電離輻照處理油田采出水殺菌降黏作用的研究

初里冰，張幼學(xué)，朱煥錚，鮑元浩，武云龍，王建龍

（1. 清華大學(xué) 核能與新能源技術(shù)研究院 先進(jìn)核能技術(shù)協(xié)同創(chuàng)新中心，北京 100084；2. 中廣核達(dá)勝科技有限公司，江蘇 蘇州 215214；3. 中國石油 大慶油田有限責(zé)任公司 第五采油廠，黑龍江 大慶 163513）

目前，我國大部分油田已進(jìn)入開采的中后期，由一次采油、二次采油向三次采油階段過渡。在三次采油技術(shù)中，以聚合物驅(qū)油和三元復(fù)合驅(qū)油應(yīng)用最為廣泛，產(chǎn)生大量的含聚污水和三元污水。同時(shí)，石油鉆采壓裂施工作業(yè)產(chǎn)生大量的壓裂返排液。為節(jié)約水資源、減少環(huán)境污染，油田采出水通常采用混凝沉降+過濾工藝去除原油和懸浮物，再經(jīng)殺菌處理后，重新作為地層采油回注水使用［1-3］。但高濃度的聚合物使污水的黏度增加、乳化程度提高，油水分離困難，顯著降低沉降過濾工藝的處理效果。目前，研究較多的降黏技術(shù)有芬頓氧化、超聲波、化學(xué)藥劑破乳等物理化學(xué)法以及生物法［4-7］。油田污水含油量高、成分復(fù)雜，難以被生物降解。而現(xiàn)有化學(xué)法多需加入化學(xué)藥劑，費(fèi)用較高，且進(jìn)一步增加了污水的離子濃度和鹽度，影響回注水質(zhì)量。油田采出水殺菌也是滿足回注要求的重要步驟。油田采出水中存在的硫酸鹽還原菌（SRB）、腐生細(xì)菌和鐵細(xì)菌等微生物會(huì)嚴(yán)重腐蝕鉆采設(shè)備和回注水處理管線，堵塞管道和損害油層。目前采用的方法是加入次氯酸鈉、季銨鹽等各種殺菌劑以及紫外線殺菌等［8-9］。殺菌劑費(fèi)用較高，且與驅(qū)油聚合物一起使用時(shí)會(huì)影響回注水的黏度穩(wěn)定性、增加其含鹽量。而紫外線的穿透能力較弱，污水中油類等物質(zhì)吸收紫外線，影響殺菌效果。

電離輻照是指攜帶足以使物質(zhì)原子或分子中的電子成為自由態(tài)，從而使這些原子或分子發(fā)生電離現(xiàn)象的能量的輻射。水處理領(lǐng)域主要應(yīng)用γ射線輻照和電子加速器產(chǎn)生的電子束輻照［10］。γ射線和電子束能量高，穿透力較強(qiáng)。通過高能射線與聚合物的直接作用，以及水分子受到高能輻射后產(chǎn)生的·OH、·H、水合電子等活性粒子（如式（1）所示，括號(hào)內(nèi)數(shù)值為每種活性粒子的輻射化學(xué)產(chǎn)率G值（μmol/J））與聚合物反應(yīng)的間接氧化還原作用［11］，可降解油田污水中的聚合物，從而達(dá)到降黏效果。另外，電離輻照產(chǎn)生的高能射線可直接作用于DNA等生物大分子，引起生物大分子的電離和激發(fā)，致使微生物細(xì)胞死亡；同時(shí)，水分子輻照分解產(chǎn)生的·OH、eaq?等活性粒子通過氧化還原作用，破壞微生物的DNA、RNA及細(xì)胞組織，從而實(shí)現(xiàn)殺菌的目的［12-13］。

本研究采用γ射線輻照及其與雙氧水聯(lián)用技術(shù)處理3種油田采出水，以實(shí)現(xiàn)降低污水黏度并同時(shí)殺滅細(xì)菌的目的。

1 實(shí)驗(yàn)部分

1.1 油田采出水性質(zhì)

3種油田采出水（含聚污水、三元污水和壓裂返排液）取自我國北方某油田，其黏度、pH以及腐生細(xì)菌、鐵細(xì)菌和SRB數(shù)目如表1所示。3種油田采出水的pH在7.5～8.0，水中均檢測出腐生細(xì)菌，且豐度較高。含聚污水和三元污水的黏度相近，這兩種污水中均未檢出SRB。壓裂返排液成分復(fù)雜，不僅黏度較大，而且3種細(xì)菌的豐度均較高，其中腐生細(xì)菌的數(shù)目比鐵細(xì)菌和SRB高5～6個(gè)數(shù)量級(jí)。

表1 3種油田采出水的水質(zhì)

1.2 γ射線輻照裝置和輻照實(shí)驗(yàn)方法

γ射線輻照源為60Co，放射性活度為3.6×1014Bq。鈷源及自控系統(tǒng)位于清華大學(xué)核研院昌平校區(qū)內(nèi)。將約50 mL油田采出水放入離心管中，然后將離心管置于臨近鈷源中心孔道處進(jìn)行輻照，劑量率約為220 Gy/min。通過控制輻照時(shí)間得到不同的應(yīng)用輻照吸收劑量（2.5，5.0，10.0 kGy），相應(yīng)的輻照時(shí)間約為11～45 min。對(duì)于輻照與雙氧水聯(lián)用實(shí)驗(yàn)，先將濃度為0.1 mol/L的雙氧水加入到油田采出水中混合均勻，然后再進(jìn)行輻照。輻照后樣品直接檢測黏度以及SRB、鐵細(xì)菌和腐生細(xì)菌的數(shù)目。

1.3 分析方法

水樣黏度采用旋轉(zhuǎn)式黏度計(jì)（NDJ-79型，邦西儀器科技（上海）有限公司）進(jìn)行測定，溫度為25 ℃。腐生細(xì)菌、鐵細(xì)菌和SRB的數(shù)目采用絕跡稀釋法［14］進(jìn)行測定：將水樣用無菌注射器逐級(jí)分別注入到腐生細(xì)菌測試瓶、鐵細(xì)菌測試瓶和SRB測試瓶（鄭州沃特測試技術(shù)公司）中進(jìn)行接種稀釋，然后于30 ℃培養(yǎng)7～14 d，根據(jù)細(xì)菌瓶陽性反應(yīng)和稀釋的倍數(shù)，計(jì)算水樣中細(xì)菌的數(shù)目。水樣pH采用pH計(jì)（8103BN，Thermo Orion）進(jìn)行檢測。

2 結(jié)果與討論

2.1 γ射線輻照對(duì)油田采出水黏度的影響

γ射線輻照對(duì)3種油田采出水黏度的影響如圖1所示。隨著輻照吸收劑量的增加，油田采出水的黏度逐漸降低。電離輻照對(duì)含聚污水的降黏效果較為明顯，吸收劑量為2.5 kGy時(shí)，黏度即可降為與純水相近（相同條件下測得去離子水的黏度為1.00 mPa·s）。但對(duì)于三元污水和壓裂返排液，黏度下降較為緩慢。吸收劑量增加到10.0 kGy時(shí)，原水黏度可減小13%和18%。三元污水中除聚合物外還有表面活性劑和堿劑，壓裂返排液中含有大量的胍膠和表面活性劑等物質(zhì)，乳化程度高，很難降解。

圖1 3種油田采出水黏度隨輻照吸收劑量的變化

電離輻照與雙氧水聯(lián)合作用可顯著促進(jìn)油田采出水黏度的降低。如圖2所示，三元污水在吸收劑量為2.5 kGy時(shí)，黏度可降為與純水相近。對(duì)于壓裂返排液，吸收劑量增至10.0 kGy時(shí)，黏度可降為與純水相近。需要說明的是，單獨(dú)采用雙氧水處理基本沒有降黏效果，油田采出水與H2O2反應(yīng)18 h，含聚污水的黏度保持不變，三元污水的黏度減小了0.05 mPa·s，壓裂返排液的黏度從2.45 mPa·s減小到2.05 mPa·s。

圖2 γ射線與H2O2聯(lián)合作用對(duì)油田采出水的強(qiáng)化降黏效果

如式（2）和式（3）所示，H2O2可與水分子輻照產(chǎn)生的eaq

-和·H反應(yīng)生成·OH，從而強(qiáng)化聚合物的降解作用。兩個(gè)反應(yīng)的速率常數(shù)分別高達(dá)1.1×1010L/（mol·s）和9.0×107L/（mol·s）［15］。

劉新亮等［16］采用超聲波處理勝利油田含聚污水（黏度為2.49 mPa·s）。在溫度為20 ℃、功率為300 W、頻率為45 kHz的條件下超聲處理60 min，污水黏度降為1.47 mPa·s，高于相同溫度下純水的黏度（1.01 mPa s）。魏超等［17］研究了紫外線輻照對(duì)油田含聚污水的降黏效果，處理30 min后污水黏度由2.90 mPa·s降至1.10 mPa·s。但該研究未提及實(shí)驗(yàn)溫度，無法確知黏度是否降到與同溫度下純水一致。與上述文獻(xiàn)報(bào)道的其他高級(jí)氧化技術(shù)相比較，本研究采用γ射線與雙氧水聯(lián)用，在較小的劑量下就可將3種油田采出水的黏度降至接近相同溫度下純水的黏度。

圖3為輻照后3種油田采出水的照片?？梢钥闯觯S著輻照吸收劑量的增加，油田采出水的顏色逐漸變淺。其中，壓裂返排液的變化較大，黑色的油狀物從水體中分離，浮在液體表面，很容易通過接下來的氣浮工藝被去除。輻照處理后底部殘?jiān)某煞钟写M(jìn)一步分析。

圖3 3種油田采出水不同吸收劑量輻照后的照片

2.2 γ射線輻照對(duì)油田采出水的殺菌效果

實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，單獨(dú)采用電離輻照對(duì)鐵細(xì)菌和SRB的滅活效率較高，對(duì)腐生細(xì)菌的殺滅效果相對(duì)較低。輻照吸收劑量為2.5 kGy時(shí)，3種油田采出水中鐵細(xì)菌的數(shù)目均降為0，壓裂返排液中也未檢出SRB。對(duì)于腐生細(xì)菌，如圖4所示，吸收劑量為2.5 kGy時(shí)，含聚污水、三元污水和壓裂返排液中腐生細(xì)菌的數(shù)目分別減小了約5，1，7個(gè)數(shù)量級(jí)，去除率在99%以上。但繼續(xù)提高吸收劑量至10.0 kGy，腐生細(xì)菌數(shù)目下降緩慢，相比于2.5 kGy，僅進(jìn)一步減小了1～2個(gè)數(shù)量級(jí)。分析原因：一方面是由于腐生細(xì)菌在油田采出水中的豐度較高，數(shù)量級(jí)在8～12；另一方面，腐生細(xì)菌能分泌黏液，對(duì)高能射線有一定的屏蔽作用。

圖4 γ射線輻照對(duì)油田采出水腐生細(xì)菌的殺滅效果

γ射線輻照與H2O2聯(lián)用，可顯著促進(jìn)·OH的產(chǎn)生，從而強(qiáng)化腐生細(xì)菌的殺滅效果。吸收劑量為2.5 kGy時(shí)，3種油田采出水中腐生細(xì)菌的數(shù)目均可降為0。劉德俊等［18］研究了將紫外線與變頻電磁波聯(lián)合對(duì)油田采出水的處理效果，SRB的數(shù)目由103個(gè)/mL減少到10個(gè)/mL，仍可檢出；而且作者指出，為保證紫外線裝置的殺菌效果，需嚴(yán)格控制殺菌前油田采出水的含油量及濁度。

2.3 電離輻照的應(yīng)用前景分析

電離輻照技術(shù)通常在常溫常壓下進(jìn)行，應(yīng)用方便；電離輻照能同時(shí)實(shí)現(xiàn)降黏殺菌且效率高、反應(yīng)速度快，無需采用兩種處理技術(shù)或加入降黏劑和殺菌劑兩種藥劑；無需或僅需加入少量化學(xué)試劑，不增加油田采出水的離子濃度和鹽度，不產(chǎn)生污泥等二次污染物。電離輻照技術(shù)在實(shí)際水處理工程中采用電子束輻照，應(yīng)用的設(shè)備為電子加速器，不使用放射性核素，斷電后不產(chǎn)生任何輻射。電子加速器帶有自屏蔽裝置，已廣泛應(yīng)用在食品保鮮和醫(yī)療用品殺菌消毒等領(lǐng)域，具有成熟的防護(hù)和運(yùn)行標(biāo)準(zhǔn)，電子束輻照設(shè)備安全可靠。電子束輻照已經(jīng)實(shí)際工程應(yīng)用于染料廢水的深度處理，日處理量達(dá)3萬噸［19］，可為電子束輻照油田采出水殺菌降黏技術(shù)的工業(yè)化應(yīng)用提供工程基礎(chǔ)。

3 結(jié)論

a）電離輻照及其與雙氧水聯(lián)用，可有效降低油田采出水的黏度，并同時(shí)殺滅其中的腐生細(xì)菌、鐵細(xì)菌和SRB。

b）單獨(dú)采用γ射線輻照時(shí)：當(dāng)吸收劑量為2.5 kGy時(shí)，含聚污水的黏度可降為與純水相近；3種油田采出水中的鐵細(xì)菌以及壓裂返排液中的SRB的數(shù)目均降為0，含聚污水、三元污水和壓裂返排液中腐生細(xì)菌的數(shù)目分別減小了約5，1，7個(gè)數(shù)量級(jí)，去除率均在99%以上。

c）輻照與雙氧水聯(lián)用時(shí)：三元污水和壓裂返排液分別在2.5 kGy和10.0 kGy時(shí)，黏度可降為與純水相近；3種油田采出水中的腐生細(xì)菌數(shù)目在2.5 kGy時(shí)均可降為0。