电渗析脱盐技术在石油石化行业污水处理中的发展现状

王毅霖+李雪凝+杨雪莹

摘要：指出了针对高含盐污水的脱盐处理研究，国内外研究人员已经开展了大量工作，形成了以膜脱盐、蒸发脱盐和电法脱盐等技术为代表的脱盐减量化技术体系。其中，电渗析（ED）技术近几年已成为石油石化企业含盐水处理的关注技术，目前，该技术在其他行业已经有工程应用案例，研究人员将该技术引入石油石化行业，与自身水质情况相结合，拓展技术处理对象，强化企业推广力度，目标是实现石油石化企业含盐水的低成本高效处理。

关键词：电渗析；油气田污水；炼化污水；脱盐处理

中图分类号：X52 文献标识码：A 文章编号：1674-9944（2017）2-0026-03

1 引言

电渗析（ED）是在直流电场驱动下，溶液中阴、阳离子通过选择透过性的离子交换膜定向迁移，实现离子从溶液中分离的物理化学过程，可以实现溶液的淡化、浓缩、精制、提纯等。在电渗析技术的发展过程中，因不同的处理目的和需求开发了多种电渗析器，如双极膜电渗析（BMED）、倒极电渗析（EDR）、液膜电渗析（EDLM）、填充床电渗析（EDI）、无极水电渗析、选择性电渗析（Selectrodialysis）、置换电渗析（EMT）、反电渗析（RED）、离子析分与重排电渗析（Fracsis）等。

电渗析技术具有操作简便、设备简单、出水效果好等优点，但也具有膜易污染、检修维护工作量大、处理水量小、只能除去带电离子、易受到胶体物质的污染等缺点。该技术主要用于苦碱水、海水淡化、高硬度水的部分除盐或以作为深度除盐的预处理等，一般与反渗透、离子交换系统联合使用。

电渗析法从废液中回收酸碱或硝酸铵等可资源化产品的工艺已在工业上有所应用。川化股份有限公司、陕西兴化化学股份公司、山东联合化工有限公司、贵州开磷集团剑江化肥厂等硝酸铵装置成功应用了电渗析技术处理硝酸铵冷凝废水，用于硝酸铵的回收。以脱盐为目的的电渗析技术处理石油石化企业高含盐污水的工程案例较少，中原油田的某废水处理站采用电渗析工艺，水的利用率为70%[1]。

2 电渗析脱盐技术处理油气田污水

电渗析脱盐技术研究在针对油气田污水处理的研究中，主要针对以下几项研究目的，开展相关的小试及中试放大试验。

2.1 电渗析预处理及产水水质

镇祥华等[2]采用截留相对分子质量为10×104的聚偏氟乙烯超滤膜组件，对大庆油田采出水电渗析脱盐进行预处理。试验结果表明，超滤适宜的膜面流速是3.0～3.5 m/s，跨膜压差0.30～0.35 MPa，工作温度35～40℃。超滤能降低浊度95%，对油及悬浮物的去除率超过90%。在处理大庆油田采出水的研究工作中，超滤能满足电渗析预处理的要求。

针对胜利油田孤岛采油厂油田回注水高矿化度的问题，杨洋等[3]试验采用二级串联电渗析技术处理胜利油田孤岛采油厂的含油废水，其TDS为9350 mg/L，电导率为16510 μS/cm，硬度为 627 mg/L（CaCO3）。通过“HCF高梯度聚结气浮+精密过滤器+锰砂过滤器+精密过滤器”去除水中的油、固体悬浮物以及大量铁离子。试验结果表明，操作电压、淡水回收率对回收的淡水水质有很大影响。

2.2 资源再利用

牛井冈等[4]处理矿化度为 4861.4 mg/L 的大庆油田采油厂污水，得到最适流为 17 A、流量约为700 L/h、脱盐率大于80%，最终耗电量为 1.7 kW·h/m3，最终水的电导率低于 500 μs/cm。电渗析器处理后的淡水可以用于聚合物驱油；浓水可以用于低碱三元复合体系的驱油。

针对樊家油田压裂返排液中化学药剂成分多，具有高黏度、高稳定性等特点，董健等[5]采用“机械格栅+隔油池+聚结气浮+絮凝气浮”的预处理工艺+陶瓷膜过滤+电渗析脱盐的工艺开展了压裂返排液处理的室内试验。结果表明：在最优的操作条件下处理后的返排液，COD 含量由10873 mg/L降至3078 mg/L，石油类由103 mg/L降至 4.3 mg/L，浊度则由高于2000 NTU降低至 1.73 NTU，电导率由21.9 mS/cm 降至1.0 mS/cm时 Ca2+、Mg2+、Cl-的含量分别为 2.635 mg/L、1.09 mg/L、219.04 mg/L，初步满足压裂液的复配要求。

镇祥华等[6]在大慶油田搭建了300 t/d的超滤+电渗析脱盐处理中试试验装置，处理对象为经过常规处理后的油田采出水。装置连续运行3000 h，产水水质、水量基本保持稳定，产水率大于80%，脱盐效率大于80%，出水浊度在1.0 NTU以下，TDS始终在1000 mg /L以下，悬浮物以及含油量均在1.00 mg /L以下，达到了配制聚合物的用水标准，处理后的油田采出水可以代替清水配置聚合物。

徐俊[7]以大庆油田聚合物驱油工艺采油过程中产生的含聚采油废水为处理对象，开展中试试验，提出超滤+电渗析组合工艺脱盐对采油废水进行处理，降低其矿化度，将处理后的出水作为聚合物配制用水。进水的悬浮物含量为8.2～15.5 mg/L，含油量为2.6～8.7 mg/L，聚合物含量为210～390 mg/L。经过3个多月的连续运转试验结果表明，出水的浊度控制在1.0NTU以下，电导率基本稳定在600 μS/cm左右，石油类的去除率达98%以上，聚合物的去除率为85%～95%，电渗析对超滤膜渗透液中盐类的去除效果较好，对Ca2+和Mg2+的去除率高达95%以上，Na+和K+的去除率亦可以达到79%以上，对阴离子HCO-3、SO2-4、Cl-的去除率分别可以达到67%、70%和85%，达到复配聚的用水指标。

王北福等[8]也是采用超滤+电渗析工艺处理大庆采油二厂聚南八污水站的污水，经“自然沉降+混凝+两次压力过滤”进行预处理后，超滤组合电渗析工艺可以将含聚合物污水处理至符合配液用水的要求。出水的 Ca2+、Mg2+含量显著低于清水，其配液黏度及抗剪切性优于清水，可取代清水配制驱油聚合物，装置的脱盐效率为80%，出水电导率稳定在950μS/cm左右，此时的能耗为0.8 kW·h/m3，产水成本为1.93元/m3，低于清水采购的费用。

王北福等[9]又将处理目标对准了大庆油田聚驱污水，其矿化度约为4000 mg/L，含有大量的K+、Na+、Ca2+、Mg2+等一价、二价阳离子，能引起聚合物较大的黏度损失，所以聚合物只能用低矿化度清水配制。选用电渗析来降低聚驱污水的矿化度，现场试验表明，电渗析能有效地去除聚驱污水中的各种离子，阴离子的去除率为90.6%，阳离子的去除率为95.7%，聚驱污水在矿化度为847.56 mg /L时与清水的配聚效果基本一样，可以改善聚驱污水的配聚性能，从而取代清水复配驱油聚合物。此时，脱盐能耗只为0.95 kW·h /m3，低于购买清水的价格，表明电渗析是一种经济有效的降矿化度技术，适用于处理聚驱污水。

荆国林等[10]使用三室电渗析处理油田含聚污水，用降低矿化度后的淡水配制1 g/h的聚合物溶液，其黏度比清水所配制溶液高。实验结果表明，用电渗析降低油田含聚合物采出水的矿化度，取代清水配置聚合物，在技术上是可行的。

华北油田设计院针对任一联及任二联采出水的高含盐问题，以电渗析为核心技术开展了现场试验，原有污水处理系统的出水经过“加药混凝+砂滤+微滤”然后将纳入电渗析器，采用浓水循环模式，使淡水回收率达到80%，回收的淡水水质达到了农灌标准。运行成本约为2～2.8元/m3[3]。

2.3 上游污水对电渗析膜性能的影响

邓梦洁[12]针对超滤处理后的含聚采油废水中的HPAM和油对电渗析除盐效果的影响以及两者在离子交换膜上的静态吸附污染性能开展了大量的研究工作：研究利用超滤-电渗析组合工艺回用大庆油田聚驱采出水为配聚用水，但是由于超出水中仍含有少量的油和 HPAM 等污染物，会使所配制的聚合物驱溶液质量下降，影响聚合物驱油效果。膜对油的吸附量随着溶液初始油浓度、温度和离子浓度的增大而增加，pH值对吸附亦有较大影响，在pH=7.0时吸附量达到最大；HPAM与油的共存使膜的吸附污染更加严重。

3 电渗析脱盐技术处理炼化污水

榆林炼油厂为满足电渗析中试装置的进水要求，在预处理部分为“多介质过滤器+袋式过滤器+紫外杀菌器+保安过滤器”，杀灭污水中微生物，且过滤精度逐级提高。重点去除污水中的乳化油、生物黏泥等，以避免电渗析器离子交换膜的污染[13]。朱安民[14]等将电渗析装置连续稳定运行3个月，连续运行期间平均脱盐率为76.18%、碱度的去除率为87.33%、钙离子去除率为83.25%、总硬度的去除率为85.75%、氯离子的去除率为89.12%，产水水质满足循环水补水水质要求，脱盐系统吨水耗电1.09 k W·h。通过调整电渗析的运行电压，并使用频繁倒极的运行方式，确实减缓了膜的结垢和污堵，确保装置连续、稳定的运行，且产水水质较为稳定，可回用于循环水补水系统。

4 结论

（1）随着科技的发展，新型的电渗析装置被不断的研发出来，倒极电渗析（EDR）、双极膜电渗析（EDMB）等，目前停留在中试试验阶段，无极水电渗析、液膜电渗析（EDLM）、填充床电渗析（EDI）、选择性电渗析（Selectrodialysis）、置换电渗析（EMT）、反电渗析（RED）、离子析分与重排电渗析（Fracsis）等新型电渗析大多在国外也仅仅处于实验室研发阶段。但因为电渗析技术本身具有操作简便、能耗较低、出水水质较好、浓缩效果好，可以使出水浓水含盐量达到15%～20%等优点，具有非常大的放大前景。

（2）膜的污染依然是膜技术、电渗析技术研究的重点，膜的抗污染性能的提升、膜污染的恢复、耐用极板的开发等关键问题如果有所突破，将会推动膜分离技术未来巨大的发展。

（3）目前，已有研究人员以石油石化行业的含盐水为处理对象开展了一些试验，大量的试验结果表明，电渗析的进水水质十分的关键，其前端的预处理工艺的设计尤为关键，涉及到后续电渗析装置是否会产生通道堵塞、膜污染、电流效率降低等问题，工艺放大的过程中，预处理单元设计的重要性不亚于电渗析器的设计。

（4）很多学者针对电渗析出水进行了以回用为目的的研究，确定了电渗析技术在石油石化行业的含盐水处理的可行性，且经济性较好，试验表明，电渗析技术处理上下游高含盐污水可以实现资源的循环利用，具有良好的社会、经济及环境效益。

参考文献：

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[3]镇祥华，于水利，梁春圃，等.超滤与电渗析联用降低油田采出水矿化度中试试验研究[J].环境污染治理技术与设备，2006（7）：15～19.

[4]杨 洋，丁 慧，付丽丽，等.电渗析法处理油田回注水的中试试验[J].水处理技术，2013（4）：87～89.

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[9]王北福.电渗析回用聚驱污水为配聚用水的试验研究[J].哈尔滨商业大学学报（自然科学版），2007（1）：22～27，5.

[10]荆国林，于水利，韩 强，等.电渗析降低含聚污水矿化度的方法[J].大庆石油学院学报，2004（1）：41～43，121.

[11]王 永.膜法处理油田采出水的进展[J].膜科学与技术，1998（2）：8～13.

[12]邓梦洁.含聚采油废水中HPAM和油对电渗析离子交换膜污染性能研究[D].哈尔滨：哈尔滨工业大学，2011.

[13]李 亮，朱安民，李 超，等.炼化废水电渗析脱盐系统预处理工艺研究[J].广州化工，2015（8）：82～84.

[14]朱安民，李 亮，滕厚开，等.电渗析深度处理炼化废水回用试验研究[J].工业水处理，2015（11）：63～66.