CN108545824A - 利用有机质降解自供能处理油气田采出水的装置及方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及的是利用有机质降解自供能处理油气田采出水的装置及方法，其中利用有机质降解自供能处理油气田采出水的装置的阳极池、淡化池、阴极池依次相邻衔接布置，淡化池的两个侧面均开有切孔，在切孔处均装配阳离子交换膜；置碳纤维导电刷于阳极池中作为阳极电极，置空气阴极于阴极池中作为阴极电极；正电极组与负电极组在淡化池中平行相间，相邻正电极组和负电极组中间嵌入网眼隔板，网眼隔板由玻璃纤维材料制成，正电极组、负电极组、网眼隔板共同在淡化池中构成多孔电极吸附去离子模块；阳极池、淡化池居、阴极池、原水罐、阳极循环水罐、阴极循环水罐、净化水缓冲罐构建水质循环工艺。本发明从根本上实现系统电吸附脱盐的连续、稳定自供能。

Description

利用有机质降解自供能处理油气田采出水的装置及方法

技术领域：

本发明涉及油气田采出水处理技术，从电吸附脱盐角度淡化高矿化度采出水时，解决如何维持连续性自供能、平衡系统pH值、避免离子交换膜和电极的结垢与变形，以及实现在淡化的同时有效脱除采出水中有机质的技术难题，具体涉及利用有机质降解自供能处理油气田采出水的装置及方法。

背景技术：

油气田在开发过程中会伴随有大量的采出水产生，除了含有石油烃类和机械杂质外，矿化度高、化学需氧量高是这类水质的普遍特性。特别地，随着油田开发进入高含水期及多元化开发方式的推广应用，油田采出水规模在不断增大，同时其性质也变得更为复杂，矿场地面处理过程中面临着净化效果、设施污染、健康环保及经济合理性等多重挑战，使得采出水的处理及回用技术从定型化向系列化、个性化发展成为一种必然趋势。有效降低矿化度、脱除有机质则是采出水除回注地层外进行混配稀释驱油剂等再利用模式可靠实施的基本性需求。另外，如页岩气等非常规油气资源的开发，所普遍采用的水力压裂技术会带来大量淡水资源的消耗，进而使得以返排液为主的采出水处理受到了人们的广泛关注，尽管返排液的矿化度和化学需氧量因不同的页岩气田而各异，但二者的数值基本分别都能达到4个数量级和3个数量级，除了对其进行有效的预处理保障采出水重复应用于压裂时的作业能力外，合理回收这类采出水还可以有效缓解其对当地淡水资源的依存度，同时减少对周围水环境、土壤环境及公共健康的破坏与威胁。一直以来，考虑处理成本和水质指标，针对降低油气田采出水矿化度的淡化处理技术不断被创新、试验及推广应用，如膜蒸馏技术、反渗透技术、正渗透技术、机械蒸汽再压缩技术、臭氧催化氧化技术、电渗析技术及生物技术等（Li Qingfang（李清方），Liu Zhongliang（刘中良），Pang Huizhong（庞会中），Zhang Jian（张建），Zhu Wei（祝威），CIESC Journal（化工学报），2011，62（7）：1963～1969； LuZhengguang（陆争光），Gao Peng（高鹏），Ma Chenbo（马晨波），Han Shanpeng（韩善鹏），WangKun（王坤），Natural Gas and Oil（天然气与石油），2015，33（6）：90～95）。

微生物脱盐燃料电池是近年来发展起来的一项污水处理技术（Ping Qingyun（平青云），Jiang Lingbo（蒋玲波），He Shuqiong（何淑琼），Zhang Ming（张明），Journal of Nanjing Institute of Industry Technology（南京工业职业技术学院学报），2010，10（2）：4~7，23），其在传统微生物燃料电池的阳极室和阴极室之间布置阴离子交换膜和阳离子交换膜，形成一个中间脱盐室，阳离子交换膜将阴极和脱盐室隔开，允许阳离子从脱盐室迁移到阴极，阴离子交换膜则将阳极和脱盐室隔开，允许阴离子从脱盐室迁移到阳极，在阳极室厌氧环境下，产电微生物便能够向阳极转移有机质降解所产生的电子，并通过自供电电路转移到阴极的电子接受体，进而激发脱盐室中阴、阳离子的持续迁移过程，实现水质的淡化。然而，此方法的电化学过程中，在阳极室和阴极室中均会出现pH值的严重失衡，直接恶化微生物降解有机质的产电性能，或加剧离子交换膜和电极的结垢与变形。因此，发明一种利用有机质降解自供能、且能够充分平衡电化学系统pH值来淡化处理油气田采出水的装置及方法，对于助力油气田采出水的高效处理与回用，促进油气田开发地面工程系统规范化、精细化工作的长足发展与环境保护均有着重要的意义，尤其对于当前我国页岩气等非常规油气产业刚刚起步而借鉴于国外市场化技术和设备的背景下，有益于推进我国非常规油气资源开发的自主化发展。

发明内容：

本发明的目的是提供利用有机质降解自供能处理油气田采出水的装置，这种利用有机质降解自供能处理油气田采出水的装置用于解决常规处理技术不同程度上需求额外供能而造成处理成本提高、对采出水预处理工艺要求相对苛刻、且难以在降低水质矿化度的同时有效脱除有机质的问题，尤其是应对常规微生物脱盐燃料电池在淡化处理高矿化度油气田采出水运行中阴、阳极室pH值失衡、离子交换膜与电极结垢、变形严重、以及微生物降解有机质产电性能恶化而带来系统自供能不稳定、缺乏连续性的问题。

本发明解决其技术问题所采用的技术方案是：这种利用有机质降解自供能处理油气田采出水的装置包括阳极池、淡化池、阴极池、电源数据采集系统、短路控制开关、原水罐、阳极循环水罐、阴极循环水罐、净化水缓冲罐，阳极池、淡化池、阴极池依次相邻衔接布置，淡化池的两个侧面均开有切孔，在切孔处均装配阳离子交换膜；置碳纤维导电刷于阳极池中作为阳极电极，置空气阴极于阴极池中作为阴极电极；正电极组与负电极组在淡化池中平行相间、居中布置，相邻正电极组和负电极组中间嵌入网眼隔板，网眼隔板由玻璃纤维材料制成，通过悬挂支架稳定，正电极组、负电极组、网眼隔板共同在淡化池中构成多孔电极吸附去离子模块；通过钛丝将阳极池中的碳纤维导电刷和淡化池中的负电极组相连，通过钛丝将阴极池中的空气阴极和淡化池中的正电极组相连，电源数据采集系统相接于阳极池和阴极池的外部电路；短路控制开关连接于正电极组和负电极组之间；原水罐和净化水缓冲罐均与淡化池的上部相接，原水罐还分别与阳极循环水罐和阴极循环水罐连接，阳极循环水罐通过一组循环泵和电磁流量计连接阳极池，阴极循环水罐通过另一组循环泵和电磁流量计连接阴极池；淡化池的排水通过管线汇入净化水缓冲罐中，同时在该管线上设置采样阀，阳极池和阴极池的排水汇入原水罐中。

上述方案中阳极池、淡化池、阴极池均为等高立方体结构，三者的容积比为1:2:1，切孔的直径为淡化池高度的1/2。

上述方案中相邻的正电极组和负电极组的间距为淡化池长度的1/8。

上述方案中正电极组、负电极组、网眼隔板均为椭圆形，三者长轴长均为淡化池高度2/3、短轴长均为淡化池宽度1/2，网眼隔板孔径为5µm。

上述利用有机质降解自供能处理油气田采出水的装置处理油气田采出水的方法：

（一）有机质降解供能处理采出水系统装配：将采用聚碳酸酯材料的三个等高立方体结构池分别作为处理系统的阳极池、淡化池和阴极池，三者的容积比为1:2:1，按照三者相邻衔接进行布局，同时，淡化池的两个侧面相同空间部位均开等径的切孔，使相邻衔接后互相之间连通，在切孔连通位置均装配上阳离子交换膜，使淡化池与阳极池、淡化池与阴极池之间相分隔；

（二）阴、阳电极选择及其产电自适应：阳极池中选择碳纤维导电刷作为阳极电极，阴极池中选择以碳布为材料的空气电极作为阴极电极，将活性污泥作为燃料与阳极生长液相混合加入到阳极池，阳极池为厌氧池，将阴极电解液加入到阴极池，在厌氧环境下激发产电微生物的快速增长，并自适应阴、阳极间电压的形成；

（三）集成于处理系统布局装配的多孔电极吸附去离子模块构建：在淡化池中平行相间、等距、居中布置两组同规格椭圆形集电板，集电板采用活性碳布涂层，进而一组作为多孔正电极，另一组作为多孔负电极，同时，为了防止正、负电极组间短路，并促进采出水中矿物离子迁移，所有正电极和负电极中间交错嵌入等表面积的椭圆形网眼隔板，共同构成多孔电极吸附去离子模块；

（四）自供电电路及采出水循环工艺设计：通过钛丝将阳极池中的碳纤维导电刷和淡化池中的负电极组相连，通过钛丝将阴极池中的空气阴极和淡化池中的正电极组相连，构成自供电电路；为了促进介质传递、保证与阳极池微生物的充分接触、并增加阴极池中的溶氧量，由原水罐供给的采出水在阳极池与阳极循环水罐实时循环，在阴极池与阴极循环水罐实时循环，处理后水通过调控循环至淡化池进行多孔电极再生，或继续进行水质的多次深度电吸附脱盐处理；

（五）稳定、连续自供电获取及采出水中矿物离子迁移与电吸附的实现：经预处理脱除悬浮杂质的已知矿化度和化学需氧量的采出水从原水罐泵入淡化池，同时经由阳极循环水罐、阴极循环水罐顶替阴、阳极电解液，在阴极池，采出水与空气阴极频繁接触、扰动溶氧，在阳极池，采出水中自身有机质充分传递，并多点接触产电自适应过程中培养的微生物，开启持续的阴、阳极电化学反应；

阳极产生的电子从碳纤维导电刷传输到多孔电极吸附去离子模块的负电极组，为了维持电中性，电子又陆续从多孔电极吸附去离子模块的正电极组转移向空气阴极，稳定、连续的电压形成，微生物降解采出水中有机质自供电被获取；阳极产生的H⁺则通过阳离子交换膜迁移至阴极池，促进空气阴极的电化学反应平衡向着正反应方向移动；

同时，多孔电极中负电极组通过电吸附去除采出水中的矿物阳离子，多孔电极中正电极组则通过电吸附去除矿物阴离子，实现采出水中矿物离子的有序转移与电吸附脱除；

随着电吸附脱盐的进行，采样分析淡化池中处理采出水的电导率，至电导率变化趋于平衡时，测试水质矿化度和化学需氧量，计算脱盐率和化学需氧量去除率，完成一次处理过程，淡化池排水至净化水缓冲罐，通过记录处理时间，可得到有机质降解自供能处理采出水的效率；

重复步骤（一）～（五），利用有机质降解自供能淡化处理另一矿化度和化学需氧量特性的采出水；

（六）多孔电极的再生及采出水循环深度处理：闭合短路控制开关，使多孔电极吸附去离子模块短路，然后利用净化水缓冲罐中的处理后水就地冲洗淡化池，并排至原水罐，实现多孔电极的再生，完成一次处理后的采出水泵入淡化池，继续进行二次深度处理；

重复该步骤，实现多孔电极的多次再生及采出水多轮次循环深度处理。

上述方案中碳纤维导电刷利用丙酮清洗后在300～400℃下烘干20min，以碳布为电极材料的空气阴极依次采用Pt/C催化剂和聚四氟乙烯扩散层涂层。

上述方案中步骤（二）中阳极生长液组成为：10000mg/L Na₂HPO₄、5000mg/LNaH₂PO₄·H₂O、1500mg/L NaCH₃COO、650mg/L NH₄Cl、250mg/L KCl、1%维生素生长因子、1%痕量金属，阴极电解液组成为：18500mg/L Na₂HPO₄、10000mg/L NaH₂PO₄·H₂O；活性污泥取自于油气田污水处理站。

上述方案中阳极循环水罐与阳极池、阴极循环水罐与阴极池的循环水流速均控制在0.3m/s。

上述方案中多孔电极吸附去离子模块中正电极组、负电极组再生的短路时间为30min。

上述方案中采出水电导率利用电导率仪分析，测试水质矿化度采用离子色谱法，测试化学需氧量采用高锰酸钾法。

本发明具有以下有益效果：

（一）本发明对有机质降解供能处理采出水系统布局的设计，创新性考虑了阳极池和阴极池pH值的平衡，相比于阴离子交换膜与阳离子交换膜的相配合布置，设计均以阳离子交换膜来相分隔淡化池与阳极池及淡化池与阴极池，既避免了阳极池中有机质降解产生的H⁺不能够迁移而导致其浓度增大、pH值降低、微生物生长不利、产电供应稳定性缺少保障的问题，又实现了对阴极池H⁺消耗的自发补给，有效保证了微生物氧化降解有机质形成稳定电势并取得电化学系统内部供电的连续性，同时应对了阴极池pH值上升、碱性增强对离子交换膜和电极寿命的潜在威胁。

（二）本发明在装配有机质降解供能处理采出水系统总体布局的基础上，通过在淡化池中集成构建多孔电极吸附去离子模块，使正极吸附矿物阴离子，负极吸附矿物阳离子，促进“双电层”形成，阻止了采出水中的盐分向阳极池和阴极池转移，相比于依靠阴、阳离子交换膜激发淡化池中阳离子、阴离子迁移而进行水质的脱盐更有益于提高处理效率、增加处理规模、改善处理效果、减缓离子交换膜与电极的结垢、变形。

（三）本发明在阳极厌氧池通过微生物氧化降解采出水中自身含有的有机质形成电势，由于激活了系统产电的自适应，且阳极池和阴极池均具有了与外置采出水实时循环的设计，使得采出水处理过程中介质传递及阴、阳极电化学反应被持续促进，且系统的pH值由于阳离子交换膜的创新布局而被维持了平衡，有益于从根本上实现系统电吸附脱盐的连续、稳定自供能。

（四）本发明在微生物产电获取中充分就地氧化降解采出水中自身含有的有机质，相比于单一的淡化或去除有机物的技术方法，能够有效实现采出水中无机盐分和有机质的同时脱除，取得降低水质矿化度和化学需氧量的双重效果，保证了采出水的处理深度和质量。

（五）本发明方法科学，原理明确、可行，装置结构合理，能克服常规处理技术对外部供能需求及对采出水预处理相对苛刻所存在的缺陷，同时突破一直以来微生物脱盐燃料电池主要依靠阳离子、阴离子在阴、阳离子交换膜上迁移而淡化水质，以及难以同步降低水质矿化度、脱除有机质的局限，有效提供一种利用有机质降解自供能处理油气田采出水的装置及方法，科学性、可操作性及实用性强。

（六）本发明填补了运用科学化装置及方法从微生物氧化降解采出水中有机质角度实现连续、稳定自供能处理油气田采出水的空白，是生物技术与电吸附技术的有机结合，能够为高矿化度采出水电吸附脱盐提供科学手段和一体化工艺，也可为油气田采出水综合处理技术的进一步拓展提供有效途径，既可应用于常规油气田采出水回用的高效处理，又可推广应用到页岩气等非常规油气资源开发压裂返排液的处理中。

附图说明

图1为本发明利用有机质降解自供能处理油气田采出水的装置的示意图。

图中：1阳极池 2淡化池 3阴极池 4阳离子交换膜 5多孔电极吸附去离子模块 6正电极组 7负电极组 8网眼隔板 9原水罐 10阳极循环水罐 11阴极循环水罐 12净化水缓冲罐 13碳纤维导电刷 14空气阴极 15电源数据采集系统 16短路控制开关 17循环泵 18增压泵 19电磁流量计 20采样阀 21悬挂支架。

具体实施方式

下面结合附图对本发明做进一步的说明：

如图1所示，这种利用有机质降解自供能处理油气田采出水的装置包括等高立方体结构的阳极池1、淡化池2和阴极池3，三者的容积比为1:2:1，按照淡化池2居中、左右分别为阳极池1和阴极池3进行相邻衔接布局，且在阳极池1、淡化池2和阴极池3一侧面相同空间部位均开有直径为立方体结构高度1/2的的切孔，使相邻衔接后互相之间连通，但为了开启阴、阳极电化学反应，平衡系统的pH值，在切孔连通位置均装配上阳离子交换膜4，使淡化池2与阳极池1、淡化池2与阴极池3之间相分隔；置碳纤维导电刷13于阳极池1中作为阳极电极，置空气阴极14于阴极池3中作为阴极电极；长轴长为立方体结构淡化池2高度2/3、短轴长为立方体结构淡化池2宽度1/2的椭圆形正电极组6与负电极组7在淡化池2中平行相间、居中布置，其中，互相之间间距为立方体结构淡化池2长度的1/8，同时，为了防止正电极组6和负电极组7之间短路，并促进采出水中矿物离子的迁移，所有正电极和负电极中间交错嵌入与电极等表面积的椭圆形网眼隔板8，其中网眼隔板8为具有绝缘、能够吸收来水冲击能量及增加阴、阳离子迁移与电极有效吸附接触面积的玻璃纤维材料，孔径大小为5µm，且与正电极组6、负电极组7相交错一并通过悬挂支架21稳定，共同在淡化池2中构成多孔电极吸附去离子模块5；为了实现给淡化池2中的电吸附过程供能，通过钛丝将阳极池1中的碳纤维导电刷13和淡化池2中的负电极组7相连，将阴极池3中的空气阴极14和淡化池2中的正电极组6相连，并将电源数据采集系统15相接于阳极池1和阴极池3的外部电路，用以监测供电电路电压；短路控制开关16连接于正电极组6和负电极组7之间，满足多孔电极再生时对多孔电极吸附去离子模块5的短路控制；原水罐9和净化水缓冲罐12均通过出水管线和增压泵18与淡化池2的上部相接，进行给水，同时，原水罐9相连于阳极循环水罐10和阴极循环水罐11，实现对阳极池1和阴极池3的供水，阳极循环水罐10和阴极循环水罐11又分别通过循环泵17和电磁流量计19相连于阳极池1与阴极池3，满足介质传递、有机质与微生物充分接触、溶氧量增加、促进阳极池1和阴极池3电化学反应平衡持续向正反应方向移动而对水质实时循环的需要；淡化池2的排水通过管线和增压泵18汇入净化水缓冲罐12中，同时在管线上设置采样阀20，满足对处理后采出水取样分析的需要，阳极池1和阴极池3的排水则通过管线和增压泵18汇入原水罐9中。

自供电电路的电压采用电源数据采集系统实时监测。

基于上述装置，上述利用有机质降解自供能处理油气田采出水的方法依次为有机质降解供能处理采出水系统装配，阴、阳电极选择及其产电自适应，集成于处理系统布局装配的多孔电极吸附去离子模块5构建，自供电电路及采出水循环工艺设计，稳定、连续自供电获取及采出水中矿物离子迁移与电吸附的实现，以及多孔电极的再生及采出水循环深度处理。具体为:

（一）将采用聚碳酸酯材料的三个等高立方体结构池分别作为处理系统的阳极池1、淡化池2和阴极池3，按照三者相邻衔接进行布局，池间切孔连通位置均装配上阳离子交换膜4，使淡化池2与阳极池1、淡化池2与阴极池3之间相分隔。

（二）完成有机质降解供能处理采出水系统的装配后，选择碳纤维导电刷13作为阳极电极，选择以碳布为材料的空气阴极14作为阴极电极，并制备电解液：

阳极生长液：10000mg/L Na₂HPO₄+5000mg/L NaH₂PO₄·H₂O+1500mg/L NaCH₃COO+650mg/L NH₄Cl+250mg/L KCl+1%维生素生长因子+1%痕量金属

阴极电解液：18500mg/L Na₂HPO₄+10000mg/L NaH₂PO₄·H₂O

将取自于油气田污水处理站的活性污泥与阳极生长液相混合加入到阳极池1，将阴极电解液加入到阴极池3，在厌氧环境下激发产电微生物的快速增长，创设阴、阳极间电压的自适应。

（三）在淡化池2中平行相间、等距、居中布置两组同规格椭圆形集电板，集电板采用活性碳布涂层，进而一组作为多孔正电极，另一组作为多孔负电极。同时，为了防止正电极组6、负电极组7间短路，并促进采出水中矿物离子迁移，所有正电极和负电极中间交错嵌入等表面积、孔径为5µm的椭圆形网眼隔板8，共同构成多孔电极吸附去离子模块5。

（四）在构建集成于处理系统布局装配的多孔电极吸附去离子模块5后，利用钛丝将阳极池1中的碳纤维导电刷13和淡化池2中的负电极组7相接，同样利用钛丝将阴极池3中的空气阴极14和淡化池2中的正电极组6相接，进而构成完整的自供电电路。

（五）稳定、连续自供电获取及采出水中矿物离子迁移与电吸附的实现：由原水罐9向淡化池2中供给已知矿化度和化学需氧量的待处理采出水，同时，原水罐9供给的待处理采出水在阳极池1和阴极池3均各与外置的阳极循环水罐10和阴极循环水罐11实时循环，通过循环泵17和电磁流量计19控制循环水流速均为0.3m/s，从而在顶替阴、阳极电解液的同时，促进介质的传递、保证与阳极池1微生物的充分接触、并增加阴极池3中的溶氧量、促进电化学反应平衡持续向正反应方向移动，自供能处理采出水过程开始，即：在阴极池3，采出水与空气阴极频繁接触、扰动溶氧，在阳极池1，采出水中自身有机质充分传递，并多点接触产电自适应过程中培养的微生物，开启持续的阴、阳极电化学反应：

阳极：

阴极：

阳极产生的电子从碳纤维导电刷13传输到多孔电极吸附去离子模块5的负电极组7，为了维持电中性，电子又陆续从多孔电极吸附去离子模块5的正电极组7转移向空气阴极14，稳定、连续的电压形成，微生物降解采出水中有机质自供电被获取。

于是，阳极产生的H⁺则通过阳离子交换膜4迁移至阴极池3，进一步促进空气阴极14的电化学反应平衡向着正反应方向移动，阳极池1、阴极池3的pH值继而也被自发维持平衡。

此时，多孔负电极组7便通过自供电吸附去除采出水中的矿物阳离子，多孔正电极组6则通过自供电吸附去除矿物阴离子，辅以网眼隔板8对水流冲击能量的吸收及对多孔电极有效吸附接触面积的拓展，大幅度实现采出水中矿物离子的有序转移与电吸附脱除。

随着电吸附脱盐的进行，打开采样阀20采集水样，利用电导率仪分析淡化池2中处理采出水的电导率，至电导率变化趋于平衡时，采样测试水质的矿化度和化学需氧量，计算脱盐率和化学需氧量去除率。

完成一次处理过程，淡化池2中的水排至净化缓冲罐12，通过记录处理时间，可得到有机质降解自供能处理采出水的效率。

重复（一）～（五）的方法和过程，利用有机质降解自供能淡化处理另一矿化度和化学需氧量特性的采出水。

（六）完成某矿化度和化学需氧量采出水一次处理后，闭合相接于正电极组6和负电极组7之间的短路控制开关16半小时时间，制造多孔电极吸附去离子模块5短路，然后就地将净化缓冲罐12中的处理后水泵入淡化池2进行冲洗，并排至原水罐9，实现多孔电极的再生。

重复（一）～（六）的方法和过程，完整结束利用有机质降解自供能一次淡化处理某矿化度和化学需氧量采出水的操作。

（七）将完成一次处理后的采出水泵入淡化池2，其它操作维持不变，继续进行二次深度处理。

重复（六）～（七）的方法和过程，实现多孔电极的多次再生及采出水多轮次循环深度处理。

由此，通过采出水处理系统装配，阴、阳电极选择及其产电自适应过程创设，多孔电极吸附去离子模块5构建，自供电电路及采出水循环工艺搭建，稳定、连续自供电获取与采出水中矿物离子的迁移和电吸附，有效实现利用微生物降解采出水中自身有机质进行自供能处理油气田采出水。

本发明很好地应对了目前常规处理技术不同程度上需求额外供能而造成处理成本提高、对采出水预处理工艺要求相对苛刻、且难以在降低水质矿化度的同时有效脱除有机质的问题，尤其是解决了常规微生物脱盐燃料电池在淡化处理高矿化度油气田采出水运行中阴、阳极室pH值失衡、离子交换膜与电极结垢、变形严重、以及微生物降解有机质产电性能恶化而带来系统自供能不稳定、缺乏连续性的问题。形成了稳定、连续自供电获取及采出水中矿物离子迁移与电吸附脱盐实现的方法，建立了利用有机质降解自供能处理油气田采出水的装置及一体化工艺，能够满足吸附电极的再生需要及水质多轮次循环深度，取得降低水质矿化度和化学需氧量的双重效果。方法原理明确、思路清晰、过程科学、装置结构合理、操作简单易行，便于在常规油气田采出水回用处理及页岩气等非常规油气资源开发压裂返排液处理中推广应用, 有助于进一步拓展油气田采出水综合处理的途径，促进油气资源开发配套技术的自主化发展。

本发明具有适应于高矿化度、高有机质含量采出水自供能电吸附脱盐处理的优点，便于在油气田采出水回用深度处理工艺中选择应用，特别是在页岩气等非常规油气资源开发压裂返排液的处理中推广应用。

Claims (10)

1.一种利用有机质降解自供能处理油气田采出水的装置，其特征在于：这种利用有机质降解自供能处理油气田采出水的装置包括阳极池（1）、淡化池（2）、阴极池（3）、电源数据采集系统（15）、原水罐（9）、阳极循环水罐（10）、阴极循环水罐（11）、净化水缓冲罐（12），阳极池（1）、淡化池（2）、阴极池（3）依次相邻衔接布置，淡化池（2）的两个侧面均开有切孔，在切孔处均装配阳离子交换膜（4）；置碳纤维导电刷（13）于阳极池（1）中作为阳极电极，置空气阴极（14）于阴极池（3）中作为阴极电极；正电极组（6）与负电极组（7）在淡化池（2）中平行相间、居中布置，相邻的正电极组（6）和负电极组（7）中间嵌入网眼隔板（8），网眼隔板（8）由玻璃纤维材料制成，通过悬挂支架（21）稳定，正电极组（6）、负电极组（7）、网眼隔板（8）共同在淡化池（2）中构成多孔电极吸附去离子模块（5）；通过钛丝将阳极池（1）中的碳纤维导电刷（13）和淡化池（2）中的负电极组（7）相连，通过钛丝将阴极池（3）中的空气阴极（14）和淡化池（2）中的正电极组（6）相连，电源数据采集系统（15）相接于阳极池（1）和阴极池（3）的外部电路；短路控制开关（16）连接于正电极组（6）和负电极组（7）之间；原水罐（9）和净化水缓冲罐（12）均与淡化池（2）的上部相接，原水罐（9）还分别与阳极循环水罐（10）和阴极循环水罐（11）连接，阳极循环水罐（10）通过一组循环泵（17）和电磁流量计（19）连接阳极池（1），阴极循环水罐（11）通过另一组循环泵（17）和电磁流量计（19）连接阴极池（3）；淡化池（2）的排水通过管线汇入净化水缓冲罐（12）中，同时在该管线上设置采样阀（20），阳极池（1）和阴极池（3）的排水汇入原水罐（9）中。

2.根据权利要求1所述的利用有机质降解自供能处理油气田采出水的装置，其特征在于：所述的阳极池（1）、淡化池（2）、阴极池（3）均为等高立方体结构，三者的容积比为1:2:1，切孔的直径为淡化池（2）高度的1/2。

3.根据权利要求2所述的利用有机质降解自供能处理油气田采出水的装置，其特征在于：所述的相邻的正电极组（6）和负电极组（7）的间距为淡化池（2）长度的1/8。

4.根据权利要求3所述的利用有机质降解自供能处理油气田采出水的装置，其特征在于：所述的正电极组（6）、负电极组（7）、网眼隔板（8）均为椭圆形，三者长轴长均为淡化池（2）高度2/3、短轴长均为淡化池（2）宽度1/2，网眼隔板（8）孔径为5µm。

5.一种权利要求1-4利用有机质降解自供能处理油气田采出水的装置处理油气田采出水的方法，其特征在于：

（一）有机质降解供能处理采出水系统装配：将采用聚碳酸酯材料的三个等高立方体结构池分别作为处理系统的阳极池（1）、淡化池（2）和阴极池（3），三者的容积比为1:2:1，按照三者相邻衔接进行布局，同时，淡化池（2）的两个侧面相同空间部位均开等径的切孔，使相邻衔接后互相之间连通，在切孔连通位置均装配上阳离子交换膜（4），使淡化池（2）与阳极池（1）、淡化池（2）与阴极池（3）之间相分隔；

（二）阴、阳电极选择及其产电自适应：阳极池（1）中选择碳纤维导电刷（13）作为阳极电极，阴极池（3）中选择以碳布为材料的空气电极作为阴极电极，将活性污泥作为燃料与阳极生长液相混合加入到阳极池（1），阳极池（1）为厌氧池，将阴极电解液加入到阴极池（3），在厌氧环境下激发产电微生物的快速增长，并自适应阴、阳极间电压的形成；

（三）集成于处理系统布局装配的多孔电极吸附去离子模块（5）构建：在淡化池（2）中平行相间、等距、居中布置两组同规格椭圆形集电板，集电板采用活性碳布涂层，进而一组作为多孔正电极，另一组作为多孔负电极，同时，为了防止正电极组（6）、负电极组（7）间短路，并促进采出水中矿物离子迁移，所有正电极和负电极中间交错嵌入等表面积的椭圆形网眼隔板（8），共同构成多孔电极吸附去离子模块（5）；

（四）自供电电路及采出水循环工艺设计：通过钛丝将阳极池（1）中的碳纤维导电刷（13）和淡化池（2）中的负电极组（7）相连，通过钛丝将阴极池（3）中的空气阴极（14）和淡化池（2）中的正电极组（6）相连，构成自供电电路；为了促进介质传递、保证与阳极池（1）微生物的充分接触、并增加阴极池（3）中的溶氧量，由原水罐（9）供给的采出水在阳极池（1）与阳极循环水罐（10）实时循环，在阴极池（3）与阴极循环水罐（11）实时循环，处理后水通过调控循环至淡化池（2）进行多孔电极再生，或继续进行水质的多次深度电吸附脱盐处理；

（五）稳定、连续自供电获取及采出水中矿物离子迁移与电吸附的实现：经预处理脱除悬浮杂质的已知矿化度和化学需氧量的采出水从原水罐（9）泵入淡化池（2），同时经由阳极循环水罐（10）、阴极循环水罐（11）顶替阴、阳极电解液，在阴极池（3），采出水与空气阴极（14）频繁接触、扰动溶氧，在阳极池（1），采出水中自身有机质充分传递，并多点接触产电自适应过程中培养的微生物，开启持续的阴、阳极电化学反应；

阳极产生的电子从碳纤维导电刷（13）传输到多孔电极吸附去离子模块（5）的负电极组（7），为了维持电中性，电子又陆续从多孔电极吸附去离子模块（5）的正电极组（6）转移向空气阴极（14），稳定、连续的电压形成，微生物降解采出水中有机质自供电被获取；阳极产生的H⁺则通过阳离子交换膜（4）迁移至阴极池（3），促进空气阴极（14）的电化学反应平衡向着正反应方向移动；

同时，多孔电极（）中负电极组（7）通过电吸附去除采出水中的矿物阳离子，多孔电极中正电极组（6）则通过电吸附去除矿物阴离子，实现采出水中矿物离子的有序转移与电吸附脱除；

随着电吸附脱盐的进行，采样分析淡化池（2）中处理采出水的电导率，至电导率变化趋于平衡时，测试水质矿化度和化学需氧量，计算脱盐率和化学需氧量去除率，完成一次处理过程，淡化池（2）排水至净化水缓冲罐（12），通过记录处理时间，可得到有机质降解自供能处理采出水的效率；

重复步骤（一）～（五），利用有机质降解自供能淡化处理另一矿化度和化学需氧量特性的采出水；

（六）多孔电极的再生及采出水循环深度处理：闭合短路控制开关（16），使多孔电极吸附去离子模块（5）短路，然后利用净化水缓冲罐（12）中的处理后水就地冲洗淡化池（2），并排至原水罐（9），实现多孔电极的再生，完成一次处理后的采出水泵入淡化池（2），继续进行二次深度处理；

重复该步骤，实现多孔电极的多次再生及采出水多轮次循环深度处理。

6.根据权利要求5所述的利用有机质降解自供能处理油气田采出水的装置，其特征在于：所述的碳纤维导电刷（13）利用丙酮清洗后在300～400℃下烘干20min，以碳布为电极材料的空气阴极（14）依次采用Pt/C催化剂和聚四氟乙烯扩散层涂层。

7.根据权利要求6所述的利用有机质降解自供能处理油气田采出水的装置，其特征在于：所述的步骤（二）中阳极生长液组成为：10000mg/L Na₂HPO₄、5000mg/L NaH₂PO₄·H₂O、1500mg/L NaCH₃COO、650mg/L NH₄Cl、250mg/L KCl、1%维生素生长因子、1%痕量金属，阴极电解液组成为：18500mg/L Na₂HPO₄、10000mg/L NaH₂PO₄·H₂O；活性污泥取自于油气田污水处理站。

8.根据权利要求7所述的利用有机质降解自供能处理油气田采出水的装置，其特征在于：所述的阳极循环水罐（10）与阳极池（1）、阴极循环水罐（11）与阴极池（3）的循环水流速均控制在0.3m/s。

9.根据权利要求8所述的利用有机质降解自供能处理油气田采出水的装置，其特征在于：所述的多孔电极吸附去离子模块（5）中正电极组（6）、负电极组（7）再生的短路时间为30min。

10.根据权利要求9所述的利用有机质降解自供能处理油气田采出水的装置，其特征在于：所述的采出水电导率利用电导率仪分析，测试水质矿化度采用离子色谱法，测试化学需氧量采用高锰酸钾法。