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3D/O3技術對油田壓裂返排液COD的去除效果研究

        目前我國很多油田存在低滲透現象,在石油開采過程中需要使用壓裂工藝改善油層滲透能力,實現油田增產.壓裂作業后返排至地面的壓裂返排液成分復雜、有機物含量高,并具有穩定性高、毒性高等特點,如不經妥善處理排放,將會對周邊的地表水和地下水造成嚴重污染.壓裂返排液的產生量較大,每口壓裂井每天產生和排放的壓裂返排液可達100~200m3,且具有間歇、分散排放的特點,難以進行集中處理,已成為油田水環境的主要污染源.因此迫切需要開發合適的技術進行有效處理.電化學高級氧化技術具有反應條件溫和,操作靈活,可控程度高等優點,易于實現自動化運行,適用于水質水量波動大的廢水處理,有望在壓裂施工現場為壓裂返排液提供一種可行的原位處理技術.

 

        但是常見的二維電極體系,存在電極比表面積小,污染物的降解受傳質限制,處理時間長,電流效率低等缺點.在二維電極間填充活性炭、金屬氧化物等多孔顆粒材料作為粒子電極,可構成三維電極(3D)體系.利用多孔材料的高比面積和吸附能力,可顯著強化污染物的傳質.此外,粒子電極上發生的一系列催化反應,如O2 電化學還原為H2O2(式(1))、H2O2被催化分解產生•OH(式(2)、(3))等,可有效強化系統的氧化能力.在相同的電流條件下,三維電極體系可比二維電極體系提高10%~50%的COD去除率.

 

試劑與材料

本研究中使用的油田壓裂返排液采自勝利油田.顆粒活性炭(GAC,直徑1mm,長度3~7mm)購于麥克林,使用前用超純水徹底清洗三次,然后在40℃下干燥24h 放入干燥器中備用.其他試劑(如硫酸鈉等)均為分析純,購于Sigma-Aldrich.所有溶液均由Thermo Scientific的高純水系統產生的高純水(阻抗18.2MΩ/cm)配制.

水質分析

勝利油田壓裂返排液外觀呈灰黃色,渾濁,表面無明顯浮油,有強烈刺激性氣味.主要水質參數見表1.勝利油田壓裂返排液為酸性,COD 高達6750mg/L,嚴重超出排放標準.此外,壓裂返排液中含有較多的固體懸浮物和表面活性劑,在臭氧曝氣過程中會產生大量泡沫.因此,在3D/O3 等處理實驗前進行了過濾和消泡預處理.

 

結論

1 3D/O3 技術通過耦合三維電極和臭氧氧化技術,在壓裂返排液體積150mL,活性炭30g,電流1A,氣體流速0.5L/min,O3 濃度80mg/L 的條件下,處理3h 可實現78%左右的COD 去除.

2 3D/O3 運行初期, 活性炭吸附是COD 去除的重要機制,運行一段時間后電化學氧化起主導作用.活性炭吸附的有機物可通過電化學氧化等方式被降解,實現活性炭的原位再生.經過多個周期運行,COD 去除率仍可保持60%以上.

3 3D/O3技術可以顯著去除壓裂返排液中的芳香族化合物和類腐殖酸物質,能有效降解大分子有機污染物,提高壓裂返排液的可生化性,降低處理負荷.

 

作者簡介：張一欣(1993-),女,河北邯鄲人,中國礦業大學(北京)碩士研究生,主要研究方向為高級氧化技術.