石油廢水電極化處理技術的工業應用與案例分析

摘要：隨著環保意識的不斷增強，石油廢水處理的重要性日益凸顯。主要分析了電極化處理技術的原理及石油廢水處理的需求，提出了電極化處理技術的設計方案，從反應動力學、電場分布、傳質效率、工藝集成等方面探討了優化策略。通過案例應用，驗證了電極化處理技術在石油廢水處理中的顯著優勢，能夠高效去除污染物，實現排放達標，在工業領域具有廣闊的應用前景。

關鍵詞：石油廢水；電極化處理；工業應用

中圖分類號：TQ914.1 文獻標志碼：A 文章編號：1008-9500（2025）03-00-03

Industrial Application and Case Analysis of Electrochemical Treatment Technology for Petroleum Wastewater

WU Xinchi

（Taohuayuan （Guangzhou） Ecological Environment Services Co.， Ltd.， Guangzhou 510000， China）

Abstract： With the increasing awareness of environmental protection， the importance of treating petroleum wastewater is becoming increasingly prominent. The principle of electrochemical treatment technology and the demand for petroleum wastewater treatment were mainly analyzed， and a design scheme for electrochemical treatment technology was proposed. Optimization strategies were explored from the aspects of reaction kinetics， electric field distribution， mass transfer efficiency， and process integration. Through case applications， the significant advantages of electrochemical treatment technology in the treatment of petroleum wastewater have been verified， which can efficiently remove pollutants and achieve emission standards. It has broad application prospects in the industrial field.

Keywords： petroleum wastewater; electrochemical treatment; industrial application

石油廢水是石油工業生產過程中不可避免的副產物，主要來源包括鉆井、煉油、儲運等，會對水體和土壤環境造成嚴重污染，威脅生態系統和人類健康。傳統的石油廢水處理技術難以滿足日益嚴格的環保法規和企業可持續發展的需求。電極化處理技術具有高效、綠色、適應性強的特點，能有效去除廢水中的油類和有機污染物。因此，研究電極化處理技術在石油廢水處理中的工業應用，能夠為環保行業提供新的技術解決方案，助力石化行業實現低碳轉型和高質量發展[1]。

1 電極化處理技術概述

電極化處理技術主要利用電化學反應實現廢水中污染物的氧化、還原、分解以及沉淀。電化學反應過程中，污染物在電極表面發生直接電化學氧化，或通過生成的強氧化性中間體（羥基自由基、次氯酸根等）進行間接氧化，過程會受到電極表面微觀結構、電極反應動力學及電解液傳質性能的高度耦合影響。為提升技術的工業應用效果，需要優化操作參數和反應器設計，以最大化提高反應效率并降低能耗[2-3]。

2 石油廢水的特性與處理需求

石油廢水具有復雜的物理化學特性，主要特性包括高含油量（分散油、乳化油及溶解油共存）、高濃度難降解有機物（芳香烴、多環芳烴及酚類化合物等）、高鹽度（氯化物、硫酸鹽等）。廢水中可能含有多種重金屬（鎳、釩、鉻等）和其他毒性物質，它們在水體中的相互作用形成化學鍵及乳化體系，增加了廢水處理的難度。石油廢水處理步驟如下：首先，去除乳化及溶解油類，通過破乳和界面化學調控實現油水分離；其次，分解和礦化難以降解的有機物，尤其是芳香族化合物，減少生物毒性和化學需氧量；最后，降低鹽度及重金屬離子濃度以滿足回用或排放要求。處理技術應具有強適應性、高分離選擇性，避免產生二次污染，需要從界面化學動力學及系統工程集成多維度協同攻克[4-5]。

3 電極化處理技術的設計

3.1 電極材料設計

陽極需具備高電催化活性和抗腐蝕性能。例如，摻雜貴金屬氧化物（IrO2、RuO2等）的鈦基電極，或新興的導電金屬有機框架（Metal-Organic Framework，MOF）材料，通過調控表面電子結構提高自由基生成效率，鈦基涂層電極可通過多層構造增強耐久性與多污染物適應性。陰極材料強調高效還原性和污染物吸附性能，如石墨烯復合材料或摻雜非金屬的碳納米管，在高鹽度和復雜污染物環境中保持穩定。

3.2 反應器結構優化

平板式電極反應器適用于低污染負荷，三維電極反應器（填充床或流動床電極等）適合處理高濃度廢水，通過增加電極表面活性面積，提高反應速率。反應器內的電場分布需均勻化設計，如利用多電極排列形成梯度場，優化污染物的傳質效率和電場強度。動態流體設計需結合有限元分析，優化流體動力學特性，避免短流和死區。

3.3 流程設計與集成

電極化處理流程通常包括污染物預處理（過濾或破乳）、主電極化處理單元以及后續分離/拋光步驟。動態監控與控制系統需嵌入，以實現污染物濃度、電流密度和副產物生成的實時調節。

4 石油廢水電極化處理工藝優化策略

4.1 反應動力學優化

通過調控電極材料的表面結構和功能化，增強關鍵氧化還原反應。例如，在陽極材料上引入等離子體活性納米顆粒，通過表面等離子體共振（Surface Plasmon Resonance，SPR）效應提高自由基的生成速率。利用摻雜策略，如IrO2或RuO2與稀土金屬的共摻雜優化電子結構和導電性，使電極在高鹽濃度和復雜污染物條件下依然具備高效穩定的催化能力。在陰極設計中，通過復合材料如碳納米管和石墨烯復合電極的開發，提升污染物還原能力與吸附效率，實現更高的反應動力學效率。

4.2 電場分布優化

利用有限元方法精確模擬反應器內部的電場分布，識別并優化不同電極間距和電極排列下的電場強度分布。多極電極排列和梯度電場設計能夠有效避免電流短路和死區問題，確保污染物在整個反應區域內均勻處理。在三維電極反應器中，填充多孔導電材料可以大幅提高反應器的電場覆蓋率，并提高污染物去除效率和傳質速率，適用于處理高濃度石油廢水。

4.3 傳質效率優化

引入渦流混合裝置或高效循環系統，增強污染物的對流和擴散速率，降低濃差極化現象對反應效率的影響。界面動力學優化也起著重要作用，通過電極表面的功能化，如引入疏水/親水復合涂層或活性吸附基團提高乳化油類和難降解有機物的傳質效率，不僅提升了污染物的反應活性，還降低了整體能耗，在高負荷操作條件下仍能保持高效運行。

4.4 工藝集成優化

集成優化的重點在于通過不同處理技術的組合，協同去除多種污染物。電極化處理與膜分離技術結合，能夠分級去除鹽類和難降解有機污染物，滿足廢水回用的高質量要求。通過結合高級氧化技術或生物處理技術，形成復合工藝鏈，提高石油廢水中復雜污染物的去除效率。工藝集成還包括能源優化策略，采用脈沖電源技術降低電能消耗，結合廢熱回收系統提高整體能源利用效率。

5 案例分析

5.1 案例背景

某油田位于干旱地區，采油過程中產生大量高鹽廢水，含鹽量達100 000 mg/L，成分主要為NaCl，含有高濃度石油類（濃度為500 mg/L）、化學需氧量（Chemical Oxygen Demand，COD）（濃度為2 000 mg/L）及少量重金屬離子。該油田迫切需要一種高效、經濟的廢水處理技術，使廢水排放達標，減少對環境的影響。

5.2 難點分析

極高的含鹽量增加了膜處理技術的難度和成本，易造成膜污染和結垢，高濃度石油類物質的存在增加了廢水處理的復雜性。當地環保法規對廢水排放標準要求嚴格，尤其對石油類、COD和重金屬等指標有嚴格限制，而傳統的處理方法如絮凝沉淀、氣浮等難以有效去除高濃度鹽分，且運行成本高。

5.3 解決方案

針對該油田廢水特點，采用“預處理+電極化+后處理”的三級處理工藝。

5.3.1 預處理

采用高效隔油池去除大部分游離油，并投加絮凝劑聚合氯化鋁（Polyaluminum Chloride，PAC）和聚丙烯酰胺（Polyacrylamide，PAM）進行初步的COD去除和懸浮物去除。其中，API分離器型號為API-S-1000；PAC型號為PAC-03，投加量為20 mg/L；PAM型號為PAM-01，投加量為5 mg/L。

5.3.2 電極化

核心處理單元采用板式電極化反應器（型號為ECR-2000），電極材料為鈦基釕銥氧化物涂層電極。反應器分為多個隔室，交替排列陰極和陽極，通過施加直流電場，在電極表面發生電化學氧化還原反應，去除COD、石油類和部分重金屬離子。選材依據如下。

首先，對不同電極材料（鈦基釕銥氧化物、鈦基鉑金涂層、石墨）進行對比試驗，結果如表1所示。結果表明，鈦基釕銥氧化物涂層電極在處理效率、壽命和成本方面表現最佳。

其次，對電流密度進行優化試驗，通過改變電流密度（5、10、15 mA/cm2），研究其對COD去除率和能耗的影響，結果如表2所示。結果表明，當電流密度為10 mA/cm2時，COD去除率較高且能耗相對較低。

最后，通過改變水力停留時間（30、60、90 min），研究其對COD去除率的影響。結果表明，60 min時COD去除率達到較高水平，繼續增加水力停留時間，去除率提升不明顯。

5.3.3 后處理

采用活性炭吸附（活性炭型號為AC-800）進一步去除殘留COD和部分重金屬離子，確保出水達標排放?；钚蕴课街目沾步佑|時間為30 min。飽和后進行高溫蒸汽再生處理。

5.4 處理效果

廢水處理效果如表3所示，電極化階段COD去除率達80%，后處理階段最終COD去除率達97.5%。

相比傳統處理方法，電極化技術每年可節省運行費用約20萬元，每年可節約用水約10萬m3。

6 結論

應用案例表明，電極化處理技術在處理高含鹽采油廢水方面有顯著優勢，能夠有效去除污染物，降低運行成本，實現達標排放和水資源回用。該技術具有廣闊的應用前景，可為其他類似油田的廢水處理提供參考。

參考文獻

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