嚴(yán)忠 陳玉萍 馬曉峰 劉鵬飛

中國(guó)石油新疆油田公司實(shí)驗(yàn)檢測(cè)研究院

電解鹽水殺菌技術(shù)在新疆油田污水處理中的應(yīng)用

嚴(yán)忠 陳玉萍 馬曉峰 劉鵬飛

中國(guó)石油新疆油田公司實(shí)驗(yàn)檢測(cè)研究院

新疆油田含油污水中細(xì)菌含量高，使用常規(guī)化學(xué)殺菌劑效果不好，并且單位處理成本較高，給油田安全生產(chǎn)帶來(lái)一定的影響。為解決上述問題，油田公司開展了電解鹽水殺菌技術(shù)應(yīng)用性評(píng)價(jià)工作，分別對(duì)其殺菌效果、加藥濃度、生產(chǎn)成本、系統(tǒng)的腐蝕性以及油田處理站內(nèi)使用的安全性進(jìn)行了理論和實(shí)踐研究?，F(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)結(jié)果表明，電解鹽水殺菌裝置在合適的條件下，可將油田回注污水中細(xì)菌含量控制在注水標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定的要求內(nèi)，充分體現(xiàn)了該殺菌技術(shù)殺菌效果好，且經(jīng)濟(jì)、環(huán)保、可靠。

電解殺菌 細(xì)菌 污水處理 應(yīng)用

油田回注污水中存在著大量的硫酸鹽還原菌（SRB）、腐生菌（TGB）和鐵細(xì)菌（FB），這些菌類繁殖很快，造成水中生物學(xué)指標(biāo)超標(biāo)，引起注入油田地層的水質(zhì)變黑，加快管線腐蝕和造成地層堵塞，嚴(yán)重影響油田生產(chǎn)［1－4］。

新疆油田雖然采用常規(guī)投加化學(xué)藥劑的方法進(jìn)行處理取得了一些成果，但由于細(xì)菌的抗藥性及運(yùn)行成本較高，很難長(zhǎng)期堅(jiān)持下去。為了有效解決油田污水中細(xì)菌含量超標(biāo)嚴(yán)重的問題，全面提高注水質(zhì)量，新疆油田早在2005年相繼在新疆油田不同區(qū)塊，對(duì)電解殺菌（電解鹽水和水中Cl－）技術(shù)和二氧化氯技術(shù)展開了對(duì)比試驗(yàn)與評(píng)價(jià)，以便找到一種經(jīng)濟(jì)、高效的殺菌處理技術(shù)與方法。

1 電解鹽水殺菌原理及現(xiàn)場(chǎng)工藝流程

1.1 電解鹽水殺菌原理

電解鹽水殺菌是一項(xiàng)成熟的殺菌技術(shù)，其主要生成物次氯酸鈉是一種氧化劑，在水中形成次氯酸，作用于菌體蛋白質(zhì)。次氯酸不僅可與細(xì)胞壁發(fā)生作用，且因分子小，不帶電荷，故侵入細(xì)胞內(nèi)與蛋白質(zhì)發(fā)生氧化作用或破壞其磷酸脫氫酶，使糖代謝失調(diào)而致細(xì)胞死亡［5－7］。

電解鹽水殺菌裝置通過(guò)電解含有一定氯離子濃度的鹽水，產(chǎn)生次氯酸鈉溶液，加入污水管道中，利用次氯酸根殺死污水中SRB、TGB、FB，從而達(dá)到油田污水在回注地層時(shí)，防止細(xì)菌繁殖生長(zhǎng)產(chǎn)生腐蝕及堵塞現(xiàn)象的目的。其工作原理如下。

含有氯離子的水經(jīng)過(guò)電解槽時(shí)，給電解槽通以直流電，在電解槽內(nèi)產(chǎn)生如下反應(yīng)：

陽(yáng)極反應(yīng)：2Cl－→Cl2＋2e

陰極反應(yīng)：2H2O＋2e→2OH－＋H2↑

極間的化學(xué)反應(yīng)：C12＋H2O→HOCl＋H＋＋Cl－HOCl→H＋＋ClO－

總反應(yīng)：Cl－＋H2O→ClO－＋H2↑（即：NaCl＋H2O→NaClO＋H2↑）

因?yàn)樵摴に囂幱谶B續(xù)運(yùn)行狀態(tài)，不會(huì)使細(xì)菌產(chǎn)生抗藥性。但除上述反應(yīng)之外，由于水中存在鈣、鎂離子，電解時(shí)這些離子會(huì)在電極板上形成鈣和鎂的沉淀物，從而增加電能的消耗。因此，需要通過(guò)酸洗的方法定期消除這些沉淀物。具體裝置工藝流程見圖1。

1.2 現(xiàn)場(chǎng)工藝流程

新疆油田某污水處理站日處理含油污水約3 000 m3，采用“離子調(diào)整旋流反應(yīng)技術(shù)”，污水系統(tǒng)運(yùn)行較平穩(wěn)，處理后水質(zhì)基本滿足注水要求。現(xiàn)場(chǎng)電解鹽水殺菌裝置與污水處理流程的連接見圖2。

1.2.1 電解鹽水裝置技術(shù)性能指標(biāo)

殺菌性能（處理后細(xì)菌含量）：SRB≤102個(gè)／mL、TGB≤102個(gè)／mL、FB≤102個(gè)／mL。

額定處理水量：3 000m3／d。

1.2.2 電解鹽水裝置工作條件及適用范圍

適宜工作溫度：0～55℃

除鹽水壓力：0.2～0.4MPa

除鹽水流量：1.5～2.0m3／h

2 現(xiàn)場(chǎng)應(yīng)用效果與討論

2.1 現(xiàn)場(chǎng)水質(zhì)常規(guī)離子檢測(cè)

現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)分3個(gè)階段，按照注水管網(wǎng)，由近到遠(yuǎn)分別對(duì)3個(gè)監(jiān)測(cè)點(diǎn)進(jìn)行水質(zhì)分析，結(jié)果見表1。

通過(guò)調(diào)整水中余氯含量，各監(jiān)測(cè)點(diǎn)的水質(zhì)常規(guī)離子含量變化不大，各階段所考察的加藥濃度對(duì)處理后水中常規(guī)離子影響不大。

2.2 電解鹽水裝置電解HOCl濃度的檢測(cè)

為了驗(yàn)證試驗(yàn)裝置的電解效率，試驗(yàn)期間，對(duì)該裝置電解次氯酸（HOCl）原液濃度進(jìn)行了不定期取樣分析，其結(jié)果見表2。

表2結(jié)果表明，試驗(yàn)期間，設(shè)備運(yùn)行正常時(shí)，其電解鹽水后的HOCl原液濃度較穩(wěn)定。

2.3 殺菌效果

現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)期間，考慮到水中還原性物質(zhì)及其有機(jī)物對(duì)有效氯的消耗，首先對(duì)電解裝置加藥泵開度進(jìn)行了調(diào)節(jié)，控制泵開度為50%～70%左右，控制清水罐中余氯的質(zhì)量濃度為0.3～1.0mg／L。根據(jù)對(duì)外輸泵出口水質(zhì)的余氯檢測(cè)結(jié)果，調(diào)整泵開度為40%～50%，控制清水罐中余氯的質(zhì)量濃度為0.6～0.8 mg／L。通過(guò)控制水中不同余氯含量，分別考察了污水系統(tǒng)不同監(jiān)測(cè)點(diǎn)出口三菌含量，最終為水中最佳余氯濃度的篩選提供依據(jù)。具體結(jié)果見表3。

表1 不同監(jiān)測(cè)點(diǎn)常規(guī)水質(zhì)分析Table 1 Routine water analysis at different monitoring points

表2 次氯酸儲(chǔ)罐中不同時(shí)間HOCl濃度檢測(cè)結(jié)果Table 2 HOCl concentrations at different time in hypochlorous acid tank （g／L）

表3 新疆某油田污水處理站電解鹽水殺菌裝置應(yīng)用效果數(shù)據(jù)表Table 3 Effects of the brine electrolysis sterilization device at a sewage treatment plant of Xinjiang Oilfield

從表3結(jié)果可以看出，針對(duì)新疆某油田含油污水，由于生成物次氯酸鈉溶液在水中易完全水解成次氯酸，具有較強(qiáng)的氧化性能和極不穩(wěn)定性能，考慮到它能和許多物質(zhì)（Fe2＋、H2S、亞硫酸根離子、有機(jī)化合物及懸浮固體等）發(fā)生反應(yīng)，會(huì)影響其殺菌性能，加上現(xiàn)場(chǎng)水處理流程和長(zhǎng)距離注水管網(wǎng)對(duì)其存在一定的損耗，研究人員根據(jù)來(lái)水中細(xì)菌含量和凈水水質(zhì)的變化情況，將系統(tǒng)水中余氯的質(zhì)量濃度控制在0.2～1.0 mg／L，可確保注水井口細(xì)菌含量達(dá)到注水標(biāo)準(zhǔn)。

2.4 水中余氯腐蝕性研究

水中余氯是強(qiáng)氧化劑，投加到污水處理系統(tǒng)中會(huì)使污水腐蝕性增大。對(duì)現(xiàn)場(chǎng)在用裝置產(chǎn)生的不同余氯進(jìn)行了腐蝕率測(cè)定，結(jié)果見表4。

表4 加藥前后污水腐蝕率監(jiān)測(cè)對(duì)比表Table 4 Comparison of the corrosion rate before and after dosing

從表4結(jié)果可以看出，系統(tǒng)中投加余氯后，隨著水中余氯質(zhì)量濃度的提高，其腐蝕率呈現(xiàn)上升的趨勢(shì)，但是當(dāng)余氯質(zhì)量濃度大于0.6mg／L后，靜態(tài)腐蝕率增加變得不明顯。且隨著注水管線的延伸，水中余氯含量將逐漸有所消耗，使得注水系統(tǒng)后段靜態(tài)腐蝕率有明顯的下降趨勢(shì)。這也說(shuō)明了采用電解殺菌必然會(huì)提高系統(tǒng)局部腐蝕率，只要有針對(duì)性地研究出最佳投藥量，現(xiàn)場(chǎng)使用時(shí)，最終不會(huì)對(duì)注水系統(tǒng)造成較大腐蝕，但必須對(duì)局部采取相應(yīng)的防腐措施。

3 影響電解水殺菌的因素

3.1 pH值、溫度對(duì)殺菌效果的影響

氯的殺菌效果取決于氯以哪種狀態(tài)存在，即取決于pH值。真正起殺菌作用的是HOCl，而不是OCl－，OCl－的殺菌能力只有HOCl殺菌力的1%～2%［8］。不同的pH值其離解作用見表5。有效殺菌所需氯的量是時(shí)間、溫度和pH值的函數(shù)。殺菌效率隨溫度升高而增加，隨pH值升高而降低［9］。具體結(jié)果見表6和圖3。

表5 不同pH值條件下的HOCl的離解Table 5 HOCl dissociation at different pH value（%）

表6 不同pH值條件下10 min殺菌所需的余氯量Table 6 Residual chlorine content after 10－min sterilization at different pH value

3.2 還原性物質(zhì)對(duì)余氯的影響

根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)水質(zhì)特點(diǎn)，主要的還原性物質(zhì)為水中的硫化物（S2－）。為了考察硫化物對(duì)余氯含量的影響，取蒸餾水于室內(nèi)配制不同濃度的硫化物樣品，定量驗(yàn)證水中硫化物對(duì)余氯含量的影響，結(jié)果見表7和圖4。

表7 硫化物對(duì)余氯含量的影響結(jié)果 （mg／L）Table 7 Effect of sulfide on the residual chlorine content

上述結(jié)果表明，隨著硫化物含量的增加，水中余氯含量呈現(xiàn)較為明顯的降低趨勢(shì)，將給后期的殺菌帶來(lái)負(fù)面的影響。

4 成本核算與適用性比較分析

4.1 成本核算

裝置設(shè)計(jì)規(guī)模3 000m3／d，實(shí)際處理量2 500 m3／d（91×104m3／a）。

采用電解鹽水殺菌儀，其成本分析如下：

裝置產(chǎn)氯量1.5kg／h，耗鹽120kg／d，耗電10 kW·h；每天耗鹽費(fèi)用：120kg／d×0.45元／kg＝54元／d；每天耗電費(fèi)用：10kW·h×24h×0.62元／kW＝148.8元／d；每天費(fèi)用合計(jì)：202.8元／d（7.40萬(wàn)元／a）；折舊及維修費(fèi)用：3.5萬(wàn)元／a；單位水殺菌成本為：（7.40＋3.5）萬(wàn)元／a÷（91×104m3／a）＝0.12元／m3。

4.2 適用性比較分析

目前，新疆油田在用和試用的油田注水殺菌裝置有：紫外光殺菌儀、二氧化氯殺菌裝置、電解油田注水殺菌儀等。具體應(yīng)用性能比對(duì)和效益分析見表8。

從表8結(jié)果可以看出，電解鹽水殺菌技術(shù)與其他殺菌技術(shù)相比，具有殺菌效果長(zhǎng)期穩(wěn)定、運(yùn)行成本較低等優(yōu)點(diǎn)。該殺菌技術(shù)與常規(guī)的季銨鹽類殺菌劑相比，其單位運(yùn)行成本低70%左右。

表8 同類型油田水處理裝置適用性和單位運(yùn)行成本比較Table 8 Comparison of availability and operating costs among various sterilization processes

5 結(jié)論

本項(xiàng)技術(shù)已在新疆油田得到全面推廣，通過(guò)油田應(yīng)用效果評(píng)價(jià)，電解鹽水殺菌技術(shù)在污水處理過(guò)程中不僅殺菌效果好，運(yùn)行成本低，而且長(zhǎng)期使用不會(huì)產(chǎn)生抗藥性，裝置運(yùn)行穩(wěn)定。雖然，電解鹽水殺菌技術(shù)增加了污水處理系統(tǒng)局部腐蝕率，但最終不增加對(duì)注水系統(tǒng)的腐蝕，維護(hù)水中余氯的穩(wěn)定性，可保障裝置的殺菌性能穩(wěn)定、長(zhǎng)效、持久。

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Application of brine electrolysis sterilization technology in wastewater treatment of Xinjiang Oilfield

Yan Zhong，Chen Yuping，Ma Xiaofeng，Liu Pengfei
（Test Research Institute，PetroChina Xinjiang Oilfield Company，Karamay834000，China）

In view of high bacteria contents in oily wastewater of Xinjiang Oilfield，poor sterilizing effects using conventional chemical fungicides，and higher unit processing costs，PetroChina Xinjiang Oilfield Company carried out the evaluation of brine electrolysis sterilization technology.The theoretical analysis and experimental practice were conducted on the bactericidal effect，the dosing concentration，production costs，systems corrosion and safety issues in oil processing stations.Field test results showed that with the brine electrolysis sterilization device under the proper conditions，oilfield reinjection sewage bacteria contents could be controlled to satisfy the required water standards.The study showed that the sterilization technology is cost－effective in bacteria control，and is environmentally friendly and reliable.This technology has been widely applied in Xinjiang Oilfield.

electrolysis sterilization，bacterial，sewage treatment，application

嚴(yán)忠（1968－），男，高級(jí)工程師，2003年畢業(yè)于石油大學(xué)石油工程專業(yè)，現(xiàn)從事油田水處理及油田化學(xué)助劑開發(fā)研究。E－mail：yzhong＠petrochina.com.cn

X741

A

10.3969／j.issn.1007－3426.2015.05.023

2015－01－14；編輯：鐘國(guó)利