電化學在三元復合驅采出水深度處理中的應用

宋學峰 吳越強 許成君 王 飛

(大慶油田水務公司)

0 引 言

三元復合驅采出水成分復雜，水中同時含有驅油劑、油和懸浮物，驅油劑[1]中的聚合物分子使水中的懸浮物和油類進一步分散，表面活性劑以及高濃度的堿可降低油水界面張力，從而使各種污染物在水中的存在狀態更加穩定。這種強穩定性使油和懸浮物被包裹在聚合物中，難以分離和過濾。根據Q/SY DQ0605—2006《大慶油田油藏水驅注水水質指標及分析方法》，采出水處理后水質分別達到高滲透、中滲透、低滲透回注水指標。目前應用的兩級沉降—兩級過濾工藝流程只能將其處理到高滲透油層回注標準，水質尚難以穩定達標，并且由于不能回注到中滲透、低滲透等其它油層，加劇了部分區塊注采不平衡的矛盾。因此，應該在現有工藝設備的基礎上積極研究新型的處理方法。

電化學具有反應器設備規模小、操作簡單、可控性強、二次污染少等優勢。目前電化學[2]雖尚未在聚驅、復合驅采出水回注處理工藝中有生產性應用，但電化學處理過程中能夠產生大量羥基自由基，氧化性極強[3]，可以有效破壞三元復合驅采出水穩定性，改變其水質特性。本文在傳統電化學方法基礎上進行改進，在保證去除效果的同時大幅降低運行能耗。通過設計不同反應區集成，選擇性分區去除不同的污染物，對采出水中難降解有機物聚丙烯酰胺(PAM)去除效果尤為明顯，去除后污水黏度及有機物含量大幅度降低，油水固三相分離容易，實現脫穩降黏，為進一步深度處理提供有利的進水條件，為實現三元復合驅采出水特低滲透油層回注、配聚、達標外排的目標奠定了堅實基礎。

1 實驗部分

1.1 水質指標

實驗采用的三元復合驅采出水原水、電化學進水水質指標、電化學出水指標以及低滲透回注、配聚和外排標準限值如表1所示。

表1 水質指標

注：1、2為Q/SY DQ0605—2006《大慶油田油藏水驅注水水質指標及分析方法》；3為GB 8978—1996《污水綜合排放標準》一級標準。

1.2 工藝流程

三元復合驅采出水處理工藝流程設計如圖1所示，原水經過氣浮—生化—砂濾流程處理后進入污水緩沖池，再由提升泵提升至電絮凝催化氧化模塊處理，最后進入沉淀池截留出水中攜帶的懸浮固體，加強混凝沉淀效果。

圖1 采出水處理工藝流程

電絮凝催化氧化模塊設計處理水量為0.5 m3/h。在該模塊內可以實現高壓脈沖電絮凝—微波紫外超聲反應區—電催化氧化的聯合作用，主要分為四個反應區：①電絮凝反應區，在高壓電場作用下，電極板對污染物產生氧化、還原和電絮凝反應，電極板產生≤30 μm的氣泡把污染物氣浮脫除，并產生少量沉渣，浮泥和沉渣排出反應器至污泥系統。有效容積為0.54 m3，內置石墨板[3]50×20 cm2；②能量場催化區，通過內部無極紫外、微波、超聲裝置三者的協同作用，使污染物的化學鍵斷裂，裂解高分子鍵的有機物，氧化生成簡單化合物。有效容積為0.24 m3；③電催化反應區，利用水中溶解氧分子，在電場中得到電子，形成氧自由基離子，同時誘發出羥基自由基離子·OH使部分有機物礦化。有效容積為0.74 m3，內置鈦板[4]50×20 cm2，不銹鋼板32×20 cm2，交錯排列；④后續曝氣反應區。后續曝氣反應區出水有一部分返回復合能量場[5]反應區，形成循環，進一步增加傳質，另一部分進入后續沉淀池，有效容積為2.25 m3。

1.3 調試與運行

為確保電絮凝催化氧化模塊穩定運行，達到最佳處理效果，在調試與試運行期間，采用單因素實驗考察各反應區的7個運行參數對懸浮固體和含油量去除率及運行成本3項指標的影響，最終確定運行參數。歷經15 d的調試后連續穩定運行3個月。

1.3.1 電絮凝反應區運行參數

1)極板間距對去除率的影響。分別選取極板間距為2，3，4，5，6 cm，考察極板間距對懸浮固體和含油量去除率的影響。結果表明，隨著極板間距的靠近，去除率增加，因此確定極板間距為2 cm。

2)電流密度對去除率的影響。分別選取電流密度為10，15，20，25，30，35，40，45，50 mA/cm2，考察電流密度對懸浮固體和含油量去除率的影響。隨著電流密度的增加，去除率呈上升趨勢，綜合考慮去除效果和運行成本，將電流密度設定為30～35 mA/cm2。

3)pH值對去除率的影響。投加不同體積的HCl，分別調節pH值為10，9，8，7，6，5，考察pH值對懸浮固體和含油量去除率的影響。隨著pH值的減小，去除率增加，但pH值<6時已基本到達平臺期。因此確定HCl投加量為5 L/h，保持pH值為5～6。

4)混凝劑對去除率的影響。考察混凝劑投加量為100，150，200，250，300，350，400，450，500 mg/L時對懸浮固體和含油量去除率的影響。隨著混凝劑投加量的增加，去除率也隨之增加，當投加量為300 mg/L時，去除率的增加趨勢已經開始緩和，綜合考慮成本及效果，確定混凝劑投加量為300 mg/L。

1.3.2 能量場催化區運行參數

分別投加H2O2100，300，500，700 mg/L，考察H2O2投加量對懸浮固體和含油量去除率的影響。隨著H2O2含量的增加，氧化效果增強，去除率也隨之增加，當H2O2的投加量為500 mg/L時去除率增長緩慢，所以綜合考慮選取H2O2的投加量為500 mg/L。

1.3.3 電催化反應區運行參數

與電絮凝區考察方法相同，確定極板間距為2 cm。

1.3.4 后續曝氣反應區運行參數

考察氣水比為5∶1，10∶1，15∶1，20∶1時對懸浮固體和含油量去除率的影響。氣水比越大，去除率越高，成本也隨著增加，因此最終確定氣水比為10∶1。

2 結果與討論

圖2 各反應區懸浮固體去除效果

圖3 各反應區含油量去除效果

圖4 各反應區COD去除效果

圖5 各反應區聚合物去除效果

圖6 各反應區黏度去除效果

該工藝流程設計緊湊，運行管理方便，占地面積小，基建費用低，水處理費用為5.4元/t。圖2～圖6為連續15 d各反應區進出水懸浮固體含量、含油量、聚合物、黏度、COD的去除效果。可以看出，隨著處理流程推進，5項指標均呈現下降趨勢。雖然電化學進水水質波動較大，但出水水質依然較為穩定，抗沖擊負荷較好。該工藝可使懸浮固體降至5 mg/L以下，去除率高達94.4%；含油量去除率為80%～86%，最低可降至1.1 mg/L左右；COD小于1 000 mg/L，去除率為50%～60%；聚合物含量可從900 mg/L降至50 mg/L 以下，去除率為90%～95%；黏度最低為1.2 mPa·s，去除率為79.3%。沉淀池出水的各項指標已達到配聚標準，通過后續的深度處理即可達到低滲透回注和外排的要求。

3 結 論

1)針對三元復合驅采出水水質特點及現場實際情況，制定“電絮凝—能量場催化—電催化反應—后續曝氣—沉淀反應”一體化集成工藝對三元復合驅采出水常規工藝砂濾出水進行預處理。通過單因素實驗法，確定了電絮凝催化氧化模塊各反應區的最優運行參數。電絮凝反應區，極板間距2 cm、電流密度30～35 mA/cm2、pH值5～6，混凝劑投加量300 mg/L。能量場催化區，H2O2的投加量500 mg/L；電催化反應區，確定極板間距2 cm；后續曝氣反應區，氣水比10∶1。

2)電絮凝催化氧化模塊可以充分發揮不同反應區之間的協同效應，氧化效果顯著，在低運行電壓、運行電流的條件下，降低了處理成本，同時保證了較高的去除效果。懸浮固體和聚合物去除率為90%～95%，含油量去除率80%～86%，COD去除率50%～60%，黏度降低了70%～80%。

3)電絮凝催化氧化模塊催化為后續系統穩定運行提供前提保障，可作為低滲透油層回注、配聚用水和達標外排深度處理工藝的關鍵工藝環節。該電化學模塊的成功應用為油田選擇可行的三元復合驅采出水處理工藝提供了新的參考。