Treatment of Produced Water: Development of Methods and Technology to Remove the Oil Emulsion and Particulate towards the Zero Harmful Discharge

Abstract

Produced water is a mixture of dispersed oil in water emulsions, dissolved organic compounds, and inorganic particles. Regulations on the Norwegian Continental Shelf (NCS) are getting stricter with regard to discharge quality of produced water, and new effective alternative treatment technologies are being sought.

The main strategy for reducing the pollution from produced water has traditionally been to reduce the content of dispersed oil. One of the reasons behind this strategy is that good removal of dispersed oil has also resulted in substantial removal of soluble hydrocarbons. Therefore, technology improvement is needed to remove the oil inwater to as low concentrations as possible, i.e. < 5 mg/l of oil in water.

Membrane filtration is a promising alternative to meet the expected new more stringent discharge standards. Both polymeric and inorganic membranes have been applied in membrane filtration of oil emulsions. The use of ceramic membranes in oily wastewater effluent treatment or produced water has advantages over organic membranes due to the stronger mechanical and chemical properties of the ceramic material, i.e. temperature, pH and chemical resistance, and because organic membranes are more sensitive to both polar and chlorinated solvents, as well as to high oil fractions. Therefore, ceramic microfiltration was mainly used in this research. Membrane fouling is a major obstacle for application of the technology in industry, thus understanding of membrane fouling, development of fouling minimization techniques and cleaning of fouled membranes is the main focus of this research.

In this thesis, α-Al2O3 ceramic membranes with nominal pore sizes of 0.1, 0.2 and 0.5 μm were assessed and applied in crossflow membrane filtration. Ultrasonic time domain reflectometry (UTDR) was used to identify fouling in analogue produced water. A polymeric membrane was used and selected for this study due to the limitations with the equipment for the application with testing ceramic membranes.

Further, the influence of feed characteristics, i.e. oil concentration, salinity, pH, temperature, oil types, particles and droplet size distribution, and the impact on membrane fouling was investigated by using tubular α-Al2O3 ceramic membranes with nominal membrane pore sizes of 0.1 μm, 0.2 μm and 0.5 μm. The study showed that the membrane fouling rate is strongly related to the change of droplet size distribution in the feed. The oil droplet size distribution over 5 μm is expected to give the lowest membrane fouling rate. Presence of particles enhances the fouling resistance significantly. Moreover, some of the testing results show that the target to achieve the very low oil concentration in the permeate (i.e. < 5 ppm) could be achieved by choosing the right membrane and operating condition. Lower membrane flux, bigger oil droplets, or tighter membrane could be selected to meet the target treatment.

The development of fouling minimization on tubular α-Al2O3 ceramic membranes with nominal membrane pore sizes of 0.1 μm, 0.2 μm and 0.5 μm were carried out by using high frequency backpulsing and ultrasound. Both of these techniques show that the fouling rate could be minimized significantly. The choice of membrane pore size to optimize the fouling control method was influenced by the feed characteristic. Tightest membrane, i.e. 0.1 μm, showed the highest fouling reduction when particles were present, whereas the 0.2 μm membrane pore size showed the optimum when no particles are present. The backpulsing results show that the target of very low oil concentration in the permeate (i.e. < 5 ppm) could be achieved in all of the test conditions while the application of US show that a very low oil concentration in the permeate (i.e. < 5 ppm) could be achieved by choosing the right membrane and operating condition.

At a certain point, fouling necessitates an extended chemical cleaning to regain the original permeability of the membrane. This thesis evaluated the cleaning efficiency of membranes fouled by analogue produced water using different commercial products that are biodegradable, i.e. Ultrasil 115, Ultrasil 73, Surfactron CD 50, Derquim+. A full restoration of fouled membranes could not be achieved by a single cleaning step. The total cleaning efficiency is dependent on temperature, concentration and type of cleaning agent, and backwash pressure of the cleaning solution

Produsert vann er en blanding av dispergert emulsjoner av olje i vann, løste organiske forbindelser og uorganiske partikler. Krav og regulering gjennom forskrifter på den norske kontinentale sokkelen (NCS) blir stadig strengere med hensyn til utslipp av produsert vann, og det søkes derfor etter ny og mer effektiv renseteknologi.

Hovedstrategien for å redusere forurensing fra produsert vann har tradisjonelt vært å redusere mengden av dispergert olje i utslippsvannet. En av grunnene til denne strategien er at reduksjon av dispergert olje samtidig resulterer i en betydelig reduksjon av løselige hydrokarboner. Det er derfor behov for forbedret teknologi for å redusere olje konsentrasjonen i vannet så mye som mulig, for eksempel til < 5 mg/l olje i vann.

Membranfiltrering er en lovende teknologi som kan oppfylle nye og strengere utslippskrav. Både polymeriske og uorganiske membraner har vært brukt til membranfiltrering av olje emulsjoner i vann. Bruk av keramiske membraner i rensing av oljeholdig avløpsvann eller produsert vann har fordeler over organiske membraner på grunn av membranens sterkere mekaniske og kjemiske egenskaper, for eksempel temperatur, pH og kjemisk motstand, og det at polymeriske membraner er mer sensitiv til både polar og klorinerte løsninger i tilegg til høy olje fraksjoner. Derfor er keramiske membraner primært brukt i dette studiet. Membran fouling (tilsmussing og tetting) er en hovedutfordring ved bruk av membranfiltrering i praksis. En bedre forståelse av membran fouling samt utvikling av teknikker for å redusere fouling er derfor hovedfokus i dette studiet.

I denne avhandling er α-Al2O3 keramiske membraner med nominell pore størrelser av 0.1, 0.2 og 0.5 μm evaluert og anvendt ved tverrstrøms membranfiltrering. Ultrasonic time domain reflectometry (UTDR) er brukt for å analysere fouling i analog produsert vann. En polymerisk membran ble brukt for denne undersøkelsen på grunn av begrensninger med test apparatur i forhold til bruk av keramiske membraner.

Betydning av vannets karakteristikk, dvs. olje konsentrasjon, salinitet, pH, temperatur, type olje, partikler og dråpe størrelsesdistribusjon, og hvordan det påvirker membran fouling er undersøkt ved å bruke rørformet α-Al2O3 keramiske membraner med nominell pore størrelser av 0.1, 0.2 og 0.5 μm. Studiet viser at hastigheten på membran fouling er sterkt forbundet med endring i oljedråpe størrelsesdistribusjon i fødevannet. En dråpe størrelsesdistribusjon over 5 μm er forventet å gi lavest fouling rate. Med partikler i vannet synes motstand til fouling å øke betydelig. Noen av test resultatene viser at målet med å oppnå veldig lav konsentrasjon av olje i permeatet (dvs. <5 ppm) kan oppnås ved å velge rett membran og driftsbetingelse. Lavere membran fluks, større oljedråper, eller tettere membran porestørrelse kan brukes for å oppnå målet.

Utvikling av strategier for å redusere fouling på rørformet α-Al2O3 keramiske membraner med nominell pore størrelser av 0.1, 0.2 og 0.5 μm ble gjort med høyfrekvens tilbake pulsering og ultralyd. Begge teknikkene viste at fouling raten kunne bli redusert betydelig. Fødevann karakteristikken hadde innflytelse på valg av membran porestørrelse for å optimere metoden for fouling kontroll. Den tetteste membranen, dvs. 0.1 μm, viste høyest reduksjon i fouling når partikler var tilstede, mens membran porestørrelse 0.2 μm var best uten partikler tilstede. Høyfrekvens tilbake pulsering resultatene viser at målet med svært lav konsentrasjon av olje i permeatet kunne oppnås i alle testene utført mens ved anvendelsen av ultralyd kan målet oppnås ved å velge rett membran og drifts betingelser.

Etter en viss driftstid er fouling slik at en kjemisk rengjøring er nødvendig for å gjenvinne membranens opprinnelig permeabilitet. Denne avhandlingen evaluerte rengjøringseffektiviteten av membraner tilsmusset med analog produsert vann ved bruk av forskjellige kommersielle produkter som er biologisk nedbrytbar, dvs. Ultrasil 115, Ultrasil 73, Surfactron CD 50, Derquim+. En fullstendig restorering av tilsmusset membraner kunne ikke oppnås med en enkel rengjøringstrinn. Rengjøringseffektiviteten er avhengig av temperatur, konsentrasjon og type rengjøringsmiddel, og tilbakespylings trykket av rengjøringsmidlet.