油田含聚污水應用電子束輻照技術殺菌降黏探索性實驗

馬榮

大慶油田第五采油廠

在油田三次采油技術中，聚合物驅油技術應用最為廣泛。聚合物驅油是在水中加入聚丙烯酰胺等不同分子聚合物來增加配聚體系的黏度和黏彈性[1]，改善流度比，提高驅油體系的波及面積，進而提高原油采出率[2]。油田采出水通常采用“沉降+過濾”工藝去除原油和懸浮物，再經殺菌處理后，重新作為地層采油回注水使用。

近年來，由于大慶油田大范圍應用聚合物驅油技術，采出污水的含聚濃度上升，導致污水的黏度增大、COD值升高、乳化油與溶解油含量高、細菌存活能力及抗藥性增強，造成污水沉降及過濾工藝處理效率下降，處理后的水質難以達到回注污水指標要求。

1 含聚污水殺菌降黏處理現狀

由于大慶油田聚驅采出污水中聚丙烯酰胺濃度的增加，導致含聚污水的黏度增大、細菌存活數量增加。聚丙烯酰胺具有極強的生物抗性，難以被生物降解[3]，現場生產中主要采用化學藥劑破乳，同時輔以超聲波技術降黏[4]。但投加化學藥劑不僅成本高，而且進一步增加了采出水的離子濃度和鹽度，影響回注水的質量；此外，物理降黏技術[5]在實際現場應用中對含聚污水降黏處理效果不理想。

大慶油田含聚污水殺菌技術主要采用化學殺菌劑滅活細菌，同時聯合應用紫外線及LEMUP 物理殺菌技術[6]。含聚污水長期投加化學殺菌劑后，細菌的抗藥性增強，存活能力隨之增強[7]，造成化學殺菌劑投加量及投資成本大幅增長，噸水處理費用上升。含聚污水中含油、各類雜質及細菌較多會造成污水濁度增大，導致紫外線的穿透能力下降，物理殺菌作用的效果也隨之變差。

2 電子束輻照殺菌降黏技術原理

電子束輻照技術是通過電子加速器產生的電子束對污染物進行處理的技術，是一種獨特的高級氧化-還原技術，其作用原理包括高能電子束直接輻射作用、電子束激發水分子產生·OH、eaq-、·H等活性粒子的氧化-還原作用[8]。

2.1 電子束輻照降黏技術原理

電子束輻照激發水分子產生的·OH 自由基和高能射線首先進攻含聚污水中聚丙烯酰胺分子內氫鍵以及聚丙烯酰胺分子與水之間的分子間氫鍵，破壞聚丙烯酰胺的空間穩定結構，使其黏度急劇減小[9]。在·OH自由基的氧化作用下，聚丙烯酰胺分子進一步被降解，聚合度降低，酰胺基被破壞，部分聚丙烯酰胺分子被直接氧化礦化為二氧化碳和水，含聚污水黏度被進一步降低。

2.2 電子束輻照殺菌技術原理

含聚污水水分子受到高能射線輻射后產生的·OH 自由基等活性基團通過氧化作用破壞微生物的DNA、RNA 及細胞組織。此外，電子束輻照產生的高能射線可通過康普頓效應直接作用于DNA、RNA 等生物大分子，引起生物大分子的電離和激發，使分子鏈斷裂、堿基脫落或氫鍵斷裂、細胞內膜受損、酶功能紊亂等，致使微生物細胞死亡。

3 電子束輻照殺菌降黏實驗

為了明確電子束輻照技術對含聚污水降低黏度及滅活污水中硫酸鹽還原菌、腐生菌和鐵細菌的作用效果，實驗采用電子加速器對含聚污水進行輻照，考察污水黏度及細菌變化情況（圖1）。

圖1 室內實驗示意圖Fig.1 Schematic diagram of the indoor experiment

3.1 電子束輻照對含聚污水黏度的作用效果

實驗水樣選取大慶油田兩座含聚污水站原水，兩種污水含聚濃度分別為438 mg/L（污水A）、254 mg/L（污水B）。通過調節電子束的束流強度，將電子束輻照吸收劑量分別控制為0.5、1.0、2.0、5.0、10.0 kGy，對大慶油田兩種含聚污水進行電子束輻照后，檢測其黏度變化情況。檢測數據如表1所示。

表1 含聚污水黏度檢測數據Tab.1 Viscosity test data of polymer-containing sewage

實驗結果表明，電子束輻照對含聚污水的降黏作用明顯，污水降黏速度很快。輻照吸收劑量為0.5 kGy時，含聚污水A和含聚污水B的黏度下降幅度分別達到42.1%和40.3%；增加輻照吸收劑量達到1.0 kGy 時，含聚污水A 和含聚污水B 的黏度下降幅度分別達到53.6%和57.9%，污水B 的黏度下降到1.1～1.2 mPa·s；繼續增加輻照吸收劑量達到2.0 kGy 時，污水A 和污水B 的黏度均可降為1.1～1.2 mPa·s，接近相同溫度下水的黏度。

3.2 電子束輻照對含聚污水細菌的作用效果

3.2.1 電子束輻照滅活細菌作用效果

將電子束輻照吸收劑量分別控制為1.0、2.5、5.0、10.0 kGy，對含聚污水A 和含聚污水B 進行電子束輻照后檢測硫酸鹽還原菌、腐生菌、鐵細菌數量。檢測數據見表2、表3。

表2 污水A細菌檢測數據Tab.2 Bacterial test data of Sewage A

表3 污水B細菌檢測數據Tab.3 Bacterial test data of Sewage B

實驗結果表明，電子束輻照對含聚污水的殺菌效果十分明顯。當輻照吸收劑量為1.0 kGy 時，含聚污水A和含聚污水B中的硫酸鹽還原菌、腐生菌和鐵細菌降至0～60 mL-1，去除率均在99%以上，低于油田含聚污水回注細菌指標（100 mL-1）[10]；當輻照吸收劑量增加到2.5 kGy 時，硫酸鹽還原菌等3種細菌數量均降為0，均未檢出。

3.2.2 電子束輻照滅活細菌持續作用效果

將電子束輻照吸收劑量分別控制為1.0、2.5、5.0和10.0 kGy，對含聚污水A進行輻照，輻照后水樣置于室溫（30 ℃～32 ℃）8 h、24 h后，檢測含聚污水中腐生菌、鐵細菌、硫酸鹽還原菌數量，考察電子束輻照對含聚污水中細菌滅活后其能否二次復活及繁殖。檢測數據見表4。

表4 含聚污水細菌檢測數據Tab.4 Bacterial test data of polymer-containing sewage

由實驗結果可以看出，放置8 h～24 h 后，含聚污水中檢測出的腐生菌、鐵細菌和硫酸鹽還原菌的數量無變化，電子束輻照吸收劑量為2.5、5.0 和10.0 kGy的完全滅活的水樣，在8 h、24 h 后檢出的細菌數量仍為0，表明電子束輻照殺菌較徹底，細菌滅活后未產生復活及繁殖現象。

4 效益分析

采用電子束輻照處理含聚污水，吸收劑量為1.0 kGy 時，含聚污水的細菌即可達到聚驅回注污水細菌指標，黏度接近1.0 mPa·s，噸水耗電約為1.0 kWh，噸水處理費用為0.637元。含聚污水采用電子束輻照預處理后，再進行物理殺菌和投加殺菌劑，可同時降低殺菌劑等化學藥劑投加量，與大慶油田某含聚污水站現處理工藝對比，噸水處理成本降低31.5%。

5 結論

（1）電子束輻照技術可高效滅活油田含聚污水中硫酸鹽還原菌、腐生菌和鐵細菌。輻照吸收劑量1.0 kGy時，含聚污水中3種細菌可達到污水回注指標（100 mL-1）的要求；輻照吸收劑量2.5 kGy 時，3種細菌去除率達100%。

（2）電子束輻照技術可有效降低含聚污水黏度。輻照吸收劑量為1.0 kGy 時，含聚污水的黏度可大幅下降，輻照吸收劑量達到2.0 kGy 時，含聚污水黏度可降到1.1～1.2 mPa·s，接近相同溫度下水的黏度。

（3）電子束輻照技術處理含聚污水可降低處理成本。電子束輻照技術預處理含聚污水與目前殺菌和降黏處理方式對比，噸水處理成本降低31.5%。