上海奉贤农村污水处理中心-含油污水净化实验研究

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上海奉贤农村污水处理中心为您整理热点：含油污水净化实验研究。

　　近几年随着石油的不断开采，尤其是我国大部分油田现在已经进入了三次采油阶段，采出油中含水量已达70%～80%，有的甚至已高达90%。三次采油污水中含有大量的高分子有机物、悬浮物、细菌等，乳化程度高，处理难度大，若直接排入环境中会污染地下水，对生态系统造成严重破坏，同时存在着严重的资源浪费。国内大多数油田对于采油污水只做了一些简单的处理，这种处理后的污水往往很难达到国家排放标准，因此开展处理污水的研究具有重要的实际意义。目前，常规的含油污水处理方法主要有物理法、化学法、微生物法和组合工艺法等，常用的含油污水处理技术方法分别存在耗能大、投资费用高、设备复杂、维护困难等问题。因此，污水处理领域亟需高效、节能、经济新技术的研究与开发。

　　近几年来，利用电化学方法处理含油污水的研究得到了国内外学者的广泛关注，其中电絮凝法由于其设备简单、操作容易、自动化程度高、不用另加化学药剂而渐渐地被应用于污水处理领域。

　　针对目前的污水特性，国内外学者开展了大量研究工作。王蓉沙等采用电絮凝技术对油田废水进行了实验研究，结果发现，炼油厂含油污水含油量去除率达96%，SS去除率达97%;钻井废水浊度去除率达96.8%，COD 去除率达97.5%;采油废水浊度去除率达96.1%，含油量去除率达100%，以上各项指标均远低于国家综合污水排放标准。周朝昕用电絮凝与化学混凝联合处理工艺处理油田含聚采出水，处理后油质量浓度小于5mg/L，悬浮物质量浓度小于1mg/L，聚合物质量浓度小于15mg/L，达到了《碎屑岩油藏注水水质推界指标及分析方法》(SY/T5329—94)A1级标准。Tir采用响应曲面法对含油污水电絮凝除油过程进行参数优化，结果发现，电絮凝处理含油污水效果显著，电流密度为25 mA/cm2，处 理时间为 22 min，浊 度去除率达99%，化学需氧量去除率达90%。Asselin 等用电絮凝处理船舶舱底污水时得出，油脂、BOD、浊度和 TSS的去除率分别为95%、93%、98% 和99%，总处理成本为0.46美元/m3。

　　笔者主要对自主设计的新型电絮凝装置开展室内及现场实验测试，研究新型电絮凝装置的污水净化性能，发现并寻找新型电絮凝装置的问题和不足，为电絮凝装置的结构设计提供理论指导。

　　1 电絮凝原理

　　电絮凝除油技术是在外电场作用下，可溶性阳极溶解后生成大量絮凝剂，阴极产生稳定均匀的气泡，通过絮凝沉降、气浮、氧化还原除去水中杂质的方法。电极反应：

　　阳极(Al)：Al(s)→Al3+ (aq)+3e-

　　阴极(Al)：2H2O+2e- →H2↑+2OH-电絮凝净化污水过程机理如图1所示。

图１  电絮凝过程机理

　　(1)絮凝作用：阳极发生氧化反应，可溶性金属阳极溶解产生的金属离子在水中发生水解反应，生成一系列多核水解产物，这类物质活性高、吸附能力强，是极好的絮凝剂，与原水中的有机污染物、悬浮物、可溶性污染物、细菌、病毒等结合生成较大絮状体，沉淀到水底被去除。研究表明：金属 Al3+ 与羟基离子水解后形成单络合物，随着羟基铝离子增多，剩余孤对电子，羟基配位能力饱和，可与另一个Al3+ 逐渐聚合为羟基桥联结构，形成2个羟基键桥，从而由单核铝的络合物进行缩聚反应缓慢聚合成表面富含羟基的一系列多核高分子网状聚合物，最终转化成不定型[Al(OH)3]n 高分子絮凝剂。单络合物主要是：Al(OH)2+ 、Al(OH)+和 Al(OH)- ，聚合物主要有：Al2(OH)4+ 、Al2(OH)5+ 、无定形不溶物 Al(OH) 和 AlO。

　　(2)气浮作用：阴极发生还原反应，阴极电解生成的气体以微小气泡的形式出现，与原水中的污染物粘附在一起，在浮力的作用下浮升至水面被去除。该气泡尺寸远远小于加压气浮的气泡尺寸，因此，对有机污染物的去除能力也更强、更彻底。

　　(3)氧化还原作用：在电压作用下，原水中的部分有机物会发生氧化反应，变成低分子有机物，甚至直接被氧化为 CO2 和 H2O;阴极产生的新生态氢，还原能力很强，可与废水中的污染物发生还原反应，降解部分污染物。

　　2 室内实验研究

　　2.1 实验流程

　　室内含油污水处理系统如图2所示。主要设备为自主设计的新型电絮凝装置，其中电极板与电源连接形式如图3所示。

图２  电絮凝含油污水处理系统

图３  电极连接方式

　　.2 实验方法

　　2.2.1 模拟污水

　　在每10L 自来水中加入2g表面活性剂和10g0# 柴油，于 10000r/min 的剪切速度下搅拌 10min，为提高原水电导率，加入20gNaCl，并调节pH 为中性，得到模拟含油污水。初始油质量浓度为600mg/L 左右，浊度为1000NTU 左右。

　　2.2.2 测量方法

　　分别控制装置出入口流速与电流密度进行实验，在取样出口定期抽取20 mL 处理液进行测量。根据石油天然气行业标准SY/T0530—1993油田污水中含油量测定方法，采用 A360 型紫外分光光度计(上海天普分析仪器有限公司生产)，在波 长为220nm 处测定油的质量浓度，计算除油率：

　　式中：C0 为初始污水中油的质量浓度(mg/L);C1为处理后水中含油质量浓度(mg/L)。

　　浊度的测量采用上海仪电科学仪器股份有限公司生产的 WZS-186 型浊度计。电导率采用上海仪电科学仪器股份有限公司生产的 DDSJ-308F 型电导率仪进行测量。根据 GB11901—89 中固体悬浮物的测定方法，采用重量法对污水样中的固体悬浮物进行测量。

　　为保证每次实验条件的一致性，有效进行对比实验，将电极放入丙酮溶液中浸泡10min 后取出，再于5%的稀盐酸中浸泡10min后用海绵擦拭并用自来水冲洗3 次。电解槽用盐酸溶液清洗15min。为保证实验数据的可靠性，每组实验重复3次，相对误差 保 证 不 得 超 过 5%，取 平 均 值 为 最 终 实 验结果。

　　2.3 实验结果

　　2.3.1 电流的影响

　　工况参数：极板间距为1.8cm，投放 NaCl的质量浓度为2g/L，污水初始pH=7，保持流量20L/h不变，设定电流密度分别为23.81、47.62、95.24A/m2，电解200min，考察电流密度对除油率和浊度去除率的影响，实验结果分别如图4、图5所示。

图４  电流密度对除油率的影响

　　由图4、图5 可以看出，当电流密度大于23.81

　　A/m2 时，电解50 min 即可达到稳态;且电流密度越大，达稳态时的处理效果越好，稳态时除油率达

　　90%以上，浊度去除率达97% 以上。根据法拉第定律，电流密度越大，电极反应速度越快，阳极溶解的 Al3+ 量增多，气泡产生速率高。因此水解后形成的絮体增多，生成更多细小气泡，其表面积较大，更容易吸附污染物。具体联系污水宝或参见http://www.dowater.com更多相关技术文档。

　　2.3.2 流量的影响

　　工况参数：极板间距为1.8cm，投放 NaCl的质量浓度为2g/L，污水初始 pH=7，保持电流密度90.48A/m2 不变，设定流量分别为10、20、40L/h，电解200min，考察流量对除油率和浊度去除率的影响，结果分别如图6、图7所示。

图６  处理流量对除油率的影响

　　由图6、图7可以看出，除油率和浊度去除率随处理流量的增大而减小，这是由于处理流量越大，含油污水在装置内的停留时间越短，反应越不充分，处理效果越差。

　　3 现场实验研究

　　现场实验系统如图8～图11所示。

　　3.1 实验方法

图７  处理流量对浊度去除率的影响

图８  一次沉降罐出口管线

图９  含油污水电絮凝净化装置

图１０    絮状物排放井口

图１１    处理后的清水排放井口

　　.1.1 污水特性

　　现场实验地点为胜利油田桩西联合站。实验采用单因素分析法。污水温度为 15～20 ℃，pH 为6.863～7.246，电导率平均值为9 mS/cm，含油量100～300μg/g，浊度平均值 40NTU，固体悬浮物100～200mg/L。

　　3.1.2 测量方法

　　测量方法与室内实验一致。

　　3.2 实验结果

　　3.2.1 电流的影响

　　工况参数：斜管边长为2cm，极板间距为1.8cm，保持站场的污水特性不变，流量固定为10L/h不变，设定电流密度分别为23.81、47.62、95.24A/m2，电解140min，考察电流密度对除油率和浊度去除率的影响，结果如图12～图14所示。

图１２    电流密度对除油率的影响

　　由图12 可以看出，相比电流密度为23.81A/

　　m2 时的处理效果，电流密度为47.62A/m2 时除油率显著增加。当电流密度增大到95.24A/m2 时，电解前期除油率高于47.62A/m2 时的除油率，其余时间除油率基本持平。由图13、图14 可以看出，浊度去除率和固体悬浮物去除率随着电流密度的升

图１３    电流密度对浊度去除率的影响

图１４    电流密度对ＳＳ去除率的影响

　　高有先增大后减小的趋势，这是由于随着电流密度的升高，产生的络合物逐渐增多，去除率不断增大，但装置的沉降能力有限，当电流密度进一步增大时，去除率反而逐渐降低。

　　3.2.2 流量的影响

　　工况参数：斜管边长为2cm，极板间距为1.8cm，保持站场的污水特性 不变，电 流密度固定为47.62A/m2 不变，设定流量分别为10、20、25L/h，电解140min，考察流量对除油率和除浊率的影响，结果如图15～图17所示。

　　由图15、图17可以看出，除油率和固体悬浮物去除率随处理流量的增大而减小，这是由于处理流量越大，污水在装置内的停留时间越短，反应越不充分，并且流速过大产生的络合物来不及沉淀便随水流一起流到装置出口使去除率降低，导致装置处理效果变差。由图16可以看出，3 种工况的处理效果差别不大，规律性不太明显。

　　4 室内外实验结果对比

　　4.1 电流的影响

　　对同样工况的室内外电流的影响进行对比分

图１５    处理流量对除油率的影响

图１６    处理流量对浊度去除率的影响

图１７    处理流量对ＳＳ去除率的影响

　　析，结果如图18、图19所示。

　　由图18、图19可以看出，室内实验的处理效果更好。电流密度越大，室内实验的去除率越高，而现场实验规律恰好相反，原因如下：一是室内配置模拟污水和现场污水性质不同，室内配置的乳状液比较稳定，含油量大，实验过程产生大量泡沫，而现场污水悬浮物含量多，实验过程中产生的絮状物量大，絮状物过量造成斜管的堵塞，使处理效果下降;二是现场实验过程中水源不稳定，含油质量浓度在100～1000mg/L之间变化;三是来水流量不稳定，对实验

图１８    室内和现场除油效果比对

     图１９    室内和现场浊度去除效果比

　　结果造成影响。

　　4.2 流量的影响

　　对同样工况的室内外流量的影响进行对比分析，结果如图20、图21所示。

图２０    室内和现场除油效果比对

　　由图20、图21可以看出，室内实验的处理效果更好，随着处理流量的减小，去除率越高，这是由于流量小，污水的停留时间长，实验过程中产生的大量絮状物有充足的时间沉淀，絮状物不会因为流速过

图２１    室内和现场浊度去除效果比

　　大而被带到出口。

　　4 结论

　　通过室内外实验研究发现，装置存在以下主要问题：

　　(1)斜管沉降工作效率低。斜管沉降区因斜管与装置内壁面之间密封不严，导致斜管沉降区内存在窜流，处理液无法通过斜管流道实现稳定沉降，降低了斜管的沉降效率。

　　(2)絮凝沉降时间短。除因窜流导致的斜管沉降效率低外，装置的絮凝沉降区尺寸不够，无法有效实现反应液中的絮凝体的有效沉降。(来源：中国石油大学（华东）储运与建筑工程学院)       

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