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油田污水聚合物处理方法
作者:佚名 文章来源:南京蓝污环保 点击数: 更新时间:2015-4-30
 

目前我国大多数油田已处于开发中后期,为维持油田的稳产增产,包括聚合物驱在内的三次采油工艺技术已大规模应用〔1〕。我国已成为世界上使用聚合物驱油技术规模最大、大面积增产效果最好的国家〔2, 3〕。但这也使得采出污水中聚合物的含量在逐年增加,如东部某油田联合站脱后污水含聚物高达480 mg/L〔1〕。聚合物的存在使污水黏度成倍增大,地面污水设施处理能力下降,严重时会导致处理后污水含油量和悬浮物含量严重超标〔4, 5〕,对污水回注和污水排放影响很大。阴离子型部分水解聚丙烯酰胺(HPAM)是目前油田现场应用较多的聚合物之一,其稳定性较高、不易降解,必须在极高的温度及强氧化性的环境下才能降解〔6, 7〕。

臭氧氧化在处理难降解聚合物时具有氧化能力强、反应速率快、无二次污染等优点,但是臭氧成本高,限制了其在水处理方面的应用〔8〕。微波辐射水溶液,不仅能使局部微小点的温度急剧上升而形成瞬间高温,可降解聚合物,而且也可为氧化剂降解聚合物创造一个良好的反应环境〔9, 10〕。笔者研究了微波强化臭氧降解聚合物技术,以期为油田的现场应用提供参考。

1 实验部分
 
1.1 材料和仪器
 
试验污水:油田联合站处理后污水(用于注聚站配制注聚污水)。

聚合物:国产阴离子型部分水解聚丙烯酰胺(HPAM),相对分子质量2 000万,水解度30%。

仪器:MCL-2型微波化学实验炉,四川大学无线电系济南康来微波设备有限公司;NPF30W臭氧发生器,以空气为气源,山东绿邦光电设备有限公司;电热恒温水浴锅,金坛市大地自动化仪器厂。

1.2 实验装置
 
用油田联合站处理后污水和阴离子型部分水解聚丙烯酰胺(HPAM)配制含聚污水。实验在自制反应器中进行,实验装置见图 1。

 

图 1 实验装置  

将反应器放置于微波化学实验炉器内部,周边分别开有进水口、出水口、进气口、出气口。微波炉频率为2 450 MHz,微波功率连续可调。配制溶液温度由电热恒温水浴锅控制。实验时取一定量配制好的模拟污水放入反应器中,再放入微波炉中,先开启臭氧发生器,然后打开微波发生器进行反应,同时开始计时,间隔一定时间取样测试溶液内的HPAM浓度。臭氧投加量通过臭氧管路上的流量计精确计量,剩余臭氧通过放空设备放空。含聚污水溶液配制方法参照《用于提高石油采收率的聚合物评价的推荐作法》(SY/T 6576—2003)执行,HPAM浓度测定采用淀粉-碘化镉法。

2 实验结果及分析
 
2.1 微波强化臭氧降解HPAM效果分析
 
聚合物溶液HPAM初始质量浓度250 mg/L,温度为25 ℃时,在微波频率为2 450 MHz,辐射功率为600 W,臭氧流量100 mg/(L·h)条件下,分别用单独微波、单独臭氧及微波+臭氧进行HPAM的降解实验,实验结果见图 2。

 

图 2 微波、臭氧及微波+臭氧对HPAM的降解对比  

由图 2可知,HPAM在单独臭氧和单独微波作用30 min后,溶液中HPAM降解率分别为86.2%、38.3%,而采用微波与臭氧同时处理配制溶液时,相同作用时间内,HPAM降解率达到97%以上。而且加入微波辐射后,HPAM降解率达到80%时的反应时间比臭氧单独作用下缩短了约10 min。实验结果表明微波的存在对HPAM的氧化降解具有明显的强化作用。

分析认为微波+臭氧体系作用下,反应过程中既有微波热分解及臭氧分子直接反应,也有·OH的自由基反应,而微波强化臭氧会显著加快臭氧分解产生·OH,使得自由基反应机理占主导地位,反应速率会明显提高〔11〕。

2.2 臭氧进气量对HPAM降解效果的影响
 
聚合物溶液HPAM初始质量浓度250 mg/L,温度为25 ℃时,在微波频率为2 450 MHz,辐射功率为600 W,反应30 min条件下,调节通入的臭氧混合气体进气量,考察臭氧进气量对HPAM降解率的影响,结果见图 3。

 

图 3 臭氧进气量对HPAM降解效果的影响   

从图 3可知,在一定进气量范围内,HPAM降解率随着臭氧混合气体流量的增加而增加,但超过一定范围,随着臭氧流量增加,HPAM降解率增加缓慢。

分析认为原因是:在整个反应过程中,溶液中臭氧的含量受臭氧的溶解、反应和分解的三重影响,首先臭氧在水溶液中的溶解度是一定的,当臭氧在水中达到饱和状态后,再提高臭氧的流量,水中臭氧浓度也不会增加,即到一定流量后臭氧浓度对提高HPAM的降解已作用不大;其次臭氧的溶解伴随有一个自身的二级分解反应,当液相主体中臭氧的浓度逐渐增大至臭氧在溶液中溶解、反应和分解的动态平衡时,再增加臭氧的进气量,臭氧的利用率反而降低。

2.3 微波辐射功率及辐射时间对HPAM降解效果的影响
 
聚合物溶液HPAM初始质量浓度250 mg/L,温度为25 ℃时,在微波频率为2 450 MHz,臭氧流量100 mg/(L·h)条件下,考察微波辐射功率及辐射时间对HPAM降解率的影响,结果见图 4。

 

图 4 微波功率对HPAM降解效果的影响  

由图 4可以看出,HPAM降解率随微波功率的增加而不断提高,在相同辐照功率下,起始阶段反应速率较大,延长微波的辐照时间,HPAM降解率提高不明显。分析原因认为,在反应初始阶段,HPAM和臭氧浓度较大,反应速率较快,但随着反应的持续进行,HPAM和臭氧的浓度不断降低,反应速率也随之降低。

2.4 溶液温度的影响
 
聚合物溶液HPAM初始质量浓度250 mg/L,在微波频率为2 450 MHz,臭氧流量100 mg/(L·h),反应30 min条件下,考察溶液温度对HPAM降解率的影响,结果见图 5。

 

图 5 温度对HPAM降解效果的影响  

由图 5可以看出,随着配制污水温度的升高,起始阶段HPAM降解率快速提高,当温度超过40 ℃后降解率增加趋缓,分析原因是温度升高会降低臭氧在水中的溶解度,从而影响HPAM降解效果。

3 油田现场含聚污水微波+臭氧处理实验
 
实验所用的聚合物驱采油污水为大港油田某污水处理站经“沉降+二级过滤”处理后污水,其中油质量浓度10.35 mg/L,HPAM 230.69 mg/L,悬浮固体质量浓度9.00 mg/L。根据以上实验结果确定实验条件:微波频率为2 450 MHz,辐射功率为600 W,臭氧流量200 mg/(L·h),污水溶液温度40 ℃,反应2 h后,污水中98.67%的HPAM被去除,水中的油可完全被去除,悬浮物质量浓度降至1.5 mg/L,水质完全能满足现场回注需要。具体参见http://www.dowater.com更多相关技术文档。

4 结论
 
(1)从实验结果看,与传统的臭氧氧化法处理含聚污水相比,微波强化臭氧氧化工艺具有臭氧用量少、处理速度快、处理效率高、出水温度适宜、投加方式和设备简单、操作方便等优点,因此油田含聚污水处理现场工艺设计应该考虑物理法和化学氧化法的协同效应,能提高聚合物降解效率,降低污水处理成本。

(2)微波强化臭氧化降解油田污水聚合物有其最佳经济反应条件,应根据现场实际情况确定。

 

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