海上含聚污水电化学处理装置的优化

陈文娟，靖 波，张 健，孟凡雪

（1. 海洋石油高效开发国家重点实验室，北京 100028；2. 中海油研究总院，北京 100028）

废水处理

海上含聚污水电化学处理装置的优化

陈文娟1，2，靖 波1，2，张 健1，2，孟凡雪1，2

（1. 海洋石油高效开发国家重点实验室，北京 100028；2. 中海油研究总院，北京 100028）

为解决传统电化学方法在含聚污水处理时电极板消耗严重、絮渣量大的问题，通过改进电极板材料、组合数及结构等，研究适度降解-除油一体化电化学技术，在降低渣泥量的同时保证处理效果。实验结果表明：最佳电极板组合为“网状惰性金属复合物极板（阳）-网状铝极板（阴）-网状铝极板（阴）-网状惰性金属复合物极板（阳）”；在电解电流为4.0 A、极板间距为8.0 cm、面体比（电极板面积与处理污水量的比值）为2/17 cm2/ mL、电解时间为30 min的最佳处理条件下，几乎无絮渣产出，含聚污水的浊度去除率为93.3%、聚合物降解率为92.0%、除油率为95.0%，展现了优良的处理效果。

海上油田；含聚污水；电化学处理；除油；电极板

聚合物驱油技术是海上油田最重要的提高采收率技术手段之一，矿场试验与应用证实了其技术的可靠性与经济有效性［1-3］。与注水开发采出污水相比，含聚采油污水黏度大、乳化程度高、稳定性强、油滴粒径小，处理难度较大，逐渐成为注聚油田面临的共性难题之一［4-7］。

目前，隔油、絮凝、气浮及过滤等传统污水处理工艺已无法满足海上含聚污水高效处理的需求。电化学除油技术作为一种环境友好的污水处理技术，其基本原理是通过电化学作用降解水中的某些大分子物质，产生均匀微小的气泡，在处理过程中同时有电絮凝、电氧化和气浮等多重作用［8-9］。传统电化学反应一般通过牺牲阳极来实现水处理，然而牺牲阳极会产生相应的氢氧化物，额外增加浮渣量，带来二次污染，同时牺牲阳极也会缩短现场设备运行周期、增加维护难度［10-11］。

为解决这一问题，本文深入开展了电化学降解除油技术的系统研究，通过采用新型电极材料、改进电极结构等方法，研究适度降解-除油一体化的电化学技术，降低废渣产生量，缩短处理时间，提高处理效率，解决电极溶解消耗的问题。

1 实验部分

1.1 实验材料

原油油样：渤海某油田脱水原油，黏度为70 mPa·s。

聚合物：部分水解聚丙烯酰胺聚合物干粉（HPAM），相对分子质量约为1.2×107，水解度约为25%，为油田现场所用聚合物。

图1 电解槽结构示意

悬浮物：标准钠土。

模拟聚驱含油污水（含聚污水）：按照某海上油田管汇污水成分配制的溶液中再加入一定量的原油、悬浮物和聚合物溶液，在60 ℃下用高速乳化机高效剪切乳化，剪切速率为7 000 r/min，剪切时间为5～10 min。主要离子组成（ρ，mg/L）：Na++K+3 091.96，Ca2+276.17，Mg2+158.68，CO32-14.21，HCO3-311.48，SO42-85.29，Cl-5 436.34；聚合物质量浓度为200 mg/L、含油量为480 mg/L、浊度为461 NTU。

1.2 实验装置

TN100型数字式浊度仪：上海默西科学仪器有限公司；UV2450型紫外-可见分光光度计：日本岛津公司；BME100L型高剪切混合乳化机：上海威广机械制造有限公司；电解槽：实验室自制，结构示意见图1。

1.3 实验方法

考察电极板材料、数量及形状对污水处理效果的影响，并在此基础上通过正交实验获得最佳处理工艺参数。具体实验步骤如下：首先安装电极板，将含聚污水倒入电解槽内，接通电源，在电极间距d=4.0 cm、电解电流I=3.0 A、面体比（电极板面积与处理污水体积的比值）r=2/17 cm2/mL、阴极采用铝极板的条件下，电解20 min，取出少量下层清液，依据SY/T 5329—2012《碎屑岩油藏注水水质指标及分析方法》［12］中的规定方法测定水样的浊度、含油量。聚合物质量浓度采用淀粉-碘化镉方法［13］测定。

2 结果与讨论

2.1 阳极材料对污水处理效果的影响

针对电极板阳极溶解消耗过快的问题，对不同阳极材料的处理效果进行了对比。不同阳极材料对含聚污水的处理效果见表1。

表1 不同阳极材料对含聚污水的处理效果

不同阳极电极的消耗速率见表2。

由表1和表2可见：铝作为阳极极板材料时，除油率、浊度去除率及聚合物降解率均最高，处理后水质最好；但其电极消耗速率最快，达到0.600 g/h；而惰性金属复合物、氧化铱、氧化钛3种材料作为阳极时，电化学反应过程中基本无消耗，因此也无对应絮体产生。其中又以惰性金属复合物的浊度去除率、聚合物降解率、除油率最高。因此，本研究中确定以惰性金属复合物作为阳极材料。

表2 不同阳极电极的消耗速率

2.2 电极板数量对污水处理效果的影响

分别采用单对电极组合即“惰性金属复合物（阳）-铝（阴）”及双对电极组合即“惰性金属复合物（阳）-铝（阴）-铝（阴）-惰性金属复合物（阳）”，进行电化学污水处理实验，研究电极板数量对水处理效果的影响。电极板数量对含聚污水处理效果的影响见表3。由表3可见，在同样的条件下，双对电极的污水处理效果优于单对电极，其浊度去除率、聚合物降解率及除油率均明显高于单对电极，这可能是由于双对极板有效面积增加，产生更多氧化物质的原因。同样的，在此实验条件下，阳极电极板基本无消耗，也无絮渣产生。

表3 电极板数量对含聚污水处理效果的影响

2.3 电极板形状对污水处理效果的影响

在上述板状电极板使用的过程中，发现污水在电解槽内的流动会受到极板的阻碍，导致传质效率变差。因此，设计将极板改为网状形式，以解决污水的传质流动问题，并适当增大了电极有效面积。

不同形状双对电极对含聚污水的处理效果见表4。由表4可见，在相同条件下，网状电极的污水处理效果总体优于板状电极，浊度去除率、聚合物降解率及除油率均有所提高。电极采用网状设计后质量变小，且电极周围建立了水力通道，对污水流动影响小，因此在电化学除油罐的设计中选择网状电极更具有优势。在此实验条件下，阳极电极板基本无消耗，也无絮渣产生。

表4 不同形状双对电极对含聚污水的处理效果

2.4 正交试验确定最佳电化学条件

确定电极板组合为“网状惰性金属复合极板（阳）-网状铝极板（阴）-网状铝极板（阴）-网状惰性金属复合极板（阳）”后，选择电解电流I、电极间距d、面体比r及电解时间t 4个重要控制参数作为正交试验的因素，利用含聚污水进行L9（34）正交试验。试验结果表明，电化学处理含聚污水的最佳处理条件为：I=4.0 A，d=8.0 cm，r=2/17 cm2/mL，t=30 min。在此条件下，含聚污水的浊度去除率为93.3%，聚合物降解率为92.0%、除油率为95.0%，与此同时，基本无絮渣产生。

3 结论

a）适度降解-除油一体化电化学处理含聚污水的电极板组合方式为：网状惰性金属复合物极板（阳）-网状铝极板（阴）-网状铝极板（阴）-网状惰性金属复合物极板（阳），有利于污水处理效果的提高，且此时几乎无絮渣出现。

b）在I=4.0 A，d=8.0 cm，r=2/17 cm2/mL，t=30 min的条件下，几乎无絮渣产出，含聚污水的浊度去除率为93.3%，聚合物降解率为92.0%、除油率为95.0%，展现了优良的处理效果。

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（编辑 叶晶菁）

Optimization of electrochemical treatment device for polymer-flooding produced wastewater in offshore oilfield

Chen Wenjuan1，2，Jing Bo1，2，Zhang Jian1，2，Meng Fanxue1，2
（1. State Key Laboratory of Offshore Oil Exploitation，Beijing 100028，China；2. CNOOC Research Institute，Beijing 100028，China ）

Aiming at the serious loss of electrode plates and large amount of flocculated slug in traditional electrochemical treatment of polymer-f l ooding produced wastewater，the integrated electrochemical technology for oil degradation and removal was researched by optimizing material，amount and structure of electrode plate，in order to decrease the slug amount with good treatment effect. The experimental results showed that：The optimal combination of electrode plates was “mesh inert metal composite electrode （anode）-mesh aluminum plate （cathode）-mesh anode plate（cathode）-mesh inert metal composite electrode （anode）”；Under the optimum treatment conditions of electrolysis current 4.0 A，electrode spacing 8.0 cm，ratio of electrode plate area to wastewater volume 2/17 cm2/mL and electrolysis time 30 min，there was almost no fl occulated slug produced，the removal rate of turbidity，oil and polymer of the wastewater were 93.3%，92.0%，95.0%，respectively，showing a good treatment effect of the technology.

offshore oilfield；polymer-flooding produced wastewater；electrochemical treatment；oil removing；electrode plate

X

A

1006-1878（2017）04-0400-04

10.3969/j.issn.1006-1878.2017.04.005

2016 - 11 - 11；

2017 - 04 - 20。

陈文娟（1988—），女，山东省枣庄市人，博士，工程师，电话 010 - 84523756，电邮 chenwj4@cnooc.com.cn。

国家科技重大专项（2016ZX05025-003）。