CN109160618B - 一种用于油田废水快速除氧的生物电化学反应器 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种用于油田废水快速除氧的生物电化学反应器，包括内部中空的反应器本体，反应器本体包括由下而上依次连接的进水部、底部阴极区域部、阳极区域部、上部阴极区域部和顶部主体，顶部主体内设置有溢流堰和三相分离器；底部阴极区域部和阳极区域部上均开设有参比电极开口；底部阴极区域部与阳极区域部之间、阳极区域部与上部阴极区域部之间均设置有一个分隔板。本发明提供的用于油田废水快速除氧的生物电化学反应器，通过生物电化学装置高效地对氧气进行分阶段去除，从而能够在较短时间内获得较高的氧气去除率，从而避免氧气对管道的腐蚀作用，可以很好地满足实际应用的需要。

Description

一种用于油田废水快速除氧的生物电化学反应器

技术领域

本发明属于油田废水电化学腐蚀防治技术领域，具体涉及一种用于油田废水快速除氧的生物电化学反应器。

背景技术

近几年来，针对油田系统中由于硫化物造成的设备腐蚀、管道堵塞、滤料污染等危害，可以采用处理效率高、运行成本低、操作方便的空气脱硫塔去除硫化物。空气除硫塔的应用造成后续多级过滤的水处理流程中溶解氧达到0.5～5mg/L，远高于0.05mg/L的回注水标准要求。

注入水中含有溶解氧对注水管道设备及套管会造成严重腐蚀，加速腐蚀的进行；水中溶解氧不仅直接造成管道腐蚀，而且如果钢铁表面有沉积物存在就会形成氧浓度差电池腐蚀，其腐蚀速度相当快。溶解氧对原油开采同样有危害，水中溶解氧进入油层后对水中溶解铁和原油中的甾体进行缓慢的氧化.形成细小的沉淀，导致油层孔隙减小降低原油的采收率。从水源井到注水井直至进入油层之前水都和金属铁接触，而氧腐蚀所形成的氧化物进入地层后，不仅金属氧化物对地层会造成堵塞而且水中铁含量的增加还会对渗透率产生很大的影响。三次采油中的注聚合物驱油提高采收率的广泛应用，亦对水中含氧有严格要求；实验表明：水中溶解氧会氧化聚合物，使高分子的聚合物分子链变短致使粘度变小最终降低了驱油效果。基于上述原因对油田注入水除氧是十分必要的。目前，油田除氧主要采用的是化学法除氧，目前大部分的除氧剂主要成分为亚硫酸钠，由于停留时间有限，除氧剂往往要过量几十到上百倍，成本较高，并且会导致水体中硫氧化物含量激增，而硫氧化物是硫酸盐还原菌生长必不可少的电子受体，会导致后端注水系统SRB大量繁殖，造成二次污染，增加污水处理难度，产生安全环保问题。

微生物氧气还原的研究最初源于研发更高效、低成本的微生物电化学(MFC)用于有机废水产电。好氧电化学还原氧气通常需要依赖于贵金属催化，如铂，这是MFC主要关心的问题。Holmes等人研究表明海洋底泥MFC的生物阴极高度富集了γ-变形菌纲甲基营养菌Methylobacter luteus，而含盐的底泥MFC不管在实际场地还是实验室规模都高度富集了α-变形菌纲玫瑰杆菌属(Roseobacter denitrificans)。研究在开路和闭路状态下，分别接种淡水或者半咸水在碳布和不锈钢上形成的生物膜，通过PCR-DGGE技术分析表明阴极悬浮液中的微生物群落结构与阴极生物膜上不同，而且淡水和半咸水富集的生物膜的群落组成不同。γ-变形菌纲菌株和氰基细菌分别是淡水和半咸水富集生物膜上主要的微生物组成。不锈钢电极恒定在-0.2V对Ag/AgCl参比电极，接种海水富集形成电化学活性氧气还原生物膜。另一研究通过构建16s rRNA基因克隆文库发现氧气还原生物阴极生物膜主要由鞘氨醇杆菌(Sphingobacterium)和拟杆菌属(Bacteroides)细菌组成。与无菌对照实验组相比，分离的无机化能营养细菌属于Sphingobacterium和Acinetobacter可以增加大概3倍功率输出，这些细菌是首次报道的从阴极生物膜分离的无机营养菌。Parot等人从海水富集阴极生物膜成功分离到嗜盐菌属(Halomonas)和玫瑰杆菌属(Roseobacter)细菌并具有氧气还原催化活性，发现了铁卟啉吸附在电极表面介导氧气还原，另外该研究小组从乙酸钠供给的阳极生物膜上分离到肠杆菌属(Enterobacter)和假单胞菌属(Pseudomonas)菌株也具有电化学氧气还原活性。

关于氧气还原纯培养微生物的报道很多，这些报道中的菌分布在不同的系统分类单元中(α-、β-、γ-变形菌纲、放线菌亚纲、芽孢杆菌纲、产黄菌属和鞘脂杆菌纲)。

目前缺少利用微生物氧气还原作用来进行除氧处理的技术与设备。

发明内容

针对上述现有技术中存在的问题，本发明的目的在于提供一种可避免出现上述技术缺陷的用于油田废水快速除氧的生物电化学反应器。

为了实现上述发明目的，本发明提供的技术方案如下：

一种用于油田废水快速除氧的生物电化学反应器，包括内部中空的反应器本体，反应器本体包括由下而上依次连接的进水部、底部阴极区域部、阳极区域部、上部阴极区域部和顶部主体，顶部主体内设置有溢流堰和三相分离器；底部阴极区域部和阳极区域部上均开设有参比电极开口；底部阴极区域部与阳极区域部之间、阳极区域部与上部阴极区域部之间均设置有一个分隔板；底部阴极区域部和上部阴极区域部内均设置有阴极和钛丝；阳极区域部内设置有阳极和钛丝。

进一步地，进水部、底部阴极区域部、阳极区域部、上部阴极区域部和顶部主体由下而上通过连接法兰依次连接。

进一步地，顶部主体上端连接有顶部法兰，三相分离器的上部固定在顶部法兰上，三相分离器的下部位于顶部主体内，顶部主体上开设有与溢流堰相连通的出水口。

进一步地，阴极采用泡沫镍制成。

进一步地，泡沫镍的厚度为0.5～1mm，长为15～18cm，宽为10～12cm。

进一步地，阳极采用碳刷。

进一步地，碳刷的直径为45～50mm，碳刷整体长度12～15cm，单个碳刷上面碳纤维的重量是3.5～4.5g。

一种用于油田废水快速除氧的生物电化学反应器系统，包括所述的两个生物电化学反应器、溶氧检测仪、电压控制器、搅拌罐和加药罐，每个生物电化学反应器内均设置有溶氧探头，溶氧探头与溶氧检测仪通过导线相连接；电压控制器分别与两个生物电化学反应器的阴极和阳极电连接，加药罐与第一个生物电化学反应器的进水口通过管道相连接，第一个生物电化学反应器的进水口通过管道与第二个生物电化学反应器的取样口相连接，第二个生物电化学反应器的进水口与搅拌罐通过管道相连接，第一个生物电化学反应器的取样口通过管道与搅拌罐相连接。

进一步地，连接在加药罐与第一个生物电化学反应器的进水口之间的管道上设置有单向阀和加药泵。

本发明提供的用于油田废水快速除氧的生物电化学反应器，通过生物电化学装置高效地对氧气进行分阶段去除，从而能够在较短时间内(≤1h)获得较高的氧气去除率，从而避免氧气对管道的腐蚀作用，可以很好地满足实际应用的需要。

附图说明

图1为本发明的结构示意图；

图2为顶部主体的顶视图；

图3为上部阴极区域部的结构示意图；

图4为上部阴极区域部的顶视图；

图5为阳极区域部的结构示意图；

图6为反应器不同位置的溶解氧浓度变化曲线图；

图7为不同溶解氧浓度进水的反应器不同位置的溶解氧浓度变化曲线图；

图8为两个生物电化学反应器串连在一起的示意图；

图中，1-进水口，2-连接法兰，3-参比电极开口，4-分隔板，5-取样口，6-三相分离器，7-顶部法兰，8-溢流堰，9-出水口，10-顶部主体，14-阴极，15-阴极钛丝，16-法兰，18-阳极，19-阳极钛丝，20-单向阀，21-循环泵，22-加药泵，a-底部阴极区域部，b-阳极区域部，c-上部阴极区域部。

具体实施方式

为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，下面结合附图和具体实施例对本发明做进一步说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

如图1-图5所示，一种用于油田废水快速除氧的生物电化学反应器，包括内部中空的反应器本体，反应器本体包括由下而上通过连接法兰2依次连接的进水部、底部阴极区域部a、阳极区域部b、上部阴极区域部c和顶部主体10，进水部上开设有进水口1，顶部主体10上端连接有顶部法兰7，顶部主体10内设置有溢流堰8。顶部法兰7上固定有三相分离器6，三相分离器6的上部固定在顶部法兰7上，三相分离器6的下部位于顶部主体10内腔中。顶部主体10上开设有与溢流堰8相连通的出水口9。底部阴极区域部a的壁上位于壁高三分之二高处开设有一个参比电极开口3。阳极区域部b的壁上位于壁高三分之二高处开设有一个参比电极开口3。反应器本体内设置有两个分隔板4，底部阴极区域部a与阳极区域部b的连接处设置有一个分隔板4(分隔板4被连接法兰2夹住从而固定在底部阴极区域部a与阳极区域部b之间)，阳极区域部b与上部阴极区域部c的连接处设置有一个分隔板4(分隔板4被连接法兰2夹住从而固定在阳极区域部b与上部阴极区域部c之间)。上部阴极区域部c上开设有两个取样口5，取样口5具体位置可根据需要进行调整。

底部阴极区域部a和上部阴极区域部c内均设置有阴极14和阴极钛丝15，阴极14采用泡沫镍制成，泡沫镍的尺寸为厚度0.5～1mm，长为15～18cm，宽为10～12cm。阴极钛丝15直径为0.8mm，泡沫镍与阴极钛丝15之间采用物理连接，泡沫镍具有较高的比表面积及较低的价格，且能够起到较好的催化作用。同时在构造上选择弯曲折叠的形式，能够有效地提高单位体积内的比表面积。阴极钛丝15插入阴极14内。

阳极区域部b内设置有阳极18和钛丝19，阳极18采用碳刷，碳刷的直径为45～50mm，碳刷整体长度12～15cm，碳纤维被两根钛丝固定住，每个碳刷上面的碳纤维用量采用重量来进行控制，单个碳刷上面碳纤维的重量是3.5～4.5g，钛丝19作为导线与碳刷顶部的钛丝连接，碳纤维具有良好的比表面积，能够富集大量的微生物，同时具有良好的导电性。

高溶解氧废水从进水口1进入反应器本体中，经过底部阴极区域部a进入中部的阳极区域部b(底部阴极区域部a与阳极区域部b采用连接法兰2进行连接以保证密封)，通过参比电极开口3放置参比电极，参比电极开口3的内径为10mm，参比电极可以用来作为该位置处的阴阳电极的对照，用来测定阴阳两极的电势。水流从底部阴极区域部a进入阳极区域部b、从阳极区域部b进入上部阴极区域部c时均需要经过分隔板4，分隔板4保证阴阳极分隔开同时起到布水板的作用，分隔板4位于连接法兰2中间固定。通过取样口5采集样品，取样口5的内径为10mm。三相分离器6在本设计中用来分离气体与液体，高溶解氧废水经过三相分离器6进入到溢流堰8，在溢流堰8处实现溢流出水，然后经过出水口9从反应器本体排出，气体则经过三相分离器6排出。

在室温35±5℃条件下，实验采用的废水取自江苏油田的回注水，实验过程中采用蠕动泵控制水力停留时间为0.5h，泵速为100rpm，此时的流量是72mL/min。控制进水溶解氧浓度在4-5mg/L左右。运行过程中控制外电压0.9V。

阳极18的碳刷经过预处理后使用，将新的碳刷浸泡在丙酮中24小时，取出后放在马弗炉中在450℃条件下灼烧30min，然后取出冷却到室温。泡沫镍可以不用经过预处理，直接按照实施方案中的尺寸进行裁剪，然后使用。

图6为进水溶解氧浓度接近5mg/L的运行结果，初期运行效果，在进水溶解氧浓度接近5mg/L的情况下出水的溶解氧浓度可以达到0.05mg/L。下部阴极除氧效率最高贡献65％。主要的溶解氧去除过程发生在阴极，阳极上的溶解氧去除效果最差，整体溶解氧去除率为99％。

图7为进水溶解氧浓度在7mg/L左右时的运行结果，水停留时间为0.67h，运行过程中控制外电压0.9V。出水的溶解氧浓度可以达到0.03mg/L，溶解氧去除率99.6％。

如图8所示，两个生物电化学反应器可以连接在一起形成一个生物电化学反应器系统来使用，该生物电化学反应器系统还包括溶氧检测仪、电压控制器、搅拌罐和加药罐。溶氧检测仪分别检测两个生物电化学反应器的底部阴极区域部a、阳极区域部b和上部阴极区域部c的溶氧浓度，电压控制器分别与两个生物电化学反应器的阴极14和阳极18电连接，加药罐与第一个生物电化学反应器的进水口1通过管道(该管道上设置有单向阀20和加药泵22)相连接，第一个生物电化学反应器的进水口1通过管道(该管道上设置有单向阀20)与第二个生物电化学反应器的取样口5相连接，第二个生物电化学反应器的进水口1与搅拌罐通过管道(该管道上设置有循环泵21)相连接，第一个生物电化学反应器的取样口5通过管道与搅拌罐相连接。两个生物电化学反应器的底部阴极区域部a、阳极区域部b和上部阴极区域部c内均设置有一个溶氧探头，溶氧探头与溶氧检测仪通过导线相连接；溶氧探头通过反应器壁上开的孔插进反应器内之后用密封圈密封。

本发明的这种生物电化学相结合的方式能够实现在阴极的快速氧气消耗，因此可以作为油田高溶解氧废水的处理手段，可以降低回注水中氧气对管路的腐蚀，可以有利于降低油田回注水工艺的管理运行费用。

以上所述实施例仅表达了本发明的实施方式，其描述较为具体和详细，但并不能因此而理解为对本发明专利范围的限制。应当指出的是，对于本领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明构思的前提下，还可以做出若干变形和改进，这些都属于本发明的保护范围。因此，本发明专利的保护范围应以所附权利要求为准。

Claims (7)

1.一种用于油田废水快速除氧的生物电化学反应器，其特征在于，包括内部中空的反应器本体，反应器本体包括由下而上依次连接的进水部、底部阴极区域部、阳极区域部、上部阴极区域部和顶部主体，顶部主体内设置有溢流堰和三相分离器；底部阴极区域部和阳极区域部上均开设有参比电极开口；底部阴极区域部与阳极区域部之间、阳极区域部与上部阴极区域部之间均设置有一个分隔板；底部阴极区域部和上部阴极区域部内均设置有阴极和钛丝；阳极区域部内设置有阳极和钛丝；阴极采用泡沫镍制成；阳极采用碳刷；利用底部阴极区域部、阳极区域部、上部阴极区域部对氧气进行分阶段去除。

2.根据权利要求1所述的用于油田废水快速除氧的生物电化学反应器，其特征在于，进水部、底部阴极区域部、阳极区域部、上部阴极区域部和顶部主体由下而上通过连接法兰依次连接。

3.根据权利要求1所述的用于油田废水快速除氧的生物电化学反应器，其特征在于，顶部主体上端连接有顶部法兰，三相分离器的上部固定在顶部法兰上，三相分离器的下部位于顶部主体内，顶部主体上开设有与溢流堰相连通的出水口。

4.根据权利要求1所述的用于油田废水快速除氧的生物电化学反应器，其特征在于，泡沫镍的厚度为0.5～1mm，长为15～18cm，宽为10～12cm。

5.根据权利要求1所述的用于油田废水快速除氧的生物电化学反应器，其特征在于，碳刷的直径为45～50mm，碳刷整体长度12～15cm，单个碳刷上面碳纤维的重量是3.5～4.5g。

6.一种用于油田废水快速除氧的生物电化学反应器系统，其特征在于，包括两个生物电化学反应器、溶氧检测仪、电压控制器、搅拌罐和加药罐，每个生物电化学反应器内均设置有溶氧探头，溶氧探头与溶氧检测仪通过导线相连接；电压控制器分别与两个生物电化学反应器的阴极和阳极电连接，加药罐与第一个生物电化学反应器的进水口通过管道相连接，第一个生物电化学反应器的进水口通过管道与第二个生物电化学反应器的取样口相连接，第二个生物电化学反应器的进水口与搅拌罐通过管道相连接，第一个生物电化学反应器的取样口通过管道与搅拌罐相连接；所述生物电化学反应器为权利要求1-5任一项所述的用于油田废水快速除氧的生物电化学反应器。

7.根据权利要求6所述的用于油田废水快速除氧的生物电化学反应器系统，其特征在于，连接在加药罐与第一个生物电化学反应器的进水口之间的管道上设置有单向阀和加药泵。

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