环境科学与工程、市政工程、生态工程及相关专业师生参阅。
　

第1章 概论	
1.1　采油废水污染现状	002
1.1.1　三元驱采油废水的水质特点	002
1.1.2　三元驱采油废水的危害	003
1.1.3　三元驱采油废水的处理技术	003
1.2　膜法水处理技术	005
1.2.1　膜技术简介	005
1.2.2　膜截流机理与膜污染机理	006
1.2.3　膜滤过程控制	008
1.2.4　膜污染防治与清洗方法	009
1.3　膜法采油废水处理技术	010
1.3.1　微滤处理采油废水研究现状	010
1.3.2　超滤处理采油废水研究现状	012
1.3.3　纳滤处理采油废水研究现状	014
参考文献	015

第2章 采油废水微滤膜处理及膜污染控制	
2.1　微滤膜结构与性能	020
2.2　微滤膜处理采油废水的效能	021
2.2.1　微滤实验	021
2.2.2　PTFE膜处理三元驱采油废水的运行参数优化	025
2.2.3　PTFE膜处理三元驱采油废水的污染物去除效果	028
2.2.4　三元驱采油废水中污染物之间的相互作用对污染物去除率的影响	032
2.3　微滤膜处理采油废水的膜污染机理	039
2.3.1　PTFE膜处理三元驱采油废水的污染物分析	039
2.3.2　PTFE膜处理三元驱采油废水膜污染过程的数学模拟	059
2.3.3　膜污染机理分析	065
2.4　微滤膜处理采油废水的膜清洗	067
2.4.1　不同清洗剂及清洗条件对污染膜的清洗效果	067
2.4.2　多种清洗剂联合对污染膜的清洗效果	071
2.4.3　清洗前后膜表面的微观分析	081
2.4.4　清洗前后膜性能的变化及膜寿命分析	083
参考文献	085

第3章 采油废水超滤膜处理及膜污染控制	
3.1　超滤膜结构与性能	090
3.1.1　超滤技术原理	090
3.1.2　超滤过程控制	090
3.1.3　超滤膜的污染防治与清洗	091
3.2　超滤膜处理采油废水的效能	093
3.2.1　超滤实验	093
3.2.2　APAM超滤过程的通量衰减与操作条件优化	098
3.2.3　O/W超滤过程通量衰减与操作条件优化	111
3.2.4　APAM-O/W混合液超滤过程通量衰减与操作条件优化	118
3.3　超滤膜处理采油废水的膜吸附污染机理	128
3.3.1　超滤膜-污染物体系的吸附力分析	128
3.3.2　APAM在超滤膜上的吸附机理	129
3.3.3　O/W在超滤膜上的吸附机理	140
3.4　超滤膜处理采油废水膜污染过程的数学模拟与阻力分布	152
3.4.1　不同运行模式下的超滤污染过程分析	152
3.4.2　主要有机污染物超滤污染过程的数学模拟	154
3.4.3　超滤污染过程的白金汉模型建立与检验	174
3.4.4　油田三次采出水超滤污染阻力分布	178
3.5　超滤膜处理采油废水的膜清洗	181
3.5.1　超滤处理油田采出水的通量衰减及污染物去除效能	181
3.5.2　超滤处理油田三次采出水临界通量的影响因素	185
3.5.3　超滤膜的清洗与通量恢复	191
参考文献	197

第4章 采油废水纳滤膜处理及膜污染控制	
4.1　纳滤膜结构与性能	203
4.1.1　纳滤过程的分离机理	203
4.1.2　纳滤膜的污染	204
4.1.3　纳滤膜污染的控制	205
4.2　纳滤膜处理采油废水的效能	205
4.2.1　纳滤实验	206
4.2.2　纳滤对不同配水的处理效能	209
4.2.3　操作条件对纳滤处理聚驱采油废水效能的影响	222
4.3　纳滤膜处理采油废水的膜污染机理	225
4.3.1　不同污染组分造成的膜通量衰减特征对比	225
4.3.2　不同进水条件下受污染纳滤膜的微观表征	229
4.4　纳滤膜处理采油废水的膜清洗	234
4.4.1　不同清洗剂对单一有机污染物的清洗效果研究	235
4.4.2　原油与APAM复合污染时的清洗剂配方优化	237
4.4.3　优化清洗方案对膜性能的影响	239
参考文献	242

第5章 结论与趋势分析	
5.1　结论	246
5.1.1　采油废水微滤膜处理优势分析	246
5.1.2　采油废水超滤膜处理优势分析	247
5.1.3　采油废水纳滤膜处理优势分析	248
5.2　趋势分析	249
5.2.1　采油废水其他膜法处理技术	250
5.2.2　采油废水膜法处理技术应用前景	253
参考文献	255