近幾年隨著石油的不斷開采，尤其是我國(guó)大部分油田現(xiàn)在已經(jīng)進(jìn)入了三次采油階段，采出油中含水量已達(dá)70%～80%，有的甚至已高達(dá)90%。三次采油污水中含有大量的高分子有機(jī)物、懸浮物、細(xì)菌等，乳化程度高，處理難度大，若直接排入環(huán)境中會(huì)污染地下水，對(duì)生態(tài)系統(tǒng)造成嚴(yán)重破壞，同時(shí)存在著嚴(yán)重的資源浪費(fèi)。國(guó)內(nèi)大多數(shù)油田對(duì)于采油污水只做了一些簡(jiǎn)單的處理，這種處理后的污水往往很難達(dá)到國(guó)家排放標(biāo)準(zhǔn)，因此開展處理污水的研究具有重要的實(shí)際意義。目前，常規(guī)的含油污水處理方法主要有物理法、化學(xué)法、微生物法和組合工藝法等，常用的含油污水處理技術(shù)方法分別存在耗能大、投資費(fèi)用高、設(shè)備復(fù)雜、維護(hù)困難等問題。因此，污水處理領(lǐng)域亟需高效、節(jié)能、經(jīng)濟(jì)新技術(shù)的研究與開發(fā)。

　　近幾年來，利用電化學(xué)方法處理含油污水的研究得到了國(guó)內(nèi)外學(xué)者的廣泛關(guān)注，其中電絮凝法由于其設(shè)備簡(jiǎn)單、操作容易、自動(dòng)化程度高、不用另加化學(xué)藥劑而漸漸地被應(yīng)用于污水處理領(lǐng)域。

　　針對(duì)目前的污水特性，國(guó)內(nèi)外學(xué)者開展了大量研究工作。王蓉沙等采用電絮凝技術(shù)對(duì)油田廢水進(jìn)行了實(shí)驗(yàn)研究，結(jié)果發(fā)現(xiàn)，煉油廠含油污水含油量去除率達(dá)96%，SS去除率達(dá)97%;鉆井廢水濁度去除率達(dá)96.8%，COD 去除率達(dá)97.5%;采油廢水濁度去除率達(dá)96.1%，含油量去除率達(dá)100%，以上各項(xiàng)指標(biāo)均遠(yuǎn)低于國(guó)家綜合污水排放標(biāo)準(zhǔn)。周朝昕用電絮凝與化學(xué)混凝聯(lián)合處理工藝處理油田含聚采出水，處理后油質(zhì)量濃度小于5mg/L，懸浮物質(zhì)量濃度小于1mg/L，聚合物質(zhì)量濃度小于15mg/L，達(dá)到了《碎屑巖油藏注水水質(zhì)推界指標(biāo)及分析方法》(SY/T5329—94)A1級(jí)標(biāo)準(zhǔn)。Tir采用響應(yīng)曲面法對(duì)含油污水電絮凝除油過程進(jìn)行參數(shù)優(yōu)化，結(jié)果發(fā)現(xiàn)，電絮凝處理含油污水效果顯著，電流密度為25 mA/cm2，處 理時(shí)間為 22 min，濁 度去除率達(dá)99%，化學(xué)需氧量去除率達(dá)90%。Asselin 等用電絮凝處理船舶艙底污水時(shí)得出，油脂、BOD、濁度和 TSS的去除率分別為95%、93%、98% 和99%，總處理成本為0.46美元/m3。

　　筆者主要對(duì)自主設(shè)計(jì)的新型電絮凝裝置開展室內(nèi)及現(xiàn)場(chǎng)實(shí)驗(yàn)測(cè)試，研究新型電絮凝裝置的污水凈化性能，發(fā)現(xiàn)并尋找新型電絮凝裝置的問題和不足，為電絮凝裝置的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)提供理論指導(dǎo)。

　　1 電絮凝原理

　　電絮凝除油技術(shù)是在外電場(chǎng)作用下，可溶性陽極溶解后生成大量絮凝劑，陰極產(chǎn)生穩(wěn)定均勻的氣泡，通過絮凝沉降、氣浮、氧化還原除去水中雜質(zhì)的方法。電極反應(yīng)：

　　陽極(Al)：Al(s)→Al3+ (aq)+3e-

　　陰極(Al)：2H2O+2e- →H2↑+2OH-電絮凝凈化污水過程機(jī)理如圖1所示。

圖１  電絮凝過程機(jī)理

　　(1)絮凝作用：陽極發(fā)生氧化反應(yīng)，可溶性金屬陽極溶解產(chǎn)生的金屬離子在水中發(fā)生水解反應(yīng)，生成一系列多核水解產(chǎn)物，這類物質(zhì)活性高、吸附能力強(qiáng)，是極好的絮凝劑，與原水中的有機(jī)污染物、懸浮物、可溶性污染物、細(xì)菌、病毒等結(jié)合生成較大絮狀體，沉淀到水底被去除。研究表明：金屬 Al3+ 與羥基離子水解后形成單絡(luò)合物，隨著羥基鋁離子增多，剩余孤對(duì)電子，羥基配位能力飽和，可與另一個(gè)Al3+ 逐漸聚合為羥基橋聯(lián)結(jié)構(gòu)，形成2個(gè)羥基鍵橋，從而由單核鋁的絡(luò)合物進(jìn)行縮聚反應(yīng)緩慢聚合成表面富含羥基的一系列多核高分子網(wǎng)狀聚合物，最終轉(zhuǎn)化成不定型[Al(OH)3]n 高分子絮凝劑。單絡(luò)合物主要是：Al(OH)2+ 、Al(OH)+和 Al(OH)- ，聚合物主要有：Al2(OH)4+ 、Al2(OH)5+ 、無定形不溶物 Al(OH) 和 AlO。

　　(2)氣浮作用：陰極發(fā)生還原反應(yīng)，陰極電解生成的氣體以微小氣泡的形式出現(xiàn)，與原水中的污染物粘附在一起，在浮力的作用下浮升至水面被去除。該氣泡尺寸遠(yuǎn)遠(yuǎn)小于加壓氣浮的氣泡尺寸，因此，對(duì)有機(jī)污染物的去除能力也更強(qiáng)、更徹底。

　　(3)氧化還原作用：在電壓作用下，原水中的部分有機(jī)物會(huì)發(fā)生氧化反應(yīng)，變成低分子有機(jī)物，甚至直接被氧化為 CO2 和 H2O;陰極產(chǎn)生的新生態(tài)氫，還原能力很強(qiáng)，可與廢水中的污染物發(fā)生還原反應(yīng)，降解部分污染物。

　　2 室內(nèi)實(shí)驗(yàn)研究

　　2.1 實(shí)驗(yàn)流程

　　室內(nèi)含油污水處理系統(tǒng)如圖2所示。主要設(shè)備為自主設(shè)計(jì)的新型電絮凝裝置，其中電極板與電源連接形式如圖3所示。

圖２  電絮凝含油污水處理系統(tǒng)

圖３  電極連接方式

　　.2 實(shí)驗(yàn)方法

　　2.2.1 模擬污水

　　在每10L 自來水中加入2g表面活性劑和10g0# 柴油，于 10000r/min 的剪切速度下攪拌 10min，為提高原水電導(dǎo)率，加入20gNaCl，并調(diào)節(jié)pH 為中性，得到模擬含油污水。初始油質(zhì)量濃度為600mg/L 左右，濁度為1000NTU 左右。

　　2.2.2 測(cè)量方法

　　分別控制裝置出入口流速與電流密度進(jìn)行實(shí)驗(yàn)，在取樣出口定期抽取20 mL 處理液進(jìn)行測(cè)量。根據(jù)石油天然氣行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)SY/T0530—1993油田污水中含油量測(cè)定方法，采用 A360 型紫外分光光度計(jì)(上海天普分析儀器有限公司生產(chǎn))，在波 長(zhǎng)為220nm 處測(cè)定油的質(zhì)量濃度，計(jì)算除油率：

 

 

　　式中：C0 為初始污水中油的質(zhì)量濃度(mg/L);C1為處理后水中含油質(zhì)量濃度(mg/L)。

　　濁度的測(cè)量采用上海儀電科學(xué)儀器股份有限公司生產(chǎn)的 WZS-186 型濁度計(jì)。電導(dǎo)率采用上海儀電科學(xué)儀器股份有限公司生產(chǎn)的 DDSJ-308F 型電導(dǎo)率儀進(jìn)行測(cè)量。根據(jù) GB11901—89 中固體懸浮物的測(cè)定方法，采用重量法對(duì)污水樣中的固體懸浮物進(jìn)行測(cè)量。

　　為保證每次實(shí)驗(yàn)條件的一致性，有效進(jìn)行對(duì)比實(shí)驗(yàn)，將電極放入丙酮溶液中浸泡10min 后取出，再于5%的稀鹽酸中浸泡10min后用海綿擦拭并用自來水沖洗3 次。電解槽用鹽酸溶液清洗15min。為保證實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)的可靠性，每組實(shí)驗(yàn)重復(fù)3次，相對(duì)誤差 保 證 不 得 超 過 5%，取 平 均 值 為 最 終 實(shí) 驗(yàn)結(jié)果。

　　2.3 實(shí)驗(yàn)結(jié)果

　　2.3.1 電流的影響

　　工況參數(shù)：極板間距為1.8cm，投放 NaCl的質(zhì)量濃度為2g/L，污水初始pH=7，保持流量20L/h不變，設(shè)定電流密度分別為23.81、47.62、95.24A/m2，電解200min，考察電流密度對(duì)除油率和濁度去除率的影響，實(shí)驗(yàn)結(jié)果分別如圖4、圖5所示。

圖４  電流密度對(duì)除油率的影響

　　由圖4、圖5 可以看出，當(dāng)電流密度大于23.81

 

　　A/m2 時(shí)，電解50 min 即可達(dá)到穩(wěn)態(tài);且電流密度越大，達(dá)穩(wěn)態(tài)時(shí)的處理效果越好，穩(wěn)態(tài)時(shí)除油率達(dá)

　　90%以上，濁度去除率達(dá)97% 以上。根據(jù)法拉第定律，電流密度越大，電極反應(yīng)速度越快，陽極溶解的 Al3+ 量增多，氣泡產(chǎn)生速率高。因此水解后形成的絮體增多，生成更多細(xì)小氣泡，其表面積較大，更容易吸附污染物。具體聯(lián)系污水寶或參見http://wlmqsb.com更多相關(guān)技術(shù)文檔。

　　2.3.2 流量的影響

　　工況參數(shù)：極板間距為1.8cm，投放 NaCl的質(zhì)量濃度為2g/L，污水初始 pH=7，保持電流密度90.48A/m2 不變，設(shè)定流量分別為10、20、40L/h，電解200min，考察流量對(duì)除油率和濁度去除率的影響，結(jié)果分別如圖6、圖7所示。

圖６  處理流量對(duì)除油率的影響

　　由圖6、圖7可以看出，除油率和濁度去除率隨處理流量的增大而減小，這是由于處理流量越大，含油污水在裝置內(nèi)的停留時(shí)間越短，反應(yīng)越不充分，處理效果越差。

　　3 現(xiàn)場(chǎng)實(shí)驗(yàn)研究

　　現(xiàn)場(chǎng)實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)如圖8～圖11所示。

　　3.1 實(shí)驗(yàn)方法

圖７  處理流量對(duì)濁度去除率的影響

圖８  一次沉降罐出口管線

圖９  含油污水電絮凝凈化裝置

圖１０    絮狀物排放井口

圖１１    處理后的清水排放井口

　　.1.1 污水特性

　　現(xiàn)場(chǎng)實(shí)驗(yàn)地點(diǎn)為勝利油田樁西聯(lián)合站。實(shí)驗(yàn)采用單因素分析法。污水溫度為 15～20 ℃，pH 為6.863～7.246，電導(dǎo)率平均值為9 mS/cm，含油量100～300μg/g，濁度平均值 40NTU，固體懸浮物100～200mg/L。

　　3.1.2 測(cè)量方法

　　測(cè)量方法與室內(nèi)實(shí)驗(yàn)一致。

　　3.2 實(shí)驗(yàn)結(jié)果

　　3.2.1 電流的影響

　　工況參數(shù)：斜管邊長(zhǎng)為2cm，極板間距為1.8cm，保持站場(chǎng)的污水特性不變，流量固定為10L/h不變，設(shè)定電流密度分別為23.81、47.62、95.24A/m2，電解140min，考察電流密度對(duì)除油率和濁度去除率的影響，結(jié)果如圖12～圖14所示。

圖１２    電流密度對(duì)除油率的影響

　　由圖12 可以看出，相比電流密度為23.81A/

　　m2 時(shí)的處理效果，電流密度為47.62A/m2 時(shí)除油率顯著增加。當(dāng)電流密度增大到95.24A/m2 時(shí)，電解前期除油率高于47.62A/m2 時(shí)的除油率，其余時(shí)間除油率基本持平。由圖13、圖14 可以看出，濁度去除率和固體懸浮物去除率隨著電流密度的升

圖１３    電流密度對(duì)濁度去除率的影響

圖１４    電流密度對(duì)ＳＳ去除率的影響

　　高有先增大后減小的趨勢(shì)，這是由于隨著電流密度的升高，產(chǎn)生的絡(luò)合物逐漸增多，去除率不斷增大，但裝置的沉降能力有限，當(dāng)電流密度進(jìn)一步增大時(shí)，去除率反而逐漸降低。

　　3.2.2 流量的影響

　　工況參數(shù)：斜管邊長(zhǎng)為2cm，極板間距為1.8cm，保持站場(chǎng)的污水特性 不變，電 流密度固定為47.62A/m2 不變，設(shè)定流量分別為10、20、25L/h，電解140min，考察流量對(duì)除油率和除濁率的影響，結(jié)果如圖15～圖17所示。

　　由圖15、圖17可以看出，除油率和固體懸浮物去除率隨處理流量的增大而減小，這是由于處理流量越大，污水在裝置內(nèi)的停留時(shí)間越短，反應(yīng)越不充分，并且流速過大產(chǎn)生的絡(luò)合物來不及沉淀便隨水流一起流到裝置出口使去除率降低，導(dǎo)致裝置處理效果變差。由圖16可以看出，3 種工況的處理效果差別不大，規(guī)律性不太明顯。

　　4 室內(nèi)外實(shí)驗(yàn)結(jié)果對(duì)比

　　4.1 電流的影響

　　對(duì)同樣工況的室內(nèi)外電流的影響進(jìn)行對(duì)比分

圖１５    處理流量對(duì)除油率的影響

圖１６    處理流量對(duì)濁度去除率的影響

圖１７    處理流量對(duì)ＳＳ去除率的影響

　　析，結(jié)果如圖18、圖19所示。

　　由圖18、圖19可以看出，室內(nèi)實(shí)驗(yàn)的處理效果更好。電流密度越大，室內(nèi)實(shí)驗(yàn)的去除率越高，而現(xiàn)場(chǎng)實(shí)驗(yàn)規(guī)律恰好相反，原因如下：一是室內(nèi)配置模擬污水和現(xiàn)場(chǎng)污水性質(zhì)不同，室內(nèi)配置的乳狀液比較穩(wěn)定，含油量大，實(shí)驗(yàn)過程產(chǎn)生大量泡沫，而現(xiàn)場(chǎng)污水懸浮物含量多，實(shí)驗(yàn)過程中產(chǎn)生的絮狀物量大，絮狀物過量造成斜管的堵塞，使處理效果下降;二是現(xiàn)場(chǎng)實(shí)驗(yàn)過程中水源不穩(wěn)定，含油質(zhì)量濃度在100～1000mg/L之間變化;三是來水流量不穩(wěn)定，對(duì)實(shí)驗(yàn)

圖１８    室內(nèi)和現(xiàn)場(chǎng)除油效果比對(duì)

 

     圖１９    室內(nèi)和現(xiàn)場(chǎng)濁度去除效果比

　　結(jié)果造成影響。

　　4.2 流量的影響

　　對(duì)同樣工況的室內(nèi)外流量的影響進(jìn)行對(duì)比分析，結(jié)果如圖20、圖21所示。

圖２０    室內(nèi)和現(xiàn)場(chǎng)除油效果比對(duì)

　　由圖20、圖21可以看出，室內(nèi)實(shí)驗(yàn)的處理效果更好，隨著處理流量的減小，去除率越高，這是由于流量小，污水的停留時(shí)間長(zhǎng)，實(shí)驗(yàn)過程中產(chǎn)生的大量絮狀物有充足的時(shí)間沉淀，絮狀物不會(huì)因?yàn)榱魉龠^

圖２１    室內(nèi)和現(xiàn)場(chǎng)濁度去除效果比

　　大而被帶到出口。

　　4 結(jié)論

　　通過室內(nèi)外實(shí)驗(yàn)研究發(fā)現(xiàn)，裝置存在以下主要問題：

　　(1)斜管沉降工作效率低。斜管沉降區(qū)因斜管與裝置內(nèi)壁面之間密封不嚴(yán)，導(dǎo)致斜管沉降區(qū)內(nèi)存在竄流，處理液無法通過斜管流道實(shí)現(xiàn)穩(wěn)定沉降，降低了斜管的沉降效率。

　　(2)絮凝沉降時(shí)間短。除因竄流導(dǎo)致的斜管沉降效率低外，裝置的絮凝沉降區(qū)尺寸不夠，無法有效實(shí)現(xiàn)反應(yīng)液中的絮凝體的有效沉降。(來源：中國(guó)石油大學(xué)（華東）儲(chǔ)運(yùn)與建筑工程學(xué)院)