石油廢水電極化處理技術(shù)的工業(yè)應(yīng)用與案例分析

摘要：隨著環(huán)保意識(shí)的不斷增強(qiáng)，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(shù)的原理及石油廢水處理的需求，提出了電極化處理技術(shù)的設(shè)計(jì)方案，從反應(yīng)動(dòng)力學(xué)、電場(chǎng)分布、傳質(zhì)效率、工藝集成等方面探討了優(yōu)化策略。通過案例應(yīng)用，驗(yàn)證了電極化處理技術(shù)在石油廢水處理中的顯著優(yōu)勢(shì)，能夠高效去除污染物，實(shí)現(xiàn)排放達(dá)標(biāo)，在工業(yè)領(lǐng)域具有廣闊的應(yīng)用前景。

關(guān)鍵詞：石油廢水；電極化處理；工業(yè)應(yīng)用

中圖分類號(hào)：TQ914.1 文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A 文章編號(hào)：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(yè)生產(chǎn)過程中不可避免的副產(chǎn)物，主要來源包括鉆井、煉油、儲(chǔ)運(yùn)等，會(huì)對(duì)水體和土壤環(huán)境造成嚴(yán)重污染，威脅生態(tài)系統(tǒng)和人類健康。傳統(tǒng)的石油廢水處理技術(shù)難以滿足日益嚴(yán)格的環(huán)保法規(guī)和企業(yè)可持續(xù)發(fā)展的需求。電極化處理技術(shù)具有高效、綠色、適應(yīng)性強(qiáng)的特點(diǎn)，能有效去除廢水中的油類和有機(jī)污染物。因此，研究電極化處理技術(shù)在石油廢水處理中的工業(yè)應(yīng)用，能夠?yàn)榄h(huán)保行業(yè)提供新的技術(shù)解決方案，助力石化行業(yè)實(shí)現(xiàn)低碳轉(zhuǎn)型和高質(zhì)量發(fā)展[1]。

1 電極化處理技術(shù)概述

電極化處理技術(shù)主要利用電化學(xué)反應(yīng)實(shí)現(xiàn)廢水中污染物的氧化、還原、分解以及沉淀。電化學(xué)反應(yīng)過程中，污染物在電極表面發(fā)生直接電化學(xué)氧化，或通過生成的強(qiáng)氧化性中間體（羥基自由基、次氯酸根等）進(jìn)行間接氧化，過程會(huì)受到電極表面微觀結(jié)構(gòu)、電極反應(yīng)動(dòng)力學(xué)及電解液傳質(zhì)性能的高度耦合影響。為提升技術(shù)的工業(yè)應(yīng)用效果，需要優(yōu)化操作參數(shù)和反應(yīng)器設(shè)計(jì)，以最大化提高反應(yīng)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(fù)雜的物理化學(xué)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(jī)物（芳香烴、多環(huán)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(zhì)，它們?cè)谒w中的相互作用形成化學(xué)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(xué)調(diào)控實(shí)現(xiàn)油水分離；其次，分解和礦化難以降解的有機(jī)物，尤其是芳香族化合物，減少生物毒性和化學(xué)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(shù)應(yīng)具有強(qiáng)適應(yīng)性、高分離選擇性，避免產(chǎn)生二次污染，需要從界面化學(xué)動(dòng)力學(xué)及系統(tǒng)工程集成多維度協(xié)同攻克[4-5]。

3 電極化處理技術(shù)的設(shè)計(jì)

3.1 電極材料設(shè)計(jì)

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(dǎo)電金屬有機(jī)框架（Metal-Organic Framework，MOF）材料，通過調(diào)控表面電子結(jié)構(gòu)提高自由基生成效率，鈦基涂層電極可通過多層構(gòu)造增強(qiáng)耐久性與多污染物適應(yīng)性。陰極材料強(qiáng)調(diào)高效還原性和污染物吸附性能，如石墨烯復(fù)合材料或摻雜非金屬的碳納米管，在高鹽度和復(fù)雜污染物環(huán)境中保持穩(wěn)定。

3.2 反應(yīng)器結(jié)構(gòu)優(yōu)化

平板式電極反應(yīng)器適用于低污染負(fù)荷，三維電極反應(yīng)器（填充床或流動(dòng)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(yīng)速率。反應(yīng)器內(nèi)的電場(chǎng)分布需均勻化設(shè)計(jì)，如利用多電極排列形成梯度場(chǎng)，優(yōu)化污染物的傳質(zhì)效率和電場(chǎng)強(qiáng)度。動(dòng)態(tài)流體設(shè)計(jì)需結(jié)合有限元分析，優(yōu)化流體動(dòng)力學(xué)特性，避免短流和死區(qū)。

3.3 流程設(shè)計(jì)與集成

電極化處理流程通常包括污染物預(yù)處理（過濾或破乳）、主電極化處理單元以及后續(xù)分離/拋光步驟。動(dòng)態(tài)監(jiān)控與控制系統(tǒng)需嵌入，以實(shí)現(xiàn)污染物濃度、電流密度和副產(chǎn)物生成的實(shí)時(shí)調(diào)節(jié)。

4 石油廢水電極化處理工藝優(yōu)化策略

4.1 反應(yīng)動(dòng)力學(xué)優(yōu)化

通過調(diào)控電極材料的表面結(jié)構(gòu)和功能化，增強(qiáng)關(guān)鍵氧化還原反應(yīng)。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(yīng)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(yōu)化電子結(jié)構(gòu)和導(dǎo)電性，使電極在高鹽濃度和復(fù)雜污染物條件下依然具備高效穩(wěn)定的催化能力。在陰極設(shè)計(jì)中，通過復(fù)合材料如碳納米管和石墨烯復(fù)合電極的開發(fā)，提升污染物還原能力與吸附效率，實(shí)現(xiàn)更高的反應(yīng)動(dòng)力學(xué)效率。

4.2 電場(chǎng)分布優(yōu)化

利用有限元方法精確模擬反應(yīng)器內(nèi)部的電場(chǎng)分布，識(shí)別并優(yōu)化不同電極間距和電極排列下的電場(chǎng)強(qiáng)度分布。多極電極排列和梯度電場(chǎng)設(shè)計(jì)能夠有效避免電流短路和死區(qū)問題，確保污染物在整個(gè)反應(yīng)區(qū)域內(nèi)均勻處理。在三維電極反應(yīng)器中，填充多孔導(dǎo)電材料可以大幅提高反應(yīng)器的電場(chǎng)覆蓋率，并提高污染物去除效率和傳質(zhì)速率，適用于處理高濃度石油廢水。

4.3 傳質(zhì)效率優(yōu)化

引入渦流混合裝置或高效循環(huán)系統(tǒng)，增強(qiáng)污染物的對(duì)流和擴(kuò)散速率，降低濃差極化現(xiàn)象對(duì)反應(yīng)效率的影響。界面動(dòng)力學(xué)優(yōu)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(fù)合涂層或活性吸附基團(tuán)提高乳化油類和難降解有機(jī)物的傳質(zhì)效率，不僅提升了污染物的反應(yīng)活性，還降低了整體能耗，在高負(fù)荷操作條件下仍能保持高效運(yùn)行。

4.4 工藝集成優(yōu)化

集成優(yōu)化的重點(diǎn)在于通過不同處理技術(shù)的組合，協(xié)同去除多種污染物。電極化處理與膜分離技術(shù)結(jié)合，能夠分級(jí)去除鹽類和難降解有機(jī)污染物，滿足廢水回用的高質(zhì)量要求。通過結(jié)合高級(jí)氧化技術(shù)或生物處理技術(shù)，形成復(fù)合工藝鏈，提高石油廢水中復(fù)雜污染物的去除效率。工藝集成還包括能源優(yōu)化策略，采用脈沖電源技術(shù)降低電能消耗，結(jié)合廢熱回收系統(tǒng)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(qū)，采油過程中產(chǎn)生大量高鹽廢水，含鹽量達(dá)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(xué)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(jīng)濟(jì)的廢水處理技術(shù)，使廢水排放達(dá)標(biāo)，減少對(duì)環(huán)境的影響。

5.2 難點(diǎn)分析

極高的含鹽量增加了膜處理技術(shù)的難度和成本，易造成膜污染和結(jié)垢，高濃度石油類物質(zhì)的存在增加了廢水處理的復(fù)雜性。當(dāng)?shù)丨h(huán)保法規(guī)對(duì)廢水排放標(biāo)準(zhǔn)要求嚴(yán)格，尤其對(duì)石油類、COD和重金屬等指標(biāo)有嚴(yán)格限制，而傳統(tǒng)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(yùn)行成本高。

5.3 解決方案

針對(duì)該油田廢水特點(diǎn)，采用“預(yù)處理+電極化+后處理”的三級(jí)處理工藝。

5.3.1 預(yù)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(jìn)行初步的COD去除和懸浮物去除。其中，API分離器型號(hào)為API-S-1000；PAC型號(hào)為PAC-03，投加量為20 mg/L；PAM型號(hào)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(yīng)器（型號(hào)為ECR-2000），電極材料為鈦基釕銥氧化物涂層電極。反應(yīng)器分為多個(gè)隔室，交替排列陰極和陽極，通過施加直流電場(chǎng)，在電極表面發(fā)生電化學(xué)氧化還原反應(yīng)，去除COD、石油類和部分重金屬離子。選材依據(jù)如下。

首先，對(duì)不同電極材料（鈦基釕銥氧化物、鈦基鉑金涂層、石墨）進(jìn)行對(duì)比試驗(yàn)，結(jié)果如表1所示。結(jié)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(xiàn)最佳。

其次，對(duì)電流密度進(jìn)行優(yōu)化試驗(yàn)，通過改變電流密度（5、10、15 mA/cm2），研究其對(duì)COD去除率和能耗的影響，結(jié)果如表2所示。結(jié)果表明，當(dāng)電流密度為10 mA/cm2時(shí)，COD去除率較高且能耗相對(duì)較低。

最后，通過改變水力停留時(shí)間（30、60、90 min），研究其對(duì)COD去除率的影響。結(jié)果表明，60 min時(shí)COD去除率達(dá)到較高水平，繼續(xù)增加水力停留時(shí)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(hào)為AC-800）進(jìn)一步去除殘留COD和部分重金屬離子，確保出水達(dá)標(biāo)排放。活性炭吸附柱的空床接觸時(shí)間為30 min。飽和后進(jìn)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(dá)80%，后處理階段最終COD去除率達(dá)97.5%。

相比傳統(tǒng)處理方法，電極化技術(shù)每年可節(jié)省運(yùn)行費(fèi)用約20萬元，每年可節(jié)約用水約10萬m3。

6 結(jié)論

應(yīng)用案例表明，電極化處理技術(shù)在處理高含鹽采油廢水方面有顯著優(yōu)勢(shì)，能夠有效去除污染物，降低運(yùn)行成本，實(shí)現(xiàn)達(dá)標(biāo)排放和水資源回用。該技術(shù)具有廣闊的應(yīng)用前景，可為其他類似油田的廢水處理提供參考。

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