微電解-Fenton氧化技術(shù)在聚驅(qū)采油污水處理中應(yīng)用研究

楊　霞

(貴州工業(yè)職業(yè)技術(shù)學(xué)院，貴州　貴陽　550008)

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微電解-Fenton氧化技術(shù)在聚驅(qū)采油污水處理中應(yīng)用研究

楊霞

(貴州工業(yè)職業(yè)技術(shù)學(xué)院，貴州貴陽550008)

采用微電解-Fenton氧化技術(shù)處理聚驅(qū)采油污水，探討了pH值、反應(yīng)時間、曝氣量對CODCr和HPAM去除效果的影響。實驗結(jié)果表明，當(dāng)pH值為3、曝氣量為100 L/h，微電解反應(yīng)50 min，然后調(diào)節(jié)H2O2濃度為2 g/L，反應(yīng)60 min，CODCr和HPAM去除率可達到83.2%、80.8%；Fe2+、Fe3+與HPAM形成的復(fù)合絮凝劑，再添加NaOH調(diào)節(jié)pH值為10，出水中濁度去除率達到91.2%。

聚驅(qū)采油污水；微電解；Fenton氧化

石油作為一種不可再生資源，是國家發(fā)展的經(jīng)濟命脈，對石油進行高效開發(fā)和利用是眾多研究者的熱點課程之一?，F(xiàn)今，我國油田的開采已進入高含水期開采階段，其中利用聚合物驅(qū)三次采油更是在石油開采中得到大規(guī)模應(yīng)用，大量的聚合物采油廢水由此產(chǎn)生。我國聚合物驅(qū)油技術(shù)廣泛采用聚丙烯酰胺(HPAM)，據(jù)統(tǒng)計，大慶油田含聚污水中HPAM濃度甚至已經(jīng)達到500 mg/L以上[1]。由于聚丙烯酰胺易使采出污水粘度增大，水中油滴及固體懸浮物在聚丙稀銑胺及其水解產(chǎn)物的作用下乳化穩(wěn)定性強，如果處理不當(dāng)，回注后會堵塞底層空隙，降低油井產(chǎn)量和注水能力，直接排放會給環(huán)境帶來嚴重的污染[2]。

目前，對油田含聚污水處理的方法主要有物理法(重力除油技術(shù)、氣浮法和超聲波降解聚合物法)、化學(xué)法和微生物處理方法。物理法和化學(xué)法由于其局限性，不能科學(xué)經(jīng)濟的將聚驅(qū)采油污水降解到排污標(biāo)準(zhǔn)，而生物法尚不成熟，缺乏實踐應(yīng)用[3-6]。微電解技術(shù)自20世紀70年代誕生以來，由于其高度靈活性、無二次污染、易于自動化控制、操作簡單方便等優(yōu)點，在污水脫色、殺菌、去除有機物等方面有很好的效果，在污水處理領(lǐng)域得到了廣泛的應(yīng)用[7-8]。

1　實　驗

1.1實驗原理

微電解技術(shù)即是在酸性電解質(zhì)的水溶液中，因鐵-碳顆粒之間存在著電位差而形成了無數(shù)個細微原電池。在微電解反應(yīng)中產(chǎn)生溶劑化電子、·OH、O2·、HO2·等活性物質(zhì)，生成的Fe2+與H2O2形成Fenton氧化試劑，對HPAM進行降解，同時與有機污染物反應(yīng)，將其降解為二氧化碳、水和簡單的有機物[9]。

在電解中，還形成具有絮凝作用的Fe2+，與HPAM形成復(fù)合絮凝劑，可有效吸附、凝聚水中的污染物，形成膠體顆粒共同下沉，達到凈化水體目的[10]。

1.2測試方法

表1　實驗測試項目和分析方法

1.3原水水質(zhì)

本實驗所用聚驅(qū)采油污水水樣為山東某油田經(jīng)二級氣浮處理的出水，原水呈現(xiàn)淡黃色。

表2　原水水質(zhì)

1.4工藝流程

圖1　微電解-Fenton工藝流程圖

聚驅(qū)采油污水經(jīng)水泵提升，經(jīng)流量計控制進入微電解池，用H2SO4控制pH值，通過調(diào)節(jié)pH值、反應(yīng)時間、曝氣量選擇COD和HPAM去除最佳參數(shù)，然后添加質(zhì)量分數(shù)為30%的H2O2與微電解反應(yīng)生產(chǎn)的Fe2+和Fe3+進行Fenton氧化，最后用NaOH調(diào)節(jié)廢水至堿性測定對聚驅(qū)采油污水去除效果。

2　結(jié)果與分析

2.1微電解反應(yīng)

在微電解反應(yīng)中，對其作用效果的影響因素依次是pH值>反應(yīng)時間>曝氣量，pH值影響最大。本實驗是在鐵炭比為2.5:1、鐵屑投加量為60 g/L條件下，分別探索pH值、反應(yīng)時間和曝氣量對COD和HPAM去除率的影響。

2.1.1pH值對微電解反應(yīng)的影響

用H2SO4將聚驅(qū)采油污水pH值分別調(diào)節(jié)到1、1.5、2、2.5、3、3.5、4、4.5、5、5.5和6，反應(yīng)30 min，通過化驗出水2～3 cm處上清液CODCr和HPAM，根據(jù)去除效果選擇適宜pH值。

圖2　不同pH值對CODCr和HPAM的去除效果

圖3　總鐵隨pH值變化曲線圖

pH值越小，F(xiàn)e2+濃度越高，微電池電位差越大，生成的化學(xué)活性物質(zhì)和[H]越多，能有效打破破壞有機物分子鏈，理論上對CODCr和HPAM去除效果越好。但當(dāng)pH值過低時，生成的H2的阻礙鐵屑和活性炭的有效接觸，降低了原電池效應(yīng)[11]，且生成的Fe2+和Fe2+帶有顏色；pH值過高時，F(xiàn)e2+溶出能力減弱，陽極極化作用大，抑制了氧化反應(yīng)。

由圖2、圖3可知，當(dāng)pH值為3時，HPAM去除率最高，CODCr去除率在pH值為2.5時效果最佳。pH值在2.5和3時，CODCr去除率相差0.4%，考慮到去除率相差不大及添加H2SO4經(jīng)濟因素，實驗選擇pH值為3時作為最佳工作參數(shù)。

2.1.2反應(yīng)時間對微電解反應(yīng)的影響

表3　不同反應(yīng)時間時CODCr和HPAM的去除效果

將pH值控制在3，分別考察反應(yīng)時間為10、20、30、40、50、60、70、80、90 min對聚驅(qū)采油污水中污染物的去除情況，根據(jù)CODCr和HPAM去除效果選擇適宜反應(yīng)時間。

電解池中聚驅(qū)采油污水反應(yīng)時間越長，化學(xué)活性物質(zhì)和[H]生成的越多，氧化越徹底，對CODCr和HPAM去除效果越好[12]。由表3中可以看出，在前50 min，CODCr和HPAM去除率隨著反應(yīng)時間增加而增加。但前50 min，pH值逐漸上升，F(xiàn)e2+生成量降低，制約了化學(xué)活性物質(zhì)和[H]的生成。從50 min 到90 min，CODCr去除率增加6.8%，HPAM去除率僅增加2.7%。

反應(yīng)時間太長，不僅會降低設(shè)備的利用率，增大了成本支出，還可能會使生成的膠體沉淀體系受到破壞，使HPAM去除率反而上升，如在70～80 min，HPAM去除率反而降低了1.1%。因此，試驗中選擇反應(yīng)時間為50 min。

2.1.3曝氣量對微電解反應(yīng)的影響

在進水pH值為3、反應(yīng)時間為50 min時，分別在曝氣量為0、20、40、60、80、100、120、140 L/h條件下，考察不同曝氣量對聚驅(qū)采油污水CODCr和HPAM去除效果的影響。

圖4　不同曝氣量對CODCr和HPAM的去除效果

曝氣有利于微電解反應(yīng)，原因在于：一是能不斷沖刷鐵屑和活性炭表面，避免板結(jié)，減少極化作用；二是不斷補充O2，增大電位差，促進反應(yīng)；三是能使聚驅(qū)采油污水與鐵碳填料充分混合。但如果曝氣量太大，一部分Fe2+會被氧化為Fe3+，且鐵屑和活性炭會被氣泡包裹，不利于有機物氧化降解[13-14]。

由圖4可知，在曝氣量為100 L/h時，CODCr去除率最大。從80 L/h和100 L/h，HPAM去除率相差0.2%。因此，實驗選擇曝氣量100 L/h為最佳實驗條件。

2.2微電解-Fenton反應(yīng)

經(jīng)微電解反應(yīng)后的聚驅(qū)采油污水，pH值會升高。由于Fenton反應(yīng)一般在酸性條件下反應(yīng)，實驗通過添加H2SO4控制pH值為3條件下，通過控制質(zhì)量分數(shù)為30%的H2O2添加量和反應(yīng)時間確定最佳反應(yīng)參數(shù)。

2.2.1H2O2添加量對Fenton反應(yīng)的影響

在pH值為3條件下，添加質(zhì)量分數(shù)為30%的H2O2，使其濃度控制在0.5、1、1.5、2、2.5、3、3.5和4 g/L條件下進行試驗，反應(yīng)30 min，確定最佳H2O2投加量。

圖5　不同H2O2投加量對CODCr和HPAM除率影響

H2O2濃度增大，產(chǎn)生的OH·增多，對聚驅(qū)采油污水中CODCr和HPAM氧化降解作用好。但濃度過大，一方面會部分H2O2把Fe2+氧化為Fe3+，消耗了氧化劑Fe2+，破壞了Fenton氧化體系；另一方面，濃度過高對OH·有抑制作用，生成的HO2·氧化能力低于OH·，反應(yīng)如下[15]：

由圖5可知，在H2O2濃度為2g/L時，CODCr和HPAM去除率綜合比較較佳。

2.2.2反應(yīng)時間對Fenton反應(yīng)的影響

在pH值為3、H2O2濃度為2 g/L條件下，控制反應(yīng)時間分別20、30、40、50、60、70、80 min，確定最佳反應(yīng)時間。

圖6　反應(yīng)時間對CODCr和HPAM去除率影響

由圖6 可知，反應(yīng)時間越長，·OH產(chǎn)生量越多，對有機類物質(zhì)去除效果越好。但反應(yīng)時間到60 min后，CODCr去除率反而下降，原因可能是由新的COD物質(zhì)生成[16]。

微電解-Fenton出水添加NaOH使Fenton出水pH值控制在10，沉淀后出水中，含油量去除率為86.4%；生成的Fe2+、Fe3+與HPAM形成復(fù)合絮凝劑，濁度去除率達到91.2%。

3　結(jié)　論

(1)微電解處理聚驅(qū)采油污水受到很多因素制約。實驗結(jié)果表明，在進水pH值為3、反應(yīng)時間為50 min、曝氣量為100 L/h時，CODCr和HPAM去除效果最好；

(2)在微電解-Fenton實驗中，在pH值為3、H2O2濃度為2 g/L、反應(yīng)時間為60 min條件下，CODCr和HPAM取消率分別達到83.2%、80.8%。添加NaOH使Fenton出水pH值控制在10，出水中，含油量去除率為86.4%；

(3)微電解-Fenton處理聚驅(qū)采油污水使生成的Fe2+、Fe3+與HPAM形成復(fù)合絮凝劑，絮凝效果更好，在加堿出水中濁度去除率達到91.2%；

(4)微電解反應(yīng)器在工作中，板結(jié)、鈍化、更換頻繁等問題制約了其應(yīng)用，探索新型填料(如Fe/Al/C、Fe/Cu/C以及與黏土類作為填料粘接劑)亟待研究。

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Study on the Application of Micro-electrolysis-Fenton Oxidation Technology in the Polymer Flooding Produced Water Treatment

YANG Xia

(Guizhou Industry Polytechnic College,Guizhou Guiyang 550008,China)

In this work,polymer flooding produced water was treated by using micro-electrolysis-Fenton oxidation technology.Effect of pH,reaction time and aeration amount of micro-electrolysis-Fenton oxidation technology on removal efficiency of CODCrand HPAM were discussed.The results showed that when pH=3,aeration amount was 100 L/h,micro-electrolysis reaction time was 50 min.After adjusted the H2O2concentration(2 g/L),and Fenton oxidation reaction time was 60 min,the removal ratio of CODCrand HPAM could reach 83.2% and 80.8%,respectively.In reaction,the Fe2+and Fe3+produced in the micro-electrolysis reaction would form compound flocculant with HPAM,after adjusted pH(10),the removal ratio of turbidity could reach 91.2%.

polymer flooding produced waste；micro-electrolysis；Fenton oxidation

楊霞(1984-)，女，碩士研究生，貴州工業(yè)職業(yè)技術(shù)學(xué)院教師。

TE3

A

1001-9677(2016)04-0070-04