電化學(xué)在三元復(fù)合驅(qū)采出水深度處理中的應(yīng)用

宋學(xué)峰 吳越強(qiáng) 許成君 王 飛

(大慶油田水務(wù)公司)

0 引 言

三元復(fù)合驅(qū)采出水成分復(fù)雜，水中同時(shí)含有驅(qū)油劑、油和懸浮物，驅(qū)油劑[1]中的聚合物分子使水中的懸浮物和油類進(jìn)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(tài)更加穩(wěn)定。這種強(qiáng)穩(wěn)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(jù)Q/SY DQ0605—2006《大慶油田油藏水驅(qū)注水水質(zhì)指標(biāo)及分析方法》，采出水處理后水質(zhì)分別達(dá)到高滲透、中滲透、低滲透回注水指標(biāo)。目前應(yīng)用的兩級(jí)沉降—兩級(jí)過濾工藝流程只能將其處理到高滲透油層回注標(biāo)準(zhǔn)，水質(zhì)尚難以穩(wěn)定達(dá)標(biāo)，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(qū)塊注采不平衡的矛盾。因此，應(yīng)該在現(xiàn)有工藝設(shè)備的基礎(chǔ)上積極研究新型的處理方法。

電化學(xué)具有反應(yīng)器設(shè)備規(guī)模小、操作簡(jiǎn)單、可控性強(qiáng)、二次污染少等優(yōu)勢(shì)。目前電化學(xué)[2]雖尚未在聚驅(qū)、復(fù)合驅(qū)采出水回注處理工藝中有生產(chǎn)性應(yīng)用，但電化學(xué)處理過程中能夠產(chǎn)生大量羥基自由基，氧化性極強(qiáng)[3]，可以有效破壞三元復(fù)合驅(qū)采出水穩(wěn)定性，改變其水質(zhì)特性。本文在傳統(tǒng)電化學(xué)方法基礎(chǔ)上進(jìn)行改進(jìn)，在保證去除效果的同時(shí)大幅降低運(yùn)行能耗。通過設(shè)計(jì)不同反應(yīng)區(qū)集成，選擇性分區(qū)去除不同的污染物，對(duì)采出水中難降解有機(jī)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(jī)物含量大幅度降低，油水固三相分離容易，實(shí)現(xiàn)脫穩(wěn)降黏，為進(jìn)一步深度處理提供有利的進(jìn)水條件，為實(shí)現(xiàn)三元復(fù)合驅(qū)采出水特低滲透油層回注、配聚、達(dá)標(biāo)外排的目標(biāo)奠定了堅(jiān)實(shí)基礎(chǔ)。

1 實(shí)驗(yàn)部分

1.1 水質(zhì)指標(biāo)

實(shí)驗(yàn)采用的三元復(fù)合驅(qū)采出水原水、電化學(xué)進(jìn)水水質(zhì)指標(biāo)、電化學(xué)出水指標(biāo)以及低滲透回注、配聚和外排標(biāo)準(zhǔn)限值如表1所示。

表1 水質(zhì)指標(biāo)

注：1、2為Q/SY DQ0605—2006《大慶油田油藏水驅(qū)注水水質(zhì)指標(biāo)及分析方法》；3為GB 8978—1996《污水綜合排放標(biāo)準(zhǔn)》一級(jí)標(biāo)準(zhǔn)。

1.2 工藝流程

三元復(fù)合驅(qū)采出水處理工藝流程設(shè)計(jì)如圖1所示，原水經(jīng)過氣浮—生化—砂濾流程處理后進(jìn)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(jìn)入沉淀池截留出水中攜帶的懸浮固體，加強(qiáng)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(shè)計(jì)處理水量為0.5 m3/h。在該模塊內(nèi)可以實(shí)現(xiàn)高壓脈沖電絮凝—微波紫外超聲反應(yīng)區(qū)—電催化氧化的聯(lián)合作用，主要分為四個(gè)反應(yīng)區(qū)：①電絮凝反應(yīng)區(qū)，在高壓電場(chǎng)作用下，電極板對(duì)污染物產(chǎn)生氧化、還原和電絮凝反應(yīng)，電極板產(chǎn)生≤30 μm的氣泡把污染物氣浮脫除，并產(chǎn)生少量沉渣，浮泥和沉渣排出反應(yīng)器至污泥系統(tǒng)。有效容積為0.54 m3，內(nèi)置石墨板[3]50×20 cm2；②能量場(chǎng)催化區(qū)，通過內(nèi)部無極紫外、微波、超聲裝置三者的協(xié)同作用，使污染物的化學(xué)鍵斷裂，裂解高分子鍵的有機(jī)物，氧化生成簡(jiǎn)單化合物。有效容積為0.24 m3；③電催化反應(yīng)區(qū)，利用水中溶解氧分子，在電場(chǎng)中得到電子，形成氧自由基離子，同時(shí)誘發(fā)出羥基自由基離子·OH使部分有機(jī)物礦化。有效容積為0.74 m3，內(nèi)置鈦板[4]50×20 cm2，不銹鋼板32×20 cm2，交錯(cuò)排列；④后續(xù)曝氣反應(yīng)區(qū)。后續(xù)曝氣反應(yīng)區(qū)出水有一部分返回復(fù)合能量場(chǎng)[5]反應(yīng)區(qū)，形成循環(huán)，進(jìn)一步增加傳質(zhì)，另一部分進(jìn)入后續(xù)沉淀池，有效容積為2.25 m3。

1.3 調(diào)試與運(yùn)行

為確保電絮凝催化氧化模塊穩(wěn)定運(yùn)行，達(dá)到最佳處理效果，在調(diào)試與試運(yùn)行期間，采用單因素實(shí)驗(yàn)考察各反應(yīng)區(qū)的7個(gè)運(yùn)行參數(shù)對(duì)懸浮固體和含油量去除率及運(yùn)行成本3項(xiàng)指標(biāo)的影響，最終確定運(yùn)行參數(shù)。歷經(jīng)15 d的調(diào)試后連續(xù)穩(wěn)定運(yùn)行3個(gè)月。

1.3.1 電絮凝反應(yīng)區(qū)運(yùn)行參數(shù)

1)極板間距對(duì)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(duì)懸浮固體和含油量去除率的影響。結(jié)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(duì)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(duì)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(shì)，綜合考慮去除效果和運(yùn)行成本，將電流密度設(shè)定為30～35 mA/cm2。

3)pH值對(duì)去除率的影響。投加不同體積的HCl，分別調(diào)節(jié)pH值為10，9，8，7，6，5，考察pH值對(duì)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(shí)已基本到達(dá)平臺(tái)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(duì)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(shí)對(duì)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(dāng)投加量為300 mg/L時(shí)，去除率的增加趨勢(shì)已經(jīng)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(chǎng)催化區(qū)運(yùn)行參數(shù)

分別投加H2O2100，300，500，700 mg/L，考察H2O2投加量對(duì)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(qiáng)，去除率也隨之增加，當(dāng)H2O2的投加量為500 mg/L時(shí)去除率增長(zhǎng)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(yīng)區(qū)運(yùn)行參數(shù)

與電絮凝區(qū)考察方法相同，確定極板間距為2 cm。

1.3.4 后續(xù)曝氣反應(yīng)區(qū)運(yùn)行參數(shù)

考察氣水比為5∶1，10∶1，15∶1，20∶1時(shí)對(duì)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(jié)果與討論

圖2 各反應(yīng)區(qū)懸浮固體去除效果

圖3 各反應(yīng)區(qū)含油量去除效果

圖4 各反應(yīng)區(qū)COD去除效果

圖5 各反應(yīng)區(qū)聚合物去除效果

圖6 各反應(yīng)區(qū)黏度去除效果

該工藝流程設(shè)計(jì)緊湊，運(yùn)行管理方便，占地面積小，基建費(fèi)用低，水處理費(fèi)用為5.4元/t。圖2～圖6為連續(xù)15 d各反應(yīng)區(qū)進(jìn)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(jìn)，5項(xiàng)指標(biāo)均呈現(xiàn)下降趨勢(shì)。雖然電化學(xué)進(jìn)水水質(zhì)波動(dòng)較大，但出水水質(zhì)依然較為穩(wěn)定，抗沖擊負(fù)荷較好。該工藝可使懸浮固體降至5 mg/L以下，去除率高達(dá)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(xiàng)指標(biāo)已達(dá)到配聚標(biāo)準(zhǔn)，通過后續(xù)的深度處理即可達(dá)到低滲透回注和外排的要求。

3 結(jié) 論

1)針對(duì)三元復(fù)合驅(qū)采出水水質(zhì)特點(diǎn)及現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際情況，制定“電絮凝—能量場(chǎng)催化—電催化反應(yīng)—后續(xù)曝氣—沉淀反應(yīng)”一體化集成工藝對(duì)三元復(fù)合驅(qū)采出水常規(guī)工藝砂濾出水進(jìn)行預(yù)處理。通過單因素實(shí)驗(yàn)法，確定了電絮凝催化氧化模塊各反應(yīng)區(qū)的最優(yōu)運(yùn)行參數(shù)。電絮凝反應(yīng)區(qū)，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(chǎng)催化區(qū)，H2O2的投加量500 mg/L；電催化反應(yīng)區(qū)，確定極板間距2 cm；后續(xù)曝氣反應(yīng)區(qū)，氣水比10∶1。

2)電絮凝催化氧化模塊可以充分發(fā)揮不同反應(yīng)區(qū)之間的協(xié)同效應(yīng)，氧化效果顯著，在低運(yùn)行電壓、運(yùn)行電流的條件下，降低了處理成本，同時(shí)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(xù)系統(tǒng)穩(wěn)定運(yùn)行提供前提保障，可作為低滲透油層回注、配聚用水和達(dá)標(biāo)外排深度處理工藝的關(guān)鍵工藝環(huán)節(jié)。該電化學(xué)模塊的成功應(yīng)用為油田選擇可行的三元復(fù)合驅(qū)采出水處理工藝提供了新的參考。