海上含聚污水電化學(xué)處理裝置的優(yōu)化

陳文娟，靖 波，張 健，孟凡雪

（1. 海洋石油高效開發(fā)國家重點實驗室，北京 100028；2. 中海油研究總院，北京 100028）

廢水處理

海上含聚污水電化學(xué)處理裝置的優(yōu)化

陳文娟1，2，靖 波1，2，張 健1，2，孟凡雪1，2

（1. 海洋石油高效開發(fā)國家重點實驗室，北京 100028；2. 中海油研究總院，北京 100028）

為解決傳統(tǒng)電化學(xué)方法在含聚污水處理時電極板消耗嚴重、絮渣量大的問題，通過改進電極板材料、組合數(shù)及結(jié)構(gòu)等，研究適度降解-除油一體化電化學(xué)技術(shù)，在降低渣泥量的同時保證處理效果。實驗結(jié)果表明：最佳電極板組合為“網(wǎng)狀惰性金屬復(fù)合物極板（陽）-網(wǎng)狀鋁極板（陰）-網(wǎng)狀鋁極板（陰）-網(wǎng)狀惰性金屬復(fù)合物極板（陽）”；在電解電流為4.0 A、極板間距為8.0 cm、面體比（電極板面積與處理污水量的比值）為2/17 cm2/ mL、電解時間為30 min的最佳處理條件下，幾乎無絮渣產(chǎn)出，含聚污水的濁度去除率為93.3%、聚合物降解率為92.0%、除油率為95.0%，展現(xiàn)了優(yōu)良的處理效果。

海上油田；含聚污水；電化學(xué)處理；除油；電極板

聚合物驅(qū)油技術(shù)是海上油田最重要的提高采收率技術(shù)手段之一，礦場試驗與應(yīng)用證實了其技術(shù)的可靠性與經(jīng)濟有效性［1-3］。與注水開發(fā)采出污水相比，含聚采油污水黏度大、乳化程度高、穩(wěn)定性強、油滴粒徑小，處理難度較大，逐漸成為注聚油田面臨的共性難題之一［4-7］。

目前，隔油、絮凝、氣浮及過濾等傳統(tǒng)污水處理工藝已無法滿足海上含聚污水高效處理的需求。電化學(xué)除油技術(shù)作為一種環(huán)境友好的污水處理技術(shù)，其基本原理是通過電化學(xué)作用降解水中的某些大分子物質(zhì)，產(chǎn)生均勻微小的氣泡，在處理過程中同時有電絮凝、電氧化和氣浮等多重作用［8-9］。傳統(tǒng)電化學(xué)反應(yīng)一般通過犧牲陽極來實現(xiàn)水處理，然而犧牲陽極會產(chǎn)生相應(yīng)的氫氧化物，額外增加浮渣量，帶來二次污染，同時犧牲陽極也會縮短現(xiàn)場設(shè)備運行周期、增加維護難度［10-11］。

為解決這一問題，本文深入開展了電化學(xué)降解除油技術(shù)的系統(tǒng)研究，通過采用新型電極材料、改進電極結(jié)構(gòu)等方法，研究適度降解-除油一體化的電化學(xué)技術(shù)，降低廢渣產(chǎn)生量，縮短處理時間，提高處理效率，解決電極溶解消耗的問題。

1 實驗部分

1.1 實驗材料

原油油樣：渤海某油田脫水原油，黏度為70 mPa·s。

聚合物：部分水解聚丙烯酰胺聚合物干粉（HPAM），相對分子質(zhì)量約為1.2×107，水解度約為25%，為油田現(xiàn)場所用聚合物。

圖1 電解槽結(jié)構(gòu)示意

懸浮物：標(biāo)準鈉土。

模擬聚驅(qū)含油污水（含聚污水）：按照某海上油田管匯污水成分配制的溶液中再加入一定量的原油、懸浮物和聚合物溶液，在60 ℃下用高速乳化機高效剪切乳化，剪切速率為7 000 r/min，剪切時間為5～10 min。主要離子組成（ρ，mg/L）：Na++K+3 091.96，Ca2+276.17，Mg2+158.68，CO32-14.21，HCO3-311.48，SO42-85.29，Cl-5 436.34；聚合物質(zhì)量濃度為200 mg/L、含油量為480 mg/L、濁度為461 NTU。

1.2 實驗裝置

TN100型數(shù)字式濁度儀：上海默西科學(xué)儀器有限公司；UV2450型紫外-可見分光光度計：日本島津公司；BME100L型高剪切混合乳化機：上海威廣機械制造有限公司；電解槽：實驗室自制，結(jié)構(gòu)示意見圖1。

1.3 實驗方法

考察電極板材料、數(shù)量及形狀對污水處理效果的影響，并在此基礎(chǔ)上通過正交實驗獲得最佳處理工藝參數(shù)。具體實驗步驟如下：首先安裝電極板，將含聚污水倒入電解槽內(nèi)，接通電源，在電極間距d=4.0 cm、電解電流I=3.0 A、面體比（電極板面積與處理污水體積的比值）r=2/17 cm2/mL、陰極采用鋁極板的條件下，電解20 min，取出少量下層清液，依據(jù)SY/T 5329—2012《碎屑巖油藏注水水質(zhì)指標(biāo)及分析方法》［12］中的規(guī)定方法測定水樣的濁度、含油量。聚合物質(zhì)量濃度采用淀粉-碘化鎘方法［13］測定。

2 結(jié)果與討論

2.1 陽極材料對污水處理效果的影響

針對電極板陽極溶解消耗過快的問題，對不同陽極材料的處理效果進行了對比。不同陽極材料對含聚污水的處理效果見表1。

表1 不同陽極材料對含聚污水的處理效果

不同陽極電極的消耗速率見表2。

由表1和表2可見：鋁作為陽極極板材料時，除油率、濁度去除率及聚合物降解率均最高，處理后水質(zhì)最好；但其電極消耗速率最快，達到0.600 g/h；而惰性金屬復(fù)合物、氧化銥、氧化鈦3種材料作為陽極時，電化學(xué)反應(yīng)過程中基本無消耗，因此也無對應(yīng)絮體產(chǎn)生。其中又以惰性金屬復(fù)合物的濁度去除率、聚合物降解率、除油率最高。因此，本研究中確定以惰性金屬復(fù)合物作為陽極材料。

表2 不同陽極電極的消耗速率

2.2 電極板數(shù)量對污水處理效果的影響

分別采用單對電極組合即“惰性金屬復(fù)合物（陽）-鋁（陰）”及雙對電極組合即“惰性金屬復(fù)合物（陽）-鋁（陰）-鋁（陰）-惰性金屬復(fù)合物（陽）”，進行電化學(xué)污水處理實驗，研究電極板數(shù)量對水處理效果的影響。電極板數(shù)量對含聚污水處理效果的影響見表3。由表3可見，在同樣的條件下，雙對電極的污水處理效果優(yōu)于單對電極，其濁度去除率、聚合物降解率及除油率均明顯高于單對電極，這可能是由于雙對極板有效面積增加，產(chǎn)生更多氧化物質(zhì)的原因。同樣的，在此實驗條件下，陽極電極板基本無消耗，也無絮渣產(chǎn)生。

表3 電極板數(shù)量對含聚污水處理效果的影響

2.3 電極板形狀對污水處理效果的影響

在上述板狀電極板使用的過程中，發(fā)現(xiàn)污水在電解槽內(nèi)的流動會受到極板的阻礙，導(dǎo)致傳質(zhì)效率變差。因此，設(shè)計將極板改為網(wǎng)狀形式，以解決污水的傳質(zhì)流動問題，并適當(dāng)增大了電極有效面積。

不同形狀雙對電極對含聚污水的處理效果見表4。由表4可見，在相同條件下，網(wǎng)狀電極的污水處理效果總體優(yōu)于板狀電極，濁度去除率、聚合物降解率及除油率均有所提高。電極采用網(wǎng)狀設(shè)計后質(zhì)量變小，且電極周圍建立了水力通道，對污水流動影響小，因此在電化學(xué)除油罐的設(shè)計中選擇網(wǎng)狀電極更具有優(yōu)勢。在此實驗條件下，陽極電極板基本無消耗，也無絮渣產(chǎn)生。

表4 不同形狀雙對電極對含聚污水的處理效果

2.4 正交試驗確定最佳電化學(xué)條件

確定電極板組合為“網(wǎng)狀惰性金屬復(fù)合極板（陽）-網(wǎng)狀鋁極板（陰）-網(wǎng)狀鋁極板（陰）-網(wǎng)狀惰性金屬復(fù)合極板（陽）”后，選擇電解電流I、電極間距d、面體比r及電解時間t 4個重要控制參數(shù)作為正交試驗的因素，利用含聚污水進行L9（34）正交試驗。試驗結(jié)果表明，電化學(xué)處理含聚污水的最佳處理條件為：I=4.0 A，d=8.0 cm，r=2/17 cm2/mL，t=30 min。在此條件下，含聚污水的濁度去除率為93.3%，聚合物降解率為92.0%、除油率為95.0%，與此同時，基本無絮渣產(chǎn)生。

3 結(jié)論

a）適度降解-除油一體化電化學(xué)處理含聚污水的電極板組合方式為：網(wǎng)狀惰性金屬復(fù)合物極板（陽）-網(wǎng)狀鋁極板（陰）-網(wǎng)狀鋁極板（陰）-網(wǎng)狀惰性金屬復(fù)合物極板（陽），有利于污水處理效果的提高，且此時幾乎無絮渣出現(xiàn)。

b）在I=4.0 A，d=8.0 cm，r=2/17 cm2/mL，t=30 min的條件下，幾乎無絮渣產(chǎn)出，含聚污水的濁度去除率為93.3%，聚合物降解率為92.0%、除油率為95.0%，展現(xiàn)了優(yōu)良的處理效果。

［1］張鳳久，姜偉，孫福街. 海上稠油聚合物驅(qū)關(guān)鍵技術(shù)研究與礦場試驗［J］. 中國工程科學(xué)，2011，13（5）：28 - 34.

［2］周守為. 海上油田高效開發(fā)技術(shù)探索與實踐［J］. 中國工程科學(xué)，2009，11（10）：59 - 60.

［3］周守為，韓明，向問陶. 渤海油田聚合物驅(qū)提高采收率技術(shù)研究及應(yīng)用［J］. 中國海上油氣，2006，18（6）：386 - 389.

［4］馬占林，陳興原，李天德. 聚合物驅(qū)采出污水深度處理的實驗研究［J］. 海洋石油，2010，30（1）：81 -84.

［5］何煥杰，王中華，王永紅，等. 國內(nèi)油田三次采油聚合物驅(qū)采出液處理技術(shù)研究進展［J］. 石油煉制與化工，2002，33（9）：29 - 32.

［6］劉小東，謝陳鑫. 油田含聚污水的處理現(xiàn)狀與研究進展［J］. 科技創(chuàng)新導(dǎo)報，2009（10）：136 - 137.

［7］馬占林，陳興原，李天德. 聚合物驅(qū)采出污水深度處理的實驗研究［J］. 海洋石油，2010，30（1）：81 - 84.

［8］翟磊，靖波，王秀軍，等. 電化學(xué)脫穩(wěn)技術(shù)處理油田含聚污水［J］. 化工環(huán)保，2016，36（3）：243 - 249.

［9］楊浩，高秀麗，史殿彬，等. 電化學(xué)輔助微電解法處理焦化廢水［J］. 化工環(huán)保，2016，36（6）：650 - 654.

［10］陳武，尹先清，張健，等. 電化學(xué)處理聚合物驅(qū)含油污水實驗研究［C］//海洋石油高效開發(fā)國家重點實驗室. 海上稠油高效開發(fā)新技術(shù). 北京：石油工業(yè)出版社，2013：367 - 374.

［11］王兵，李潔，任宏洋，等. 電化學(xué)法處理聚驅(qū)采油廢水的研究［J］. 安全與環(huán)境學(xué)報，2015，15（6）：245 - 249.

［12］油氣田開發(fā)專業(yè)標(biāo)準化技術(shù)委員會. SY/T 5329—2012碎屑巖油藏注水水質(zhì)指標(biāo)及分析方法［S］. 北京：石油工業(yè)出版社，2012.

［13］關(guān)淑霞，范洪福，段吉國，等. 聚丙烯酰胺質(zhì)量濃度的測定——淀粉-碘化鎘法［J］. 大慶石油學(xué)院學(xué)報，2007，31（2）：110 - 112.

（編輯 葉晶菁）

Optimization of electrochemical treatment device for polymer-flooding produced wastewater in offshore oilfield

Chen Wenjuan1，2，Jing Bo1，2，Zhang Jian1，2，Meng Fanxue1，2
（1. State Key Laboratory of Offshore Oil Exploitation，Beijing 100028，China；2. CNOOC Research Institute，Beijing 100028，China ）

Aiming at the serious loss of electrode plates and large amount of flocculated slug in traditional electrochemical treatment of polymer-f l ooding produced wastewater，the integrated electrochemical technology for oil degradation and removal was researched by optimizing material，amount and structure of electrode plate，in order to decrease the slug amount with good treatment effect. The experimental results showed that：The optimal combination of electrode plates was “mesh inert metal composite electrode （anode）-mesh aluminum plate （cathode）-mesh anode plate（cathode）-mesh inert metal composite electrode （anode）”；Under the optimum treatment conditions of electrolysis current 4.0 A，electrode spacing 8.0 cm，ratio of electrode plate area to wastewater volume 2/17 cm2/mL and electrolysis time 30 min，there was almost no fl occulated slug produced，the removal rate of turbidity，oil and polymer of the wastewater were 93.3%，92.0%，95.0%，respectively，showing a good treatment effect of the technology.

offshore oilfield；polymer-flooding produced wastewater；electrochemical treatment；oil removing；electrode plate

X

A

1006-1878（2017）04-0400-04

10.3969/j.issn.1006-1878.2017.04.005

2016 - 11 - 11；

2017 - 04 - 20。

陳文娟（1988—），女，山東省棗莊市人，博士，工程師，電話 010 - 84523756，電郵 chenwj4@cnooc.com.cn。

國家科技重大專項（2016ZX05025-003）。