油田污水處理中高壓脈沖電場殺菌方法的研究

湯國強 沙俊杰 黃寶軍

(1.中國石油工程新疆勘察設(shè)計院,新疆 克拉瑪依 834000；2.新疆克拉瑪依三達(dá)有限公司,新疆 克拉瑪依 834000)

油田投入開發(fā)后，隨著開采時間的增長，油層本身能量將不斷地被消耗，致使油層壓力不斷下降，地下原油大量脫氣，粘度增加，油井產(chǎn)量減少，甚至?xí)娡．a(chǎn)，造成地下殘留大量死油采不出來。為了彌補原油采出后所造成的地下虧空，保持或提高油層壓力，實現(xiàn)油田高產(chǎn)穩(wěn)產(chǎn)，并獲得較高的采收率，必須對油田進(jìn)行注水。然而注水溫度和環(huán)境條件適合好氧菌(如腐生菌TGB)及厭氧菌(如硫酸鹽還原菌SRB)等各類細(xì)菌的生長和繁殖，這加劇了生產(chǎn)管線和設(shè)備的腐蝕，而且腐蝕產(chǎn)物、菌體及其代謝物容易堵塞地層，降低油層的滲透率，嚴(yán)重影響開采周期和成本。而油田生產(chǎn)中50%以上的腐蝕是由細(xì)菌引起的，因此殺菌是油田注水過程中至關(guān)重要的一個環(huán)節(jié)。

現(xiàn)有的殺菌方法容易使細(xì)菌產(chǎn)生抗藥性或容易產(chǎn)生有害的副產(chǎn)品造成二次損傷。為此，筆者將脈沖變頻技術(shù)應(yīng)用于油田污水處理中[1]，高壓脈沖發(fā)生器采用氫閘流管技術(shù)和新型脈沖整形電路，通過控制電路實現(xiàn)較寬范圍的脈沖頻率和功率的變化，產(chǎn)生的高壓脈沖電場對細(xì)菌有抑制作用，實現(xiàn)綜合殺菌。

1 高壓脈沖電場殺菌試驗過程①

針對新疆某油田采油二廠51#聯(lián)合站污水處理站過濾器出口處的污水，采用間歇式方法對其進(jìn)行高壓脈沖電場殺菌試驗。

系統(tǒng)采用基于氫閘流管的高壓脈沖電源，其結(jié)構(gòu)如圖1所示。殺菌試驗過程：由控制系統(tǒng)控制可調(diào)直流高壓，通過充電電阻向儲能電容器充電，當(dāng)其電壓達(dá)到設(shè)定值后，由觸發(fā)電路控制氫閘流管按設(shè)定的頻率和脈沖寬度導(dǎo)通，產(chǎn)生的脈沖電壓作用于脈沖變壓器初級并進(jìn)行升壓，輸出的脈沖作用于負(fù)載。反應(yīng)腔由兩個螺旋體(四氟雙螺紋隔離絕緣)組成，一個螺旋體為正極，另一個螺旋體為負(fù)極，菌液從進(jìn)水口流入螺旋體，經(jīng)高壓脈沖電場殺菌后從出水口流出，此結(jié)構(gòu)延長了液體在電場中的作用時間，提高了殺菌效果。

圖1 基于氫閘流管的高壓脈沖電源結(jié)構(gòu)

2 殺菌試驗結(jié)果分析

2.1 脈沖波形

污水處理時間是脈沖數(shù)和脈寬的積，在一定程度上增大脈寬或增加脈沖數(shù)可提高殺菌率。高壓脈沖處理系統(tǒng)的脈沖可以采用指數(shù)衰減波、方波和振蕩波的形式(圖2)。指數(shù)衰減波(圖2b)的單向電壓快速升高至最高值后緩慢衰減至零，因其作用時間短，殺菌效果不理想，其有一個低場強的長波尾，這一過程無實際殺菌效果。方波(圖2a)的實現(xiàn)需要復(fù)雜的脈沖整形過程，但方波可以在整個脈寬時間內(nèi)以最大時間對微生物持續(xù)作用，因此方波的殺菌效果最強[2]，但隨著占空比不斷增加，成本也不斷增加，從而制約了一些電脈沖參數(shù)的指標(biāo)。實際上當(dāng)脈沖的占空比達(dá)到0%～50%時就能滿足殺菌要求，試驗結(jié)果也證明方波的殺菌效果最好，殺菌率可達(dá)99%以上。振蕩波(圖2c)的殺菌效果最差，幾乎為零[3]。

圖2 脈沖波形

2.2 脈沖幅度

電場強度是影響殺菌效果最重要的因素之一。達(dá)到穿透膜電位的臨界值后繼續(xù)增加電場強度時，對象菌存活率明顯下降。試驗表明：隨著脈沖幅度的增加(脈沖幅度越大，電場強度也越高)，SRB的殺菌率變化不是很明顯，但TGB和FB的殺菌率變化卻十分明顯(圖3)。將自行研制的高壓脈沖電源IHV-30從原設(shè)計的30kV提高到50kV時，殺菌效果將會提高，但對于功率和耐壓的要求也會提高，在同樣的處理量情況下，要求電源的功率提高一倍，即在同樣試驗設(shè)備的條件下，處理量要減少一倍。

圖3 脈沖幅度與殺菌效果

2.3 脈沖頻率

脈沖頻率實際上是電場作用時間的問題，由圖4可以看出，頻率太低或太高時殺菌效果都不理想，前者是因為作用時間太短，而后者由于頻率過高降低了對細(xì)菌的沖擊力，即能量減?。活l率在50～200Hz時效果最佳。

圖4 脈沖頻率與殺菌效果

2.4 反應(yīng)腔的形狀和極板間距

反應(yīng)腔的設(shè)計是高壓脈沖電場殺菌技術(shù)的另一項關(guān)鍵技術(shù)，如果能夠以最小的體積讓污水在電場中停留的時間最長，將大幅度提高殺菌效果。經(jīng)反復(fù)現(xiàn)場試驗，筆者設(shè)計了一個高壓螺旋式殺菌反應(yīng)器，一個高200mm的螺旋腔體相當(dāng)于一個高2 000mm的平行盤式反應(yīng)腔，因此高壓螺旋式殺菌反應(yīng)器能夠大幅度提高殺菌效率。

極板間距的調(diào)整也非常重要，一般在處理量為50L/h的前提下，極板間距在3～10mm之間調(diào)整，極板間距太大將導(dǎo)致電源功率不夠，電場強度下降，殺菌效果降低。

3 結(jié)束語

通過分析試驗結(jié)果可知，高壓脈沖電場殺菌技術(shù)用于油田污水處理具有可行性，只要滿足高壓脈沖發(fā)生器波形、幅度、占空比及頻率等技術(shù)參數(shù)的要求和輸出功率與處理量的比例關(guān)系，制作處理量合理的螺旋式反應(yīng)器，殺菌效果就可以保證在99%以上。該方法能夠保證注水質(zhì)量，避免因細(xì)菌腐蝕產(chǎn)生二次污染，同時克服了指數(shù)衰減波和振蕩波影響殺菌效果的難題，能輸出較好的方波，延長電場作用時間。

目前的試驗裝置僅限于小處理量，如果進(jìn)入實際工業(yè)化運行，則需要一個滿足上述條件的大功率高壓脈沖發(fā)生器和大處理量螺旋式反應(yīng)器，同時應(yīng)考慮其在防火防爆場所的安放地點等問題。

[1] 黃俊,王兆安.電力電子變流技術(shù)[M].北京:機械工業(yè)出版社,2011:57～85.

[2] Ma H Z,Wang B.Electrochemical Pilot-scale Plant for Oil Field Produced Wastewater by M/C/Fe Electrodes for Injection[J].Journal of Hazardous Materials,2006,132(2-3):237～243.

[3] 肖明珠,陳光禹,談效華.一種可調(diào)的高壓脈沖發(fā)生器[J].強激光與粒子束,2004,16(5):663～666.