電絮凝法去除SAGD工藝高溫采出水中的硅

白 昱，孫 森，胡遠遠，李慧軍，陳寶生，周 律

（1. 清華大學(xué) 環(huán)境學(xué)院，北京 100084；2. 中國石油新疆油田分公司 風城油田作業(yè)區(qū)，新疆克拉瑪依 834000；3. 北京京潤環(huán)保科技股份有限公司，北京 101300；4. 中國石油新疆油田分公司 工程技術(shù)研究院，新疆克 拉瑪依 834000）

新疆油田自2008年引入蒸汽輔助重力泄油（steam assisted gravity drainage，SAGD）技術(shù)，稠油產(chǎn)量已達到穩(wěn)產(chǎn)500萬噸，占總原油產(chǎn)量的40%以上，成為油田高產(chǎn)穩(wěn)產(chǎn)甚至國家能源安全的重要保障［1-3］。SAGD技術(shù)于1991年由BUTLER提出［4］，因工藝原因其采出水中含有大量巖層中融出的硅酸鹽［5］。根據(jù)《新疆維吾爾自治區(qū)水污染防治工作方案》和企業(yè)發(fā)展規(guī)劃要求，采油作業(yè)區(qū)需實現(xiàn)廢水“零排放”，即采出水不得外排，全部用于汽化回注。但采出水中過高含量的硅會造成管路結(jié)垢，故回用前必須將其除去。目前，油田作業(yè)區(qū)采用“鎂劑除硅+混凝沉降+壓力過濾”的工藝去除采出水中的硅，但無法達到回用要求，主要原因是：高溫下鎂劑反應(yīng)效果較差（采出水溫度一般在60 ℃以上，夏季可達90 ℃以上）；過量鎂劑的加入導(dǎo)致回用水礦化度過高［5］；藥劑和污泥處理成本較高。

電絮凝法具有加藥量少、污泥量少、運行費用低等特點，被廣泛應(yīng)用于工業(yè)廢水處理中［6-8］。對于電絮凝去除污染物的原理，多數(shù)認為是陽極電解產(chǎn)生Al3+、Fe2+等絮凝作用較強的離子，再由這些離子在水中產(chǎn)生膠體，膠粒形成和增大的過程中，對水中的污染物產(chǎn)生架橋、壓縮雙電層、卷掃、吸附等作用，將污染物隨脫穩(wěn)的膠粒（礬花）一同除去，同時陰極產(chǎn)生的氣體（主要是氫氣）形成的微氣泡還具有一定的氣浮和加速膠粒脫穩(wěn)的作用［9-10］。

現(xiàn)有電絮凝法處理油田采出水的研究［11-17］存在以下問題：首先，由于很少關(guān)注采出水回用，因此多數(shù)研究關(guān)注的是有機物、石油類、脂肪烴、芳烴和溶解性顆粒物等對水環(huán)境影響較大的污染物，少有關(guān)注硅的；其次，關(guān)于電絮凝除硅的研究，實驗用水多采用配水，少有使用實際廢水；最后，多數(shù)研究為常溫下處理廢水，而實際生產(chǎn)中為了節(jié)約能源，SAGD工藝采出水需在高溫下處理。

針對上述問題，本研究采用電絮凝法處理實際油田SAGD工藝高溫采出水，以硅酸鹽作為檢測指標，考察了電流、反應(yīng)時間、反應(yīng)溫度和初始pH等實際生產(chǎn)中較為可控的工藝條件對電絮凝除硅過程的影響，以期為采出水回用處理工藝的設(shè)計和運行提供支撐。

1 實驗部分

1.1 材料和試劑

實驗用采出水為新疆油田某作業(yè)區(qū)SAGD工藝采出水，其主要水質(zhì)指標見表1。根據(jù)企業(yè)制定的標準和過熱鍋爐的進水要求，硅酸鹽質(zhì)量濃度需降至20 mg/L以下。

表1 采出水水質(zhì)

水質(zhì)分析過程所用化學(xué)試劑均滿足各指標檢測方法要求，調(diào)節(jié)原水pH采用50%（w）H2SO4和50%（w）NaOH溶液，所用試劑為分析純。

1.2 實驗裝置

實驗裝置如圖1所示。

圖1 實驗裝置示意圖

水浴鍋為上海秋佐科學(xué)儀器有限公司DF-101T型集熱式恒溫裝置（帶磁力攪拌）；直流電源為深圳市兆信電子儀器設(shè)備有限公司RNX-3010D型電源；自制不銹鋼電絮凝反應(yīng)器容量1.0 L，其中的鋁電極為自制，共有6片電極，每片有效面積為50 cm2，厚度為3.0 mm，極板間距為5.0 mm。

1.3 實驗方法

采用批序式實驗方法，將1.0 L采出水倒入反應(yīng)器中，打開磁力攪拌，并調(diào)節(jié)pH至設(shè)定值（當研究pH對電絮凝反應(yīng)的影響時分別調(diào)節(jié)至6.00、7.00、8.00和9.00，誤差為±0.05，默認為不調(diào)節(jié)）；之后打開加熱器，升溫至指定溫度（當研究溫度對電絮凝反應(yīng)的影響時分別升溫至60 ℃、70℃、80 ℃和90 ℃，默認為90 ℃）；插入電極并打開電源，調(diào)節(jié)電流至相應(yīng)值（當研究電流對電絮凝反應(yīng)的影響時分別調(diào)節(jié)至0.2～2.0 A，共計10種電流條件，詳見表2，默認值為0.8 A），開始計時。每2 min取樣約5 mL，于聚四氟乙烯尖底小管中靜置冷卻至室溫，取上清液待測。每組實驗重復(fù)3次，每次20 min。電流和電流密度的對照表見表2。

1.4 分析方法

按表1所示的檢測方法分析采出水水質(zhì)。采用美國Hach公司DR-5000型紫外-可見分光光度計測定處理后水樣的硅酸鹽質(zhì)量濃度［22］，每個水樣檢測3次，取均值作為測定結(jié)果，根據(jù)檢測方法要求，每次檢測結(jié)果的相對標準偏差不超過4%，取每組3次重復(fù)實驗的均值作為最終結(jié)果。

表2 電流和電流密度的對照表

2 結(jié)果與討論

2.1 電流和反應(yīng)時間對電絮凝除硅的影響

電流和反應(yīng)時間對電絮凝除硅的影響見圖2～4。由圖2和圖3可知：在反應(yīng)時間為2 min時，硅酸鹽質(zhì)量濃度均高于20 mg/L，說明要達到良好的電絮凝除硅效果，足夠的反應(yīng)時間必不可少［23］；在電流大于1.0 A時，不同電流下的硅酸鹽去除效果相近，結(jié)合電絮凝機理可知，就除硅而言，當電流大于1.0 A時產(chǎn)生的絮凝劑（Al3+）是過量的，因此在電絮凝技術(shù)的應(yīng)用中應(yīng)合理選擇電流，過大的電流不僅會造成能源的浪費，還會造成電極的過快消耗和快速結(jié)垢［9-10］。由圖4可知，當電流不小于0.8 A時，4 min即可使硅酸鹽質(zhì)量濃度降至20 mg/L以下。因此，選擇電流為0.8 A，且反應(yīng)時間不少于4 min，即可達到良好的除硅效果。由圖4還可知，當反應(yīng)時間為20 min、電流不小于0.6 A時，硅酸鹽質(zhì)量濃度均降至1.5～2.5 mg/L之間，進一步說明過大的電流無法提高電絮凝除硅能力。綜上，電絮凝適用于高溫條件下SAGD工藝采出水除硅，但需合理選擇電流和反應(yīng)時間。

圖2 低電流（0.2～1.0 A）下硅酸鹽質(zhì)量濃度隨時間的變化

圖3 高電流（1.2～2.0 A）下硅酸鹽質(zhì)量濃度隨時間的變化

圖4 不同反應(yīng)時間下硅酸鹽質(zhì)量濃度隨電流的變化

2.2 初始pH對電絮凝除硅的影響

初始pH對電絮凝除硅的影響見圖5。在反應(yīng)時間為4 min時，pH=6.00和pH=9.00組的硅酸鹽濃度大于其他3組，尤其是pH=6.0組，其硅酸鹽質(zhì)量濃度大于20 mg/L。結(jié)合電絮凝機理，過高或過低的pH會導(dǎo)致鋁絮凝體產(chǎn)生量下降，導(dǎo)致絮凝的網(wǎng)捕和卷掃能力下降［9-10］。因此，需保證進水pH在接近中性范圍。在pH=7.00、pH=7.75和pH=8.00的3組中，4 min時硅酸鹽質(zhì)量濃度分別為9.56 mg/L、8.14 mg/L和7.13 mg/L，說明弱堿性條件下除硅效果最佳，但將原水pH調(diào)節(jié)至8.0對除硅效果的提升有限。根據(jù)不提升采出水礦化度的要求，實際應(yīng)用時無需調(diào)節(jié)原水pH。反應(yīng)時間延長至12 min以后，硅酸鹽濃度幾乎相同，說明在pH=6.0～9.0范圍內(nèi)，電絮凝最終的除硅能力相同，只是反應(yīng)速率的差異。這表明，電絮凝法在SAGD高溫采出水除硅應(yīng)用中，對不同水質(zhì)的適應(yīng)性較強。

圖5 初始pH對電絮凝除硅的影響

2.3 反應(yīng)溫度對電絮凝除硅的影響

反應(yīng)溫度對電絮凝除硅的影響見圖6。由圖6可知，反應(yīng)時間為4 min時，溫度越高，除硅效果越好。在80 ℃和90 ℃的反應(yīng)溫度下，硅酸鹽的去除規(guī)律基本一致，說明在實際應(yīng)用時需保持水溫不低于80 ℃。鑒于該作業(yè)區(qū)當?shù)囟練鉁剌^低，故在冬季運行時需采取一定的保溫措施。反應(yīng)時間延長至10 min以后，不同溫度下硅酸鹽的濃度幾乎相同，說明溫度在60～90 ℃范圍內(nèi)，電絮凝的最終除硅能力相同。這表明，電絮凝法在SAGD高溫采出水除硅應(yīng)用中，對不同反應(yīng)條件的適應(yīng)性較強。

圖6 反應(yīng)溫度對電絮凝除硅的影響

3 結(jié)論

a）電絮凝法適用于高溫條件下SAGD工藝采出水除硅，可以作為SAGD工藝采出水回用的水質(zhì)凈化技術(shù)。

b）在實際應(yīng)用時為保證良好的除硅效果，電絮凝反應(yīng)時間應(yīng)不少于4 min，電流應(yīng)不小于0.8 A。但過大的電流無法提高電絮凝除硅能力，并會造成電極的過快消耗和快速結(jié)垢。因此，需根據(jù)處理水量合理設(shè)計電絮凝反應(yīng)單元。

c）對于電絮凝法去除SAGD工藝采出水中的硅，需保證初始pH在7.0～8.0范圍，反應(yīng)溫度不低于80 ℃，否則會導(dǎo)致反應(yīng)速率降低而延長反應(yīng)時間。

d）不同的初始pH和反應(yīng)溫度不會降低對硅的最終去除能力，電絮凝法在SAGD工藝采出水除硅中對不同水質(zhì)和反應(yīng)條件的適應(yīng)性較強。

致謝 本文研究過程中邸振華（清華大學(xué)環(huán)境學(xué)院）、曹智（清華大學(xué)環(huán)境學(xué)院）、張澤瀚（清華大學(xué)環(huán)境學(xué)院）、馬可可（清華大學(xué)環(huán)境學(xué)院）、樊玉新（中國石油新疆油田分公司工程技術(shù)研究院）、金志娜（北京京潤環(huán)?？萍脊煞萦邢薰荆┑热艘嘧龀鲐暙I，在此一并感謝。