油田污水處理中高壓脈沖電場殺菌方法的研究

湯國強 沙俊杰 黃寶軍

(1.中國石油工程新疆勘察設計院,新疆 克拉瑪依 834000；2.新疆克拉瑪依三達有限公司,新疆 克拉瑪依 834000)

油田投入開發后，隨著開采時間的增長，油層本身能量將不斷地被消耗，致使油層壓力不斷下降，地下原油大量脫氣，粘度增加，油井產量減少，甚至會停噴停產，造成地下殘留大量死油采不出來。為了彌補原油采出后所造成的地下虧空，保持或提高油層壓力，實現油田高產穩產，并獲得較高的采收率，必須對油田進行注水。然而注水溫度和環境條件適合好氧菌(如腐生菌TGB)及厭氧菌(如硫酸鹽還原菌SRB)等各類細菌的生長和繁殖，這加劇了生產管線和設備的腐蝕，而且腐蝕產物、菌體及其代謝物容易堵塞地層，降低油層的滲透率，嚴重影響開采周期和成本。而油田生產中50%以上的腐蝕是由細菌引起的，因此殺菌是油田注水過程中至關重要的一個環節。

現有的殺菌方法容易使細菌產生抗藥性或容易產生有害的副產品造成二次損傷。為此，筆者將脈沖變頻技術應用于油田污水處理中[1]，高壓脈沖發生器采用氫閘流管技術和新型脈沖整形電路，通過控制電路實現較寬范圍的脈沖頻率和功率的變化，產生的高壓脈沖電場對細菌有抑制作用，實現綜合殺菌。

1 高壓脈沖電場殺菌試驗過程①

針對新疆某油田采油二廠51#聯合站污水處理站過濾器出口處的污水，采用間歇式方法對其進行高壓脈沖電場殺菌試驗。

系統采用基于氫閘流管的高壓脈沖電源，其結構如圖1所示。殺菌試驗過程：由控制系統控制可調直流高壓，通過充電電阻向儲能電容器充電，當其電壓達到設定值后，由觸發電路控制氫閘流管按設定的頻率和脈沖寬度導通，產生的脈沖電壓作用于脈沖變壓器初級并進行升壓，輸出的脈沖作用于負載。反應腔由兩個螺旋體(四氟雙螺紋隔離絕緣)組成，一個螺旋體為正極，另一個螺旋體為負極，菌液從進水口流入螺旋體，經高壓脈沖電場殺菌后從出水口流出，此結構延長了液體在電場中的作用時間，提高了殺菌效果。

圖1 基于氫閘流管的高壓脈沖電源結構

2 殺菌試驗結果分析

2.1 脈沖波形

污水處理時間是脈沖數和脈寬的積，在一定程度上增大脈寬或增加脈沖數可提高殺菌率。高壓脈沖處理系統的脈沖可以采用指數衰減波、方波和振蕩波的形式(圖2)。指數衰減波(圖2b)的單向電壓快速升高至最高值后緩慢衰減至零，因其作用時間短，殺菌效果不理想，其有一個低場強的長波尾，這一過程無實際殺菌效果。方波(圖2a)的實現需要復雜的脈沖整形過程，但方波可以在整個脈寬時間內以最大時間對微生物持續作用，因此方波的殺菌效果最強[2]，但隨著占空比不斷增加，成本也不斷增加，從而制約了一些電脈沖參數的指標。實際上當脈沖的占空比達到0%～50%時就能滿足殺菌要求，試驗結果也證明方波的殺菌效果最好，殺菌率可達99%以上。振蕩波(圖2c)的殺菌效果最差，幾乎為零[3]。

圖2 脈沖波形

2.2 脈沖幅度

電場強度是影響殺菌效果最重要的因素之一。達到穿透膜電位的臨界值后繼續增加電場強度時，對象菌存活率明顯下降。試驗表明：隨著脈沖幅度的增加(脈沖幅度越大，電場強度也越高)，SRB的殺菌率變化不是很明顯，但TGB和FB的殺菌率變化卻十分明顯(圖3)。將自行研制的高壓脈沖電源IHV-30從原設計的30kV提高到50kV時，殺菌效果將會提高，但對于功率和耐壓的要求也會提高，在同樣的處理量情況下，要求電源的功率提高一倍，即在同樣試驗設備的條件下，處理量要減少一倍。

圖3 脈沖幅度與殺菌效果

2.3 脈沖頻率

脈沖頻率實際上是電場作用時間的問題，由圖4可以看出，頻率太低或太高時殺菌效果都不理想，前者是因為作用時間太短，而后者由于頻率過高降低了對細菌的沖擊力，即能量減小；頻率在50～200Hz時效果最佳。

圖4 脈沖頻率與殺菌效果

2.4 反應腔的形狀和極板間距

反應腔的設計是高壓脈沖電場殺菌技術的另一項關鍵技術，如果能夠以最小的體積讓污水在電場中停留的時間最長，將大幅度提高殺菌效果。經反復現場試驗，筆者設計了一個高壓螺旋式殺菌反應器，一個高200mm的螺旋腔體相當于一個高2 000mm的平行盤式反應腔，因此高壓螺旋式殺菌反應器能夠大幅度提高殺菌效率。

極板間距的調整也非常重要，一般在處理量為50L/h的前提下，極板間距在3～10mm之間調整，極板間距太大將導致電源功率不夠，電場強度下降，殺菌效果降低。

3 結束語

通過分析試驗結果可知，高壓脈沖電場殺菌技術用于油田污水處理具有可行性，只要滿足高壓脈沖發生器波形、幅度、占空比及頻率等技術參數的要求和輸出功率與處理量的比例關系，制作處理量合理的螺旋式反應器，殺菌效果就可以保證在99%以上。該方法能夠保證注水質量，避免因細菌腐蝕產生二次污染，同時克服了指數衰減波和振蕩波影響殺菌效果的難題，能輸出較好的方波，延長電場作用時間。

目前的試驗裝置僅限于小處理量，如果進入實際工業化運行，則需要一個滿足上述條件的大功率高壓脈沖發生器和大處理量螺旋式反應器，同時應考慮其在防火防爆場所的安放地點等問題。

[1] 黃俊,王兆安.電力電子變流技術[M].北京:機械工業出版社,2011:57～85.

[2] Ma H Z,Wang B.Electrochemical Pilot-scale Plant for Oil Field Produced Wastewater by M/C/Fe Electrodes for Injection[J].Journal of Hazardous Materials,2006,132(2-3):237～243.

[3] 肖明珠,陳光禹,談效華.一種可調的高壓脈沖發生器[J].強激光與粒子束,2004,16(5):663～666.