CN202265477U

CN202265477U - 电化学氧化协同紫外线和超声波技术的油田污水灭菌装置

Info

Publication number: CN202265477U
Application number: CN2011203688424U
Authority: CN
Inventors: 温镜新; 莫光权
Original assignee: JINCHUAN ENVIRONMENTAL PROTECTION EQUIPMENT CO Ltd
Current assignee: JINCHUAN ENVIRONMENTAL PROTECTION EQUIPMENT CO Ltd
Priority date: 2011-09-30
Filing date: 2011-09-30
Publication date: 2012-06-06
Anticipated expiration: 2021-09-30

Abstract

本实用新型专利公开了一种电化学氧化协同紫外线和超声波技术的油田污水灭菌装置，属于油田开采及生产的污水处理技术领域。该装置具体包括如下部分：（1）电解氧化室；（2）超声波-紫外线复合处理室。该装置的主要特点：（1）利用电化学氧化室内产生的有效氯初步灭菌；（2）余氯协同超声波空化作用和紫外线照射彻底灭菌；（3）处理后水体中的余氯持续灭菌；（4）电解产生的氯气协同超声空化作用防止紫外线灭菌灯的石英套管表面积垢。

Description

电化学氧化协同紫外线和超声波技术的油田污水灭菌装置

技术领域

本实用新型专利涉及一种电化学氧化协同紫外线和超声波技术的油田污水灭菌装置，属于油田开采及生产的污水处理技术领域。

背景技术

石油的开采和利用是我国国民经济的高速发展的重要源泉。随着我国新型工业化道路的不断深入，目前，全国大部分油田已经逐渐进入二次开采时期。油田开采进入二次采油阶段后，油田注水工作贯穿于油田开发的全过程，涵盖了采出液处理，污水净化，污水回注等许多工作。在这个过程中，注水开发是提高油田最终采收率和开发效益的重点。油田注水开发处理技术以及管理水平直接影响油田开发的最用收益。实践证明，作为注水源头的水体，水质是实现油田高效开发的关键。注水水质不但对水驱油藏的效果，有着重要影响，而且还影响着水处理和注水系统的运行效率和使用寿命，这些都将最终体现在注水开发的效率上。

在二次开采的初期，各大油田的注水水源都是以清水为主。例如，胜坨油田最早从1966年开始采用清水灌注二次开发油田。到了20世纪70年代后期，各大油田进入高含水期，油田在清水灌注二次开采的过程中产生了大量的油田污水。为了解决污水出路，节约水资源，油田采出水作为油田注水主要水源进行处理后再回注利用。油田采出水和清水是两种水性截然不同的水源。油田采出水矿化度高，有害微生物含量大，水质复杂。在初期油田采出污水回注过程中，由于对采出污水的水性认识不足以及水处理技术不成熟，导致注入水恶化，或者配伍性差造成油层污染，地面设施腐蚀，地下油层缝隙堵塞，地质结构破坏，给油田生产带来了重大影响。因此，注水水质的净化处理技术成为制约油田二次开采效率的核心，注水开发的效益直接决定了油田开采的效益。

经过多年油田污水处理技术开发实践，逐渐形成了适应不同水源，不同水质的多种污水处理净化工艺技术。目前油田污水比较典型的处理工艺和方法，主要有加药混凝，絮凝沉降、过滤；或者加药混凝、气浮、过滤等方法。上述方法和工艺在实际应用中已经得到广泛使用，工艺也比较成熟，但是这些方法任然存在许多致命的缺陷。这些缺陷包括：（1）水体残余油垢仍然量大，处理困难；（2）处理过程大量投加药物使水体高度富营养化，这种富营养化的处理水回注到地层后成为地下各种有害生物菌群的营养物，加速菌落繁殖，繁殖代谢物导致油层缝隙堵塞，破坏地质结构；（3）杀菌投药的反复使用最终导致有害菌落变异，产生抗药性，增加处理难度；（4）重力过程投加大量的絮凝剂会与高度矿化的采出水反应产生大量的沉淀，从而导致污泥量增加，提高了处理成本和难度；（5）大量的投加沉淀剂、絮凝剂等化学药品导致设备和管网表面结构并破坏设备，堵塞管网，严重降低了系统使用寿命。传统回注水处理工艺中的这些缺陷严重制约了当今油田开采行业的可持续发展。

发明内容

本实用新型的目的是提供一种电化学氧化协同紫外线和超声波技术的油田污水灭菌装置，该装置达到灭菌效果高效持久，无抗药性，降低系统污泥产量少，防止设备和管网结垢以及紫外线杀菌灯的石英套管表面结垢的目的。

本实用新型的技术方案是，在现有紫外线灭菌灯，阳极,阴极,超声波换能器的基础上，本实用新型有一个含有进水口和出水口的壳体，壳体内的前半部分是含有阳极及阴极的电解室，壳体内的后半部分是一个由紫外线灭菌器和超声波换能器组成的紫外线——超声波复合式灭菌室，紫外线灭菌灯置于圆柱形石英套管内组成紫外线灭菌器并安装在壳体内与外部镇流器电源相连，安装在壳体内的超声波换能器与外部超声波电源相连。

以上所述装置的前半部分的电解室与后半部分的紫外线-超声波复合式灭菌室可以在同一整体内，也可以是两个互相独立的单元通过管道连接组成的成套装置。

本实用新型所述电解的电流密度范围是：5 ～3000 A/m²，紫外线的波长范围是：100 ～ 400 nm，超声波的频率范围是：20～ 500 KHz；

以上所述电解设备，其最优电流密度范围是：5 ～ 800 A/m²，所述紫外线技术，其最优波长范围是：185～254 nm，所述超声波的最优频率范围是：20～100 KHz。

本实用新型主要针对油田污水处理传统工艺中的不足和缺陷，将紫外线技术，超声波技术和电化学氧化技术这三种技术有机结合，利用这三者的协同效应来实现水体净化彻底，灭菌高效持久以及防止设备，管网结垢的目的，为高效开发油田污水提供新的新的思路。

电化学氧化技术是一种高效无污染的新型技术，其原理是在电解槽中，直流电通过电极和电解质，在两者接触的界面上发生电化学反应的过程。电极通电时，阳离子向阴极移动，在阴极得到电子，被还原；阴离子向阳极移动，在阳极失去电子，被氧化。在一定的电位下，阳极表面的物质根据其电解电势的高低，由低到高依次反应。电势越低的物质，还原性越强，最先被氧化。电化学氧化技术已广泛用于有色金属冶炼、氯碱和无机盐生产以及有机化学工业。此外，电化学氧化技术还因其能够使电极在较高的点位下氧化一些分子量大，结构复杂的有机物而被应用于污水处理领域。

超声波技术是一种目前广泛用于各行各业的声波技术。超声波是指振动频率大于20000 Hz以上的，超出了人耳听觉的上限的声波。当超声波在介质中传播时，由于超声波与介质的相互作用，使介质发生物理的和化学的变化，从而产生一系列力学的、热学的、电磁学的和化学等超声效应。这些效应包括以下4种效应：（1）机械效应；超声波的机械作用可促成液体的乳化、凝胶的液化和固体的分散。（2）热效应；由于超声波频率高，能量大，被介质吸收时能产生显著的热效应。（3）化学效应。超声波的作用可促使发生或加速某些化学反应。（4）空化作用；超声波作用于液体时可产生大量小气泡。一个原因是液体内局部出现拉应力而形成负压，压强的降低使原来溶于液体的气体过饱和，而从液体逸出，成为小气泡。另一原因是强大的拉应力把液体“撕开”成一空洞，称为空化。空洞内为液体蒸汽或溶于液体的另一种气体，甚至可能是真空。因空化作用形成的小气泡会随周围介质的振动而不断运动、长大或突然破灭。破灭时周围液体突然冲入气泡而产生高温、高压，同时产生激波。在超声波空化作用下，小气泡界面处可产生高达1900~5200 K的高温和超过50 MPa的高压，温度变化率可达10% k/s，并伴有强烈的冲击波和时速高达400 km/h的射流，这些条件既可破坏化学健降解的有机污染物，又能有效的杀灭普通的微生物细菌。

紫外线杀菌消毒原理是利用适当波长的紫外线能够破坏微生物机体细胞中的DNA(脱氧核糖核酸)或RNA(核糖核酸)的分子结构，造成生长性细胞死亡和(或)再生性细胞死亡，达到杀菌消毒的效果。经试验，紫外线杀菌的有效波长范围可分为四个不同的波段：UVA（400～315nm）、UVB（315～280nm）、UVC（280～200nm）和真空紫外线（200～100nm）。其中能透过臭氧保护层和云层到达地球表面的只有UVA和UVB部分。就杀菌速度而言，UVC处于微生物吸收峰范围之内，可在1s之内通过破坏微生物的DNA结构杀死病毒和细菌，而UVA和UVB由于处于微生物吸收峰范围之外，杀菌速度很慢，往往需要数小时才能起到杀菌作用，在实际工程的数秒钟水力停留（照射）时间内，该部分实际上属于无效紫外部分。因此，给排水工程中所说的紫外光消毒实际上就是指UVC消毒。紫外线消毒技术是基于现代防疫学、医学和光动力学的基础上，利用特殊设计的高效率、高强度和长寿命的UVC波段紫外光照射流水，将水中各种细菌、病毒、寄生虫、水藻以及其他病原体直接杀死，达到消毒的目的。研究表明，紫外线主要是通过对微生物(细菌、病毒、芽孢等病原体) 的辐射损伤和破坏核酸的功能使微生物致死，从而达到消毒的目的。紫外线对核酸的作用可导致键和链的断裂、股间交联和形成光化产物等，从而改变了DNA的生物活性，使微生物自身不能复制，这种紫外线损伤也是致死性损伤。紫外线消毒是一种物理方法，不向水中增加任何物质，没有副作用。

本实用新型的前置步骤中，由于油田污水矿化度高，含有大量的氯离子，电解氧化过程能够在阳极产生氯气，阳极的反应方程式如下：

2Cl^－－ 2e^－＝ Cl₂↑ (1)

其中一部分氯气会迅速与阳极附近的氢氧根离子反应得到次氯酸根离子，反应的离子方程式如下：

Cl₂ ＋ 2OH^－＝ Cl^－＋ ClO^－＋ H₂O (2)

阳极电解过程产生的氯气以及进一步得到的次氯酸根离子都是有效氯，能够杀灭水体中的部分有害微生物菌种。此外，高电位下，阳极表面的氧化过程还可进一步氧化分解油田采出水中的残余油污和有机污染物净化水体。

电解阴极反应：

2H₂O+2e→H₂ ^↑+2 OH (EO＝－0.8272V)

产生大量的均匀、密集分布的微小气泡氢气，具有很好的气浮除油效果。

超声氧化反应：

H₂O→H·+·OH

HO·+ HO·→H₂O₂

有机污染物 + H₂O₂→CO₂+ H₂O

在超声化学氧化和电化学氧化过程中产生的新生态氧化性物质如Cl₂,O₂, ·OH, C1O-等强氧化剂，本实用新型的后置步骤中，含有残余有效氯的水体流入含超声波和紫外线技术的复合式杀菌系统中，利用残余有效氯协同超声波空化作用和紫外线照射进一步彻底杀灭有害菌种。超声波的空化作用能够在水体中形成瞬间的高温、高压和射流，紫外线可以破坏微生物的生理功能，这两种作用协同残余有效氯能够在瞬间彻底杀灭水体中的各种细菌、病毒、寄生虫、水藻以及其他病原体，达到灭菌消毒的目的。可以将细菌彻底氧化、分解，不存在细菌对普通杀菌剂产生抗药性的问题。

与此同时，水体中残留的部分氯气能够与紫外线灭菌灯的石英套管表面积累的污垢（主要含氢氧化钙和氢氧化镁等沉淀）发生化学反应即生成可溶性的盐减少积垢，有生成次氯酸根离子补充有效氯，反应的方程式如下：

2Cl₂ ＋ 2Ca(OH)₂＝ CaCl₂＋ Ca(ClO)₂ ＋ 2H₂O (3)

2Cl₂ ＋ 2Mg(OH)₂＝ CaCl₂＋ Mg(ClO)₂ ＋ 2H₂O (4)

同时在超声波的热效应，机械效应以及空化作用下，能都迅速持续的进行从而极大的避免了系统积垢问题，提高了超声波和紫外线技术的复合式杀菌系统的石英套管的透光率，从而进一步提高系统的灭菌效果。

最后，超声波和紫外线技术的复合式杀菌系统流出的水体仍然含有一定浓度的有效氯，这些残余有效氯能够对油田回注水输送管网进行持续灭菌，彻底杀灭和抑制整个系统中的有害微生物，包括硫酸盐还原菌（SRB），黏泥生成菌（TGB）和铁细菌（FB）等有害菌种。考虑到余氯对管网有一定的腐蚀，所以输送管网中的余氯量为0.05~5 mg/L比较合适。

本实用新型与现有技术相比有如下显著效果

（1）杀菌消毒高效迅速持久，主要危害菌种：硫酸盐还原菌（SRB），黏泥生成菌（TGB）和铁细菌（FB）得到有效杀灭及持久抑制；

（2）处理过程污泥产量明显减少，基本无有害淤泥沉淀出来；

（3）可避免设备及管网结垢现象，石英套管表面无积垢现象；

（4）经过灭菌处理后的污水还含有少量的余氯量，继续对地下层渗透和灭菌，增加地下层的渗透率，减少地层的堵塞，降低注水压力。

（5）本实用新型可操作性强，环境效益显著，经济及社会效益明显。

附图说明

附图1是本实用新型一体式构造示意图；

附图2是本实用新型二体分室化横向装置构造示意图；

附图3是本实用新型二体分室化纵向装置构造示意图。

具体实施方式

以下结合具体的实施案例来对本实用新型作进一步的灭菌效果和除垢说明

实施案例1：

某油田污水站，来水质：指标为：pH = 6.1，溶解氧(DO)=1.046 mg/L，总铁：40 mg/L，二价硫：2.8 mg/L，悬浮物=53 mg/L，含油：156 mg/L，MF = 0，SRB = 10³个/ml,TGB = 10³个/ml,FB=10³ 个/ml，平均腐蚀速度0.6901 mm/a ，来水水质表明含铁高，矿化度高，腐蚀结垢性强等特点。采用电化学氧化协同紫外线和超声波技术的油田污水灭菌装置处理该油田污水，处理流量为15 m³/h，紫外线的波长为：185 nm，超声波的频率为20 KHz，采用10对电极并联方式连接，每对阴、阳极的间距为7mm，阳极材料为钛，阴极材料为铂，阴极极板厚度为5 mm，电流密度为5 A/m²。

实施处理时，如附图一所示，油田污水由进水口12进入壳体1内，电源控制器4通过导线3与阳极2和阴极5相连，形成电解过程，对油田污水进行初步电化学氧化，电解产生的氯气转化为有效氯杀灭部分有害微生物细菌。然后，含有残余有效氯的污水再进入由紫外线灭菌灯6和超声波换能器9组成的复合灭菌系统。紫外线灭菌灯置于石英套管8内并通过导线与镇流器电源7相连，超声波换能器9通过导线与外部超声波电源10相连。紫外线-超声波复合处理后，油田污水由出水口11流出壳体1。油田污水经电化学氧化协同紫外线和超声波技术的油田污水灭菌装置净化处理后，污水中的还原性物质被氧化，硫酸盐还原菌（SRB），腐生菌（TGB）和铁细菌（IB）被完全杀灭，注水井口处水质的各项指标完全达到并优于中华人民共和国石油天然气行业标准SY/T5329-94的要求（见表1），显著的效果是各种菌类完全杀灭，腐蚀速度低，除硫能力强，费用低廉。上述实施案例中，经过运行处理后的测试结果表明，石英套管表面清洁，无结垢现象，处理效果明显。

表1

Figure DEST_PATH_RE-386345DEST_PATH_IMAGE001

实施案例2：

某油田污水站，来水质指标为：PH = 6.7 ，溶解氧=1.025 mg/ L，总铁：46 mg/ L，二价硫：3.6 mg/ L，悬浮物=54 mg/ L，含油：143 mg/ L，MF = 0 ，SRB = 10³ 个/ml,TGB = 10³ 个/ml,铁细菌=10³ 个/ml，平均腐蚀速度0.669 mm/a ，来水水质表明含铁高，矿化度高，腐蚀结垢性强等特点。

采用电化学氧化协同紫外线和超声波技术的油田污水灭菌装置处理该油田污水，处理流量为：110 m³/h，紫外线的波长为：253.7 nm，超声波的频率为250 KHz，采用12对电极并联方式连接，每对阴、阳极的间距为8毫米，阳极材料为钛，阴极材料为石墨，阴极极板厚度为：40 mm，电流密度为：800 A/m²。实施处理时，如附图二所示，油田污水由进水口12进入壳体1内，电源控制器4通过导线3与阳极2和阴极5相连，形成电解过程的独立的电解室13，对油田污水进行初步电化学氧化，电解产生的氯气转化为有效氯杀灭部分有害微生物细菌。然后，含有残余有效氯的污水再进入由镇流器7接通的紫外线灭菌灯6和超声波换能器9组成的复合灭菌系统。紫外线灭菌灯置于石英套管8内并通过导线与镇流器电源7相连，超声波换能器9通过导线与外部超声波电源10相连。紫外线-超声波复合式灭菌室14处理后，油田污水由出水口11流出壳体1。油田污水经电化学氧化协同紫外线和超声波技术的油田污水灭菌装置净化处理后，污水中的还原性物质被氧化，硫酸盐还原菌（SRB），腐生菌（TGB）和铁细菌（IB）被完全杀灭，污水站出水水质到注水井口处的各项指标完全达到并优于中华人民共和国石油天然气行业标准SY/T5329-94的要求（见表2），显著的效果是各种菌类完全杀灭，腐蚀速度低，除硫能力强，费用低廉。电解氧化油田污水中的有机污染物的同时，紫外线-超声波联合瞬间杀灭有害菌种，并进一步降解有害污染物。此外，超声波空化作用联合电解产生的氯气同步对紫外线灯外的石英套管进行清洁，解决套管表面积垢问题。上述实施案例中，经过运行处理后的测试结果表明，石英套管表面清洁，无结垢现象，处理效果明显。

表2

Figure DEST_PATH_RE-228399DEST_PATH_IMAGE002

实施案例3：

某油田污水站，来水质指标为：PH = 6.1 ，溶解氧=1.033 mg/ L，总铁：42 mg/ L，二价硫：2.5 mg/ L，悬浮物=52 mg/ L，含油：156 mg/ L，MF = 0 ，SRB = 10³ 个/ml,TGB = 10³ 个/ml，铁细菌=10³ 个/ml，平均腐蚀速度0.685 mm/a ，来水水质表明含铁高，矿化度高，腐蚀结垢性强等特点。

采用电化学氧化协同紫外线和超声波技术的油田污水灭菌装置处理该油田污水，处理流量为：200 m³/h，紫外线的波长为：400 nm，超声波的频率为：500 KHz，采用10对电极并联方式连接，每对阴、阳极的间距为16毫米，阳极材料为石墨，阴极材料为石墨，阳、阴极极板厚度为35 mm，电流密度为3000 A/m²实施处理时，如附图三所示，油田污水由进水口12进入壳体1内，电源控制器4通过导线3与阳极2和阴极5相连，形成独立电解室13的电解过程，对油田污水进行初步电化学氧化，电解产生的氯气转化为有效氯杀灭部分有害微生物细菌。然后，含有残余有效氯的污水再进入由紫外线灭菌灯7和超声波换能器9组成的复合灭菌系统。紫外线灭菌灯置于石英套管8内并通过导线与镇流器电源7相连，超声波换能器9通过导线与外部超声波电源10相连。紫外线-超声波复合式灭菌室14处理后，油田污水由出水口11流出壳体1。油田污水经电化学氧化协同紫外线和超声波技术的油田污水灭菌装置净化处理后，污水中的还原性物质被氧化，如Fe_x（OH）_m ^（3x-m）+和单体物质硫，硫酸盐还原菌（SRB），腐生菌（TGB）和铁细菌（IB）被完全杀灭。污水站出水水质到注水井口处的各项指标完全达到并优于中华人民共和国石油天然气行业标准SY/T5329-94的要求（见表3）。显著的效果是各种菌类完全杀灭，腐蚀速度低，除硫能力强，费用低廉。电解氧化油田污水中的有机污染物的同时，紫外线-超声波联合瞬间杀灭有害菌种，并进一步降解有害污染物。此外，超声波空化作用联合电解产生的氯气同步对紫外线灯外的石英套管进行清洁，解决套管表面积垢问题。上述实施案例中，经过运行处理后的测试结果表明，石英套管表面清洁，无结垢现象，处理效果明显。

表3

Figure DEST_PATH_RE-436657DEST_PATH_IMAGE003

Claims

1.电化学氧化协同紫外线和超声波技术的油田污水灭菌装置，它包括有紫外线灭菌灯，阳极,阴极，超声波换能器，其特征是：含有进水口和出水口的壳体，壳体内的前半部分是含有阳极及阴极的电解室，壳体内的后半部分是一个由紫外线灭菌器和超声波换能器组成的紫外线——超声波复合式灭菌室，紫外线灭菌灯置于圆柱形石英套管内组成紫外线灭菌器并安装在壳体内与外部镇流器电源相连，安装在壳体内的超声波换能器与外部超声波电源相连。

2.根据权利1要求所述的电化学氧化协同紫外线和超声波技术的油田污水灭菌装置，其特征在于：装置的前半部分的电解室与后半部分的紫外线-超声波复合式灭菌室可以在同一整体内，也可以是两个互相独立的单元通过管道连接组成的成套装置。

3.根据权利要求1所述的电化学氧化协同紫外线和超声波技术的油田污水灭菌装置，其特征在于：电解的电流密度范围是：5 ～3000 A/m²，紫外线的波长范围是：100 ～ 400 nm，超声波的频率范围是：20～ 500 KHz。