3D/O3技术对油田压裂返排液COD的去除效果研究

        目前我国很多油田存在低渗透现象,在石油开采过程中需要使用压裂工艺改善油层渗透能力,实现油田增产.压裂作业后返排至地面的压裂返排液成分复杂、有机物含量高,并具有稳定性高、毒性高等特点,如不经妥善处理排放,将会对周边的地表水和地下水造成严重污染.压裂返排液的产生量较大,每口压裂井每天产生和排放的压裂返排液可达100~200m3,且具有间歇、分散排放的特点,难以进行集中处理,已成为油田水环境的主要污染源.因此迫切需要开发合适的技术进行有效处理.电化学高级氧化技术具有反应条件温和,操作灵活,可控程度高等优点,易于实现自动化运行,适用于水质水量波动大的废水处理,有望在压裂施工现场为压裂返排液提供一种可行的原位处理技术.

 

        但是常见的二维电极体系,存在电极比表面积小,污染物的降解受传质限制,处理时间长,电流效率低等缺点.在二维电极间填充活性炭、金属氧化物等多孔颗粒材料作为粒子电极,可构成三维电极(3D)体系.利用多孔材料的高比面积和吸附能力,可显著强化污染物的传质.此外,粒子电极上发生的一系列催化反应,如O2 电化学还原为H2O2(式(1))、H2O2被催化分解产生•OH(式(2)、(3))等,可有效强化系统的氧化能力.在相同的电流条件下,三维电极体系可比二维电极体系提高10%~50%的COD去除率.

 

试剂与材料

本研究中使用的油田压裂返排液采自胜利油田.颗粒活性炭(GAC,直径1mm,长度3~7mm)购于麦克林,使用前用超纯水彻底清洗三次,然后在40℃下干燥24h 放入干燥器中备用.其他试剂(如硫酸钠等)均为分析纯,购于Sigma-Aldrich.所有溶液均由Thermo Scientific的高纯水系统产生的高纯水(阻抗18.2MΩ/cm)配制.

水质分析

胜利油田压裂返排液外观呈灰黄色,浑浊,表面无明显浮油,有强烈刺激性气味.主要水质参数见表1.胜利油田压裂返排液为酸性,COD 高达6750mg/L,严重超出排放标准.此外,压裂返排液中含有较多的固体悬浮物和表面活性剂,在臭氧曝气过程中会产生大量泡沫.因此,在3D/O3 等处理实验前进行了过滤和消泡预处理.

 

结论

1 3D/O3 技术通过耦合三维电极和臭氧氧化技术,在压裂返排液体积150mL,活性炭30g,电流1A,气体流速0.5L/min,O3 浓度80mg/L 的条件下,处理3h 可实现78%左右的COD 去除.

2 3D/O3 运行初期, 活性炭吸附是COD 去除的重要机制,运行一段时间后电化学氧化起主导作用.活性炭吸附的有机物可通过电化学氧化等方式被降解,实现活性炭的原位再生.经过多个周期运行,COD 去除率仍可保持60%以上.

3 3D/O3技术可以显著去除压裂返排液中的芳香族化合物和类腐殖酸物质,能有效降解大分子有机污染物,提高压裂返排液的可生化性,降低处理负荷.

 

作者简介：张一欣(1993-),女,河北邯郸人,中国矿业大学(北京)硕士研究生,主要研究方向为高级氧化技术.